摘要：存储类型的煤粉锅炉燃烧过程多变量、强耦合、大惯性、纯滞后、多干扰的特点,传统的PID算法很难满足燃烧控制的需要。利用现有DCS系统可扩展性,采用先进的控制算法与传统控制算法相结合的控制策略优化系统转换,锅炉效率为目标函数,和方法自优化算法寻找最佳锅炉烟气氧含量值,从而实现经济燃烧煤粉锅炉,取得一定的经济效益和社会效益。
关键词：煤粉锅炉；燃烧系统；炉效在线；自寻优控制
1前言
火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国的重点能源工业之一。大型火力发电机组具有效益高、投资省、自动化水平高等优点，在国内外已发展得很快。我国近期将以20万kW和30万kW机组为骨干机组，并逐步发展60万kW机组。目前国外已建成100万kW以上的大型机组。大型火力发电机组是典型的过程控制对象，它是锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，而且电能生产还要求高度的安全可靠性和经济性，尤其是大型骨干机组，这方面的要求更为突出。因此，大型机组的自动化水平受到特别的重视。目前已逐步把常规控制与计算机控制结合起来，有的已开始完全采用计算机来进行控制。本文将以大型单元机组为控制对象，讨论其燃烧控制系统的设计过程。大型火力发电机组锅炉燃烧系统主要采用计算机进行集散控制，我们把它分为两级控制，下层由常规仪表控制，上层由计算机控制，对那些用常规方式不能解决的问题，采用模糊神经网络建模，用遗传算法解决优化问题，完善燃烧过程自动控制。
2燃烧系统优化方案
2.1系统构成
结合现有的DCS系统平台，在DCS控制器实现基础回路的控制算法，并对操作画面和其他相关画面进行组态，另外增加2台锅炉燃烧优化站（双冗余），以实现先进控制算法及系统优化算法。优化站是实现先进控制算法的平台，并且可以实现锅炉优化控制输出，形成闭环控制或者开环指导，提高锅炉控制系统的性能。同时保留原有手动操作模式，以便在控制系统异常时能够正常进行人工操作。该网络通过每个分布式I／O模块ET200将现场的数据分别传送到不同的控制站AS417H中，并通过缆总线接口总站OSM模件将各成员以星型结构连接在一起，若干OSM模件构成双环网结构，并分别通过4个服务器Server实现数据的存储与交互。优化站系统通过与服务器通信，实现数据的采集与下发。操作员则通过操作员站OS向系统发出指令。
2.1.1炉膛氧量控制
锅炉燃烧时实际送入的空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，可用过量空气系数来表示送入炉膛的氧量。从锅炉运行经济性的角度来分析，当过量空气系数在一定范围内变化时，随着送风量的增大，锅炉燃烧给氧充足，煤粉燃烧充分，燃烧损失逐渐减小；当此时排烟温度和排烟量大，会导致排烟带来的热损失增加。最佳的过量空气系数就是要求燃烧损失和排烟热损失两者之和最小，此时锅炉效率最高。国内部分 300-1000MW 级锅炉运行氧量值的范围详见表1。
表1 国内部分锅炉运行氧量值的控制范围
为了保证数据的真实性和有效性，在锅炉运行稳定后，现场进行采样，NOx 排放浓度就地实测，供电煤耗从机组性能在线监测系统中读取，炉膛出口烟气温度采用红外高温仪记录。
在 300MW 下共获得了 200 组实测数据，样本变化覆盖了运行过程中的所有情况。表 2
列出了其中的 20组采样数据。
表2 现场采集的部分数据
电站的运行人员可通过直接调整优化组合来降低锅炉燃烧系统的供电煤耗和 NOx的排放。所选取的优化组合可表示为一个向量x。为了保证优化结果与实际运行情况相符且考虑到习惯的运行方式及对所采集数据的统计，对优化组合的范围有一定的限制，其取值保持在试验样本最大值与最小值之间，对锅炉的多个工况进行了测试，在此举例电厂中的低负荷、中负荷及高负荷实际运行工况进行说明。在寻优的过程中，选取不同的权重系数其优化结果互不相同，若电站主要强调降低燃烧煤耗，则使GA- SA 适应度函数中煤耗的权重系数相对大一些，若电站更关注降低燃烧排放 NOx，则适应度函数中 NOx的权重系数可相对大一些，所以，根据电站对锅炉燃烧系统评价指标的关注度，来选择评价指标前的权重系数。
