功煤比及热耗在火电厂协调控制系统中的应用

刘永红，陈二宁（大唐韩城第二发电有限公司，陕西 韩城 715400）

功煤比及热耗在火电厂协调控制系统中的应用

刘永红，陈二宁（大唐韩城第二发电有限公司，陕西 韩城 715400）

Application of Power Coal Ratio and Heat Consumption in Coordinated Control System in Power Plant

影响火电厂锅炉主汽压力的因素很多，导致在变负荷工况，压力大幅度波动，燃烧恶化，利用功煤比及热耗方案能使变负荷过程中主汽压力动态偏差大幅减小，自动调节品质达到了规程的优良指标。本技术成果介绍了功煤比及热耗的逻辑计算和切换方法，稳态触发脉冲逻辑设计及在生产现场中的应用。

协调；功煤比；热耗；稳态触发脉冲

1　引言

当前各火力发电厂为节约成本，均不同程度地开展配煤掺烧工作，购进的煤种比较复杂，煤质变化比较大，同时为满足环保要求以及电网对一次调频和AGC（Automatic Generation Control，自动发电量控制）的要求越来越严，导致锅炉主汽压力波动普遍较大，特别是在变负荷工况，这个问题尤显突出。而火力发电厂控制系统最重要的参数之一就是主汽压力，主汽压力波动可能会造成风量、主蒸汽温度、氧量、炉膛负压、给水等大幅波动，因此主汽压力的稳定与否，决定机组稳定燃烧的程度。

常规的协调控制系统对于压力的控制一般由锅炉主控来实现，锅炉主控把负荷指令函数作为前馈，在升降负荷时可以起到一个煤量粗调的作用，通过主蒸汽压力偏差PID的输出修正煤量作为细调。机组在实际运行时，很难保证所投入煤种的发热量与设计煤种相同（体现在负荷指令对应的煤量函数），特别在负荷升降阶段，负荷指令函数很难准确给定目标负荷所需煤量，只有被动地通过主蒸汽压力的反复波动，通过压力PID来修正煤量，最终找到新的煤量平衡点。

传统协调控制系统没有考虑煤质频繁变化对机组主汽压力、功率等重要参数的影响，也没有因煤质变化而对控制策略做相应改变。因此，传统的协调控制已经难以满足新形势对控制系统的要求，急需新的智能控制来提升协调控制能力。

协调优化控制技术作为当前研究的热点和难点一直被各个发电集团、科研院所、国内外厂商所关注，无一例外地采用先进的控制技术，如：预测控制、神经网络控制、自适应控制等技术，应用到火电机组的优化控制中来，并且开发出各种高级智能算法和控制方案，因此对控制平台提出了更高的要求。由于常规的DCS（Distributed Control System，分布式控制系统）无法满足智能算法的应用环境，因此大多采用独立于DCS系统之外的一套独立协调优化控制平台来实现上述功能。

本技术未采用独立于DCS系统之外的优化平台，而是利用电厂DCS系统常用模块来实现。通过逻辑判断、适时切换和精确计算，能够对升降负荷目标值煤量进行精确控制，从而避免在变负荷阶段压力的大幅波动，保证了燃烧的稳定。具体方案是通过在稳态寻找功率和煤量的比值关系，并实时修正，使之能满足煤质的变化。当负荷发生变化后，由于在升降负荷阶段，负荷和煤量都在变化，因此功煤比系数在这个阶段是保持不变的，利用升降负荷前的功煤比乘以负荷指令，就可算出实时负荷指令所需的准确煤量，并利用热耗系数进行修正。负荷对应的热耗函数是经权威机构做性能试验时得出的准确数据，虽然季节不同，热耗系数有所变化，但其在不同负荷段的比例关系是不变的，在稳态时热耗系数为1，在升降负荷的瞬间，保持稳态时的热耗参数，负荷指令到多少，就用实时的热耗系数除以稳态值得到热耗系数，再与保持的功煤比系数和负荷指令相乘，就得出实时负荷指令对应的准确煤量值。使用该种方法可以大幅提高机组对煤种的适应性，提高了机组闭环控制的稳定性和抗扰动能力。

