（动力工程及工程热物理专业论文）利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制系统优化的研究 摘要 随着世界经济发展，煤炭资源利用日益紧张，改善与提高当前单元机组负荷控 制与燃烧控制系统的控制能力对于提高锅炉热效率、节省能源及提高电厂经济效益 等方面具有重要的工程实际意义本文针对现有火电机组对负荷响应的迟延性进行 分析，提出基于辐射能信号的锅炉控制系统优化方案，对于锅炉机组的控制系统优 化改进研究具有积极的推动作用。 本文首先分析了单元机组负荷控制与燃烧控制系统的组成结构及其调节方式， 之后重点进行了机组的动态特性和迟延特性分析，考察了负荷变化特性和汽压变化 特性，并在此基础上探寻提高机组控制性能的理想方案，针对原有控制系统中热量 信号的不足，提出引入一个能迅速反映燃料侧扰动的辐射能信号进行快速补偿，以 优化燃烧控制性能。 对3 0 0 m w 煤粉锅炉炉膛辐射能信号的动态特性进行了实验研究，分析表明， 平均辐射能光谱强度与锅炉负荷、炉内煤量和一次风量等参数表现出极好的线性相 关性，为基于炉内辐射能强度的锅炉燃烧控制系统的优化调整提供了实验依据。 采用基于虚拟仪器平台的数据采集系统来获取炉膛辐射能信号，对炉膛前墙、 后墙、左侧及右侧的辐射能强度进行采集，并获得了辐射能强度随运行参数的实时 变化情况 炉膛辐射能信号能够快速准确的反映进入炉膛的燃料量的变化，利用红外辐射 能信号快速、直观的特点，将其作为一个提前反馈量，接入锅炉主控模块中，以提 高机组对负荷变化的响应能力，克服燃料侧干扰引起的锅炉主蒸汽压力以及流量的 波动，保证汽机运行的稳定性 基于辐射能信号的燃烧控制优化系统在某电厂3 0 0 m w 煤粉机组上得到了应 用，结果表明，该优化控制方法缩短机组负荷的过渡时间近1 0 分钟，有效提高了机 组运行效率 关键词：煤粉锅炉辐射能信号协调控制系统燃烧优化虚拟仪器 浙江大学硕士学位论文 利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 a b s t r a e t a st h ew o r l de c o n o m i cg r o w i n g , t h ec o a lr 0 1 1 1 1 c eu t i l i t yh a sb e e n 删es e r i e st h a ne v i ti so f s i g n i f i 黜t oi m p l r o y l ：t h el o a dc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o m b u s t i o no o n l r o ls y s t mo f t h ep o w e ru n i t 如r 嫡曲b o i l e r e f f i c i e n c y a n d e n e r g y r 嘣a s w e l l 鹞e c o n o m i c e f l f i e i e n e y i nt h i sp a p e rt b ec u n e t a t i o no f l o a dr e s p o n di n u n i tc o n t r o ls y s t e mw a l l 卸越y 衢da n d 勰i m p r o v e d c o m b u s t i o no p t i m i z e dc o n t r o ls c h e m eb a s e dt h er a d i a l i 、t ci n t e s i t yi m i d eb o i l e r 懈p r o p o s e dt od e a l w i t ht h e ( 1 y m m i cd e l a ya n di l m l i ao fb o i l e ri nt h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls y s t c u l a n d 埠r e s e a r c h w o u l d p r o m o t e t h e c o n t r o ls t r a t e g y r e f o m a a c t i v e l y f i r s to f a l l , t h cs n u c n 嘲t h a tm a k eu pt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e i rf u n c l i o n _ ，c s t u d i e d i nt h i sp a p t h e nt h eu n i td y n a m i cp r o 删c sa n dt h ee u n e t a t i o nt i m ew c r cm l a l y z e dc h i e f l y , a n dt h e l o a dc l y m 血p r o 雕sa sw e l la st h em a i ns t e a mp r e s s u r ec l m c t a l i o nb 如ew s t u d i e d b