基于制粉数字孪生系统的智能磨煤机运行组合控制算法.pdf

第26卷 第5期2023年10月Vol.26 No.5Oct.2023山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power College基于制粉数字孪生系统的智能磨煤机运行组合控制算法李珂（大唐西北电力试验研究院，陕西西安710065）摘要：火力发电机组制粉系统的延迟性和波动性会对发电机组协调控制系统造成不良影响。构建火电机组制粉数字孪生系统，提出智能磨煤机运行组合控制策略，实现满足制粉应用服务系统需求的全周期跟踪监视和针对性调节，动态优化制粉过程，智能选择磨煤机的最佳运行组合方式，实现主蒸汽压力超前控制，解决燃烧系统的滞后问题。关键词：火力发电机组；制粉系统；数字孪生系统；智能控制；动态优化中图分类号：TP2文献标志码：B文章编号：2096-9104（2023）05-0048-06Intelligent Control Algorithm of Coal Mill Operation CombinationBased on Coal Pulverizing Digital Twin SystemLI Ke（Datang Northwest Electric Power Test&Research Institute，Xi an 710065，China）Abstract：The delay and variability of the coal pulverizing system in the thermal power generation unit can adversely affect the coordinated control system of the power generation unit.To address this issue，the construction of a coal pulverizing digital twin system of the power generation unit is proposed.An intelligent control strategy of coal mill operation combination is introduced，which can achieve the full-cycle tracking，monitoring and targeted adjustment to meet the requirements of coal pulverizing application service system，dynamically optimize the coal pulverizing process，intelligently select the optimal mode of coal mill operation combination，control the main steam pressure in advance，thereby resolving the lag issue in the combustion system.Keywords：thermal power generation unit；coal pulverizing system；digital twin system；intelligent control；dynamic optimization0引言随着新能源发电容量的增加以及火电机组配煤掺烧的影响，新型电力系统对火电机组调节的灵活性、稳定性要求越来越高1。为了提升配煤掺烧工况下火电机组主动支撑高比例新能源发电的能力，本文深入分析煤质变化对系统产生的影响，构建火电机组制粉数字孪生系统，并提出智能磨煤机运行组合控制算法，旨在提升新型电力系统下火电机组运行的经济性、可靠性、稳定性。火电机组制粉数字孪生系统通过提取全生命周期过程的有效数据，创建制粉系统模型，针对调节偏差、应用服务系统需求，动态交互式优化整个制粉过程2-4。智能磨煤机运行组合控制策略基于经济指标优先或者特性指标优先的原则，在制粉数字孪生系统中融入智能组合算法，结合状态观测器，智能选择磨煤机的最佳运行组合方式5-7。1火电机组制粉数字孪生系统1.1系统架构以某火电机组为例，制粉系统主要设备包括磨煤机、磨煤机分离器电机、磨煤机分离器变频器、给煤机电动机、给煤机变频器、润滑油泵、润滑油箱电加热器、润滑油箱电加热带、磨煤机入口冷热风关断门、冷热风调门、磨煤机入口密封风门、消防蒸汽电动门、磨出口启动插板门等。