一种火电机组燃煤热值实时监测方法及热值观测器

摘要

本发明涉及一种火电机组燃煤热值实时监测方法及热值观测器，其包括以下步骤：1)基于火电机组的动态特性，运用能量守恒定律建立热值观测器；2)在DCS控制系统中查找实际运行机组在设计煤种下稳定运行时，不同负荷下各个运行参数之间的对应关系；3)根据实际运行机组运行参数的概率统计对所述机组模型中各个参数进行静态配置和动态配置，使所述机组模型能够很好和实际运行机组相匹配；4)所述热值观测器根据现场测量的煤量信号和机组目前的运行参数计算得出热值修正参数，该热值修正参数修正现场测量的煤量信号得到标准的煤量信号。本发明经现场使用证明能够很好的在线实时监测燃煤热值的变化情况，使控制系统能够很好的克服由于煤质的变化对锅炉燃烧的干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃煤热值监测方法及装置，特别是关于一种应用于自动控制领域的火电机组燃煤热值实时监测方法及热值观测器。

背景技术

随着我国电力事业的不断发展，现在单元火力发电机组的发电容量也有了很大的提高，由原来的300MW亚临界机组向600MW超临界、1000MW超超临界转变。随着机组参数的提高，对电厂的自动控制也提出了更高的要求。在电厂自动化控制中，燃料控制是一个最基本的控制部分，燃料控制的效果直接影响了整个机组的控制水平。而发电机组的高能耗和煤炭开采之间形成了一个现行的供需矛盾，有的电厂选址在一个煤资源不是很丰富的地方，为了满足运行生产的需要，就要使用各个地方的煤，造成了煤质的大幅度变化。这种现状使得进入炉膛的煤质不稳定，严重影响了机组运行的稳定性和调节品质，使得机组运行不是很稳定，这影响了电厂和电网的安全运行。为此在热工自动控制领域出现了对煤的热值在线检测这一新的课题。如图1所示，现行方法的原理是：煤量进入炉膛经燃烧释放能量这一过程为一带有纯迟延的惯性环节，用三个惯性发生器代替。经函数发生器折算为锅炉输入的能量，由能量守恒定律该能量和锅炉的输出能量(即主蒸汽流量)相等。当两者不相等时，说明进入锅炉的煤质发生了变化，则需要经积分器把煤量折算为标准煤量。该方法存在的不足是：煤进入炉膛到燃烧是一个带有纯迟延的高阶惯性环节，它的迟延时间和惯性时间是随着锅炉的燃烧工况的不同而变化的，用三阶惯性环节很难很好的表现锅炉燃烧的动态特性，这在现实操作中存在着很大的困难。还有就是该方法只是计算了锅炉的输出能量，而没有考虑锅炉的畜热能量。因此该方法存在一定的不足之处，在实际运用中不能很好的得到实施和应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于自动控制领域的火电机组燃煤热值实时监测方法及热值观测器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种火电机组燃煤热值实时监测方法，其包括以下步骤：1)基于火电机组的动态特性，运用能量守恒定律建立热值观测器，所述热值观测器包括机组模型和热值校正回路两个部分；2)在DCS控制系统中查找实际运行机组在设计煤种下稳定运行时，不同负荷下各个运行参数之间的对应关系，所述运行参数包括煤量、汽机调门开度、机组负荷、一级压力、机前压力、汽包或分离器出口压力和主蒸汽流量；3)通过步骤2)中所述实际运行机组的运行参数的概率统计对所述机组模型中各个参数进行静态配置，使得所述机组模型在各个负荷段下的静态输出参数能够很好的体现所述实际运行机组运行参数的特性；4)根据经验值给出所述机组模型中惯性环节的惯性时间和积分器的积分时间；5)在机组运行中把所述机组模型计算出来的参数与所述实际运行机组的运行参数进行比较分析，并根据比较分析的结果对所述机组模型中各个参数进行修改，使得所述机组模型在各个负荷段下的动态输出参数也能够很好的体现所述实际运行机组运行参数的特性；6)开放所述热值观测器中的热值计算功能，让所述实际运行机组在不同煤种下稳定运行，并以消除机组参数小范围的自身波动和反映机组实际能量发生的变化为原则对所述机组模型参数配置中的函数死区进行设置，然后检查所述热值观测器计算出的热值和所述实际运行机组煤的热值对应情况，修正所述热值校正回路中的参数使之能与实际情况相匹配；7)将现场测量的煤量信号和机组目前的汽包或分离器出口压力、机前压力、一级压力输入到步骤1)～6)建立的所述热值观测器，经所述热值观测器中的热值计算模块计算后得出热值修正参数，所述热值修正参数修正现场测量的煤量信号得到标准的煤量信号。

