（热能工程专业论文）基于辐射能信号反馈的锅炉燃烧与机组负荷控制.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 f 对先进燃烧检测和控制技术进行研究是实现电站燃煤锅炉稳定、高效、低污 染燃烧的重要途径之一。一j 针对电站燃煤锅炉入炉燃料到蒸汽压力通道具有纯延迟、 大滞后的特性，而炉膛辐射能能够迅速、直观地反映炉内燃烧状况，本文提出采 用炉膛辐射能进行锅炉燃烧及机组负荷控制。卜方面，从炉膛辐射能的检测原理 出发，研制了一套炉膛辐射能检测系统，实现了对炉膛辐射能的检测；另一方面， 将检测到的炉膛辐射能信号引入机组原有控制系统，构成新型锅炉燃烧及机组负 荷控制，并从仿真研究和现场试验两个方面对新型控制方式进行了研究斗 针对电站燃煤锅炉入炉燃料到蒸汽压力通道具有纯延迟、大滞后的特性，本 文提出了采用炉膛辐射能信号对入炉燃料量进行反馈控制的新型锅炉燃烧及机组 负荷控制策略对一台6 7 0 t h 电站锅炉燃烧控制系统和一台1 2 5 m w 机组负荷控制 系统进行了仿真研究，从中得出：采用炉膛辐射能信号反馈的新型燃烧控制方式 能够减小由于燃料量扰动所带来的主汽压波动，提高机组负荷的跟踪性能。4 本文提出了一种炉膛辐射能的检测方法基于参考测温的综合法。l 该方法 既具有单色法精度高的优点，又保留了双色法只需采集一幅火焰图像进行处理， 便可获得瞬时炉膛火焰温度分布，实时性好的特点。同时，该方法还可以有效消 除由于c c d 摄像机镜头老化或镜头均匀积灰等现象所引起的测温误差，确保检测 到的炉膛辐射能信号具有较高的准确性。】 根据基于参考测温的综合法的炉膨火焰检测原理，设计并研制了一套炉膛辐 射能检测系统。 在将该系统安装到现场之前，对c c d 摄像系统进行了标定，以消 除或减弱c c d 摄像系统所产生的误差。在此基础上，将检测系统安装到湘潭电厂 3 0 0 m w 机组的燃煤锅炉上，调试成功后投入运行。从近一年时间的运行效果中可 以看出，该系统在实现炉膛火焰实时监测和炉膛辐射能信号准确测量方面，具有 较高的安全性和稳定性。 对湘潭电厂3 0 0 m w 燃煤机组进行了燃料量扰动和调门开度扰动的开环试验， 获得了引入炉膛辐射能信号后的的机组动态特性寸本文对采用炉膛辐射能信号代 华中科技大学博士学位论文 替机组原有热量信号的燃烧反馈控制方案进行了现场试验，( 结果表明采用炉膛辐 射能信号反馈的新型燃烧控制方案能够减小锅炉主汽压力的波动，改善机组负荷 协调控制品质。此外，还对采用炉膛辐射能信号反馈控制方案的机组进行了锅炉 热效率试验及n o x 排放特性试验，结果表明采用炉膛辐射能信号反馈的控制方案， 可以提高锅炉效率，降低q 排放，具有良好的经济效益和环保价值。) 关键词：电站锅炉燃烧控制负荷控制，仿爵火焰检测炉膛辐射能 一一 i i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t a d v a n c e dc o m b u s t i o nm o n i t o ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g yc a l lr e a l i z et h eh i g hs t a b i l i t y , h i g he f f i c i e n c ya n d l o w p o l l u t i o no f c o m b u s t i o np r o c e s si nt h ec o a l - f i r e db o i l e r a g a i n s t t h ed e l a yc h a r a c t e r i s t i co ft h ep a s s a g ef r o mf u e lt om a i ns t e a mp r e s s u r e ，t h ef 1 f f n a c e r a d i a n t e n e r g yc a l l r e f l e c tt h ef u r n a c ec o m b u s t i o nc o n d i t i o nq u i c k l ya n dv i s u a l l y , a c o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e dt h a tt h ef u m a c er a d i a n te n e r g ys i g n a li si n d u c e dt ob o i l e r c o m b u s t i o na n du n i t1 0 a dc o n t r o ls y s t e m f r o mt h em e a s u r i n