2.2控制方案
充分利用DCS现有平台的可扩展性，实现锅炉燃烧控制系统与DCS的完全融合，以减轻锅炉燃烧控制系统开发和维护的工作量。
2.2.1主蒸汽压力控制
主蒸汽压力的控制过程主要是主蒸汽压力的过程值与设定值进行比较，将两者偏差信号输入控制器中运算，其输出信号传给执行机构———给粉机，通过改变给粉机转速来控制进入炉膛的燃料量，最终改变主蒸汽压力，使其过程值与设定值趋于一致。为确保主蒸汽压力的稳定与快速调节，在主蒸汽压力控制回路中采用了串级模式，将汽包压力作为内环前馈。在优化站中，该回路算法采用单、双回路控制模式切换，并与前馈算法相结合的方式实现。
2.2.2排烟含氧量控制
排烟含氧量的控制采用串级加前馈的控制方案，外环被控量为排烟含氧量，内环被控量为送风流量。内环采用2个独立的PID控制器分别对甲、乙侧送风机液偶开度进行控制，内环的前馈为给粉机转速均值与主蒸汽流量外给值。
2.2.3炉膛负压控制
炉膛负压控制系统采用常规的闭环控制加前馈补偿。因为炉膛负压主要受引风和送风2个变量因素的影响，而且他们是相互关联的。所以，炉膛负压的控制需要将送风量作为前馈扰动加入到系统的过程量中，以实现系统的快速性。在优化站中，炉膛负压控制回路采用单回路控制、多控制模式切换的方式实现。系统的运行状态主要分为暂态和稳态，对于不同的状态采用不同的控制算法与控制参数，同时，采用前馈解耦算法快速消除送风机扰动对炉膛负压的影响，确保炉膛负压控制更为稳定。
2.3锅炉燃烧优化方案
在锅炉燃烧过程中，如果空气过剩系数α过大，将使排烟量增加，烟气带走的热量增加，排烟热损失增大，且烟气中氮氧化物排放量增加。如果空气过剩系数α过小，虽然排烟量减少，排烟热损失减少。但是，由于空气量不足，燃烧将会不充分，飞灰残炭上升，化学不完全燃烧热损失和机械不完全燃烧热损失增大。所以，锅炉燃烧存在一个最佳过剩空气系数，它可以将两者相互兼顾，使得锅炉效率最高。
2.3.1锅炉热效率
锅炉热效率η是锅炉有效利用热量与锅炉输入总热量的百分比，是锅炉经济运行的重要指标，也是锅炉燃烧优化控制的目标函数。锅炉热效率的计算方法有正平衡法和反平衡法，由于采用正平衡法计算需要测量燃料消耗量，在某种程度上说燃料消耗量难于准确测量，所以，一般采用反平衡法计算。同时，采用反平衡法计算锅炉热效率不仅方便、准确，且可通过测量各项热损失，提出改进和提高锅炉热效率的途径。
2.3.2锅炉燃烧优化方案
本方案以锅炉反平衡在线效率作为优化的性能指标，它是一个非单调的函数。在炉效计算模块主要引入了入炉煤的收到基低位发热量、入炉煤的收到基灰分、入炉煤的收到基水分、锅炉负荷、飞灰含碳量、排烟含氧量、排烟温度、给水温度等基本参数。煤的低位发热量、水分、灰分需要人工根据分析数据每天输入，其他数据均取自于锅炉运行实时数据库。针对锅炉燃烧大惯性、纯滞后、参数时变的特点，采用常规控制与智能控制相结合的控制策略。
常规控制算法能保证稳定工况下锅炉稳定燃烧，并有较好的动态和静态控制性能。在锅炉燃烧工况变化时，对于不同工况采用相对应的控制器参数或控制算法，保证锅炉控制系统在工况变化时的控制性能。整个优化站采用2种工作模式：①开环指导，操作员可根据优化站输出的实时优化控制参数指导调整某参数值；②闭环控制，优化站系统将优化的参数直接赋值给DCS系统，实现系统在线优化。
3锅炉燃烧自动控制系统的组成
锅炉燃烧自动控制系统是多输入—多输出系统，与发电负荷、电网周波、燃料种类、制粉系统、燃烧设备以及运行方式等有关。燃烧自动控制系统中的控制燃料回路与协调控制系统有关;对于大型机组来说，利用先进设备。在不同工况下，能够方便地实现协调控制系统。协调控制系统分“机跟炉”、“炉跟机”、“机炉协调”三种方式(不包括“手动”方式)。在分析燃烧过程自动控制系统之前，先简单分析机炉协调控制系统，这种控制方式是建立在协调锅炉和汽机适应外界负荷变化能力基础上的，它既能克服“炉跟机”方式中调用锅炉储热量大而引起主汽压力波动大的问题;又解决了“机跟炉”方式中根本不动用锅炉储热量以致不能较快地响应负荷变化的矛盾。目前，我国火力发电机组不断朝大容量、高参数方向发展，从而对热控自动化提出了更高的要求。大型火力发电机组主要采取计算机进行集散控制。下面以“并列运行、具有中间储粉仓的煤粉炉机组”为例，分析燃烧过程自动控制系统特点，对用常规方式不能解决的问题，提出用神经网络方式来完善燃烧过程自动控制。