在执行步骤5)时，如果所述机组模型中各个参数最终的数值与所述实际运行机组的运行参数是一样的，只是和所述实际运行机组的运行参数有个时间差，则改变相应惯性环节的惯性时间和积分器的积分时间。

在执行步骤5)时，如果所述机组模型中各个参数最终的数值与所述实际运行机组的运行参数不一样，则修改相应的函数发生器。

一种实现上述方法的火电机组燃煤热值观测器，其特征在于：它包括一机组模型，所述机组模型包括一组函数发生器(1～6)，所述函数发生器(1)的输入端连接一乘法器(a)，它的输出端经过四个惯性环节后连接一减法器(a)的+输入端，所述乘法器(a)的一个输入端连接所述热值修正回路，另一个输入端为煤量；所述函数发生器(2)的输入端连接一减法器(b)的输出端，它的输出端分别连接所述减法器(a)的-输入端和一减法器(c)的+输入端，所述减法器(a)的输出端连接一积分器(a)，所述积分器(a)的输出端连接所述减法器(b)的+输入端，所述减法器(c)的输出端连接一积分器(b)，所述积分器(b)的输出端分别连接所述减法器(b)的-输入端；所述函数发生器(3)的输入端连接所述积分器(b)输出端，它的输出端连接一乘法器(b)的输入端，所述乘法器(b)的输出端连接所述减法器(c)的-输入端；所述函数发生器(4)的输出端连接所述乘法器(b)输入端，它的输入端为汽机调门开度；所述函数发生器(5)的输入端连接所述乘法器(b)的输出端，它的输出端经一惯性环节后连接所述函数发生器(6)，所述函数发生器(6)连接一惯性环节。

在所述机组模型上连接一热值修正回路，所述热值校正回路包括另一组函数发生器(7～10)，所述函数发生器(7)的输入端连接一减法器(d)的输出端，它的输出端连接一加法器(g)，所述减法器(d)的-输入端连接所述积分器(a)的输出端，它的+输入端为实际汽包或分离器出口压力；所述函数发生器(8)的输入端连接一减法器(e)的输出端，它的输出端连接所述加法器(g)，所述减法器(e)的-输入端连接所述积分器(b)的输出端，它的+输入端为实际机前压力；所述函数发生器(9)的输入端连接一减法器(f)的输出端，它的输出端连接一积分器(c)，所述减法器(f)的-输入端连接所述函数发生器(6)的输入端，它的+输出端为实际一级压力，所述积分器(c)的输出端连接一加法器(h)的输入端；所述函数发生器(10)的输入端连接所述加法器(g)的输出端，它的输出端连接所述加法器(h)的输入端，所述加法器(h)的输出端连接一切换块的N端，所述切换块的Y端为目前热值信号，所述切换块的输出端连接所述乘法器(a)的输入端。

所述函数发生器(7)和函数发生器(8)是一个带有小偏差切除的函数。

采用一个热值校正投入的脉冲信号作为所述切换块的切换信号。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的热值观测器是基于火电机组的动态特性建立起来的，对于机组考虑的参数比较全面，因此能够很全面的评价出机组现在的燃烧情况，计算出较接近实际的燃煤热值。2、本发明的热值观测器是基于火电机组的动态特性建立起来的，在参数设定上，机组模型中的各个参数是相对独立的，因此在参数设置上有很大的灵活性。3、本发明的热值观测器是基于火电机组的动态特性建立起来的，能够较快的计算出机组目前的燃煤热值，对煤质的变化监测响应速度比较快。4、本发明能够在电厂运行中在线实时监测煤质的情况，并把该情况反馈到电厂控制系统中，使得机组能够安全稳定的运行，可以避免由于煤质发生较大的变化而引起机组的超温超压。

附图说明

图1是目前关于燃煤热值信号的修正回路

图2是本发明的热值观测器逻辑图

图3是本发明的总体布置图

图4是本发明经实践得出的负荷变动曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明的热值观测器是基于火电机组的动态特性，运用能量守恒定律建立起来的，它包括机组模型和热值校正回路两个部分。机组模型包括一组函数发生器1～6，函数发生器1的输入端连接一乘法器a，它的输出端经过四个惯性环节后输入减法器a的+输入端。乘法器a的一个输入端连接热值修正回路，另一个输入端为煤量。函数发生器1的入口变量为经过热值校正后的煤量，它的输出为中间参考变量-主蒸汽流量，它的功能就是把进入锅炉的煤量折算成相对应的进入锅炉的主蒸汽流量，和下面的四个惯性环节模拟燃料进入锅炉经燃烧对给水加温加压后到汽包或分离器入口这一段锅炉的燃烧特性。