gt h e o r yo fr k r n a c er a d i a n t e n e r g y , a f u r n a c er a d i a n te n e r g ym e a s u r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e da n dt h em e a s u r e m e n to f f u r n a c er a d i a n te n e r g yi sr e a l i z e di nt h er e s e a r c h o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef u r n a c er a d i a n t e n e r g ys i g n a li si n d u c e di n t ot h em t i to l dc o n t r o ls y s t e ma n dt oc o m p o s ean e w b o i l e r c o m b u s t i o na n du n i tl o a dc o n t r 0 1 t h en e wc o n t r o l s t r a t e g yi ss t u d i e df r o m t h es i m u l a t i o n a n dt h ef i e l dt e s ti nt h i sd i s s e r t a t i o n a g a i n s tt h ed e l a yc h a r a c t e r i s t i co f t h ep a s s a g ef r o mf u e lt om a i ns t e a mp r e s s u r e ，a n e wc o n t r o ls t r a t e g y , t h ef u r n a c er a d i a n te n e r g ys i g n a li sf e e db a c k w a r dt oc o n t r o lt h e f u e lm a s sf l o wr a t ei nt h eb o i l e rc o m b u s t i o na n du n i tl o a dc o n t r o ls y s t e m ，i sp r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nt e s t sa r ed o n eo na6 7 0 9 hb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r o l s y s t e ma n da 1 2 5 m wu n i tl o a dc o n t r o l s y s t e m t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em a i ns t e a m p r e s s u r e f l u c t u a t i o nc a nb er e d u c e da tt h ef u e lm a s sf l o wr a t ed i s t u r b a n c ea n dt h eu n i tl o a d f o l l o w i n gp e r f o m l a n c ec a nb ei m p r o v e db yu s i n gt h en e wc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h e f e e d b a c ko ff u r n a c er a d i a n te n e r g ys i g n a l af u r n a c er a d i a n t e n e r g ym e a s u r i n gm e t h o d ，ac o m p o s i t em e t h o db a s e do nt h e r e f e r e n c et e m p e r a t u r e ，i s p r e s e n t e d t h em e t h o dn o to n l yh a sh i g ha c c u r a c yo ft h e m o n o c h r o m a t i c - c o l o rm e t h o d ，b u ta l s oh a s h i g hr e a l t i m ef e a t u r eo ft h et w o c o l o r m e t