一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法
【专利摘要】本发明提供了一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法，步骤包括：1、根据锅炉运行设计规程获得锅炉结构参数，从DCS控制系统的实时数据库读取给定时刻下的运行工况测点实时值；2、基于工质物性参数库和烟气物性参数库计算工质的比焓和密度及烟气的比热和密度；3、基于主汽调门开度和主蒸汽质量流量的关系模型修正主蒸汽质量流量；4、根据锅炉侧全流程机理模型分别计算对应的锅炉侧各部分能量输出和该给定时刻下的总能量输出；5、建立给煤机给煤质量流量与入炉煤质量流量之间的传递函数模型；6、建立入炉煤质量流量与总能量输出的传递函数模型。本发明用于在线辨识入炉煤低位发热量，具有燃烧和配煤优化的应用潜力。
【专利说明】一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及火力发电控制领域的一种入炉煤低位发热量实时辨识方法，具体地，涉及一种基于电站锅炉侧机理模型和DCS实时数据的入炉煤低位发热量实时辨识方法。
【背景技术】
[0002]燃煤火力电站是我国电力工业的主体，也是节能减排的重点领域。由于我国采煤、运输、煤价的多元化，大部分电厂都面临入炉煤质频繁波动这一影响全流程安全高效运行的瓶颈问题。衡量煤质的一个重要指标是低位发热量，低位发热量定义为单位质量的煤完全燃烧所能产生的热量。低位发热量的改变直接影响燃煤在炉膛的发热量从而打破全流程的能量平衡。如果发热量升高而未及时减煤，则锅炉侧总能量输入高于额定输出，导致短时单位发电量煤耗上升；如果发热量下降而又未及时补充燃煤，则将直接导致机组短时出力下降和负载跟踪精度下降。若入炉煤低位发热量能够实时测量，则对于配煤工段而言相当于有了反馈信号，可用于指导配煤的优化；对于机炉协调而言就可及时校核煤种，实施补偿控制。
[0003]然而，我国大部分燃煤电站煤质离线化验分析值的采样分析周期长达6-8小时，不能作为实时控制(如给煤量前馈补偿)的依据。煤质变化后往往要等到主蒸汽压力发生明显改变时才能被“感知”，随后通过锅炉主控系统调节一次风流量以增加/减少入炉煤量，上述过程响应缓慢，整个干扰平抑过渡过程耗时可达15-30分钟。这样，若实际入炉煤低位发热量的变化周期为小时级，则整个生产就可能处于持续波动状态，严重影响发电企业生产的经济性和平稳安全性。鉴于国内300MW以上亚临界机组不同程度地长年承受煤质频繁变化的困扰，急需入炉煤低位发热量快速辨识技术的支撑，以提高控制品质。
[0004]经过对现有技术的检索，刘福国(刘福国.电站锅炉燃煤元素分析和发热量的辨识实时监测技术.中国电机工程学报.25 (6)，139-144，2005)提出了基于动态元素平衡的燃煤元素分析和发热量辨识方法，并将其成功应用于300MW机组，低位发热量预测精度较高。不过，该方法需要排烟成分的实时测量并需要进行灰分校正。美国热电(ThermoElectron,现名 Thermo Fisher Scientific Inc.)基于快速中子活化分析(PGNAA-PromptGamma Neutron Activation Analysis)开发了给煤元素分析仪,通过软件计算实时低位发热量，但它涉及放射源的应用和管理，另外该产品价格和长期维护成本较高，在国内远未得到推广应用。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电站入炉煤低位发热量实时辨识方法，该方法充分利用DCS控制系统实时数据，结合锅炉侧全流程机理模型实时仿真构建动态质量和能量平衡关系，进而获得入炉煤低位发热量；利用低位发热量实时辨识值对入炉煤质量流量进行补偿控制，显然有助于火电机组的安全平稳生产和热效率优化。
[0006]为实现以上目的，本发明提供一种电站入炉煤低位发热量实时辨识方法，该方法包括以下步骤:
[0007]步骤一、根据锅炉运行设计规程，获得锅炉以下结构参数:各级换热器管道沿工质流动方向的总长度、截面积分布、换热器金属壁质量；从DCS控制系统的实时数据库里读取给定时刻下的运行工况实时数据，具体包括:汽包压力、主蒸汽质量流量、热再热蒸汽质量流量、省煤器出口给水质量流量、各级换热器测点处的工质温度和压力、换热器金属壁温度、烟道出口引风机处的排烟温度、体积流量、锅炉负荷和环境大气压力；
[0008]步骤二、根据工质物性参数库及汽包压力，计算该给定时刻下汽包出口饱和蒸汽比焓和密度，同时设各级换热器相邻关键测点之间工质的温度、压力呈线性分布，并按固定离散化长度将各级换热器划分为一系列离散微元，计算各微元的工质比焓和密度；根据烟气物性参数库及尾烟气温度、压力、大气压力，计算该给定时刻下尾烟气的比热和密度；
[0009]步骤三、基于主汽调门开度和主蒸汽质量流量的关系模型，根据实时主汽调门开度修正主蒸汽质量流量，具体地:基于主汽调门开度和主蒸汽质量流量特性、调门组的DCS实测数据以及过热通道各级换热器和汽包的动态特性，及时修正主蒸汽质量流量表观测量值，从而获得与实际入炉煤量和给水流量相匹配的主蒸汽质量流量；
[0010]步骤四、根据锅炉侧全流程机理模型，分别计算对应的锅炉侧各部分能量输出和总能量输出，其中入炉煤完全燃烧产生并传递的总能量Qsim去向分为两部分:第一部分为锅炉体系有效利用热量Q1，可进一步分解为水冷壁吸热量Qslb和各级换热器，包括各级过热器、再热器、省煤器换热量Qheatei;第二部分为热损失，可进一步分解为排烟热损失能量Q2、化学不完全燃烧热损失能量Q3、机械不完全燃烧热损失能量Q4、锅炉散热损失能量Q5、灰渣物理热损失能量Q6;锅炉散热损失能量Q5在总能量中所占比例为q5，Q5通过经验公式很容易得到，因此入炉煤完全燃烧产生并传递的总能量Qsum可表示为:
[0〇11] QslM-(Qheate!￡+Qslb+Q2+Q3+Q4+Q6) / (1-?)⑴
[0012]步骤五、建立给煤机给煤质量流量与入炉煤质量流量之间的传递函数模型，获得入炉煤质量流量；
[0013]步骤六、将燃煤入炉至以主蒸汽为主的能量输出之间相位关系分解为煤粉在炉膛内燃烧和燃烧热向工质传递两个过程，进而建立入炉煤质量流量与总能量输出之间的相位关系传递函数模型，通过参数辨识获得与该给定时刻下总能量输出相对应的入炉煤质量流量及低位发热量。
[0014]优选地，步骤三中，所述主汽调门开度和主蒸汽质量流量特性，是指主汽调门开度与主蒸汽质量流量对应的分段式非线性函数关系。所述修正主蒸汽质量流量Dms的方法是:
[0015]
【权利要求】
1.一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一、根据锅炉运行设计规程，获得锅炉以下结构参数:各级换热器管道沿工质流动方向的总长度、截面积分布、换热器金属壁质量；从DCS控制系统的实时数据库里读取给定时刻下的运行工况实时数据，具体包括:汽包压力、主蒸汽质量流量、热再热蒸汽质量流量、省煤器出口给水质量流量、各级换热器测点处的工质温度和压力、换热器金属壁温度、烟道出口引风机处的排烟温度、体积流量、锅炉负荷和环境大气压力； 步骤二、根据工质物性参数库及汽包压力，计算该给定时刻下汽包出口饱和蒸汽比焓和密度，同时设各级换热器相邻关键测点之间工质的温度、压力呈线性分布，并按固定离散化长度将各级换热器划分为一系列离散微元，计算各微元的工质比焓和密度；根据烟气物性参数库及尾烟气温度、压力、大气压力，计算该给定时刻下尾烟气的比热和密度； 步骤三、基于主汽调门开度和主蒸汽质量流量的关系模型，根据实时主汽调门开度修正主蒸汽质量流量，具体地:基于主汽调门开度和主蒸汽质量流量特性、调门组的DCS实测数据以及过热通道各级换热器和汽包的动态特性，及时修正主蒸汽质量流量表观测量值，从而获得与实际入炉煤量和给水流量相匹配的主蒸汽质量流量； 