函数发生器2的输入端连接一减法器b的输出端，它的输出端分别连接减法器a的-输入端和一减法器c的+输入端。减法器a的输出端连接一积分器a，积分器a的输出端连接减法器b的+输入端。减法器c的-输入端连接一乘法器b的输出端，它的输出端连接一积分器b的输入端，积分器b的输出端连接减法器b的-输入端。由此可见，函数发生器2的入口变量为汽包或分离器压力与机前压力的偏差，此偏差由汽包或分离器压力与机前压力输入减法器b计算得出，它的输出为该偏差压降相对应的主蒸汽流量。函数发生器2的功能是模拟从汽包或分离器出口到汽轮机入口之间锅炉的过热器加热段这一区间的压力-流量特性，通过汽包或分离器出口的压力和机前压力的偏差计算出从汽包或分离器出口到汽轮机入口之间锅炉的过热器加热段中主蒸汽的流量，该流量与进入锅炉汽包或分离器前的蒸汽流量的偏差经积分器a计算出汽包或分离器出口的压力。

函数发生器3的输入端连接积分器b输出端，它的输出端连接一乘法器b的输入端，乘法器b的输出端连接减法器c的-输入端。函数发生器3的入口变量为机前压力，它的输出为该机前压力下对应的主蒸汽流量。函数发生器3的功能是模拟主蒸汽进入汽轮机到汽轮机调速汽门这一段汽轮机做功主蒸汽流量的变化特性。

函数发生器4的输出端连接乘法器b的输入端，它的入口变量为汽机调门开度，它的输出为有效汽机调门开度。函数发生器4的功能是模拟汽机调门对主蒸汽流量的影响，它的输出和函数发生器3的输出经乘法器b乘积得到汽机调门后的主蒸汽流量，该主蒸汽流量与函数发生器2的输出经减法器c计算出偏差，将此偏差输入积分器b计算出机前压力。

关于函数发生器3，函数发生器4参数的设定：首先对函数发生器3设计一点为x＝额定压力，y＝额定负荷时的主蒸汽流量。当机组在定压运行阶段时，函数发生器3的输出为额定负荷时的主蒸汽流量，这时根据不同定压负荷下主蒸汽流量与额定负荷时的主蒸汽流量的比值和汽机调门的开度确定函数发生器4各个工作点的参数。当机组运行在滑压段时，这时函数发生器4的参数已经确定，它的输出为一明确的值。当机组稳定在一个滑压负荷时，根据当前的主蒸汽流量和函数发生器4的输出以及当前的机前压力，可以确定函数发生器3。

函数发生器5的输入端连接乘法器b的输出端，它的输出端经一惯性环节后连接函数发生器6。函数发生器5的输入变量为汽机调门后的主蒸汽流量，它的输出经惯性环节后为一级压力。函数发生器6的输入变量为一级压力，它的输出经一惯性环节后为机组负荷。

热值校正回路包括一组函数发生器7～10，函数发生器7的输入端连接一减法器d的输出端，它的输出端连接一加法器g。减法器d的-输入端连接积分器a的输出端，它的+输入端为实际汽包或分离器出口压力。由此可见，函数发生器7的输入变量为实际的汽包或分离器出口压力与机组模型中汽包或分离器出口压力经减法器d计算得出的偏差，它的输出为压力偏差对锅炉燃煤热值的影响。

函数发生器8的输入端连接一减法器e的输出端，它的输出端连接加法器g。减法器e的-输入端连接积分器b的输出端，它的+输入端为实际机前压力。由此可见，函数发生器8的输入变量为实际机前压力与机组模型中机前压力经减法器e计算得出的偏差，它的输出为压力偏差对锅炉燃煤热值的影响。函数发生器7和函数发生器8均为一个带有小偏差切除的函数。

函数发生器9的输入端连接一减法器f的输出端，它的输出端连接一积分器c。减法器f的-输入端连接函数发生器6的输入端，它的+输出端为实际一级压力，积分器c的输出端连接一加法器h的输入端。由此可见，函数发生器9的输入变量为实际的一级压力和机组模型中一级压力经减法器f计算得出的偏差，它的输出经积分器c计算出煤质热值的基本值。