除了以上设备，部分制粉系统还包括等离子系统相关设备8。火电机组制粉数字孪生系统通过物理系统建收稿日期：2023-07-21作者简介：李珂（1992），男，硕士，工程师，主要研究方向为先进控制理论与算法。编辑部收稿邮箱：48模、数据分析、信息融合、通讯交互等功能，在真实与虚拟两个架构层面对燃烧系统进行监视、追踪、调节、优化，动态交互式控制整个制粉过程9-10，从而克服燃烧系统的滞后性，保证燃烧的及时性，对提升燃烧系统的响应速率、主蒸汽压力的稳定性有重要意义。火电机组制粉数字孪生系统架构图如图 1 所示，包括物理制粉系统、虚拟制粉系统、孪生数据系统、制粉应用服务系统、动态实时交互系统。虚拟制粉系统包括几何模型、物理模型、行为模型；制粉应用服务系统包括燃煤运动轨迹监视、可视化在线诊断、三维操作指导。1.2系统功能1.2.1物理制粉系统物理制粉系统为火电机组制粉系统物理设备、工艺及流程、工艺参数的总和，是孪生系统几何模型、物理模型、行为模型等建模的依据和指导。制粉系统中给煤机运送煤块到炉膛燃烧的过程中使用的设备包括给煤机、磨煤机、风粉管道、炉膛。煤块经过给煤机运输至磨煤机，磨煤机将煤块研磨为满足细度要求的煤粉，煤粉被热一次风通过风粉管道吹送至炉膛燃烧。1.2.2虚拟制粉系统虚拟制粉系统依据物理制粉系统进行虚拟建模，包括几何模型、物理模型、行为模型，实现物理模型到虚拟模型的映射，将物理设备、系统、工艺流程、工艺参数等映射到虚拟制粉系统中。1）几何模型。构建物理制粉系统的机械结构几何模型，包括皮带、给煤机、磨煤机、热风门、管道、冷一次风、热一次风等。2）物理模型。基于采集的实时数据、历史数据构建虚拟制粉系统的几何模型、物理模型和行为模型，实现对物理制粉系统的虚拟映射，包括给煤机转速、磨煤机制粉时间、冷一次风量、热一次风量、一次风压、煤块运动轨迹及时间、燃烧工况等。3）行为模型。在给煤机转动运输模型中，实时采集给煤机转速，统计煤块从进入给煤机标识区到离开给煤机标识区的时间，通过转速判断皮带运输是否正常11；在磨煤机制粉模型中，统计煤块从进入磨煤机标识区到离开磨煤机标识区的时间，并且根图1火电机组制粉数字孪生系统架构图李珂：基于制粉数字孪生系统的智能磨煤机运行组合控制算法49山东电力高等专科学校学报第26卷 第5期Vol.26 No.5据磨煤机振动频率、给煤率等信号判断是否堵磨；在管道风力携粉运动模型中，构建携粉运动轨迹，并计算携粉力，统计煤粉从管道到炉膛的时间，并根据虚拟数据优化风力、风速、风温；在煤粉炉膛燃烧模型中，根据炉膛火焰监视相关数据，跟踪炉膛燃烧情况，并通过总风量、氧量等判断是否属于富氧燃烧工况。1.2.3孪生数据系统提取物理制粉系统、虚拟制粉系统的有效数据信息，将优化算法、经验算法给出的数据进行双向通信，对物理制粉系统、虚拟制粉系统进行优化调整。具体包括：接收物理制粉系统的感知数据并传递至虚拟制粉系统，再把虚拟制粉系统优化后的参数返送至物理制粉系统，完成对物理制粉系统的运行优化；接收虚拟制粉系统的感知数据，与物理制粉系统的数据对比分析后删除异常数据，再把数据返送至虚拟制粉系统；接收制粉应用服务系统的感知数据，根据物理制粉系统、虚拟制粉系统当前的数据特性，调整制粉应用服务系统的感知数据，并将数据返送至制粉应用服务系统。1.2.4制粉应用服务系统通过建立燃煤运动轨迹图，基于物理制粉系统、虚拟制粉系统准确追踪燃煤运动过程，实现燃煤运动轨迹监视、可视化在线诊断、三维操作指导。1）燃煤运动轨迹监视。实时动态监视燃煤运动轨迹，包括运动时间、速度、位置、给煤量等，预估燃煤运动轨迹，为断煤、堵磨等异常工况的发生提供有力数据。2）可视化在线诊断。发生异常工况时，可视化在线诊断异常工况原因，并且上报至系统，通过三维操作指导给出解决办法。3）三维操作指导。观察是否堵煤、断煤，风量是否充足，燃烧是否充分。当出现异常工况时，通过操作指导反馈至系统，通过报警、自动干预、人工干预等方式及时调整12-13。1.2.5动态实时交互系统通过总线信息传输技术，实现物理制粉系统与虚拟制粉系统、虚拟制粉系统与制粉应用服务系统、物理制粉系统与制粉应用服务系统之间的信息交互与反馈。2智能磨煤机运行组合策略机组在运行过程中，负荷发生实时动态变化，燃煤机组调节负荷最根本的方式是调节燃料量，而燃料量是由多台磨煤机共同决定的，每台磨煤机的携粉性能、燃煤热值均不同。因此，在不同的磨煤机运行组合方式下，机组的调节品质、经济效益有所差别。