CN114636144A - 一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法 - Google Patents

一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法 Download PDF

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    • F22D5/26—Automatic feed-control systems

Abstract

本发明涉及一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，包括：步骤1，采集超临界机组负荷指令、给煤量、给水流量、主蒸汽压力偏差、实时计算水煤比、主蒸汽流量数据；步骤2，判断机组运行是否处于稳态，若是，执行步骤3；步骤3，若机组处于低负荷稳态，获取低负荷段水煤比HL；若机组处于高负荷稳态，获取高负荷段水煤比HH；步骤4，基于步骤3得到的HL和HH，以及机组主蒸汽流量、主蒸汽流量上下限值，计算最终水煤比WFR；步骤5，将步骤4获得水煤比WFR和机组给煤量相乘，得到机组给水流量设定值；步骤6，循环执行步骤1至步骤5，根据机组煤质和运行工况变化不断更新WFR值，并调整机组给水量。本发明非常适合在电厂DCS系统实现。

Description

一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法
技术领域
本发明涉及火力发电技术领域，尤其涉及一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法。
背景技术
超临界火电机组指的是锅炉内工质参数主蒸汽压力超过临界压力22.129MPa,主蒸汽温度超过临界温度374.15℃的机组。因其不存在汽包，给水经过加热、蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成的。锅炉蒸汽参数(包括压力何温度)的稳定性取决于发电机功率和锅炉蒸发量的平衡以及给煤量与给水量的平衡。由于没有汽包蓄热，给水流量直接反映了蒸汽流量，锅炉吸热量与汽轮机耗汽量要达到平衡，机组的给煤量和给水量的比例必须维持在合理的平衡范围，这就是直流锅炉的水煤比WFR(Water Fuel Rate)。机组在负荷稳态时，只要保持水煤比不变，就能够保证直流炉分离器入口蒸汽过热度稳定。在机组变负荷时，水煤比要按照一定的规律进行改变才能实现充分利用燃料热量，保证机组平稳运行。
超临界机组锅炉给水控制主要是以煤定水再结合分离器出口过热度偏差或焓值偏差校正为主(如附图1)。煤定水比例一般由锅炉厂家按照机组设计煤种给出一个预设的折线函数F(X)，基于折线函数比例关系实现固定的水煤比关系。
固定折线函数确定的水煤比是根据机组设计煤种而定，然而近年来由于电厂“配煤掺烧”导致进入锅炉的煤质频繁变化，原有的水煤平衡被打破，固定折线函数预设的水煤比无法根据实际煤种变化而自适应调整水煤比例，因而执行“配煤掺烧”的机组常出现超温、超压等问题。
目前，基于机组实际煤质变化，自适应确定水煤比例的研究较少。公开的文献主要是基于公式推导水煤比与汽轮机热耗率之间关系得到水煤比计算模型，利用参数对汽轮机热耗率进行修正得到修正后水煤比(张恒等.超临界直流锅炉水煤比分析[J].石油化工自动化,2017)；基于质量守恒定律和能量守恒定律建立计算模型，利用机理分析和时间序列模型辨识角度对水煤比进行快速计算和预测(张维等.超超临界燃煤机组直流锅炉水煤比软策略方法研究[J].动力工程学报,)。
现有技术依赖于热力学公式推导建立精确数学模型、或者大数据挖掘，结构复杂，工作量大，不具备实时在线调整可能。且不便于在火电厂常规DCS系统实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，基于机组实际煤质变化，自动寻优最适宜机组当前工况的水煤比，将给煤量与寻优出的水煤比相差得到给水目标值，以解决超临界火电机组水煤比不能根据机组实际的煤质变化而自适应调整的问题。
