-
直冷式空冷机组在不同负荷阶段、不同环境工况下,入炉煤发热量的变化直接影响机组特性和效率[1]。目前,火电厂来煤不稳定且大多数燃用煤种均偏离设计煤种,严重影响着控制指标的品质和系统的稳定性[2-5]。对于机组控制系统来说,入炉煤质实时的变化影响着锅炉的燃烧状态,进而影响燃料控制系统。因此,燃料发热量校正回路(燃料BTU校正)是机组燃料控制系统设计中的一项重要内容[6]。
燃料BTU校正的基本思想是:根据实际煤发热量与设计煤种发热量的偏差来对燃料量进行补偿[7]。本文针对直冷式空冷机组,研究了一种基于机组负荷-压力动态模型的燃料BTU校正方法,实时校正锅炉的燃料量,进而消除入炉煤质变化对机组协调控制系统的影响。通过与传统BTU校正方法对比和对基于机组模型的燃料BTU校正方法进行机理分析,来说明该方法的特点,最后利用机组实际运行数据来进一步验证该方法的优点及实际应用中的有效性。
HTML
-
文献[10]中,在对空冷装置、汽轮机回热加热系统特性分析的基础上,结合水冷机组负荷-压力动态模型,引入汽轮机效率修正后建立了空冷机组的负荷-压力非线性动态模型,此类典型模型可以描述为:
((1)) ((2)) ((3)) ((4)) ((5)) ((6)) ((7)) 式中:uB为燃料量,kg/s;uT为汽轮机调门开度,%;pe为排汽压力,kPa。pt为机前压力,MPa;NE为机组负荷,MW;τ为制粉系统延迟时间,s;rm为实际进入磨煤量,kg/s;Tf为制粉系统惯性时间,s;rB为锅炉燃烧率,kg/s;Cb为锅炉蓄热系数,MJ/MPa;K3为汽轮机增益;K1为燃料增益;pd为汽包压力,MPa;K2为过热器压降系数;Tt为汽轮机惯性时间,s;K4为汽轮机效率修正系数;Tn为环境因素影响汽轮机效率的惯性时间,s;p1为汽轮机调节级压力,MPa。
式(1)和式(2)用来描述制粉系统的纯迟延和惯性,式(3)为锅炉能量平衡方程,式(4)描述的是过热器差压特性,式(5)为修正后的汽轮机能量平衡方程,式(6)用来计算汽轮机效率修正系数K4,式(7)用来描述汽轮机调节级压力。
式(1)~式(6)对应的模型结构如图1所示。图中F1(t)、F2(t)和F3(t)均为一阶惯性环节;F(x)和F1(x)分别拟合式(4)和式(6)中的幂函数。
模型中静态参数可由机组设计参数确定,动态参数需要利用燃料量及汽机高压调门扰动实验确定。在确定模型中参数后,模型输入参数即可计算得到机组负荷和机前压力的预测值。
-
在机组实际运行过程中,实际煤种发热量与设计煤种发热量相等时,机组实际负荷值与由机组负荷-压力模型得到的机组负荷预测值近似相等;当实际煤种发热量偏离设计煤种时,机组负荷实际值随实际煤种发热量等比例变化。机组负荷实际值NE(MW)与机组负荷预测值NEs(MW)的比值等于实际煤种发热量Qar(MJ/kg)与设计煤种发热量Qars(MJ/kg)的比值,即为BTU校正系数。对应的关系如式(8)所示。
((8)) 在控制系统设计中,依据机组模型和模型的输入信号,实时得到机组负荷预测值,利用机组负荷实际值除以机组负荷预测值得到BTU校正系数,从而实现实时校正锅炉的燃料量,消除煤发热量变化对整个控制系统的影响。
基于模型的燃料BTU校正方法,调整的是进入锅炉的实际燃料量,其作用与机组协调控制系统中锅炉主控调整燃料量相同,若两者同时参与调整,将会使系统产生耦合,导致系统不稳定。因此,在控制系统设计时,BTU校正逻辑中应加入低通滤波器,使得BTU校正的频率范围低于锅炉主控调节指令的频率范围,保证控制系统稳定运行。
近年来对机组负荷-压力动态模型研究的深入,使得基于模型的BTU校正方法可以忽略燃料量、汽轮机调门开度和排汽压力对机组负荷预测值的影响,只考虑煤种实际发热量对负荷预测值的影响,可以有效的减小校正信号的误差。
相对于传统的BTU校正方法,基于模型的燃料BTU校正方法,能根据实际煤种发热量的变化,实时校正进入锅炉的燃料量;能很好的适应煤质频繁波动的情况,保证整个控制系统的稳定。
-
在这里,进行变煤质模拟实验,即模拟煤发热量发生突变的情况下,该基于模型燃料BTU校正方法的正确性。通过改变负荷-压力动态模型中的燃料增益K1来间接实现煤发热量的改变[11]。
当煤发热量发生突变时,机组实际负荷随着发热量的改变而改变,如图2和图3所示。在t=200 s时,煤发热量由19.42 MJ·kg-1突变至17.05 MJ·kg-1;同时机组负荷由最初的600 MW经过一个响应过程最后稳定在534.5 MW。
实际煤种发热量与设计煤种发热量之比为17.05/19.42≈0.88;机组负荷实际值与机组负荷预测值之比为534.5/600≈0.89。可见,由机组负荷比值得到的BTU校正系数同由煤种发热量比值得到的近似相等。因此,机组负荷实际值与机组负荷预测值的比值能够反映煤发热量的变化,得到的BTU校正系数能准确反映实际情况。
-
针对DTII电厂600 MW直冷式空冷机组,模型中参数可根据设计参数和扰动实验确定[12-13]。模型可描述为:
((9)) ((10)) ((11)) ((12)) ((13)) ((14)) ((15)) 控制系统中投入燃料BTU校正的逻辑,截取现场的实时运行数据,检验该BTU校正方法的有效性。工况Ⅰ:取煤质频繁变化情况下,机组的实时运行数据,机组负荷的实际值和预测值如图4中所示;对应的BTU校正系数如图5中所示,机前压力实际值与预测值如图6中所示。
图4中模型负荷预测值同机组负荷实际值的变化趋势一致且均低于机组负荷实际值;得到的BTU校正系数变化范围在1.00~1.15之间。图6中模型的预测值与机前压力实际值变化趋势一致,机组机前压力控制品质较好,验证了该BTU校正方法的有效性。
工况Ⅱ:取煤质较稳定情况下机组的实时运行数据,机组负荷的实际值和预测值如图7中所示,对应的BTU校正系数如图8中所示;机前压力实际值与预测值如图9中所示。
图7和图9中机组负荷预测值与机组负荷实际值、机组机前压力预测值与实际值曲线基本保持一致。图8中BTU校正系数在0.97~1.03之间,基本保持不变,与实际工况相符;BTU校正系数接近于1表明实际煤种的发热量与设计煤种发热量近似相等。
空冷机组排汽压力的波动会对协调控制系统带来影响。工况Ⅰ和工况Ⅱ中排汽压力基本不变。在此,截取排汽压力波动较大时的运行数据进行验证。工况Ⅲ:取排汽压力急剧下降,煤质较稳定时的运行数据,排汽压力变化曲线如图10所示;机组负荷的实际值和预测值如图11中所示,对应的BTU校正系数如图12中所示,机前压力实际值与预测值如图13中所示。
在排汽压力变化较大的情况下,图11和图13中机组负荷和机前压力控制品质良好。BTU校正系数在0.95~1.05之间,与实际煤质稳定的情况符合。