h o di nw h i c ht h ef u n l a c ef l a m et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc a nb eo b t a i n e dt r a n s i e n t l v b y af l a m ei m a g e i na d d i t i o n ，t h em e t h o dc a ne l i m i n a t et h em e a s u r i n g e r r o r sc a u s e db v t h ea g i n go r u n i f o r m l yd u s t i n go fc c d c a m e r a s y s t e ml e n sa n de n s u r et h eh i g ha c c u r a c y o f t h ef u r n a c er a d i a n t e n e r g ys i g n a lm e a s u r e m e n t 1 1 i 华中科技大学博士学位论文 a c c o r d i n g t ot h ec o m p o s i t em e t h o db a s e do nt h er e f e r e n c et e m p e r a t u r e ，t h ef i n r a c e r a d i a n te n e r g ym e a s u r i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ec c d c a m e r a s y s t e mi s c a l i b r a t e dt oe l i m i n a t eo rr e d u c et h e e r r o rf r o mc c dc a m e r as y s t e mb e f o r et h e m e a s u r i n gs y s t e mi si n s t a l l e da tf i e l d a f t e rt h a t ，t h ef u r n a c er a d i a n te n e r g ym e a s u r i n g s y s t e mi si n s t a l l e da tt h e3 0 0 m w c o a l f i r e db o i l e ro fx i a n g t a np o w e rp l a n t , d e b u g g e d s u c c e s s f u l l ya n dp u t i n t op r a c t i c e t h eo p e r a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em e a s u r i n gs y s t e m h a sh i g hr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo nm o n i t o r i n gt h ef u r n a c ef l a m ea n dt h ef u r n a c er a d i a n t e n e r g y a f t e rt h ef u r n a c er a d i a n te n e r g ys i g n a lj si n t r o d u c e d ，t h eu n i td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a r ee s t i m a t e d b yt h eo p e n - l o o pe x p e r i m e n t s o ft h ef u e ld i s t u r b a n c ea n dt h e l o a d d i s t u r b a n c ea tt h e3 0 0 m wc o a l - f i r e du n i t t h ef i e l dt e s t sh a v eb e e nd o n ef o rt h e f e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yu s i n gt h ef u r n a c er a d i a n te n e r g ys i g n a li n s t e a do ft h eh e a t s i g n a l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb o i l e rm a i ns t e a mp r e s s u r ef l u c t u a t i o ni sr e d u c e da n d t h eu n i tl o a dc o o r d i n a t e dc o n t r o lq u a l i t yi si m p r o v e d f u r t h e r m o r e ，t h eb o i l e re f f i c i e n c y a n d n o x e m i s s i o nh a v eb e e na n a l y z e db e f o r ea n da f t e rt h en e w f e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g v i sa p p l i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e w c o n t r o ls t r a t e g yc a nr a i s et h eb o i l e re f f i c i e n c y , r e d u c et h en o xe m i s s i o na n dh a v eo b v i o u se c o n o m i c a la n d e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：p o w e rp l a n tb o i l e r c o m b u s t i o nc o n t r o ll o a dc o n t r o l s i m u l a t i o nf l a m em e a s u r e m e n t f u r n a c er a d i a n t e n e r g y i v 华中科技大学博士学位论文 主要符号表 一、英文字母符号 4系数 曰蓝色 b蓝色色度值 c常数 c常数 d热量信号 e辐射能水平 e相对辐射能水平，辐射能信号 g绿色，灰度 g绿色色度值 足常数，系数 k常数，系数 二、希腊字母符号 a波长 占 辐射率，黑度系数 指令信号 三、下标 口燃料量指令 c 测量值 e电功率 e电功率 f ，k坐标方向 四、上标 设定值 机组功率 p压力 仃损失 r红色 r 红色色度值，相关系数 s光谱分布 r温度 ”亮度，输入变景 x坐标 ，r 坐标 z坐标 x ，y ，z坐标 西光通量 玎效率 国权重 _ ，计算值 q热量信号 g 热量信号 r 调门开度指令 f主汽压力 v 华中科技大学博士学位论文 1绪论 1 1 课题背景 煤是世界上储量最丰富的燃料，约占全部化石燃料的8 0 。我国的煤炭资源 很丰富，约占世界煤炭总储量的1 1 t “。我国的能源结构以煤炭为主( 约占一次能 源的7 6 1 ) ，而且在今后相当长的一段时间内，以煤炭为主的能源结构不会改变， 具体情况如表1 1 所示，单位为。 表1 1 我国的能源结构 年份煤炭石油天然气 水能核能新能源 1 9 8 57 2 82 0 92 04 3 ， 2 07 01 9 54 06 02 0， 2 0 5 06 0 7 05 05 o6 0l o 2 05 0 我国一次能源在相当长的一段时期内仍将以煤电为主。煤粉在锅炉中燃烧， 将其中所蕴藏的化学能转变为热能，并进而转变成其他形式的能源，为人类生活 提供所需科。而我国的燃煤锅炉( 包括电站锅炉和工业锅炉) 普遍存在着运行效率 低、污染指数高( 污染物排放量大) 的现状，导致我国的能源利用率低，环境污 染严重1 4 “。况且，我国目前正处在经济迅速发展的阶段，据各种预测显示，在2 l 世纪，我国对能源的需求将达4 0 5 0 亿吨标准煤，而且将以2 0 年增加一倍的速度 递增，这必然要求我们提高能源的利用率，降低污染水平”。 因此，提高燃煤发电机组的热效率，节约有限的煤炭资源，同时降低燃煤过 程产生的污染，是我国能源实现可持续发展的一项重要而紧迫的课题。 另外，我国燃煤锅炉正面临着：( 1 ) 锅炉用煤的煤质趋于下降，受国家能源 政策的限制，燃煤锅炉承担着使用劣质煤的任务剐“。( 2 ) 煤质多变，实际燃用煤 种与设计煤种相差较大。( 3 ) 电网的峰谷差日益增大，大型机组要参加调峰，在 低负荷运行时只能考虑稳定燃烧而无法兼顾锅炉运行的经济性。( 4 ) 人类对环境 保护的呼声越来越高，国家正在制定有关法律，限制工业企业及民用设施的排污 指数 1 | - 1 3 l 。 华中科技大学博士学位论文 要从根本上改善这种现状，有两条途径 1 4 - 1 6 l 。