a s e dt h e a n a l y s i s 缸i d e a l i mw a s 珥q o s c dd e a lw i t h 出el i m i t a t i o no f t h ec o n v e n t i o n a lh e a ts i g n a lb a s e d l h el l l d i a t i v ci n t e s i t yt h a tc o u l dr e f l e c tt h cf l 埠lv a r i 鲥e s 幻o p t i m i z et h ec o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m t h cr a d i a n tp r o p e r t yo f3 0 0 m wp u l v e r i z e dc o a lb o i l e rw s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt l a c i i i d i a t i o l lc n e t g ys i g n a li n t e n s i t yh a sb e e np r o p o r t i o n a lt ob o i l e r sl o a d , f u e lm s 8f l o wa n do t h | 才 p m m e t e n w h i c h p r o v i d e d t h e a r g u m e n t f o r b o i l e r c o m b u s t i o n c o n t r o lo i ，6 面z i n g b y r a d i a t i o ns i g n a l 耵* r a d i s t i v c i n t e s i t y w a s a c q u i r e d b y t h e d a t a a e q u i s i t i o _ a s y s t e m b a s e d o n t h e l a l ，v i c w v i r t u a l i m m m l e 血s y s t e m t h ei , a d i a t i v l i n t e s i t yt ot h ef o r w a r d , b a c k w a r d , l e l t ts i d ea n dt h er i g h ts i d eo f t l t b o i l e r w a s a c q u i r e d a s w e l la s t h e a r i a t i o n o f t h e b o i l e r o p c r a l i o n p m m e t m t h el a d i a t i v ci n t e n s i t yi m i d ct h eb o i l e r 啪f i 鳅t l a cv a r i a t i o no ft h cf u c l 怯砒t h e 蜊 c o n t r o ls c h a l l ci m p o r t e dt h er a d i a n te l l c t l 盯s i g n a lt od c ss i n i tw a ss e n s i t i v et ot h ev a r i a t i o no f t h e f u e la n dc o u l dr e f l e c tt h ev a t i a l i o l l lo f t h eh e a ti n s i d eb o i l e rf a s t t h el o a dr e s p o t l s ep o s i t i v i s ma n d 妇 s t a b i l i t yo ft h ep r e , s s u r ec o u l db eg u a r a n t e e db yo v e r c o m i n gt h ed 妇= h b 撇o ft h ef u e lt h r o 曲t h e r a d i a t i v ei n t e s i t y t h eo p t i m i z e dc o n t r o ls c l a e m cw e u ja p p l i e di na3 0 0 m wp o w e rp l a n tl m i t a n dl h ea 币目i n 吐 r e s e a r c h e ss h o wt h el o a dt r a 璐i t i 虹如喀w a sd e c l i n e da l m o u tt e nm i n u t ew h i c hs h o wt h a tn 州 o p t i m i z 甜c o n t r o ls y s t e mi sp r e d o m i z m tb yi m p r o v i n gt h eu n i to l m a l j o l le t t i e i e n e y 。 