4燃烧控制系统组成的基本原则
组成燃烧控制系统的基本原则是首先要求它能迅速地适应外部负荷的扰动，即在动态过程和静态工况下能保证燃烧的经济性及各被控制参数在允许的指标之内。有中间煤粉仓锅炉，制粉系统工作与锅炉运行可以分别进行，但煤粉炉的燃料的测量是一个问题，准确测量进入炉膛的瞬时煤粉量有困难，通常采用给粉机转速信号来代表给粉量。主汽压力控制及给粉浓度调节方式是通过对每层燃烧器进行层控制来调节主汽压力。取主汽压力、调节级后压力和汽包压力三个信号，采用直接能量平衡方式来构造主汽压力的控制方案。在锅炉运行期间，可使调节主汽压力的各煤层控制器处在硬手操、软手操和自动调节三种运行方式中的任何一种，以满足不同的运行要求。另外，在对锅炉燃烧过程建立相应数学模型的基础上，对同层四个角的煤粉浓度进行调平。
5燃烧过程优化指导
通过建立相应数学模型，并利用有关锅炉运行的实时采集数据，计算出锅炉运行期间机械未完全燃烧热损失、化学未完全燃烧热损失、排烟热损失、散热损失和其它热损失(灰渣物理损失和冷却热损失)，从而得到锅炉运行效率。炉膛出口过剩空气系数不仅影响排烟损失，而且影响化学和机械未完全燃烧热损失，在一定限度内减少过剩空气系数，将使排烟损失降低;但化学和机械未完全燃烧热损失会增大，最佳过剩空气系数α(炉膛出口)应当使以上三种损失之和为最小，一般是通过燃烧调整试验来确定它。最佳过剩空气系数与最佳含氧量有一定关系(关系式为α=21/(21-02))，检测炉膛出口烟气含氧量易于实现。散热损失随锅炉容量增大而减小，由于散热损失和受热面金属消耗费用，通过技术经济比较在设计时已经确定了，排烟损失的大小还与燃烧性质有关，当燃用水分和含硫量较高的煤时，为了避免或减轻低温受热面的腐蚀，不得不采用较高的排烟温度，同时燃煤水分增大，排烟容积也增大，结果都会使排烟热损失变大。
6燃烧过程优化控制
在具有中间粉仓供粉的设备中，一次风主要起输送煤粉的作用，当增大其送风量时，会减小炉内过程调节的范围，从这个角度考虑，不希望增大一次风量，而应该使一次风量尽量小，燃烧器中的风速应保持在一定水平上，且空气煤粉混合物速度的降低有一个极限值，在该极限值下，燃烧器喷口尚不会发生过热，燃烧器以及水冷壁都不会产生结渣，而且也没有煤粉分离现象。对于煤粉直接吹入的条件下，调整火焰位置主要靠改变二次风，因为改变一次风量将受到保持给定煤粉细度要求的限制。锅炉运行在任一工况下都有一个最佳燃烧优化区，而在实际运行过程中未必会进入该优化区。燃烧系统在实测数据和有关计算模型的基础上，指出了任一时刻锅炉燃烧状态是进入优化区，以及偏离优化区的程度。当燃烧偏离优化区时，通过送风调节系统调节送风量，从而达到降低燃烧损失、优化燃烧高的目的。大型锅炉的安全、经济运行不仅要求四角切向燃烧锅炉炉膛总的空气/燃烧比例在一定范围之内，且要求同层各角具有均匀的送风量和给粉量。燃烧系统在燃烧过程优化指导的基础上，进行一次风速、二次风速及煤粉浓度的调平。
7结束语
解决问题的火力发电厂锅炉燃烧系统的优化控制,与计算机分布式控制,和使用机炉协调的方式,结合传统控制和计算机控制技术已经非常成熟的控制与常规控制方法,对于那些难以用常规方式解决这一问题,利用计算机控制,实现指导,和优化燃烧过程控制,难以测量的非线性热损失,最好的燃烧优化区域,等等,通过模糊神经网络模型,并使用遗传算法来优化和改善燃烧过程自动控制。
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论文作者:邵建宇1,张学伟2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：锅炉论文; 炉膛论文; 损失论文; 系统论文; 排烟论文; 机组论文; 系数论文; 《电力设备》2018年第27期论文;