函数发生器10的输入端连接加法器g的输出端，它的输出端连接加法器h的输入端。加法器h的输出端连接一切换块的N端，切换块的Y端接目前热值信号，切换器的输出端连接乘法器a的输入端，并采用一个热值校正投入的脉冲信号作为切换块的切换信号。函数发生器10的输入变量为汽包或分离器出口压力和机前压力与机组模型中的汽包或分离器出口压力和机前压力的偏差经小偏差切除后的和，它代表锅炉侧蒸汽的能量信号的不匹配，该偏差经小偏差切除后作为煤质热值的一部分，提高热值观测器的动态特性。当热值观测器中的热值校正回路不投入时，热值观测器独立运算，当投入时为了保证锅炉能够稳定的进行模式切换，热值观测器要跟踪热值的当前值，几秒后进入热值正常计算回路。

为了热值校正回路能够安全稳定的正常运行，当发生以下情况时，热值校正回路自动切除：1、机组负荷比较低：因为这时进入锅炉的煤种比较单一，且在低负荷段机组存在着很大的非线性和不稳定性。2、机组发生快速减负荷工况时：因为这时机组运行工况比较恶劣，运行参数已不在正常运行工况的范围之内。3、机组高加解列时：因为这时由于没有高压加热器对进入炉膛的水进行加热，使得煤量和机组运行参数之间的关系发生了巨大的变化，这种工况是以后要研究的课题，最终使得该装置能够在高加解列时也能够很好的运行监测煤质。

基于上述内容建立的热值观测器，本发明的燃煤热值实时监测方法包括以下步骤：

1)在DCS控制系统中查找实际运行机组在设计煤种下稳定运行时，不同负荷下各个运行参数之间的对应关系，运行参数包括煤量、汽机调门开度、机组负荷、一级压力、机前压力、汽包或分离器出口压力和主蒸汽流量。

2)通过步骤1)中实际运行机组的运行参数的概率统计对机组模型中各个参数(主要是函数发生器1～10)进行静态配置，使得机组模型在各个负荷段下的静态输出参数能够很好的体现实际运行机组运行参数的特性。

3)根据经验值给出机组模型中惯性环节的惯性时间和积分器的积分时间。

4)在机组运行中把机组模型计算出来的参数包括汽包或分离器出口压力、机前压力、一级压力、机组负荷，与实际运行机组的参数进行比较分析：如果机组模型各个参数最终的数值与实际运行机组的运行参数是一样的，只是和实际运行机组的运行参数有个时间差，则改变相应惯性环节的惯性时间和积分器的积分时间；如果机组模型各个参数最终的数值与实际运行机组的运行参数不一样，则需要修改相应的函数发生器，直到机组模型能够很好的与实际运行机组相匹配。

5)当机组模型能够很好的与实际运行机组相匹配后，可以开放热值观测器中的热值计算模块，让实际运行机组在不同煤种下稳定运行，并以消除机组参数小范围的自身波动和反映机组实际能量发生的变化为原则对机组模型参数配置中的函数死区进行设置。检查热值观测器计算出的热值和实际运行机组煤的热值对应情况，修正热值校正回路中的参数使之能与实际情况相匹配。

6)如图3所示，将现场测量的煤量信号和机组目前的汽包或分离器出口压力、机前压力、一级压力输入本发明的热值观测器，热值观测器中的热值计算模块计算后得出热值修正参数，该热值修正参数修正直接测量的煤量信号得到标准的煤量信号。本发明的工作过程是当实际运行机组的煤质变差时，这时相同的煤量导致实际运行机组的输出参数会比相同标煤下的参数低，这时本发明会减小煤质的热值信号，使得经热值信号折算出的标准煤量减小，这使得机组模型的输出会和实际运行机组的实际参数一样，而这时的热值也表征了实际运行机组目前的热值情况。同样当实际运行机组的煤质变好时，这时相同的煤量导致实际运行机组的输出参数会比相同标煤下的参数高，这时本发明会增大煤质的热值信号，使得经热值信号折算出的标准煤量增大，这使得机组模型的输出会和实际运行机组的实际参数一样，而这时的热值也表征了实际运行机组目前的热值情况。

如图4所示，是采用本发明在某电厂燃用热值较好煤的磨煤机启停时，热值修正信号15小时内的变化趋势图。本图表明当燃用热值较好煤的磨煤机启停时，造成进入锅炉燃料的总的热值发生了变化，本发明的热值修正信号也随着燃用好煤的磨煤机的启停发生了变化，从1.019当磨停止时变为0.972后随着磨的启动又变为1.007。根据该曲线可以看出，本发明所计算的热值信号，实时的反映了进入锅炉燃料的热值发生的变化。

尽管为说明目的公开了本发明的较佳实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。