本发明提供了一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，包括如下步骤：
步骤1，采集超临界机组负荷指令、给煤量、给水流量、主蒸汽压力偏差、实时计算水煤比、主蒸汽流量6组数据；
步骤2，根据步骤1获取的数据判断机组运行是否处于稳态，若是，执行步骤3；
步骤3，若机组处于低负荷稳态，获取低负荷段水煤比HL；若机组处于高负荷稳态，获取高负荷段水煤比HH；
步骤4，基于步骤3得到的HL和HH，以及机组主蒸汽流量、主蒸汽流量上下限值，计算最终水煤比WFR；
步骤5，将步骤4获得水煤比WFR和机组给煤量相乘，得到机组给水流量设定值；
步骤6，循环执行步骤1至步骤5，根据机组煤质和运行工况变化不断更新WFR值，并调整机组给水量。
进一步地，步骤2中判断机组运行是否处于稳态的方法包括：
负荷指令采集值与其1、3、5分钟前采集值偏差均小于0.2MW，且主蒸汽压力偏差小于0.5MPa，且给煤量采集值与3分钟前采集值偏差小于3t/h，且给水量采集值与3分钟前采集值偏差小于30t/h，若以上条件均满足后延迟5分钟即判断机组运行工况为稳态。
进一步地，步骤3中获取低负荷段水煤比HL的步骤如下：
1)若主蒸汽流量MSF在判断范围内，且负荷处于稳态，经过延迟块延迟5min即判定机组为低负荷稳态工况；
2)延迟块输出第一路触发第一脉冲块发出2s脉冲，输出第二路使能循环脉冲块，输出第三路使能第一累加块；
3)第二累加块使能端输入为第二脉冲块输出，若输入逻辑“1”，执行累加功能，若为逻辑“0”，其输出归0，且不再累加；使能条件满足后，监测输入脉冲信号，每监测一个脉冲，其输出值自加1；
4)第一切换块第一输入端连接ADD块输出端，第二输入端连接第二切换块输出端，第一切换块控制端连接循环脉冲块输出端，若控制端输入逻辑“1”，则其输出第一切换块的输出值，否则输出第二切换块的输出值；ADD块第一输入为机组实时计算的水煤比，第二输入为第一切换块输出；
具体工作流程为：低负荷稳态满足条件后，延迟块输出逻辑“1”，第二切换块输出等于第一切换块输出值，循环脉冲块开始每隔2min输出220ms脉冲，即每隔2min，第一切换块输出值累加机组实时计算的水煤比一次；
5)除法块第一输入为低负荷稳态水煤比累加值，第二输入为第一累加器输出；第一累加器在机组稳态后使能，输入引脚监测使能循环脉冲块每输出脉冲信号后，其输出自动加1；除法块输出等于水煤比累加值除累加次数，代表本次稳态工况下水煤比的平均值；
6)第三切换块第一输入端与除法块输出端连接，控制端切换条件为：第二累加器输出等于1，即第一次低负荷稳态，且延迟块由逻辑“1”变为“0”，即本次稳态结束，以上条件满足后第三脉冲块发出2s脉冲，将除法块得到的水煤比计算均值赋给HL1；第三脉冲块脉冲消失后，第三切换块控制端切换为逻辑“0”，输出HL1自动保持；
7)在本次稳态条件不满足后，HL1自保持，同时循环脉冲块不再使能输出保持为逻辑“0”、第二切换块输出等于0、第一切换块输出等于0、第一累加器输出等于0、除法块输出等于0；
8)持续对机组运行状态进行判断，若机组重新进入低负荷稳态，第二累加器输出等于2，重新开始获取HL2的计算过程，待获取HL2后，再继续判断机组运行状态，开始获取HL3的计算过程……直到获得HL5，其对应的第二脉冲块输出为逻辑“1”，取非后为逻辑“0”使得第二累加块EN引脚为逻辑“0”，复位其输出为0；至此，共获取了5组低负荷稳态水煤比，同时整个系统包括第二累加器全部复位；
9)对获取的5个水煤比分别是HL1～HL5取均值即得到低负荷段水煤比HL；同时，随着机组不断重新进入低负荷稳态工况，HL1～HL5依次持续更新，进而实现对HL持续滚动寻优。
进一步地，步骤3中获取高负荷段水煤比HH的方法，参照低负荷段水煤比HL获取方法执行。
进一步地，所述步骤4包括：
基于机组实时主蒸汽流量MSF、主蒸汽流量上限MSFH、下限MSFL，计算得到对应当前负荷工况下水煤比值最佳寻优值WFR，其计算公式如下：
Figure BDA0003520599320000041
进一步地，所述步骤4还包括：
对水煤比WFR进行限幅和限速率处理，上限取HH+1，下限取HL-1；其变化速率最大限值为k，k根据机组容量及设置的变负荷速率取值。