k e yw o r d s ：p u l v e r i z e dc o i lb o i l e r , l h d i a t i v ei n t e s i t y , c o o n l i n l t e ( ic o n t r o ls y s t e m , c o m l ) u s t i o , t 0 1 ) u m i z l n g , v i r t u a li n s t r t t u * a t 浙江大学硕士学位论文 利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 学号： 2 0 4 0 8 1 9 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑姿盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名7 带褊丽签字日期 2 0 口占年占月j 工日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权盘鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 常编丽 导师签名： 珈乞 签字日期：如占年月j 2 日签字日期：勿一f 年6 月f 艺日 浙江大学硕士学位论文利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 煤是当今世界上蕴藏最丰富、价格最便宜的常规能源之一我国是煤炭生产和 消费大国，也是世界上少有的几个以煤炭资源为主的国家在我国能源构成中，煤 炭具有举足轻重的地位，约占一次能源的7 0 ( 1 9 9 1 ) i l l ，到下世纪中期煤炭仍将是 主要一次能源，如表l 所示【2 】以煤炭为主的火力发电机组在我国的电力工业中占 重要地位，预计到2 0 1 0 年煤发电仍占我国发电总量的6 5 5 p 】，因此燃煤发电的安 全，经济运行对于国家经济发展、人民生活水平的提高和生活环境的改善有着十分 重要的意义 表1 我国煤炭占一次能源构成的比例( ) 年份煤炭石油天然气水能核能新能源 1 9 8 57 2 82 0 9 2 o4 3| 2 0 0 0刀o 1 9 5 4 o6 o2t 2 0 1 06 m 刁o55 o 6 ol m 艺o5 目前我国电力工业水平同发达国家相比还有不小的差距，其中很重要的方面就 是我国的锅炉燃烧管理、控制水平比较落后，燃煤机组煤质较差，煤种褐煤的特性 经常变动，参数整定困难，另外设备质量也存在不少问题。随着国家电力体制改革 的逐步实施，当前发电企业面临的总体形势可用许多富有挑战性的问题来表征【4 】： 1 首先，发电机组在任一时刻都必须为电力系统的主要目标提供支持，即在 任何情况下不仅在数量上满足电力系统的负荷要求，而且在质量上也要保 证供电电压和频率的恒定： 2 其次，发电企业之间的竞争以及其他市场驱动力使得机组参与电网调峰调 频的任务增加； 3 最后，机组运行必须达到节能降耗、维持和延长主设备寿命及降低环境影 响规定的严格要求。 实现上述所有要求的一条途径是研究开发更加综合和适应性强的机组控制方 法，提供保证机组高性能大范围负荷跟随运行所需要的功能，同时在变化的物理和 经济条件下保证满足维持和延长主设备寿命、节省煤炭资源、减少燃料消耗量等方 面规定的约束条件 浙江大学硕士学位论文 利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 1 2 课题研究意义 火力发电机组的根本任务是适应电网负荷的需要，随着电网中大容量机组数量 的增加，火力发电机组在电网中所占比例越来越大，带变动负荷的需求也越来越大。 同时，随着“厂网分离”电力系统改革的深入进行，在需要大力提高机组负荷适应能 力之外，发电成本的降低将是各电厂追求的主要目标。在保证安全运行的前提下， 如何提高发电经济性是电力科研工作者努力的方向要降低发电成本，提高电厂运 行的经济性，一个很重要的方面就是提高锅炉燃烧的经济性。 单元机组是由发电机、汽轮机和锅炉三大主机及其辅助设备组成的庞大的设备 群。单元机组控制系统是一个具有强烈交叉影响的双输入双输出系统，锅炉蒸汽压 力控制和汽轮机功率控制既互相依赖、互相制约，又相对独立有各自的调节手段。 现在大型机组一般采取两者协调起来的协调控制系统( c c s ) 来适应电网负荷的需 要1 4 】 从电网来说，要求机组的出力能够快速适应外界负荷的要求，从机组本身来说， 其出力是由锅炉和汽轮机两者共同决定的，但是锅炉和汽轮机在适应负荷变化的能 力上却有很大的差异。从负荷的变时动态特性看，锅炉具有较大的惯性，即从燃烧 率改变到汽压( 蒸汽量) 变化有较大的滞后和惯性相对而言，汽轮机的惯性要小 的多。单元机组负荷增加时，初始阶段所需的蒸汽量主要由锅炉释放蓄热量而产生 随着单元机组容量的增大，锅炉的蓄热量相对于机组的容量越来越小，机组的负荷 适应能力与保持汽压不变之间的矛盾越来越突出。 锅炉燃烧控制系统的根本任务是根据负荷指令调整锅炉炉膛内的燃烧率。在控 制中，既存在动态品质调节又存在锅炉经济性问题，如何使主蒸汽压力调节具有良 好的动态响应，并能使入炉燃料得到充分燃烧是燃烧优化控制的关键。