该技术方案是通过保持某一稳定工况功率与煤量比值，在升降负荷阶段根据实时负荷指令算出所需的准确煤量并用能耗系数进行修正，经试验同实际完全吻合。在逻辑方案设计过程中重点解决了以下几个问题：

• 如何在煤量、负荷实时波动中，找出能代表稳定工况的功煤比；

• 如何保持前一个稳态负荷时的热耗参数和查找实时负荷所对应的热耗参数；

• 如何在到达负荷目标值后，保持煤量不变的情况下，重新计算出新的功煤比；

• 如何在到达负荷目标值后，原功煤比与新功煤比及热耗修正值的无扰切换问题。

只有把以上每个问题都通过逻辑的方法加以实现，并且确保每个步骤都能无缝衔接，新旧数值能够无扰切换，方案才是可行、完善的。

2　功煤比及热耗逻辑实现方案

该逻辑方案解决了功煤比计算问题，热耗计算问题，稳态触发脉冲逻辑设计，及到达稳态值后原功煤比与新功煤比的逻辑切换问题。

2.1总煤量及实际负荷（如图1所示）

图1逻辑中用到TRANSPORT模块

TRANSPORT是对模拟量输入点进行延时输出的算法模块。

控制延迟 ：DELAY = TSAM x NSAM，TSAM为设置的采样时间，NSAM 为采用的样本数，数值限制在 1 至 25 范围内，如有必要，可以将其它 TRANSPORT算法串到一起，获取更长的延迟时间。

利用三选中模块，设置平均值输出，把总煤量（实际负荷）在一段时间内的平均值输出来，第一个TRANSPORT设置的延迟时间DELAY=3分钟，第二个TRANSPORT设置的延迟时间DELAY=6分钟。

图1 总煤量及实际负荷的均值选择逻辑

燃煤量和实际负荷的平均值通过均值选择模块实现，均值选择模块包括TRANSPORT模块和MEDIANSELECT模块。其中TRANSPORT模块是对模拟量输入点进行延时输出的算法模块，MEDIANSELECT模块为中值（设置为均值功能）选择模块。

第一个TRANSPORT模块设置延时时间为3分钟，第二个TRANSPORT模块设置延时时间为6分钟。燃煤量或实际负荷经采集进入第一个TRANSPORT模块后，延时3分钟才输出，燃煤量或实际负荷经采集进入第二个TRANSPORT模块后，延时6分钟才输出。MEDIANSELECT模块将每6分钟的当前值、从第一个TRANSPORT模块输出的前3分钟数值、从第二个TRANSPORT模块输出的前6分钟数值进行取均后输出平均值，作为燃煤量或实际负荷在这段时间内的数值。

MEDIANSELECT模块设置报警参数，当当前燃煤量同3分钟前时刻和6分钟前时刻的数值差在5吨以上则报警，MEDIANSELECT模块的XALM=1；当当前实际负荷同3分钟前时刻和6分钟前时刻的数值差在10MW以上则报警，MEDIANSELECT模块的XALM=1。

为使功煤比能够真实反映煤质变化，需要机组处于稳定状态下。当前后时刻燃煤量的偏差值、前后时刻实际负荷的偏差值、前后时刻锅炉主汽压力的偏差值在设定范围内时，可判断出机组处于稳定状态，当机组处于稳定状态时发出稳态触发脉冲。在本实例中，前后时刻燃煤量的偏差值在5吨范围内、前后时刻实际负荷的偏差值在10MW范围内、前后时刻锅炉主汽压力的偏差值在±0.3MPa范围内时，机组处于稳定状态。

在前后时刻燃煤量的偏差值、前后时刻实际负荷的偏差值、前后时刻锅炉主汽压力的偏差值在设定范围内持续t1时间后，机组发出稳态触发脉冲。当稳态触发脉冲持续t2时间后，稳态触发脉冲消失，重新判断机组是否处于稳定状态。在本方案中，t1为8分钟，t2为2分钟。