借由上述方案，通过基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，能够基于机组实际运行数据，自动循环获取最适宜机组当前工况的水煤比WFR，并基于获得的WFR自动计算给水需求量，解决了机组配煤掺烧时，因煤质变化导致原先设计的固定折线函数水煤比不能匹配的难题，本发明能让机组水煤关系达到理想的平衡状态，有利于机组主蒸汽压力、主蒸汽温度的稳定。具有结构简单，数据量小的优点，非常适合在电厂DCS系统实现。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是超临界机组通用给水设定方法；
图2是本发明一实施例中稳态判断示意图；
图3是本发明一实施例中获取HL1～HL5方法示意图；
图4是本发明一实施例中获取HL及HH流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例提供了一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，步骤如下步骤：
步骤1，采集超临界机组负荷指令、给煤量、给水流量、主蒸汽压力偏差、实时计算水煤比、主蒸汽流量6组数据；
步骤2，根据步骤1获取的数据判断机组运行是否处于稳态，若是稳态则继续步骤3；
步骤3，若机组处于低负荷稳态，获取低负荷段水煤比HL；若机组处于高负荷稳态，获取高负荷段水煤比HH；
步骤4，基于步骤3得到的HL和HH以及机组主蒸汽流量、主蒸汽流量上下限值，计算最终水煤比WFR；
步骤5，将步骤4获得水煤比指导值WFR和机组给煤量相乘，得到机组给水流量设定值；
步骤6，循环执行第1至第5步，根据机组煤质和运行工况变化不断更新WFR值，并调整机组给水量。
参图2所示，步骤2中对机组稳态的判断，包括：负荷稳态、主蒸汽压力稳态、给煤量稳态、给水量稳态共4个方面。判断方法如附图1所示，TL为负荷指令、MSPE为主蒸汽压力偏差(压力设定值减去实际值)、FUEL为给煤量、WATER为给水量、WT代表机组处于稳态。具体判断方法是：TL采集值与其1、3、5分钟前采集值偏差均小于0.2MW，且MSPE小于0.5MPa，且FUEL采集值与3分钟前采集值偏差小于3t/h，且WATER采集值与3分钟前采集值偏差小于30t/h，以上条件均满足后延迟5分钟即判断机组运行工况为稳态。图1延迟输出块HSDELAY1、HSDELAY2、HSDEALY3分别输出TL负荷指令1分钟、3分钟、5分钟前值。HSDELAY4、HSDELAY5分别输出FUEL和WATER 3分钟前值。SUB为取差模块、ABS为取绝对值模块、LT为小于模块、AND为与门、TON为上升延迟模块设置为5分钟。
参图3所示，步骤3中获取低负荷段水煤比HL步骤如下：
1)判断主蒸汽流量MSF在500～700t/h(以350MW超临界机组为例，可根据具体机组进行调整)之间，且负荷稳态WT，经过延迟块(编号4)延迟5min即判定机组为低负荷稳态工况。
2)延迟块(编号4)输出去3个地方：第一是触发脉冲块(编号11，脉冲时间设置为2s)发出2s脉冲，第二是使能循环脉冲块TPTP(编号12，设置为每隔2min，输出1个220ms脉冲，注：脉冲时间由对应DCS系统扫描周期决定，对于扫描周期为200ms的DCS，可设置为220ms)；第三使能累加块(编号6)。
3)累加块COUNT(编号8)，使能端(引脚EN)输入为脉冲块(编号10)输出，若输入逻辑“1”，执行累加功能，若为逻辑“0”，其输出归0，且不再累加；使能条件满足后，监测输入(引脚IN)脉冲信号，每监测一个脉冲，其输出(引脚OUT)值自加1。
4)SWITCH切换块(编号1)输入PV1连接ADD(编号2)块输出，输入PV2连接SWITCH切换块(编号3)输出，其控制端S连接为循环脉冲块(编号12)输出，若控制端输入逻辑“1”，则其输出PV1，否则输出PV2。ADD块(编号2)输入1为机组实时计算的水煤比(水/煤)，输入2为SWITCH切换块(编号1)输出。具体工作流为：低负荷稳态满足条件后，延迟块(编号4)输出逻辑“1”，SWITCH(编号3)输出等于其输入PV1(即SWITCH(编号1)的输出值)，脉冲块TPTP开始每隔2min输出220ms脉冲，即每隔2min，SWITCH(编号1)输出值累加机组实时计算的水煤比一次。
