CN103674145B - 一种燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法，步骤包括：步骤1：根据现场厂级监控信息系统实时数据库记录，获得锅炉运行状态变量，利用Daubiches小波分形重构算法对高噪声信号进行无相位损失的去噪处理；步骤2：根据空气物性参数数据库，实时计算一次风密度和质量流量D_PA；步骤3：建立负荷状态判断方法，判断当前的负荷状态；步骤4：结合步骤3中负荷状态判断结果，由动态风煤比计算模型实时计算全操作工况下的动态风煤比R_fm；结合步骤2获得的一次风质量流量D_PA实时计算入炉燃煤质量流量D_coalout。本发明能用于入炉燃煤质量流量的实时计量，还能应用于燃煤热值在线辨识和锅炉效率在线估计。

Description

一种燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法

技术领域

本发明涉及火力发电控制领域，具体地，涉及一种基于一次风体积流量和动态风煤比的燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法。

背景技术

燃煤机组入炉燃煤质量流量通常直接采自给煤机传动皮带的称重测点。然而，对于正压直吹式磨煤机和中储式磨煤机（系我国两类主流磨煤机）而言，给煤机皮带称重信号与实际入炉燃煤质量流量存在较大的偏差，原因在于磨煤机粉仓料位（差压）闭环控制回路存在不可忽略的动态特性（如图1所示）。从控制信号流图可知：升降负荷指令发出后，一次风门挡板首先响应负荷偏差信号，通过改变挡板开度调节由一次风携带的入炉燃煤质量流量；入炉燃煤质量流量改变后，会引起磨煤机粉仓料位（差压）信号偏离设定值；实际差压信号与设定值的偏差通过闭环控制回路改变给煤机传动皮带转速，从而改变给煤量。给煤量改变后需经过磨煤机粉仓这一大惯性系统才会影响到入炉燃煤质量流量。由此可见，这时给煤机皮带称重信号是滞后于负荷指令的（对于300MW机组而言，该滞后时间约为5分钟）。由于磨煤机粉仓容量达30-40立方米，煤粉蓄纳量与每小时给煤量相当，故升降负荷发生后给煤量调节的过渡过程长达数十分钟。有时还会因控制器参数设定不当引起磨煤机粉仓料位闭环控制系统的震荡。入炉燃煤质量流量的不能在线计量，已成为了分钟级燃烧优化控制的瓶颈。

对现有技术的检索发现，中国专利申请号200810044158.3，公开日2009-6-24，记载了一种煤粉质量流量的软测量方法，该方法采用在磨煤机出粉口处的静电传感器测量带电煤粉颗粒运动形成的感应电流，对电流数据作预处理之后，采用RBF神经网络建立多输入单输出的数据驱动模型，获得煤粉质量流量。然而，带电煤粉运动形成的感应电流会受到颗粒尺寸、煤粉颗粒在管道中的输送条件等诸多随机因素的影响，从而直接影响计量精度；该方法的数据处理的核心算法是人工神经网络，当应用对象发生变化时，需要积累大量生产数据重新启动网络学习，而积累数据所需的时间将影响软测量方法的实时性；此外，现场安装静电传感器目前在国内大部分燃煤电站时机尚不成熟。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于一次风体积流量和动态风煤比的燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法，该方法将携带燃煤进入炉膛的一次风的体积流量纳入到计算模型，结合空气物性参数数据库和现场已安装的给煤机皮带称重测点信号，实时计算和更新动态风煤比；在变负荷过程中，依据当前负荷和变负荷起始阶段对应的风煤比，进行动态风煤比的无扰动切换，最后基于动态风煤比和一次风流量实现对入炉燃煤质量流量的计量。

为实现以上目的，本发明提供一种基于一次风体积流量和动态风煤比的燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法，具体操作步骤如下：

步骤1：从厂级监控信息系统的实时数据库读取给定时刻k的一次风体积流量F_PA、一次风温度T_PA、一次风机出口压力p_PA、给煤机皮带称重信号D_coalin、机组负荷P_load，利用Daubiches小波分形重构算法对皮带称重信号D_coalin进行无相位损失的去噪预处理；