2.2触发脉冲设计逻辑

如图2所示，当当前燃煤量同3分钟前时刻和6分钟前时刻的数值差在5吨范围内时，MEDIANSELECT模块的XALM=0，取非后为1，说明煤量稳定；当当前实际负荷同3分钟前时刻和6分钟前时刻的数值差在10MW范围内时，MEDIANSELECT模块的XALM=0，取非后为1，说明负荷稳定；锅炉主汽压力采样前后偏差在±0.3MPa内，HIGHLOWMON模块输出为0，取非后为1，说明主汽压力稳定。在燃煤量偏差和主汽压力偏差满足稳定后，通过AND模块1输出“1”，在经过上升沿触发延时模块2-1延时8分钟后进入AND模块3，在实际负荷偏差满足稳定后，经过上升沿触发延时模块2-2延时8分钟后进入AND模块3，AND模块3输出“1”，这样机组处于稳定状态8分钟时间后，机组发出稳态触发脉冲。

然而在实际调试中发现，由于主汽压力±0.3MPa、煤量偏差5吨、负荷偏差10MW范围时，有可能条件在满足的边界，导致触发脉冲一直满足，实时功煤比持续输出，可能造成功煤比波动较大，不具有代表性。为解决此问题，增加采样个数，延长采样时间，当稳态触发脉冲AND模块3输出持续为1时，通过上升沿触发延时模块4延时2分钟后进入AND模块1，AND模块1复位，重新判断机组是否处于稳定状态，即重新进行8分钟时间的计时，进入下一个采样触发脉冲循环。

稳态触发脉冲用于功煤比计算、热耗系数计算、煤量指令形成。只有在机组处于稳态时，即稳态触发脉冲存在时，功煤比的数值才真正代表煤质的变化。

2.3功煤比计算逻辑

如图2所示逻辑中用到RUNAVERAGE模块是以设置的采样间隔时间收集的许多样本进行求平均值的算法模块。 按用户指定的“时间单位”定期对输入（IN1）进行采样。

图2 稳态触发脉冲设计逻辑

在任何特定时间，输出均为N个样本的平均值，这些样本包括最近的样本和前N-1个样本。 每次采样时，将丢弃最旧的样本，将其替换为新样本。

逻辑中这两个模块内部参数均设置为5分钟的平均值，也就是实时输出前5分钟的变化值，由于当前值实时变化作为新样本的同时丢弃超过5分钟的旧样本，因此平均值始终在变化。

逻辑中用到的LEADLAG函数，是个非线性的超前/滞后函数。

如图3所示，将每时刻的燃煤量和实际负荷相除得到实时变化的功煤比。燃煤量和实际负荷的数值为多个时间点的平均值，功煤比的计算通过功煤比计算模块实现，包括除法模块、RUNAVERAGE模块、LEADLAG函数模块。除法模块用于燃煤量和实际负荷均值选择模块输出的燃煤量和实际负荷相除。

图3 功煤比计算逻辑

RUNAVERAGE模块是以设置的采样间隔时间内收集的样本进行求平均值的算法模块。在采样间隔时间内，输出均为N个样本的平均值，样本包括最近的样本和之前N-1个样本，每次采样时，丢弃时间最早的样本，将最新的样本补入。在本实施例中RUNAVERAGE模块的采样间隔时间设定为5分钟。

LEADLAG函数模块是非线性的超前/滞后函数模块，具有两个参数LEAD和LAG，当LEAD=0时，LAG>0时，该模块为滞后模块，用于平滑输入变化量。

燃煤量和实际负荷通过除法模块相除得到功煤比，功煤比输出值第一个RUNAVERAGE模块，其将功煤比数据处理后输出至切换块5的Y路输入端，切换块5输出端输出至第二个RUNAVERAGE模块，第二个RUNAVERAGE模块分别输出至切换块5的N路输入端以及LEADLAG函数模块，LEADLAG函数模块输出至切换块6的Y路输入端，切换块6输出端分别输出至切换块6的N路输入端和煤量指令形成模块。