5)DIV除法块(编号5)输入1为低负荷稳态水煤比累加值(每隔2min累加一次)，输入2为累加器(编号6)输出。累加器(编号6)在机组稳态后使能，输入IN引脚监测TPTP模块每输出脉冲信号后，其输出自动加1。DIV除法块(编号5)输出等于水煤比累加值除累加次数，代表了本次稳态工况下水煤比的平均值。
6)SWITCH(编号7)控制端切换条件为：累加器(编号8)输出等于1(代表第一次低负荷稳态)、且延迟块(编号4)由逻辑“1”变为“0”(代表本次稳态结束)，以上条件满足后脉冲块(编号9，脉冲时间为2s)发出2s脉冲，将DIV(编号5)得到的水煤比计算均值赋给HL1。脉冲块(编号9)脉冲消失后，SWITCH(编号7)控制端切换为逻辑“0”，输出HL1自动保持。
7)系统恢复：在本次稳态条件不满足(延迟块(编号4)输出由逻辑“1”变为“0”)后，HL1自保持，同时TPTP不再使能输出保持为逻辑“0”、SWITCH(编号3)输出等于0、SWITCH(编号1)输出等于0、累加器(编号6)输出等于0、DIV块(编号5)输出等于0。
8)持续对机组运行状态进行判断，若机组重新进入低负荷稳态，累加器(编号8)输出等于2，重新开始获取HL2的计算过程，待获取HL2后，再继续判断机组运行状态，开始获取HL3的计算过程……直到获得HL5，其对应的脉冲块(编号10，脉冲时间2s)输出为逻辑“1”，取非后为逻辑“0”使得累加块(编号8)EN引脚为逻辑“0”，复位其输出为0。至此，共获取了5组低负荷稳态水煤比，同时整个系统包括累加器(编号8)全部复位。
9)对获取的5个水煤比分别是HL1～HL5取均值即得到低负荷段水煤比HL。同时，并且随着机组不断重新进入低负荷稳态工况，HL1～HL5依次持续更新，进而实现对HL持续滚动寻优。
步骤3中获取高负荷段水煤比HH，做法与HL相似，只需要将主蒸汽流量判断判定范围取1000～1200t/h(以350MW超临界机组为例)之间即可，在此不再赘述。对HL和HH获取流程如附图4所示。
获取HL及HH后，再基于机组实时主蒸汽流量MSF、主蒸汽流量上限MSFH、下限MSFL，计算得到对应当前负荷工况下水煤比值最佳寻优值WFR，其计算公式如下。
Figure BDA0003520599320000071
得到的水煤比WFR，要经过限幅和限速率处理，上限取HH+1，下限取HL-1。其变化速率最大限值为k，k取决于机组容量及设置的变负荷速率，例如对于机组额定主蒸汽流量为yt/h的机组，若机组变负荷速率为X MW/MIN，DCS系统扫描周期为200ms，则k计算方法如下，可以保证水煤比变化速率能满足机组快速变负荷需求。
Figure BDA0003520599320000081
通过该基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，能够基于机组实际运行数据，自动循环获取最适宜机组当前工况的水煤比WFR，并基于获得的WFR自动计算给水需求量，解决了机组配煤掺烧时，因煤质变化导致原先设计的固定折线函数水煤比不能匹配的难题，本发明让机组水煤关系达到理想的平衡状态，有利于机组主蒸汽压力、主蒸汽温度的稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，采集超临界机组负荷指令、给煤量、给水流量、主蒸汽压力偏差、实时计算水煤比、主蒸汽流量6组数据；
步骤2，根据步骤1获取的数据判断机组运行是否处于稳态，若是，执行步骤3；
步骤3，若机组处于低负荷稳态，获取低负荷段水煤比HL；若机组处于高负荷稳态，获取高负荷段水煤比HH；
步骤4，基于步骤3得到的HL和HH，以及机组主蒸汽流量、主蒸汽流量上下限值，计算最终水煤比WFR；
步骤5，将步骤4获得水煤比WFR和机组给煤量相乘，得到机组给水流量设定值；
步骤6，循环执行步骤1至步骤5，根据机组煤质和运行工况变化不断更新WFR值，并调整机组给水量。