一方面可以采用先进的燃烧方式， 如开发低n o x 的p m 燃烧器、采用分级燃烧、烟气再循环和催化燃烧等，或者采 用选择性催化还原( s c r ) 、选择性非催化还原( s n c r ) 和非选择性催化还原 ( n s c r ) 等；另一个方面则可以对燃烧控制技术进行改进，对燃烧过程进行优化 组织，提高燃烧安全性和经济性，降低污染物排放。 本课题的研究意义正在于此，即探寻一种燃烧优化控制技术，以实现锅炉稳 定、高效而洁净的燃烧。 1 2 相关研究领域及其发展现状 一、锅炉控制研究的发展 锅炉控制作为实现锅炉安全经济运行目标的有效手段，担负着锅炉主、辅机 参数控制、回路调节、联锁保护、顺序控制、参数报警、异常显示、性能计算、 趋势记录和报表输出的功能，已从辅助运行人员监控锅炉运行发展到实现不同程 度的设备起停功能、过程控制和联锁保护的综合体系i ”】。 由于锅炉对象的复杂性，使得锅炉控制理论非常丰富。2 0 世纪6 0 7 0 年代， 对锅炉控制的研究主要集中在锅炉的动态特性和数学模型，从线性到非线性，从 单变量到多变量，从时不变到时变等，都进行了广泛而深入的研究 1 8 2 5 】。最具代表 性的有：h n i c h o l s o n ( 1 9 6 4 ，英国) 对一台燃油锅炉的动态特性进行了试验研究， 获得了以状态变量形式表达的模型传递函数；k j a s t r o m 等( 1 9 7 2 ，瑞典) 从机 理分析和试验研究两个方面，对1 6 0 m w 的锅炉汽轮机机组模型进行了研究， 获得了简化的全面反映机组动态特性的非线性模型；a t y s s o 等( 1 9 7 6 ，挪威) 采 用机理分析法对一台船用锅炉的物理过程进行了研究，获得了该锅炉的高阶线性 多变量模型，并在此基础上设计、实施了多变量控制系统，运行结果表明，与传 统的反馈控制相比，在系统稳定性和安全性方面均有较大提高。 2 0 世纪8 0 年代，传统的控制策略受到现代控制理论的严峻挑战。由于传统的 控制策略隐含着两个前提，一是要求对象的模型精确、不变化，且为线性：二是 要求对象的运行环境确定、不变化。然而，实际情况下的控制对象只能近似满足 这些条件。随着应用领域的扩大，控制精度和性能要求的提高，必须考虑控制对 象的非线性，运行环境的变化等多种不确定因素的影响，才能得到满意的控制效 华中科技大学博士学位论文 果。在这种实际需求的激励和计算机的高速、小型、大容量、低成本的条件下， 现代控制策略应运而生，并迅速在锅炉控制的实际应用中得到发展，有代表性的 有：最优化控制，自适应控制，预测控制等 2 6 3 8 i 。eh j e n k i n s 等( 1 9 8 1 ，英国) 根据对锅炉燃烧产物的检测分析，提出了一个能反映燃烧状况的性能指标，通过 实时优化锅炉燃烧控制中的两个主要因素：燃料量和送风量，即风燃配比，来达 到性能指标的最小化。这种自寻优燃烧控制系统已在一台1 0 0 m w 燃油锅炉上得到 了成功应用，并有望在5 0 0 m w 燃油锅炉上得以实施；h n a k a m u r a 等( 1 9 8 9 ，日 本) 对一台5 0 0 m w 超临界火电机组进行了优化控制，仿真及现场运行结果均表明， 在机组负荷快速、大幅度变化的情况下，优化控制系统表现出良好的稳定性，而 对于机组运行中的各种变化，优化控制系统表现出良好的鲁棒性；i k o c a a r s l a n ( 1 9 9 3 ，德国) 在一台7 5 0 m w 燃煤锅炉上进行了自适应控制研究，现场运行结果 表明，自适应控制在提高锅炉热效率和改善蒸汽品质方面，效果良好。国内，z y y a n g 等( 1 9 9 0 ) 针对锅炉蒸汽温度过程控制申迟延及参数时交的特性。提出了一 种模型参考自适应控制，对s m i t h 预估控制器参数进行实时修正，该控制方案在一 台3 0 0 m w 调峰机组上获得了良好的控制效果；杨平等( 1 9 9 3 ) 采用预测控制方法 对电站锅炉的蒸汽压力系统进行了仿真研究。 随着世界各国工业向着大型、连续、综合化发展，控制系统变得越来越复杂， 而系统的不确定性( 包括对象的不确定性和环境的不确定性) 成为控制系统研究 中最困难的问题。与此同时，人工智能的研究得到飞速发展，并迅速以渗透到各 领域中。自动控制与人工智能的结合产生了智能控制【3 9 i 。2 0 世纪9 0 年代，国内外 不少学者将智能控制用于锅炉系统的建模、仿真、诊断及控制i o i 。具体有：k f r e i n s c h m i d t ( 1 9 9 1 ，美国) 采用神经网络方法对电站锅炉进行了仿真研究，同时 指出神经网络方法在电站锅炉控制中具有广阔的应用前景；gi r w i n 等( 1 9 9 5 ，英 国) 采用前馈神经网络方法建立了2 0 0 m w 燃油锅炉的非线性模型，并对之进行了 离线控制，取得了良好的控制效果；m h u n t 等( 1 9 9 4 ，美国) 采用人工智能方法 对一台6 5 0 m w 机组的热效率、污染物排放及维修状况进行了在线诊断，结果使锅 炉的热效率得到提高，n q 的排放量得到降低，同时还降低了机组的维修费用；r c b o o t h 等( 1 9 9 8 ，美国) 采用神经网络方法对一台4 0 0 m w 的锅炉进行了燃烧优化 控制，结果锅炉热效率提高o 5 ，q 的排放量降低2 0 - - 2 5 。