稳态触发脉冲分别控制切换块5和切换块6的切换，当机组发出稳态触发脉冲时，功煤比能够反映煤质变化，切换块5和切换块6均为Y路导通，功煤比能够实时随燃煤量和实际负荷采样变化而变化，经过两个RUNAVERAGE模块以及LEADLAG函数模块处理后形成实时变化功煤比反映煤质变化。当稳态触发脉冲消失时，切换块5和切换块6均为N路导通，第二个RUNAVERAGE模块的输出至切换块5的N路输入端，将稳态触发脉冲消失瞬间的功煤比进行反复处理，切换块6的输出端输出至切换块6的N路输入端，经LEADLAG模块输出的功煤比被保持，并且输出至煤量指令形成模块用于煤量指令的计算。

2.4热耗系数计算逻辑

模块RATELIMIT算法是带固定速率限制和超出速率限制标志的速率限制器。如果输出的变化率小于或等于速率限制，则输出等于输入；如果输出的变化率大于速率限制，则输出变化限制为速率限制设置值。本逻辑中设置该参数，避免当稳态触发脉冲触发时，热耗系数大幅度变化。

表1中负荷指令对应的f（x）为性能试验时，经专业机构测试的机组热耗函数，由表中可以看出湿冷机组同空冷机组的热耗相差很大，逻辑中把热耗参数输入负荷指令LDCOUT对应的f（x）函数模块。

表1 大唐韩城第二发电厂600MW机组

在负荷指令变化时，取负荷指令所对应的热耗值与负荷指令变化瞬间的热耗值相除得到热耗系数。当机组发出稳态触发脉冲时，热耗系数为1，当机组稳态触发脉冲消失时，保持稳态触发脉冲消失瞬间的热耗值作为分母，将负荷指令所对应的热耗值作为分子。

如图4所示，热耗系数计算模块包括f(x)函数模块、RATELIMIT算法模块、LEADLAG函数模块、除法模块。

图4 热耗系数计算逻辑

f(x)函数模块用于根据负荷指令输出负荷指令所对应的热耗值，如表1所示，将表中空冷机组热耗参数和湿冷机组热耗参数分别输入各自机组控制系统中的f(x)函数模块中，当负荷指令变化时，f(x)函数模块根据负荷指令与总负荷的比值确定负荷率，根据负荷率输出的相应的热耗值f(x)函数模块将热耗值输出至除法模块作为分子，还将热耗值输出至切换块7的Y路输入端，切换块7的输出端输出至除法模块作为分母，切换块7的输出端还输出至切换块7的N路输入端。

当升降负荷负荷指令发生变化时，机组不处于稳定状态，稳态触发脉冲消失，切换块7的N路导通，f(x)函数模块随着负荷指令的变化输出不同的热耗值作为除法模块的分子，切换块7的输出端输出至N路输入端，即保持了稳态触发脉冲消失瞬间的热耗值，该热耗值被切换块7反复输出至除法模块作为分母，这样除法模块的分母一直保持为稳态触发脉冲消失瞬间的热耗值，分子为随负荷指令变化而变化的热耗值。

例如湿冷机组需要将负荷从600WM降至540WM，即负荷率从100%降至90%，此时稳态触发脉冲消失，切换块7的N路导通，600WM所对应的热耗值为7768被保持为分母，f(x)函数模块将600WM至540WM分为几段，例如分为600WM、580WM、560WM、540WM，600WM与540WM所对应的热耗值已知，f(x)函数模块按线性关系分别计算出580WM、560WM所对应的热耗值，分别将600WM、580WM、560WM、540WM所对应的热耗值与所保持的热耗值7768相除得到每段所对应的热耗系数，逐步控制热耗系数变化。

除法模块输出的热耗系数经过RATELIMIT算法模块、LEADLAG函数模块输出至煤量指令形成模块。

RATELIMIT算法模块为速率限制模块，如果输出的变化率小于或等于速率限制，则输出等于输入，如果输出的变化率大于速率限制，则输出变化率为速率限制值，避免当稳态触发脉冲触发时，热耗系数大幅变化。

