超（超）临界机组燃料及制粉系统建模浅析

刘思捷，丁 宁

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江杭州310030）

超（超）临界机组燃料及制粉系统建模浅析

刘思捷1，丁 宁2

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江杭州310030）

通过对超（超）临界机组运行特点进行归纳，着重分析燃料对机组运行、炉膛燃烧、蒸汽压力、主气温的影响。经过采集某百万级别燃煤发电机组各负荷段燃料主控及制粉系统数据，基于机理建模完成对制粉系统建模和模型修正分析，仿真结果能够较准确的反映实际工况的燃料系统运行，达到了良好的建模效果，为复杂系统深入建模提供了一种方法。

超超临界；燃料主控；机理建模

0 引言

随着科学技术的发展和自动化水平的提高，火力发电机组的生产过程自动化所包含的功能日益多样化。超（超）临界机组中，可以将负荷控制系统的模型分为几个部分，锅炉主控和汽轮机主控，这两部分中的给水流量，燃烧量都会在负荷摆动的时候，造成波动影响机组的主汽压和主汽温，并影响协调控制系统的品质。本文通过对某电厂超超临界机组的燃烧系统进行辨识，并通过对机组燃料主控及制粉系统机理建模浅析，得出准确的建模方法。

1 超（超）临界机组的概况

近年来超（超）临界得到了飞速发展，有利于降低煤耗，提高发电效率，同时可以通过扩大脱硝投入范围达到减少NOX，SO2以及其他大气污染[1]。一般超（超）临界机组的主蒸汽压力可以达到27~30MPa，主蒸汽温度已达到了610℃。大容量超超临界机组有很好的负荷适应性和良好的运行特性，很大程度减少了污染物，又具有环保特征。目前，在这一领域的技术研究已经到了比较完整和成熟的阶段，很多发达国家和发展中国家都在推广这一技术，在改善环境和节省能源方面都取得了很大的成就，超超临界技术发展领先的国家有日本、德国和丹麦，丹麦的AVV2电厂的超临界机组，机组效率高达49%，是目前世界上运行机组效率最高的火电发电机组[1]。

在国内，超超临界机组虽然起步较晚，但进步很快，目前已经有不少大型装机容量的超超临界机组投产，如华电国际的邹县电厂2×1000MW的超超临界机组及华能玉环发电厂2×1000MW超超临界机组，都已经投入运行，使得我国的超大容量超超临界机组制造，安装，调试运行技术进入了一个新的阶段，也将火电机组发展带入了一个新的篇章。

超超临界机组有以下几方面特点[2]：

（1）超超临界机组为直流炉，没有汽包环节，给水经过加热、蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成的，因此其不受工作压力限制，工质稳定。

（2）锅炉蓄热能力低，负荷变化范围较大时，如果控制策略灵敏则可以适应外界的负荷变动。

（3）超超临界机组启停炉时间较短，不超过一小时，而汽包炉，汽包壁很厚，启动速度很慢通常要3~10h左右。

2 超（超）临界机组的负荷控制特点

2.1 多变量控制系统

多变量控制系统通常采用输入输出量等量的控制结构，即有m个输入相应的就设置m个输出，构成m个控制回路。对系统进行分析输出量受输入量的影响最大，因此需要对输入量和输出量进行配对。

2.2 强耦合性

超超临界机组机炉之间的控制参数存在着强烈的耦合性。直流锅炉汽水系统中没有设置汽包，没有相应的蓄能设备，水的吸热、蒸发、过热过程均在水冷壁管中完成，饱和蒸汽和饱和水在管路中没有明显的分界。相应的给水量、燃料量调门开度、减温水量的变化影响机组的运行特性，使工质的吸热过程变化，进而影响到锅炉出口过热蒸汽参数、主蒸汽参数、主蒸汽做功等一系列后续参数；超超临界机组各系统之间有着强烈的耦合性，如图1所示。