2.根据权利要求1所述的基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，其特征在于，步骤2中判断机组运行是否处于稳态的方法包括：
负荷指令采集值与其1、3、5分钟前采集值偏差均小于0.2MW，且主蒸汽压力偏差小于0.5MPa，且给煤量采集值与3分钟前采集值偏差小于3t/h，且给水量采集值与3分钟前采集值偏差小于30t/h，若以上条件均满足后延迟5分钟即判断机组运行工况为稳态。
3.根据权利要求1所述的基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，其特征在于，步骤3中获取低负荷段水煤比HL的步骤如下：
1)若主蒸汽流量MSF在判断范围内，且负荷处于稳态，经过延迟块延迟5min即判定机组为低负荷稳态工况；
2)延迟块输出第一路触发第一脉冲块发出2s脉冲，输出第二路使能循环脉冲块，输出第三路使能第一累加块；
3)第二累加块使能端输入为第二脉冲块输出，若输入逻辑“1”，执行累加功能，若为逻辑“0”，其输出归0，且不再累加；使能条件满足后，监测输入脉冲信号，每监测一个脉冲，其输出值自加1；
4)第一切换块第一输入端连接ADD块输出端，第二输入端连接第二切换块输出端，第一切换块控制端连接循环脉冲块输出端，若控制端输入逻辑“1”，则其输出第一切换块的输出值，否则输出第二切换块的输出值；ADD块第一输入为机组实时计算的水煤比，第二输入为第一切换块输出；
具体工作流程为：低负荷稳态满足条件后，延迟块输出逻辑“1”，第二切换块输出等于第一切换块输出值，循环脉冲块开始每隔2min输出220ms脉冲，即每隔2min，第一切换块输出值累加机组实时计算的水煤比一次；
5)除法块第一输入为低负荷稳态水煤比累加值，第二输入为第一累加器输出；第一累加器在机组稳态后使能，输入引脚监测使能循环脉冲块每输出脉冲信号后，其输出自动加1；除法块输出等于水煤比累加值除累加次数，代表本次稳态工况下水煤比的平均值；
6)第三切换块第一输入端与除法块输出端连接，控制端切换条件为：第二累加器输出等于1，即第一次低负荷稳态，且延迟块由逻辑“1”变为“0”，即本次稳态结束，以上条件满足后第三脉冲块发出2s脉冲，将除法块得到的水煤比计算均值赋给HL1；第三脉冲块脉冲消失后，第三切换块控制端切换为逻辑“0”，输出HL1自动保持；
7)在本次稳态条件不满足后，HL1自保持，同时循环脉冲块不再使能输出保持为逻辑“0”、第二切换块输出等于0、第一切换块输出等于0、第一累加器输出等于0、除法块输出等于0；
8)持续对机组运行状态进行判断，若机组重新进入低负荷稳态，第二累加器输出等于2，重新开始获取HL2的计算过程，待获取HL2后，再继续判断机组运行状态，开始获取HL3的计算过程……直到获得HL5，其对应的第二脉冲块输出为逻辑“1”，取非后为逻辑“0”使得第二累加块EN引脚为逻辑“0”，复位其输出为0；至此，共获取了5组低负荷稳态水煤比，同时整个系统包括第二累加器全部复位；
9)对获取的5个水煤比分别是HL1～HL5取均值即得到低负荷段水煤比HL；同时，随着机组不断重新进入低负荷稳态工况，HL1～HL5依次持续更新，进而实现对HL持续滚动寻优。
4.根据权利要求3所述的基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，其特征在于，步骤3中获取高负荷段水煤比HH的方法，参照低负荷段水煤比HL获取方法执行。
5.根据权利要求4基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，其特征在于，所述步骤4包括：
基于机组实时主蒸汽流量MSF、主蒸汽流量上限MSFH、下限MSFL，计算得到对应当前负荷工况下水煤比值最佳寻优值WFR，其计算公式如下：
Figure RE-FDA0003614033660000031
6.根据权利要求5所述的基于水煤比自寻优的超临界火电机组给水设定方法，其特征在于，所述步骤4还包括：
对水煤比WFR进行限幅和限速率处理，上限取HH+1，下限取HL-1；其变化速率最大限值为k，k根据机组容量及设置的变负荷速率取值。
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