国内，吕剑虹等 ( 1 9 9 5 ) 采用具有学习能力的智能p i d 控制器进行电站锅炉过热汽温控翻，获得 华中科技大学博士学位论文 了良好的控制品质；赵利敏等( 1 9 9 8 ) 采用b p 神经网络对电站燃煤锅炉进行了燃 烧预测。 系统装置方面，锅炉控制系统由初期的模拟仪表、d d z 型发展到组装式仪表、 单回路、多回路数字控制仪表。2 0 世纪7 0 年代后期，随着美国h o n e y w e l l 公司推 一出第一台分散控制系统，计算机硬件技术、软件组态技术和通讯技术形成了强大 的技术优势，使得前期电站中相对独立的控制系统，在数字技术的支持下形成了 控制功能分散、监控参数集中，各子系统信号形成紧密联系的整体，可编程控制 仪表、多微机控制系统也越来越显示出强大的生命力”“。 随着计算机技术、c r t 显示技术、通讯技术和自动控制理论应用的迅速发展， 为使锅炉控制能统一到机、炉、电控制的高效智能一体化、信息管理与控制集成 化中，以及现场总线控制系统( f c s ) 和智能仪表融入到分散控制系统( 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都做了有益的探 索1 6 “”。国外，如美国f o x b o r o 公司的整体单元机组控制；德国s i e m e n s 公司的带 凝结水节流模块的新机组控制( n u c ) ；美国m c s 公司的全厂协调自动化策略 ( d e c - 5 0 0 ) ；e l s a gb a i l e y 公司的性能计算和优化模块( c o n v a l i ) 及多变量控制 和神经网络控制；日本日立公司的动态前馈并行控制：瑞士a b b 公司的诊断模块 o p t i m a x - m o d i 及s c o 主汽温度优化控制软件包；美国l e e d s & n o r t h r a p 公司的 直接能量平衡( d e b ) 协调控制系统等。国内，则有山西省电力科学研究院和华 源程控科技有限公司的电站锅炉燃烧控制的新策略能量平衡法及锅炉安全能 效调控装置。 二、炉膛火焰检测的方法 火焰图像处理的方法很多，最简单的有直接照相法哗i 。该方法可以在照片上 记录火焰形状、火焰亮度以及色彩分布。火焰的行为特征可以从照片记录信息的 基础上提取。其次，光学方法，如：阴影法、纹影法、干涉法及全息干涉法等也 都被用来进行燃烧火焰的检测“”。光学方法的最大特点是：所得到的图像信息不 仅与记录系统的特性有关，还与光源的特性有关。另外，也有学者采用光谱学方 法，如瑞利散射、拉曼散射及激光诱导荧光法等，以及示踪法来进行燃烧火焰的 检测陋。 对于电站锅炉的燃烧火焰，由炉膛于尺寸大，燃烧介质的吸收特性强，使得 4 华中科技大学博士学位论文 上述火焰检测方法的应用受到限制，而燃烧介质本身具有的强辐射特性使得简单 的直接照相与计算机图像处理相结合的方法得到成功应用。但是燃烧机理的复杂 性，使得从火焰形状、火焰亮度中深入研究火焰的行为特征受到限制，而从火焰 温度分布中获取对燃烧过程的本质的认识，不失为目前最为可行的一条研究路线 订。 近年来，国内外对炉膛火焰检测和燃烧诊断进行了广泛和深入研究，美国电 力研究院( e p r i ) 采用声学高温计和红外探头对电站锅炉进行了燃烧诊断试验p ； t h a s h i o ( 1 9 9 1 ，日本) 提出利用看火电视对炉膛火焰进行检测和诊断【7 w ：芬兰 的i m a t r a nv o i m ao y 公司、日本三菱重工等都在采用可见光吸收光谱法进行了火 焰检测i m s i ；国内，清华大学的吴占松等( 1 9 8 8 ) 提出了基于火焰亮度图像处理的 全色法，以实现对火焰温度的测量，但该方法装置复杂，标定困难，不便于现场 实现”9 l ：华中科技大学的周怀春等( 1 9 9 5 ) 提出了基于参考点测温的火焰温度测 量的单色法i o l ；上海交通大学的徐伟勇等( 1 9 9 7 ) 研制了炉膛火焰图像检测与诊 断装璧陆蜘；东南大学的邹煜等( 1 9 9 8 ) 开发了炉膛火焰燃烧数字化监测系统i s 4 ； 浙江大学的王飞等( 1 9 9 8 ) 提出了炉膛火焰温度测量的基于彩色c c d 的双色法， 并在电厂进行了试验 s s s 7 1 ；中国测试技术研究院的苏红雨等( 2 0 0 0 ) 研制了电站 锅炉炉膛温度分布测量仪，并在一台2 0 0 m w 锅炉上进行了现场试验，效果良好【1 8 】。 