图1 机组主控参数耦合特性

图2 给燃料量与负荷的原始数据

图3 处理后的燃料量与主汽压数据

3 燃料量系统建模

3.1 主汽压与燃料量关系辨识

以某厂1000MW超超临界锅炉为辨识对象。正常运行时，制粉系统5套运行，一套备用。设计煤种为平朔安太堡煤煤种，采样数据的采样时间为5s，总给燃料量为5台给煤机燃料量反馈值之和，给燃料量单位为，主汽压单位为。燃料量与负荷的原始数据曲线如图2所示。由图2可看出锅炉负荷是从800MW平稳运行时出现变化，二十多分钟后，负荷稳定，曲线重新回归800MW，符合数据遴选条件。给出燃料量与主汽压的原始数据曲线如图3所示。从图3可以看出，给燃料量波动在36%左右，而给水量波动在11%左右，所以可以认为主汽压的波动主要是由于燃料量的波动而引起。

采样数据中一般都包含了测量噪声和其他非过程干扰，在进行辨识工作之前要进行数据预处理，常用的数学滤波方法。本次辨识对采样数据进行了五点三次平滑滤波处理。处理后的数据如图4所示。

图4 处理后的燃料量与主汽压数据

由前文分析可知，燃料量变化引起主汽压变化的过程是一个具有滞后、惯性和自平衡能力的过程，所以模型传递函数结构选有自平衡对象：

在选定合适的模型类之后，辨识的任务就是寻找具体的过程参数和结构参数。过程参数包括过程的惯性时间、比例系数、零点大小等，结构参数也就是参数n（阶次）和τ（延时时间）。模型结构参数的选择是建模工作中重要的一个步奏，它决定了模型品质的优劣。模型类型和结构参数选定以后，尽管还可以采用不同的估计模型参数的方法，但是最终的模型质量就已基本确定。

在实验过程中，利用粒子群算法对K，a，T，n，τ进行寻优，寻找出他们的一个合适组合，由于结构参数对模型的学习效果影响巨大，如果把这些结构参数和过程参数放在一起学习往往效果很不理想。

由于引入了迟延时间，根据经验，在热工对象中，n的阶次一般控制在三阶以内。所以对难以一次性找到K，a，T，n，τ一个合适组合这个问题，可以让n=1，2，3的时候分别用PSO算法对K，a，T，τ进行寻优，然后再选取误差最小的一个组合。在计算中采用的误差准则为：

利用上述方法学习，在此工况下得到燃料量与主汽压的传递函数为：

最终拟合误差为0.0116，辨识结果是可以接受的，在600~1200s之间的数据有一定的偏差，这是由于给水量等扰动引起的，这是不可消除的，所以说这个结果是可以接受的。

3.2 给煤机模型

给煤机的模型拟设定有15个输入，7个输出，6个中间参数。给煤机算法中，若出口原煤流量、给煤机断煤、给煤机堵煤，则给煤机的输出都为0。

式中in[6]—煤仓煤位；

coef[4]—煤仓煤位底限；

in[8]—给煤机堵煤，数字量；

in[10]—给煤机断煤；

in[15]—皮带打滑；

out[1]—出口原煤流量，kg/h；

coef[1]—给燃料量系数；

in4temp—给煤机标称化转速；

k2—系数1.0。

式中coef[5]—给煤机功率系数1；

coef[6]—给煤机功率系数2；

out[6]—给煤机功率。

入口燃料量的影响可以通过这样的关系表达：设k2的初始值为0.0，当入口燃料量大于1.0时，k2迅速改变，此时取值也为1.0。

3.3 磨煤机模型

磨煤机模型具有20个输入，20个输出，以及35个中间参数。该算法模拟了中速磨煤机运行的动态过程。该算法从风量影响、含水量计算、磨煤机内部压降、能量平衡模式、磨煤机出口温度和电机几个部分对磨煤机进行了模拟。