当稳态触发脉冲触发时，切换块7的Y路导通，热耗系数会突然变为1，会使热耗系数变化过大，因此对切换块7变化率进行限制，触发脉冲触发几次后，才能使切换块7的Y路与输出相等，热耗系数逐渐变为1，避免在机组达到稳定状态时热耗系数大幅波动。

将负荷指令变化瞬间的功煤比与热耗系数以及负荷指令相乘得到负荷指令变化过程中所需的精确煤量。

2.5稳态煤量指令形成

在升降负荷时，负荷指令变化，机组不处于稳定状态，稳态触发脉冲消失，稳态触发脉冲消失瞬间的功煤比通过切换块6被保持并且反复输出，负荷指令所对应的热耗值与切换块7所保持的稳态触发脉冲消失瞬间的热耗值相除得到热耗系数，稳态触发脉冲消失瞬间的功煤比与热耗系数相乘后再与负荷指令相乘即可得到升降负荷阶段所需的精确煤量。

将精确煤量转换为煤量指令来控制给煤机的给煤量。通过所得到的精确煤量通过系数模块K转换为煤量指令。在升降负荷结束后，负荷达到负荷指令目标值时，机组会进入稳定状态，稳定触发脉冲开始触发，功煤比又会通过切换块6的Y路导通开始实时变化，并且热耗系数也会通过切换块7的Y路导通开始趋近于1。这样会导致煤量指令产生新的变化，造成机组的扰动，因此增加了吸收模块与切换模块。

如图5所示，计算后的精确煤量输出至切换块11的N路输入端，切换块11的输出端分别输出至系数模块K和切换块11的Y输入端。切换模块触发条件包括一个TRANSPORT模块、加法模块8（实现减法功能）和AND模块10的逻辑，TRANSPORT模块输出的前3分钟的负荷指令与当前值负荷指令在模块8中相减，变化范围在±5MW内，并且机组处于协调控制（LDCAUTO）状态、稳态触发脉冲存在时，AND模块10输出值为“1”，AND模块10控制切换块11的Y路导通，切换块11保持之前的精确煤量不变，循环输出至系数模块K。在升降负荷阶段，由于负荷指令不在±5MW内，或者稳态触发脉冲消失，AND模块10输出为“0”，切换块11的N路导通，实时变化的负荷指令与功煤比、热耗系数进行相乘计算的精确煤量输出至系数模块K。吸收模块用于吸收精确煤量输入与输出的差值，精确煤量通过跟随模块9输出至切换块11，跟随模块9还连接吸收模块，跟随模块9用于比较输出值与精确煤量输出值的差值，将差值通过吸收模块吸收。

图5 稳态时煤量指令形成

通过吸收模块与切换模块，当机组不在升降负荷阶段时，无论功煤比如何变化，输出的煤量指令均不会变化，当机组处于升降负荷阶段时，所计算出的精确煤量才能实时转换为煤量指令，有效避免了在升降负荷结束后产生新的扰动问题。

3　功煤比及热耗方案在现场中的应用

图6为原控制逻辑，画框部分为功煤比及热耗部分所替代，原逻辑虽然非常简单，但是无法解决由于煤质变化而导致升降负荷压力波动大问题，因此也无法解决升降负荷燃烧不稳定问题，对机组的安全稳定运行造成很大威胁。

图6 原主汽压力控制逻辑

功煤比及热耗方案应用于大唐韩城第二发电厂机组协调控制的主汽压力回路中，图7是功煤比及热耗的应用逻辑。在升降负荷阶段，由于负荷和煤量均在变化，因此功煤比在这个阶段是保持不变的，用稳态触发脉冲消失瞬间的功煤比与负荷指令相乘可算出负荷指令所需的准确煤量，再通过热耗系数进行修正，即可得到升降负荷阶段所需的精确煤量。具体而言，在升降负荷阶段，保持稳态触发脉冲消失瞬间的功煤比，以及稳态触发脉冲消失瞬间的热耗值，通过负荷指令所对应的热耗值与保持的稳态触发脉冲消失瞬间的热耗值相除得到热耗系数，用热耗系数与保持的稳态触发脉冲消失瞬间的功煤比相乘，再与负荷指令相乘即可得到升降负荷阶段所需的精确煤量，转换为煤量指令即可控制给煤机的给煤量。