然而，单元 机组锅炉通常为大容量、高参数锅炉，蓄热系数c b 较小，对于外界负荷的扰动，汽 压变化的时间常数较小，变化速度快，因此锅炉控制系统要求其燃烧率控制有较高 的响应速度，这对于保证汽压稳定是十分重要的 5 1 。对于锅炉系统这样一个典型的 非线性、大时滞、慢时变的复杂热工对象，直接采用简单的单回路调节系统常常不 能达到预期的效果，尤其对于直吹式锅炉而言，制粉过程被包括在汽压调节通道中， 更加增大了汽压调节通道的惯性和迟延。目前，提高锅炉制粉系统反应速度的手段 是增强煤量和一次风量的前馈作用，因此，引入一个超前调节量来快速反应炉内燃 烧总热量的变化，以改善燃料控制逻辑的实时性，降低设备自扰带来的负面影响， 对于提高锅炉本体运行的安全性和经济性，提高单元机组的负荷适应能力来说是至 关重要的。 综上所述，随着电网调度对单元机组负荷适应性能提出了更高的要求，单元机 组的负荷适应能力与保持汽压不变之间的矛盾也越来越突出。而火电机组对负荷响 浙江大学硕士学位论文利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 应的迟延主要取决于锅炉在接到负荷指令后，煤量改变到蒸汽流量发生变化所需要 的时间，即蒸汽产生的纯迟延时间。 针对锅炉燃烧控制中遇到的这种情况，为了提高火电机组对自动发电控制的负 荷响应能力，达到燃烧过程优化控制的目的，本文提出基于辐射能信号的锅炉燃烧 控制系统优化方案，对于当前负荷控制与燃烧控制的优化研究具有积极的推动作用， 同时在提高锅炉热效率、节省能源及提高电厂经济效益等方面具有重要的工程实际 意义。 1 3 火电机组控制系统优化改进研究现状 为了实现机组的安全、稳定，经济运行，大型火电机组控制系统一般实行协调 控制( c c s ) 。协调控制系统( 负荷控制系统) 是将机炉作为一个整体来看待，让机、 炉同时按照电网负荷的要求变化，接受外部负荷指令，根据主要运行参数的偏差进 行协调控制一种策略。协调控制系统具有锅炉主蒸汽压力控制和机组电功率控制两 个回路，其控制量分别是给煤机总转速控制回路给定值和汽轮机调气阀门伺服控制 回路给定值【6 l 。锅炉燃烧控制是一个较复杂的综合控制系统，由燃料控制、送风控 制和引风控制三部分组成，其基本任务是：及时响应单元机组主控制系统发来的锅 炉指令阳的要求去改变进入锅炉的燃料量和送风量，使燃料燃烧所产生的热量能够 适应锅炉的需要，同时保证炉膛负压，及时改变从锅炉抽出的引风量以保证机组的 能量供需平衡。 对于单元机组复杂被控对象，控制效果的大惯性、大滞后主要体现在从给煤机 指令变化到机前主汽压力和机组负荷变化，要经过给煤机、磨煤机、锅炉蒸发受热 面、过热受热面等多个环节，而其中的磨制过程、蒸发过程具有非常大的惯性和滞 后。针对机组负荷控制及燃烧控制中存在的这种现象，国内外研究者开展了广泛的 研究，来寻求一种改良措施以优化锅炉燃料调整。 i s m a e lp r i e t o - f e r n a n d e z 7 利用煤种含水量产生一个典型信号来改善入炉煤量测 量不准的不足，以提高锅炉预控制效果；x i a n g - j i el i u 掣8 】提出利用模糊神经网络 对主蒸汽压力的控制过程进行建模，通过神经网络的自学习能力来提高锅炉的负荷 响应能力和控制精度，并提高经济性降低污染物排放；j a l lh m o r t e n s e n 9 1 等为提高 锅炉燃烧过程的负荷响应能力，通过负反馈在原有回路中添加了二次高斯线性控制 器，使2 6 5 m w e 电站锅炉的负荷响应能力从原来的4 m w e m i n 升到了8 m w e m i n 此外，l s m a e lp r i e t o - f e m 锄d d l o l 等还通过将原煤中的灰份浓度加入到燃烧控制系统 中，改善了煤种变化时煤，风配比系数，从而有效的克服了煤种变化时所带来的主蒸 汽压力的波动；h o n e y w e l l 实验室的v l a d i m i r h a v l e m 【“1 等提出了基于预测控制模型的 锅炉控制方案，该方案有效协调了瞬时状况的风，煤比，使得机组在最佳过量空气系 浙江大学硕士学位论文 利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 数下提高锅炉的燃烧率，同时降低了n o x 污染物的排放；m l e s k c n s , l b m v a n k c s s c l 等【1 2 l 通过预测控制模型改善了城市生活垃圾焚烧炉的控制特性提高了生产 效率；k a i s h c n ，j i d o n g l u ，z h c n g h u a l i 掣u l 采用自适应控制方法提高了蒸气的控 制稳定性；s o m r i s 九k a l o g i r o u 【1 4 1 分析总结了应用了人工智能技术的锅炉燃烧控制进 展状况；b j p b u h r c , l e l l i o t t 掣”】研究了电站煤粉炉燃烧控制中的氧量控制方法 的应用；l o w n m 【l6 】等介绍了一种基于模糊自适应的控制算法，使得机组负荷控制 大大优化；英国学者h o g g , b w j l 7 - 1 8 等人采用广义预测控制方法解决了机组的动态 特性随工况变化所表现出来的复杂非线性；l u ，s 等 1 9 - 2 2 】在h o g