其中，能量平衡模式从煤与空气混合物到金属的热量转移。

式中in[1]—入口空气流量；

in[2]—入口空气温度；

in[18]—给煤机标称化转速；

out[2]—磨煤机出口煤粉温度；

out[10]—金属平均温度；

coef[9]—煤粉气流对金属的换热系数；

sjcor1—给煤机标称化转速修正；

htc—换热；

qm—从煤与空气混合物到金属的热量转移。磨煤机模型中，风量影响的公式为：

式中wcoalmax—入口空气最大携煤量；

wfmax—给煤机最大给煤量；

in[5]—入口煤量；

in[9]—磨煤机马达标称化转速；

in[20]—MB磨煤机堵塞（0-100）；

out[10]—磨煤机存煤量；

coef[4]—空气最大携煤能力；

coef[7]—给煤机正常时的最大出力；

coef[13]—磨煤机最大存煤量；

coef[35]—存煤消耗速率；

coef[36]—风量对出口煤量的影响；

f1—入口煤可磨性系数修正；

f2—煤粉细度修正；

f3—出口煤流中的表面水分含量修正；

f4—磨煤机存煤量百分比；

f5—给煤机实际转速；

vb—XJ磨煤机出力下降[4]。

磨煤机算法中，入口空气最大携煤量受空气最大携煤能力和入口空气流量两个因素影响；给煤机最大给煤量与给煤机正常时的最大出力相关；磨煤机出口煤粉流量则受出口煤流中的表面水分含量修正、磨煤机存煤量百分比、磨煤机马达标称化转速、入口空气流量、风量对出口煤量的影响、mb、MB磨煤机堵塞（0-100）几个因素综合作用影响；磨煤机存煤量受磨煤机存煤量、dth、入口煤量与磨煤机出口煤粉流量的差值影响，在有存煤消耗速率、磨煤机马达标称化转速时还要受到存煤消耗速率的影响；磨煤机出入口差压受入口空气流量、磨煤机导纳、发生堵煤时的存煤量系数影响；煤、空气和金属的换热计算中：包括从煤与空气混合物到金属的热量转移、到环境中的热损失、磨煤机机金属壁温、着火产生的热量计算4个方面；磨煤机出口煤粉温度受磨煤机出口煤粉温度、入口空气流量、入口空气温度与磨煤机出口煤粉温度差值、消防蒸汽流量、消防蒸汽温度与磨煤机出口煤粉温度差值、入口煤量入口煤温度与磨煤机出口煤粉温度差值的影响；磨煤机堵塞对磨煤机电机功率有影响[5]。

4 结语

通过以上分析，同理可以得出负荷控制系统的其他系统模块可以通过粒子群辨识的方法得到，并运用机理建模的方式令模块算法模拟现场，由此搭建出负荷控制系统中的各个组成部分，完成复杂系统的建模。

这些模型的搭建，可以使得在仿真机上更好的完成对于现场工况的模拟，使得对于现场复杂工况的分析和研究更加直观和准确。

[1]赵树成.超超临界机组的参数选择[J].热机技术，2005，（1）：34~36.

[2]赵建军.100MW机组计算机监控系统改造方案设计与应用[D].保定：华北电力大学，2008.

[3]孙剑.大型循环流化床锅炉燃烧系统特性与建模研究[D].北京：华北电力大学大学博士学位论文.2010.

[4]韩璞.热工过程建模方法的研究及应用[J].华北电力学院学报，1994，（2）：87~92.

[5]马海军.系统辨识理论在建模中的应用[J].大众科技，2010，（5）：78~80.

Analysis on the Modeling of Ultra Supercritical Unit Fuel and Coal Preparation System

LIU Si-jie1，DING Ning2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power company Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In this paper，the operating characteristics of ultra-supercritical units are summarized，and the effects of the fuel on the operation of the fuel，the combustion of the furnace，the steam pressure and the temperature are analyzed. Based on the data of the main control system and the coal powder system，the model of the system is analyzed.The simulation results can reflect the actual operating conditions of the fuel system and achieve a good effect.

ultra-supercritical；fuel master；system modeling

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.012

TM621.7

B

2095-3429（2015）06-0041-04

2015-10-19

修回日期：2015-12-18

刘思捷（1986-），女，河北承德人，工学硕士，从事火电厂燃机电厂系统调试，性能试验工作；

丁宁（1986-），女，河北承德人，工学硕士，从事火电厂燃机电厂系统调试，性能试验工作。