实时变化的功煤比只有在机组稳定状态下才能真实反映出煤质变化，机组在稳定协调状态时，供煤比只是实时变化，但是机组的煤量指令保持不变。

3.1采用功煤比及热耗方案在负荷变动时的曲线

由图8可以看出，在负荷大幅升降的过程中，功煤比一直保持不变。热耗系数随着负荷的升降进行变化，当负荷到达峰值时，热耗系数也到达峰值。当负荷到达目标值后，稳态触发脉冲开始触发，在这其间煤量指令保持不变。热耗系数同功煤比发生变化，输入与输出的差值由具有跟踪功能的吸收模块来接收该值。当稳态触发模块消失时，吸收模块数值保持当前值。经过若干个稳态触发脉冲后功煤比就反应了当前真实的功煤比，热耗系数趋向于1，随后稳态触发模块不停对功煤比进行修正，可以确保煤质发生变化时，实时功煤比反应煤质的变化。

3.2采用功煤比及热耗方案后压力和煤量曲线

图7 功煤比及热耗在主汽压力回路应用逻辑

图8 采用功煤比及热耗在负荷变动时的曲线

由图9可以看出，当采用功煤比、热耗修正的煤量时，负荷从602MW变化到305MW过程中，可以看到压力一直稳定，实际煤量同所计算煤量偏差很小，达到升降负荷过程中主汽压力动态偏差大幅减小，从而保证了燃烧的稳定。

图9 采用功煤比及热耗后主汽压力煤量及负荷变化曲线

4　结语

该项目成果在600MW机组的成功应用，解决了火力发电厂在升降负荷时出现的压力不稳定，导致负荷大幅波动的问题，使负荷变化过程中主汽压力参数偏差大幅减小，提高了机组燃烧稳定性和机组快速响应能力。

目前升降负荷阶段主汽压力波动大，全国火力发电厂普遍存在这个问题，针对此问题，有些电厂的协调控制系统投入几十万元的资金，采用斯密斯预估、状态观测器等先进算法，但由于理论太深，参数太多，有的还是黑匣子，一般普通工程技术人员很难掌握修改参数的方法。

该项目成果：没有使用先进的控制算法，不需要投入资金，仅采用机组原先的DCS系统，无需增加新的控制系统或其他硬件即可实现目的。解决了困扰提高机组调节品质的技术难题，如把此项成果推广到火力发电厂的协调控制系统，对控制逻辑进行优化，能有效地提高机组的调频调峰性能，提高机组运行的整体控制水平，具有良好的应用前景和推广价值。

[1] 李遵基. 热工自动控制系统[M]. 北京: 中国电力出版社, 2001.

[2] 罗万金. 电厂热工过程自动调节[M]. 北京: 水利电力出版社, 1991.

There are many factors affecting the pressure of boiler main steam in thermal power station. These factors would result in big boiler pressure fluctuations and deterioration of combustion in the condition of load changes. Using power coal ratio and heat consumption scheme can significantly decrease the dynamic deviation of main stream pressure during the variable load process and automatically improve the quality so that the regulated good performance can be achieved. This paper introduces the logic calculation and switching method for coal power ratio and heat consumption, the logic design of steadystate trigger pulse as well as its application in the production site.

Coordinated control; Power coal ratio; Heat consumption; Steadystate trigger pulse

B 文章编号：1003-0492(2015)01-0084-06

TP273

刘永红（1971- ），男，陕西韩城人，高级工程师，本科，现就职于大唐韩城第二发电有限责任公司，主要从事热工专业自动控制系统的研究。

陈二宁（1982- ），男，湖南邵阳人，计量技师，本科，现就职于大唐韩城第二发电有限责任公司，主要研究方向为自动控制系统及自动化仪表。