步骤2：根据空气物性参数数据库和一次风机出口压力p_PA、一次风温度T_PA的实时数据以及空气成分，计算获得一次风密度ρ_PA，进而根据一次风体积流量F_PA计算一次风质量流量D_PA；

步骤3：建立负荷状态判断方法，判断当前的负荷状态。，负荷状态分稳定负荷和变负荷两个状态，稳定负荷对应的标记是flag=0,变负荷对应的标记是flag=1；同时定义稳定负荷计数器和变负荷计数器；

步骤4：建立动态风煤比计算模型，实时计算动态风煤比R_fm；结合步骤2求得的一次风质量流量D_PA，实时计算一次风携带进入炉膛的燃煤质量流量D_coalout；

以时刻t₀为计时起点，Δt为计算步长，按时间先后次序，分别计算t₀、t₀+Δt、t₀+2Δt、……、t₀+nΔt时刻下相应的入炉燃煤质量流量D_coalout(t₀)、D_coalout(t₀+Δt)、D_coalout(t₀+2Δt)、……、D_coalout(t₀+nΔt)。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

与以往的基于给煤机皮带称重信号的直接测量方案相比，本发明给出了在满足给煤机煤仓一段时间内煤粉质量守恒关系下的入炉燃煤质量流量软测量值；在每一时刻的入炉燃煤质量流量测量中，都将一次风测点状态和给煤机皮带称重信号统一起来，得到相应时刻下的入炉燃煤质量流量；在下一时刻，基于同样的质量守恒关系可测量出入炉燃煤质量流量，它与前一时刻入炉燃煤质量流量的差值可真实、准确地反映入炉燃煤质量流量随时间的变化量；作为一种软测量方法，入炉燃煤质量流量所需的测点数据均从厂级监控信息系统的实时数据库直接读取，现场不需要额外增加测点，仅需在已有的控制系统中增加相应的软件计算模块，成本低；将本方法加载到火力电站控制系统中，可用于指导锅炉的燃烧调节和优化控制，扩展应用范围广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为磨煤机粉仓料位（差压）闭环控制回路示意图；

图2为本发明给煤机煤仓及反馈控制回路示意图；

图3为入炉燃煤质量流量实时计值随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为磨煤机粉仓料位（差压）闭环控制回路示意图，从控制信号流图可知：升降负荷指令发出后，一次风门挡板首先响应负荷偏差信号，通过改变挡板开度调节由一次风携带的入炉燃煤质量流量；入炉燃煤质量流量改变后，会引起磨煤机粉仓料位（差压）信号偏离设定值；实际差压信号与设定值的偏差通过闭环控制回路改变给煤机传动皮带转速，从而改变给煤量。给煤量改变后需经过磨煤机粉仓这一大惯性系统才会影响到入炉燃煤质量流量。

本实施例提供一种基于一次风体积流量和动态风煤比的燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法，包括：

步骤1：从厂级监控信息系统的实时数据库中读取相关实时数据，如在时刻k的运行工况下，主要的实时数据如下：

一次风体积流量96.52km³/h，一次风温度344.1℃，一次风机出口压力6.52kpa,给煤机皮带称重信号116.9t/h，机组负荷261.3MW。使用Daubiches小波分形重构算法将原始皮带称重信号分为12层，使用频率较低的8-12层信号进行叠加，处理结果见图2。Daubiches小波分形重构算法属于现有技术，上述处理属于该技术的实现，具体对原始信号的优化分层参数（12层）和重构信号的选择（选取8-12层低频信号重构原始信号）均属本发明技术涵盖的内容。

步骤2：根据空气物性参数数据库和时刻k一次风机出口压力p_PA、一次风温度T_PA以及空气成分计算获得一次风密度ρ_PA，进而根据一次风体积流量F_PA计算一次风质量流量D_PA。

所述空气物性参数数据库，是指通过空气压力和温度实时数据在线计算空气的比热和密度的物性数据库。可参考文献：蔡惟，于彤，惠兆宇，袁景淇，张锐峰，陈宇，火电锅炉排烟热损失的在线估计，控制工程，2011；18:149-151。