g , b w 等研究的基 础上，基于机理分析使用神经网络模型和预测控制模型等方法对机组非线性系统进 行了研究；c h c n , p c 田l 将增益预定的，优化方法运用到系统汽包压力控制设计方面， 使得汽包压力和功率输出能够跟随大范围负荷指令的变化；m o o nu c p i 等采用模 糊自回归滑动平均模型用于非线性锅炉系统的控制以克服由于负荷和参数变化所造 成的系统不确定性扰动；j k a n n a h 瞄】等采用自适应调节器分析了高速同步发电系统 的特性；m l k o l h a r i 2 6 等设计了一个在滑压方式下能够产生期望特征值的单元机组 变量结构体系，以增强机组的稳定性；l e k e r l 2 q 等解决了高速同步发电系统中多变 量多相h - - i n f m i t y 控制器的设计问题；y z h a n g t 2 8 l 等介绍了电站系统环境中人工神 经网络的控制应用研究；韩国学者t h i y a m a l 2 9 介绍了模糊逻辑控制策略在提高电站 稳定性方面的应用，等。 国内研究者陈彦桥、房方等【3 0 - 3 3 镰用多模型控制方法解决机组的动态特性随工 况变化所表现出来的复杂非线性问题；葛友等唧提出了反馈线性化方法在锅炉汽 轮机系统控制中的应用；于达仁、翁一武等脚挪l 从能量供需协调的角度提出一种控 制方法，通过调节一个能量协调参数使机组使用不同的运行工况；汪建锋等p 8 l 通过 对3 0 0 m w 单元机组机炉协调控制进行了仿真研究，总结了机组协调控制的一般规 律；张仁金等【3 9 】对3 5 0 m w 机组协调控制系统的调整和应用进行了研究，提出了一 定的风、粉改进方案；卓旭升等【柏l 采用微分几何法进行非线性解耦与p i 控制规则 相结合的控制策略，以提高机组的鲁棒性、负荷响应特性等；沈炯等【4 1 1 针对单元机 组负荷控制的特点，采用o p c 最优预见控制策略设计了基于多变量的单元机组负荷 最优控制系统来提高锅炉的负荷响应能力；朱林忠等【4 2 骓出通过降低磨煤机启停最 小风煤量和一次风量作为机组变负荷时快速暂态干预手段的改进方案来增强系统的 变负荷适应能力和抗扰动能力以上各研究者对控制方法的改进，在提高机组性能 方面取得了一定的效果，但是针对锅炉燃烧控制系统所存在的大滞后惯性环节现象 控制效果仍然是不够理想由于炉内燃烧过程是一个多变量耦合的非线性系统，在 控制中既存在动态品质调节又存在锅炉经济性问题，燃烧过程的优化控制不仅要满 足主蒸汽压力调节在较小的波动范围之内，更重要的是提高锅炉机组的负荷响应能 力，快速满足中调指令的要求 浙江大学硕士学位论文 利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 对于高参数的单元制机组，仅仅常规的控制模型已经很难达到现代化电站锅炉 燃烧控制的要求，因此锅炉机组负荷控制以及燃烧控制优化改进需要新的策略研究。 1 4 利用辐射能信号进行锅炉机组控制优化的策略 近年来，炉膛辐射能信号的研究及其应用是国内外学者关注的热点。煤粉锅炉 内辐射能信号按照其波数的不同可以分为可见光辐射和红外辐射 4 3 l ，国内学者郑楚 光、郭宽良、国外m o d e s t 等i “舶l 对辐射换热基本理论进行了剖析，并研究了工业 锅炉中介质辐射换热的工程计算特点；a a m b i r a j a n 等1 4 7 - 4 9 使用逆向m o n t ec a r l o 法对辐射能传递方程进行了求解。随着图像处理技术较快的发展，辐射能检测得到 更广泛地应用。将图像处理技术应用到炉膛火焰监视装置中，对炉膛煤粉燃烧火焰 温度分布进行监视，可以提高现有锅炉炉膛安全保护系统( f s s s ) 的运行监视能力 上海理工大学蔡小舒等 4 9 1 介绍了基于光谱分析的煤粉火焰复合判据及其应用；华 中科大姜志伟、罗自学等 5 0 - 5 2 1 研究了基于参考点测温的单色法获取辐射能信号及其 应用；浙江大学热能工程研究所对煤粉炉内火焰辐射能信号从事了多年的理论与应 用研翘珏跏，提出和建立了基于火焰图像的燃烧状态识别方法，研究了炉内三维温 度场重建算法并开发了具有实用价值的火焰图像处理和火焰燃烧诊断系统，该系统 可以实现对炉内火焰的熄火报警、温度场测量、污染物排放及经济性预测和燃烧诊 断及运行指导等重要功能，使运行人员能够更好地解炉内燃烧状况，随时获得燃烧 的各种信息。 从前面研究结果中可以看出，炉内辐射能水平是反应炉内燃烧热量变化较直接、 灵敏的一个理想信号，将其引入电厂d c s 控制逻辑中是比较可行的华中科技大学 周怀春教授等 6 0 4 2 1 采用全炉膛看火电视装置加上计算机图像采集与处理系统获取火 焰图像，从火焰图像中获取辐射能信号，并把它作为中间被调量，与蒸汽压力一起， 建立电站锅炉燃料调节对象的数学模型，构成了一个以炉膛辐射能信号为中间被调 量的串级燃料控制系统，仿真研究表明该系统能有效地克服燃料侧内扰对蒸汽压力 的影响，提高燃烧控制的效率；清华大学马涛博士等【蜘利用辐射能信号与燃料量 的关系建立了基于辐射能检测的智能燃烧优化系统，设计了由模糊自寻优控制器和 风煤比优化控制器组成的燃烧优化回路；哈尔滨工业大学于达仁教授等畔l 将辐射能 信号和热量信号在频域内进行信息融合，构造新的机组负荷协调控制方式，克服了 锅炉燃烧率内扰的影响，提高了机组负荷的跟踪性能此外李阳春掣矸l 设计了一 个模糊判断器加入到主蒸汽串级控制系统中组成一个新型的串级模糊调节系统，仿 真试验表明其在改善系统特性方面取得了较好的成果；窦春霞脚l 采用以炉膛辐射信 号为中间被调量的串级控制系统，并设计一个基于神经网络预测模型的模糊神经网 络控制器作为主控制器来改进锅炉控制系统。 