基于经济指标优先或特性指标优先的原则，智能选择磨煤机的最佳运行组合方式，通过状态观测器、状态反馈修正智能磨煤机运行组合控制算法模型，实现燃烧的经济性、可靠性、稳定性14。智能磨煤机运行组合控制逻辑如图2所示。图2智能磨煤机运行组合控制逻辑2.1状态观测器设计选取锅炉主控输出作为观察状态x，构建系统状态方程：x=Ax+Bu（1）式中：A为系统矩阵，B为控制矩阵，x为状态变量，u为控制矢量。观测器的状态方程为x=()A LC x+Bu+Ly（2）式中：C为输出矩阵；L为观测矩阵；y为系统输出。观测矩阵L为：L=l1l2ln（3）引入s算子，特征多项式f0()s为：f0()s=|sI (A LC)（4）式中：I为单位矩阵。将观测状态输入智能磨煤机运行组合控制算法模型中，对模型参数进行修正。2.2智能磨煤机运行组合控制算法模型2.2.1算法指标1）经济指标R经济指标R代表了燃烧的经济性，在相同工况50运行所用燃料量越少，经济性指标越优，即R指标越小，燃烧经济性越高。R=BTUFP（5）式中：BTU为热值修正系数；P为功率；F为对应负荷下统计周期内的平均燃料量。2）特性指标K特性指标K代表了机组的运行特性，相同采样时间、相同负荷段下，综合自动发电控制（automaticgeneration control，AGC）平均合格率、一次调频平均合格率、平均主蒸汽压力偏差、平均主蒸汽温度偏差4项机组重要运行参数，K值越小说明机组运行特性越好。K=(1 O)2+(1 Z)2+Q2+W2（6）式中：O为AGC平均合格率；Z为一次调频平均合格率；Q为平均主蒸汽压力偏差；W为平均主蒸汽温度偏差；、为权重系数。2.2.2组合算法融合指标的智能磨煤机运行组合控制算法流程架构如图3所示。图3融合指标的智能磨组运行组合控制算法流程架构图1）运行方式分组，以具有5台磨煤机的机组为例，机组正常运行工况下至少设计2台磨煤机运行。2台磨煤机运行时，有C25种组合方式；3台磨煤机运行时，有C35种组合方式；4台磨煤机运行，有C45种组合方式；5台磨煤机运行，有C55种组合方式。2）根据运行工况，排除异常磨煤机，采集磨煤机不同运行组合方式下算法指标计算所需的运行参数。计算经济指标需要采集的运行参数包括热值修正系数、功率、对应负荷下统计周期内的平均燃料量。计算特性指标需要采集的运行参数包括AGC 平均合格率、一次调频平均合格率、平均主蒸汽压力偏差、平均主蒸汽温度偏差15。在机组稳定工况下，针对不同工况与运行组合方式，进行3次采集，每次采集机组30 min内的数据，每次采集的采样周期为1 min。3）根据可供选择的磨煤机运行组合方式，分别计算不同运行组合方式下的经济指标 R 和特性指标K。4）选择优先考虑的指标，并根据选择的优先考虑指标，分别计算不同磨煤机运行组合方式下的复合指标。经济指标优先时，复合指标 F=0.7R+0.3K。特性指标优先时，复合指标G=0.7K+0.3R。根据复合指标，确定磨煤机的最佳运行组合方式。3案例与变负荷试验分析选取某 300 MW 亚临界机组进行变负荷试验。该机组锅炉采用摆动式燃烧器，四角布置、切向燃烧，采用正压直吹式制粉系统，单炉膛、露天布置、全钢架悬吊结构、平衡通风、固态排渣。过热蒸汽温度调节采用二级喷水调节方式，再热蒸汽温度调节采用摆动燃烧器调节方式。汽轮机为亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、单抽供热式汽轮机。发电机为水-氢-氢冷发电机，采用自并励静止励磁系统。3.1智能磨煤机运行组合方式分析计算该机组包括5台磨煤机，在负荷260 MW工况下稳定运行，在考虑经济指标优先的情况下，选择合理的磨煤机运行组合方式。1）运行方式分组。260 MW 负荷下需要 4台磨煤机运行，可供选择的磨煤机运行方式有C45种组合，即A-B-C-D、A-B-C-E、A-B-D-E、A-C-D-E、B-C-D-E。2）根据当前运行工况，排除异常磨煤机，采集磨煤机不同运行组合方式下算法指标计算所需的运行参数。在负荷260 MW工况下，根据运行设计需求选李珂：基于制粉数字孪生系统的智能磨煤机运行组合控制算法51山东电力高等专科学校学报第26卷 第5期Vol.26 No.5择4台磨煤机运行，有5种磨煤机运行组合方式。5种磨煤机运行组合方式下的R指标与K指标相关采集参数如表1和表2所示。