步骤3：根据负荷状态判断方法，判断当前的负荷状态；

本实施例中，步骤3所述负荷状态判断方法为：

在当前时刻，滚动更新由前N个时刻的负荷数据组成的负荷时间序列P(1)，P(2),P(3)，…，P(N)。然后分别计算该向量的以下指标：平均斜率、极差、方差。其中，平均斜率是指(N-1)个斜率的算术平均。(N-1)个斜率按如下方法计算：[P(N)-P(N-1)]/Δt,[P(N)-P(N-2)]/(2Δt),[P(N)-P(N-3)]/(3Δt),…,[P(N)-P(1)]/[(N-1)Δt]。

判断负荷状态的条件：

（a）平均斜率绝对值大于阈值A；（b）极差大于阈值B；（c）方差大于阈值C。

所述负荷状态判断步骤：

根据上一个采样时刻的负荷状态和当前时刻的判断负荷状态条件，判断当前时刻的负荷状态：

若上一时刻为稳定负荷状态（flag=0），则只要(a)、(b)、(c)三个条件中至少一个得到满足，变负荷计数器记数增加1，否则变负荷计数器清零且flag置0；如果变负荷计数器中的数值超过一定的阈值Mb，则判断负荷已处于变负荷状态，将flag置1并将稳定负荷计数器清零；

若上一时刻为变负荷状态（flag=1），则但(a)、(b)、(c)三个条件均不满足时，稳定负荷计数器记数增加1，否则稳定负荷计数器清零且flag置1；如果稳定负荷计数器中的数值超过一定的阈值Mw，则判断负荷已处于稳定负荷状态，将flag置0并将变负荷计数器清零。

阈值A，B，C分别根据历史运行数据中的稳定负荷与变负荷状态下的平均斜率绝对值、极差、方差的统计值确定，Mb、Mw根据历史运行数据中变负荷切换时间统计值进行确定。

本实施例中，N=24，Δt=5，A=0.75，B=3，C=0.6，Mb=12，Mw=120。

步骤4：建立动态风煤比计算模型，实时计算动态风煤比R_fm；结合步骤2求得的一次风质量流量D_PA，实时计算一次风携带进入炉膛的燃煤质量流量D_coalout。

本实施例中，步骤4所述动态风煤比计算模型：

$R_{\mathrm{fm}}=\frac{{\∫}_{k-t_{\mathrm{window}}}^k{D}_{\mathrm{PA}}\left(t\right)\·\mathrm{dt}}{{\∫}_{k-t_{\mathrm{window}}}^k{D}_{\mathrm{coalin}}\left(t\right)\·\mathrm{dt}}$ 稳定负荷段（flag=0）

或R_fm=P₀·R_fm0/P变负荷段（flag=1）

式中：k为当前时刻；

flag为步骤3中负荷状态判断标志位

t_window为当前时刻k之前的历史时间窗口宽度，该时间窗口右沿为k；本实施例中，t_window取半小时；

D_PA(t)为历史时间窗口t_window内一次风质量流量表征，

D_coalin(t)为历史时间窗口t_window内给煤机皮带称重质量流量表征，

P₀为变负荷起始时刻的机组负荷；

R_fm0为变负荷起始时刻的动态风煤比，由之前t_window窗口宽度内的稳定负荷段风煤比计算公式获得；

P为机组负荷；

R_fm为动态风煤比。

最后，入炉燃煤质量流量计算式为：

$D_{\mathrm{coalout}}=\frac{D_{\mathrm{PA}}}{R_{\mathrm{fm}}}$

本实施例选取时间间隔Δt=5s，计算t=t₀为计时起点的24小时内t₀、t₀+5、t₀+10……、k+86400时刻下相应的入炉燃煤质量流量D_coalout(t₀)、D_coalout(t₀+5)、D_coalout(t₀+10)、……、D_coalout(t₀+86400)，并获得如图3所示的入炉燃煤质量流量D_coalout随时间变化曲线。入炉燃煤质量流量的实时计量能用于给煤机皮带转速的前馈控制、燃煤热值的在线辨识以及锅炉效率的实时软测量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：从厂级监控信息系统的实时数据库读取给定时刻k的一次风体积流量F_PA、一次风温度T_PA、一次风机出口压力p_PA、给煤机皮带称重信号D_coalin、机组负荷P_load，利用Daubiches小波分形重构算法对皮带称重信号D_coalin进行无相位损失的去噪预处理；