浙江大学硕士学位论文利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 从以上研究情况来看，炉膛辐射能信号能够快速准确的反映进入炉膛的燃料量 的变化，可以利用辐射能响应速度快、非接触式测量的特点，通过对平均光谱辐射 强度进行滤波和校正来构造一个超前调节量，以优化锅炉燃烧控制和机组负荷控制 系统。前面很多学者把辐射能信号应用到锅炉控制优化方案中，以减小机组的惯性 迟延时间，但从他们研究情况分析来看，周怀春、李阳春、马涛等学者【6 3 , 6 5 , 6 7 - 7 0 提 出使用辐射能信号其代替传统汽压控制方案中的热量信号，于达仁等畔】提出采用互 补f r f ( 频率响应函数) 在频域内将热量信号与辐射能信号进行信息融合，这两种 方法关于辐射能信号的应用各有其不足，总结如下： 1 辐射能信号是获取的炉内燃烧即时信息，其反应灵敏但高频干扰比较大，稳态 精度不高，即使经过滤波后也存在大幅度变化，不适合代替热量信号而单独作 为燃料量反馈信号送入燃料控制逻辑； 2 热量信号是锅炉主控制器的前馈信号反映了炉内燃料量的变化，虽然其稳态精 度较高，但是响应速度太慢，应将二者结合起来互相补偿不足才比较可行； 3 采用互补f r f ( 频率响应函数) 信息融合算法仿真效果较好，但结构上较复杂 不利于工程实现。 基于以上分析，本文将辐射能信号作为补偿信号引入控制系统中，对原有的热 量信号进行提前校正，以优化单元机组负荷控制和燃烧控制系统。具体思路如下： 炉膛辐射能信号能够快速反映入炉燃料量的特性，将其引入到原有的串级控制系统 中，在锅炉指令m b 前面加入函数发生器模块f 【】【) ，对获取的辐射能信号与辐射能设 定值做偏差运算，并对偏差值进行非线性化判断处理，当信号输出为负时，表示炉 膛内燃料量不能满足负荷所需能量，需要增加燃料量；若输出为正，表示炉膛内燃 料量有盈余需要减煤；辐射能信号的快速补偿使得燃料控制作用更加迅速，在保证 负荷响应能力的同时提高了机组燃烧的经济性但由于检测设备和测量对象的特殊 性，通过普通火焰图像得到的可见光波段的辐射能信号本身波动过于剧烈，因此， 有必要通过先进的辐射能探测器及可靠的数据采集技术来减小其波动性，以取得稳 定的辐射能信号 1 5 本文的研究内容及创新点 第一章为本文的绪论部分，介绍了当前形势下我国燃煤锅炉机组负荷控制及燃 烧控制的现状，对存在的问题进行了分析与总结，描述了本课题的研究背景以及研 究的重要意义，并分析了煤粉炉内辐射能信号的特点和基于辐射能信号的机组控制 优化策略，指出炉膛辐射能信号能够快速反应锅炉负荷需求，及时反映锅炉燃料量 的变化，因而采用辐射能信号作为提前反馈信号的调节策略能够提高系统特性，特 别是克服燃料侧内扰的能力。 浙江大学硕士学位论文 塑辐尉能信呈进行锅炉燃烧控制优化的研究 本文分析和阐述了如何利用辐射能信号准确快速反映炉内燃烧状况的特点，将 其引入3 0 0 m w 煤粉锅炉d c s 控制系统中，提高单元机组的负荷响应能力同时保证 锅炉过热蒸汽压力的稳定性。后面各章节的具体研究内容包括以下几个方面： 1 单元机组协调控制系统的分析 详细地分析了机组负荷控制和锅炉燃烧控制系统的组成、结构、功能及调节方 式，重点进行了负荷变化特性及主汽压力动态特性分析，并研究了被控对象的迟延 特性。针对锅炉机组中的这种现象，提出要在保证主蒸汽压力稳定的前提下提高给 煤量对机组负荷指令的响应能力。 2 基于辐射能信号的锅炉燃烧控制优化系统 在总结前人研究结果的基础上寻求适合的控制优化策略从机组本身影响迟延 时间的因素着手，提出基于辐射能信号的控制系统优化新方案对原有控制逻辑的进 行改进，并对采用辐射能补偿信号的新型控制系统方案进行了仿真研究，结果表明， 从辐射能变化到锅炉负荷的改变相间隔时间极短，与原控制系统相比缩短了迟延时 间近4 0 0 s ，大大提高了负荷响应速度。 3 3 0 0 m w 煤粉炉内辐射能信号动态特性研究 对3 0 0 m w 煤粉炉内辐射能信号的光谱分布特性进行了实验研究与分析，并考 察了辐射能信号随锅炉运行参数包括运行负荷、给煤量、一次风量、氧量及热量信 号等参数的变化关系曲线，分析了炉内辐射能信号的光谱分布规律及其特征波段， 为基于辐射能信号的负荷控制优化策略奠定了实验、理论基础 4 基于虚拟仪器平台的辐射能信号数据采集系统 为获取稳定的炉膛辐射能信号，开发了基于虚拟仪器的数据采集系统，对虚拟仪 器在测控方面的应用进行了研究，将获取的炉膛辐射能偏差信号引入到电厂d c s 控制系统中，通过a o 模块输出0 2 0 m a 电流信号，所对应负荷调节范围为+ 2 5 m w 至- - 2 5 m w 。同时通过就地控制服务器获取电厂实时运行参数对运行工况进行指导。 5 基于辐射能信号的控制优化系统在3 0 0 m w 单元机组上的应用 基于辐射能信号的锅炉燃烧优化控制系统在某电厂3 0 0 m w 锅炉机组上得到了 应用。