步骤四、根据锅炉侧全流程机理模型，分别计算对应的锅炉侧各部分能量输出和总能量输出，其中入炉煤完全燃烧产生并传递的总能量Qsim去向分为两部分:第一部分为锅炉体系有效利用热量Q1，可进一步分解为水冷壁吸热量Qslb和各级换热器，包括各级过热器、再热器、省煤器换热量Qheatex;第二部分为热损失，可进一步分解为排烟热损失能量Q2、化学不完全燃烧热损失能量Q3、机械不完全燃烧热损失能量Q4、锅炉散热损失能量Q5、灰渣物理热损失能量Q6;锅炉散热损失能量Q5在总能量中所占比例为q5，Q5通过经验公式得到，入炉煤完全燃烧产生并传递的总能量Qsum表示为:
Qs? = (Qh eatex +--+?+?+?+?) / (1-?) 步骤五、建立给煤机给煤质量流量`与入炉煤质量流量之间的传递函数模型，获得入炉煤质量流量； 步骤六、将燃煤入炉至以主蒸汽为主的能量输出之间相位关系分解为煤粉在炉膛内燃烧和燃烧热向工质传递两个过程，进而建立入炉煤质量流量与总能量输出之间的相位关系传递函数模型，通过参数辨识获得与该给定时刻下总能量输出相对应的入炉煤质量流量及低位发热量。
2.根据权利要求1所述的一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法，其特征在于，步骤三中，所述修正主蒸汽质量流量Dms的方法是:
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jSj i) 式中，α为模型参数，f(.)表示主汽调门的开度-质量流量特性，Ln表示修正后的主汽调门开度，P0表示主蒸汽压力，T0表示主蒸汽温度； 其中:
Ln (k) = Λ Ln (k)+Ln0
3.根据权利要求1所述的一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法，其特征在于，步骤四中，所述锅炉侧全流程机理模型包括:水冷壁吸热量计算模型、各级过热/再热器换热量计算模型、省煤器换热量计算模型、热损失计算模型；具体地: 所述水冷壁吸热量计算模型，通过建立汽包、下降管、水冷壁组成的整个汽水系统的能量和质量动态机理模型计算得到； 所述各级过热/再热器换热量计算模型，是设各级过热/再热换热器相邻测点之间工质的温度、压力呈线性分布，并以固定离散化长度管段划分微元，根据质量、能量动态衡算方程，求得各级过热/再热换热器换热量；其中: 质量动态衡算方程:
4.根据权利要求1所述的一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法，其特征在于，步骤五中，所述给煤机给煤质量流量与入炉煤质量流量之间的传递函数模型采用一阶惯性环节模型表征:
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种电站入炉煤低位发热量实时辨识方法，其特征在于，步骤六中，所述入炉煤质量流量与总能量输出之间的相位关系传递函数模型，是指分别采用一阶惯性环节来表征煤粉在炉膛内燃烧和燃烧热向工质传递两个过程，最后得到的二阶传递函数模型:
6.根据权利要求5所述的一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法，其特征在于，步骤六中，对所述入炉煤质量流量与总能量输出之间的相位关系传递函数模型进行离散化得到的差分方程模型为:
7.根据权利要求6所述的一种燃煤电站入炉煤低位发热量的实时辨识方法，其特征在于，步骤六中，放大系数K，即所述入炉煤低位发热量通过参数辨识方法获得，目标函数为:
【文档编号】G01K17/00GK103674333SQ201310697798
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】袁景淇, 徐亮, 于彤, 胡斌, 刘欣, 潘玉霖, 曾豪骏, 成宝琨 申请人:上海交通大学