步骤2：根据空气物性参数数据库和一次风机出口压力p_PA、一次风温度T_PA的实时数据以及空气成分，计算获得一次风密度ρ_PA，进而根据一次风体积流量F_PA计算一次风质量流量D_PA；

步骤3：根据负荷状态判断方法，判断当前的负荷状态,，负荷状态分稳定负荷和变负荷两个状态，稳定负荷对应的标记是flag＝0,变负荷对应的标记是flag＝1；同时定义稳定负荷计数器和变负荷计数器；

步骤4：建立动态风煤比计算模型，实时计算动态风煤比R_fm；结合步骤2求得的一次风质量流量D_PA，实时计算一次风携带进入炉膛的燃煤质量流量D_coalout；

以时刻t₀为计时起点，Δt为计算步长，按时间先后次序，分别计算t₀、t₀+Δt、t₀+2Δt、……、t₀+nΔt时刻下相应的入炉燃煤质量流量D_coalout(t₀)、D_coalout(t₀+Δt)、D_coalout(t₀+2Δt)、……、D_coalout(t₀+nΔt)；

步骤3中，所述负荷状态判断方法为：

在当前时刻，滚动更新由前N个时刻的负荷数据组成的负荷时间序列P(1)，P(2),P(3)，…，P(N)，然后分别计算该向量的以下指标：平均斜率、极差、方差；其中，平均斜率是指(N-1)个斜率的算术平均，(N-1)个斜率按如下方法计算：[P(N)-P(N-1)]/Δt,[P(N)-P(N-2)]/(2Δt),[P(N)-P(N-3)]/(3Δt),…,[P(N)-P(1)]/[(N-1)Δt]；

判断负荷状态的条件：

(a)斜率绝对值大于阈值A；(b)极差大于阈值B；(c)方差大于阈值C；

所述负荷状态判断步骤：

根据上一个采样时刻的负荷状态和当前时刻的判断负荷状态条件，判断当前时刻的负荷状态：

若上一时刻为稳定负荷状态flag＝0，则只要(a)、(b)、(c)三个条件中至少一个得到满足，变负荷计数器记数增加1，否则变负荷计数器清零且flag置0；如果变负荷计数器中的数值超过一定的阈值Mb，则判断负荷已处于变负荷状态，将flag置1并将稳定负荷计数器清零；

若上一时刻为变负荷状态flag＝1，则当(a)、(b)、(c)三个条件均不满足时，稳定负荷计数器记数增加1，否则稳定负荷计数器清零且flag置1；如果稳定负荷计数器中的数值超过一定的阈值Mw，则判断负荷已处于稳定负荷状态，将flag置0并将变负荷计数器清零；

阈值A，B，C分别根据历史运行数据中的稳定负荷与变负荷状态下的平均斜率绝对值、极差、方差的统计值确定，Mb、Mw根据历史运行数据中变负荷切换时间统计值进行确定；

步骤4中，动态风煤比R_fm计算模型：

$R_{fm}=\frac{{\∫}_{k-t_{window}}^k{D}_{PA}\left(t\right)\·dt}{{\∫}_{k-t_{window}}^k{D}_{coalin}\left(t\right)\·dt}$ 稳定负荷段flag＝0

或R_fm＝P₀·R_fm0/P变负荷段flag＝1

式中：k为当前时刻；

flag为步骤3中负荷状态判断标志位；

t_window为k时刻之前的历史时间窗口宽度，该时间窗口右沿为k；

D_PA(t)为历史时间窗口t_window内一次风质量流量表征；

D_coalin(t)为历史时间窗口t_window内给煤机皮带称重质量流量表征；

P₀为变负荷起始时刻的机组负荷；

R_fm0为变负荷起始时刻的动态风煤比，由之前t_window窗口宽度内的稳定负荷段风煤比计算公式获得；

P为机组负荷；

R_fm为动态风煤比；

最后，入炉燃煤质量流量计算式为：

$D_{coalout}=\frac{D_{PA}}{R_{fm}}.$

2.根据权利要求1所述的一种燃煤机组入炉燃煤质量流量的实时计量方法，其特征在于，步骤1中，Daubiches小波分形重构算法具体设定参数为：原始信号分为12层，将频率低的第8至第12层信号相叠加获得去噪后信号。