对基于辐射能信号的控制特性进行了负荷跟随与负荷调节两种工况下的试验 分析，结果表明，辐射能优化控制信号的接入比例因子为0 6 时机组负荷的过渡时 浙江大学硕士学位论文 利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 同为8 分3 0 秒左右，较原来的控制系统缩短了近l o 分钟；并且接入辐射能信号后 主汽压力波动较原控制系统下减小了近8 0 。在保证机组汽压稳定的前提下，提高 了机组的负荷响应能力，实现了预期效果。 本文写作重点在于：负荷控制和锅炉燃烧控制系统的分析研究、辐射能信号的 理论分析和实验研究以及引入辐射能信号以后的新型控制系统研究。本文创新点如 下； 1 对3 0 0 m w 煤粉炉内辐射能信号的动态特性进行了实验研究，获得了辐射能 信号与锅炉各运行参数的对应关系曲线； 2 开发了基于虚拟仪器的辐射能信号数据采集系统，以获取稳定的炉膛辐射能 来优化燃烧控制； 3 将辐射能信号引入到机组协调控制系统中，使辐射能信号作为热量信号的补 偿改进了主蒸汽压力回路，优化了负荷控制系统和燃烧控制系统： 4 将辐射能检测系统与电站燃烧控制系统相结合的思想应用在3 0 0 m w 火电 单元机组上，在现场应用方面提高了负荷响应速度并且减小了汽压波动性。 浙江大学硕士学位论文利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 第二章机组控制系统分析与被控对象动态特性研究 2 1 引言 火电厂计算机控制最初经过了d a s ( 数据采集与处理系统) 、d d c ( 直接数字 控制系统) 、s c c ( 计算机监督控制系统) 三个标志性阶段，1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公 司首先推出t d c 2 0 0 0 计算机过程控制系统，使得电厂计算机控制进入d c s 系统( 集 散控制系统) 的发展阶段【7 ”。d c s 的应用使火电厂自动化水平大大提高，也促进了 机炉协调控制的发展，并由此产生了众多的控制策略和控制算法实行大型燃煤机 组协调控制( c c s ) ，对提高机组运行的稳定性、安全性和负荷适应性有重要作用， 采用协调控制系统是实现电网自动发电控制( a g c ) 的关键，同时也是提高电厂经 济效益的重要环节。 为使锅炉控制能统一到机、炉、电控制高效智能一体化、以及现场总线控制系 统( f c s ) 和智能仪表融入到d c s 的新型控制和保护策略的网络自动化中，国内外 许多公司在这方面做了有益的探索，目前我国应用的常规机组控制系统多是在消化 吸收引进机组控制技术的基础上设计和改进的，其中常见的几种典型系统有 4 1 ： 1 美国b a i l e y 公司的b a i l e y - - 8 2 0 系统，控制系统采用了机跟炉为基础的间接能量 平衡协调控制。大港电厂从意大利引进的3 5 0 m w 燃油机组应用了该系统。 2 日本日立公司h i a c s - - 1 0 0 0 协调控制系统，宝钢电厂引进的3 5 0 m w 机组上使 用的日本三菱公司的1 1 0 0 系统是其简化形式，该控制系统采用炉跟机为基础的 间接能量平衡系统。 3 美国f o x b o r o 公司的协调控制系统，石横电厂3 0 0 m w 引进机组上应用了这种控 制系统，这是以炉跟机为基础的直接能量平衡协调控制系统。 4 美国m c s 公司( 前l & n 公司) 的直接能量平衡系统( d e b 系统) 。直接能量 平衡系统的思想是美国l e e d s & n o r t h r u p 公司于1 9 5 7 年最早提出的，经过2 0 多 年不断完善和改进，最终的d e b 系统d e b 4 0 0 于8 0 年代初形成，现在的 d e b 5 0 0 则把协调范围扩大到整个发电机组的异常工况、启停工况。这类协调 控制系统在国内已获得广泛应用 上述工程上实际应用的协调控制系统虽然型式各异，但是从控制原理的角度来 看，都是属于含有非线性控制元件的前馈一反馈双输入双输出控制系统。 2 2 机组负荷控制系统组成及功能 单元机组在满足负荷要求并同时维持机组主要运行参数稳定这两个问题时，是 将机炉作为一个整体来看待的，即采用协调控制系统( c c s ) ，让机、炉同时按照电 浙江大学硕士学位论文 蓟用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 网负荷的要求变化，接受外部负荷指令，根据主要运行参数的偏差进行协调的控制。 协调控制系统由主控制即负荷控制系统和锅炉、汽轮机子控制系统组成嘲 2 2 i 负荷控制系统组成及功能 单元机组主控制系统即负荷控制系统由两大部分组成：负荷指令管理中心和机、 炉负荷控制部分。负荷管理系统的主要作用是将外部负荷要求指令形成单元机组负 荷指令( u l d ) 。单元机组必须根据自身当前的运行状况、负荷能力、设备的完好 程度以及负荷跟踪能力等因素，对外部负荷指令进行必要的处理，以产生单元机组 能够接受的负荷指令，即实际负荷指令( a u ) ) 或机组负荷指令( u u ) ) 。