表1R指标相关采集参数组合方式A-B-C-DA-B-C-EA-B-D-EA-C-D-EB-C-D-EBTU1.051.030.980.951.00P/MW260.00260.00260.00260.00260.00F/（th-1）1101061019597表2K指标相关采集参数组合方式A-B-C-DA-B-C-EA-B-D-EA-C-D-EB-C-D-EO/%9088869195Z/%9387899296Q/MPa0.560.610.630.530.51W/7.16.96.75.55.73）根据可供选择的磨煤机运行组合方式，分别计算不同运行组合方式下的经济指标R和特性指标K，权重系数根据专家经验值取值如下：=20，=19，=0.8，=0.05。指标计算结果如表3所示。表3指标计算结果运行组合方式A-B-C-DA-B-C-EA-B-D-EA-C-D-EB-C-D-E指标R0.440.420.380.350.37指标K1.751.811.781.421.384）本案例以经济指标为优先考虑的指标。根据选择的优先考虑指标，计算5种磨煤机运行组合方式下的复合指标。F1=0.7R1+0.3K1=0.833F2=0.7R2+0.3K2=0.837F3=0.7R3+0.3K3=0.800（7）F4=0.7R4+0.3K4=0.671F5=0.7R5+0.3K5=0.673根据选择的优先考虑指标，最优组合方式为F4，即A-C-D-E磨煤机运行组合方式，能够满足经济指标优先原则。综上所述，机组在运行过程中，负荷实时动态地变化，燃煤机组调节负荷最根本的方式是调节燃料量，而燃料量是由多台磨煤机共同调节的，由于每台磨煤机的携粉性能不同，在不同工况下，基于经济指标优先或者特性指标优先原则，智能选择磨煤机的最佳运行组合方式，实现燃烧的经济性、可靠性、稳定性。3.2变负荷试验及分析变负荷试验状态观测器检测到系统输出出现波动，说明系统偏离稳态，利用智能磨煤机运行组合控制算法模型动态调整磨煤机运行组合方式，结合燃煤热值修正，动态调节锅炉主控，维持主蒸汽压力的稳定，保证变负荷速率。负荷从195 MW降至150 MW过程中主参数调节指标统计如表4所示。表4负荷从195 MW降至150 MW过程中主参数调节指标统计表参数实际负荷变化速率/（MWmin-1）负荷响应纯延迟时间/s负荷动态偏差/MW主蒸汽压力动态偏差/MPa主蒸汽温度动态偏差/再热蒸汽温度动态偏差/中间点温度动态偏差/炉膛压力动态偏差/PaAGC动态指标4.50606.000.608.010.010200试验结果5.49252.740.457.59.68121由指标统计表可见，机组AGC响应时间为25 s，变负荷速率大于4.5 MW/min，负荷动态偏差在2.74 MW以内；主蒸汽压力动态偏差在0.45 MPa以内，显著提升了机组主参数精准控制能力和负荷快速调节52能力。4结语构建火电机组制粉数字孪生系统，创建制粉系统模型，根据调节偏差以及应用服务系统需求，动态交互式优化制粉过程。提出智能磨煤机运行组合控制算法，设计状态观测器，融合经济指标、特性指标、复合指标，智能选择磨煤机最佳运行组合方式。通过变负荷试验验证了该方法的有效性，能够有效提升机组主参数精准控制能力、负荷快速调节能力，提高了新型电力系统下火电机组调节的灵活性、稳定性。参考文献1刘彬，张云勇.基于数字孪生模型的工业互联网应用 J.电信科学，2019，35（5）：120-128.2赖传可，胡荣群.VR 技术在船舶数字孪生运维系统中的应用J.舰船科学技术，2021，43（22）：211-213.3张辰源，陶飞.数字孪生模型评价指标体系 J.计算机集成制造系统，2021，27（8）：2171-2186.4刘青，刘滨，王冠，等.数字孪生的模型、问题与进展研究 J.河北科技大学学报，2019，40（1）：68-78.5李浩，王昊琪，刘根，等.工业数字孪生系统的概念、系统结构与运行模式 J.计算机集成制造系统，2021，27（12）：3373-3390.6经海翔，黄友锐，徐善永，等.基于数字孪生和概率神经网络的矿用通风机预测性故障诊断研究 J.工矿自动化，2021，47（11）：53-60.7谢永慧，刘天源，张荻.新能源形势下的“智慧汽轮机”及其研究进展 J.中国电机工程学报，2021，41（2）：394-409.8张文建，梁庚，李庚达，等.智慧化全数字技术及其在电厂中的应用 J.中国电力，2020，53（11）：202-211.9刘吉臻，胡勇，曾德良，等.智能发电厂的架构及特征 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