当机组 快速返回( r b ) 、快速切回( f c b ) 、迫升，迫降( r i 肿) 和主燃料跳闸( m f l r ) 时，机组负荷指令( u l d ) 跟踪锅炉实际负荷指令。 单元机组负荷控制系统的组成特点如图2 i 所示 田园：圆圆圈 穗莉广 啁啬衙玎 i 苞让基回墅l i 运簋回叠l 图2 i 单元机组负荷控制系统的组成 单元机组负荷控制系统相当于锅炉、汽机局部控制系统的指挥机构，起上位控 制的作用：( 1 ) 它根据锅炉、汽机的运行状态和控制任务，选择控制负荷的方式和 外部、内部的负荷指令；( 2 ) 对外部和内部的负荷指令进行处理，使之与锅炉、汽 机运行状态和变负荷能力相适应，并进一步发出使锅炉、汽机协调动作的指令，既 要保证机组输出功率迅速满足外界负荷的要求又要使输入机组的能量尽快与机组输 出功率相适应，以保证汽轮机前汽压和汽温的稳定。 2 2 2 机、炉负荷控制方式 单元机组负荷控制方式有三种基本方式：锅炉跟随汽轮机控制方式、汽轮机跟 随锅炉控制方式和机炉协调控制方式。纯粹的“炉跟机或者“机跟炉”系统都有很大 缺点，“炉跟机 方式由锅炉的燃料供给保证要求的负荷，由汽机的进汽阀门调节保 持汽压，负荷适应性强但是汽压波动较大；当锅炉侧各子系统运行均处于正常，而 浙江大学硕士学位论文利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 汽机侧出现异常时转为锅炉跟随运行方式；“机跟炉劣式由汽机调节保证负荷，汽 压由锅炉调节保持，其汽压波动小但是负荷适应能力差，当汽机侧各子系统运行均 处于正常而影响锅炉出力的辅机出现故障时，转为汽机跟随方式。此两种控制方式 都不适用于机组带变动负荷的情况【7 3 1 对于带变动负荷单元机组的负荷控制，应采用机炉协调控制方式常见的机炉 协调控制方式有以下几种：以锅炉跟随为基础的协调控制方式、以汽轮机跟随为基 础的协调控制方式、综合型协调控制方式。现在分别介绍如下： 1 锅炉跟随为基础的协调控制方式 以锅炉跟随为基础的控制方式中，负荷指令n o 改变时汽轮机主控制器改变调门 开度岍，使输出电功率n e 与n o 一致蓄热量的变化导致汽压p t 变化，锅炉主控 制器根据汽压p t 和汽压给定值p o 的偏差，去改变锅炉的燃料量。分别由锅炉和汽 轮机主控制器同时调节燃烧率和汽轮机调门开度，一方面，通过燃烧率的改变及时 低偿蓄热能的变化，另一方面，限制汽轮机调门的进一步变化，以防过度利用蓄热 能，从而使汽压p t 的变化减小其控制系统结构示意图如下： 图2 2 锅炉跟随汽机协调控制系统结构示意图 2 汽机跟随锅炉为基础的协调控制方式 以汽机跟随为基础的控制方式中，当负荷指令n o 改变时，锅炉和汽机主控制器 同时动作，分别改变燃烧率和汽机调门开度，由汽轮机侧控制汽压p t 为给定值p o ， 由锅炉侧最终保证输出电功率n e 与n o 一致。因为在负荷指令n o 改变时，汽机调门 开度配合锅炉侧同时动作，暂时利用了蓄热能力，所以功率响应加快，但是汽压偏 差也因此加大其控制系统结构示意图如下： 浙江大学硕士学位论文 利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 圈2 3 汽机跟随锅炉协调控制方式结构示意图 3 综合协调控制方式 目前一些电厂的大型单元机组采用了进口控制系统的直接能量平衡控制法 ( d e b ) d e b 控制方式既体现了机炉协调控制的原则，又采用了能量平衡的观点 来设计协调控制系统f m l 当负荷指令n 0 改变时，将功率偏差信号n 和汽压偏差 信号p 同时作用到汽轮机主控制器和锅炉主控制器，使汽轮机调节阀门开度断和 锅炉燃烧率如同时改变，也即使锅炉和汽机同时都承担响应负荷和调整汽压的任 务，达到更好的提高负荷控制品质和汽压控制品质的目的，其控制结构示意图如下 所示： 电罔 围2 4 负荷协调控制方式结构示意图 其控制特点是机组功率由汽轮机控制，采用能量平衡信号p l p t x p o 作为锅炉主 控制器的前馈信号，以热量信号= p i + d d t 作为其反馈信号其中p i 为汽轮机 第一级后的压力，它代表了进入汽轮机的蒸汽流量，p t 为机前压力，两者的比值p l ，p t 浙江大学硕士学位论文 利用辐射能信号进行锅炉燃烧控制优化的研究 与汽轮机调节阀门开度m 成正比，能够对调节阀门的变化做出迅速反映，因此由它 作为锅炉指令的前馈信号能提高控制系统的鲁棒性r 玲1 当负荷要求指令n o 改变时，功率偏差信号= n o n e 作用到汽轮机主控制器， 通过汽轮机子控制系统去改变调节阀门开度岍、改变输出功率n e ，以适应负荷要 求指令的改变，同时m 改变后，汽轮机第一级压力p l 将迅速做出反映，p i 与汽压 给定值p o 通过除法器和乘法器组成能量平衡信号，作用到锅炉主控制器，去改变进 入锅炉的燃烧率阳，p b 的改变将使锅炉出口汽压p t 恢复到与汽压给定值p o 相一致， 同时改变了汽包压力p b ，p b 与汽轮机第一级p l 通过微分器和加法器组成热量信号 做为反馈信号作用到锅炉主控制器。当工况稳定时，热量反馈信g - 地= p l + d p t d t 与 能量平衡信号p i p t p 0 相抵消，从而保证了锅炉出口汽压( 机前压力) p t 与汽压给 定值p 0 相一致 2 3 锅炉燃烧控制系统任务及组成 2 3 1 燃烧控