三、电站锅炉燃烧及机组负荷控制的现状 电站锅炉燃烧控制的基本任务是调整燃烧率水平，使之适应外界负荷的需要， 稳定蒸汽压力，同时保证燃烧过程在安全经济的工况下进行；机组负荷控制则是 接收外部负荷的指令，根据主要运行参数的偏差，对锅炉、汽机协调地进行控制， 从而在满足电网负荷要求的同时，保持主要运行参数的稳定 s 9 】。 电站锅炉燃烧控制系统包括三个相对独立而又紧密联系的子系统：燃料控制 子系统、送风控制子系统和引风控制予系统。通常，蒸汽压力、烟气氧量和炉膛 负压分别被选为燃料控制子系统、送风控制子系统和引风控制子系统的被调量。 由于烟气氧量的测量有较大的惯性迟延，因此燃烧控制的基本方案采用直接保持 燃料量与送风量成一定比例关系，但又考虑到燃烧过程的经济性，通常采用烟气 氧量信号来修正送风量，亦即采用氧量校正调节呻l 。 另外，有一种先进的燃烧控制方式双交叉限幅燃烧控制方式在电站锅炉 华中科技大学博士学位论文 上得以应用删，其主要特点为： ( 1 ) 稳态时能保证经济空燃比和最佳烟气含氧量。 ( 2 ) 升负荷时，保证空气量先增加，燃料量跟随实测空气量。 ( 3 ) 减负荷时，保证先减燃料量，空气量跟随实测燃料量。 ( 4 ) 空燃交叉限制解除功能：当燃料量手动，送风量自动时，送风设定值跟 随燃料量；当送风手动，燃料量自动时，燃料量设定值跟随送风量。 双交叉限幅燃烧控制方式先在燃油、燃气的电站锅炉上得以成功应用，后逐 步在燃煤电站锅炉上推广应用。 机组负荷控制方式通常分为二类：机炉分别控制方式和机炉协凋控制方式。 其中，机炉分别控制方式包括锅炉跟随方式和汽机跟随方式两种，且锅炉跟随方 式一般用于蓄热能力相对较大的中、小型汽包锅炉机组，汽机跟随方式一般用于 单元机组承担基本负荷的场合；机炉协调控制方式包括以锅炉跟随为基础的协调 控制方式、以汽机跟随为基础的协调控制方式和综合型协调控制方式。以锅炉跟 随为基础的协调控制方式和以汽机跟随为基础的协调控制方式只实现“单向”的 协调，而综合型协调控制方式能够实现“双向”的协调，它的典型代表有：直接 能量平衡方式( d e b ) 阳】。 直接能量平衡方式的特点为：汽机控制机组功率；以能量平衡信号作为锅炉 侧的负荷指令，以热量信号作其反馈，直接按汽机的能量需要来控制锅炉的输入 9 ”。其中，能量平衡信号为：p ，旦，p 。为汽机第一级压力，以为机前压力设定 p r 值，p r 为机前压力。由于能量平衡信号能够正确反映汽机对锅炉能量的需求，且 只反映外扰( 汽机调门开度变化) ，而不受锅炉内扰( 燃料扰动) 的影响，因此它 适用于所有运行工况( 包括定压和滑压) 【”l 。 对于电站燃煤锅炉，由于燃料量到蒸汽压力这条通道具有纯延迟、大滞后的 特性，致使一些先进控制算法，如s m t h 预估算法，d a h l i n 算法的控制效果 不佳，即使采用热量信号( 蒸汽流量信号与汽包压力微分信号之和) 代表燃料量， 与蒸汽压力一道对入炉燃料量进行串级控制，效果也并不理想【9 1 l 。 因此，提高电站燃煤锅炉燃烧及机组负荷控制的品质，有效克服锅炉燃料量 到蒸汽压力的滞后特性是关键。 6 华中科技大学博士学位论文 基于炉膛辐射能能够迅速、直观地反映炉内燃烧状况，周怀春等( 1 9 9 4 ) 提 出采用炉膛断面辐射能控制燃烧的思想删；王满家等( 1 9 9 5 ) 利用炉内火焰辐射 能信号的大小对锅炉的燃料、送风进行调节，使锅炉运行保持热效率最佳状况【9 5 】。 另一个方面，锅炉蒸汽量的大小、热效率的高低均与炉膛温度水平有密切关 系。同时，大量研究表明，燃烧产物中大多数的有害物质( 包括c o 和n o x ) 生成 量的大小都跟炉膛温度紧密相关陋l 。因此，若引入基于火焰温度图像的炉膛辐 射能进行燃烧控制，必将有利于提高锅炉效率、降低污染物的生成。 炉膛火焰检测技术的进步，为基于火焰温度图像的炉膛辐射能检测奠定了基 础，也为采用炉膛辐射能信号进行燃烧控制提供了保障。 本课题的主要任务在于：寻找一种既能反映燃煤锅炉燃烧状况又便于现场应 用的炉膛辐射能检测方法，实现炉膛辐射能的准确检测；探寻引入炉膛辐射能信 号后锅炉燃烧及机组负荷控制的新控制方案，提高锅炉燃烧及机组负荷控制品质。 1 3 本文主要工作及创新 实现电站燃煤锅炉稳定、高效、低污染的燃烧一直是热能工程和热能自动化 领域工作者的理想。本文从炉膛辐射能信号的检测原理出发，设计并研制了一套 基于火焰图像处理的炉膛辐射能信号检测系统，对湘潭电厂3 0 0 m w 燃煤锅炉炉膛 辐射能信号进行了检测，并将检测到的炉膛辐射能信号送入电站机组现有的d c s 系统；对炉膛辐射能信号和机组主要运行参数之间的关系进行了分析，确定了引 入炉膛辐射能信号对入炉燃料量进行反馈控制的燃烧控制方案，并将该方案在湘 潭电厂3 0 0 m w 机组上进行了现场试验，对试验结果进行了分析。本文的主要工作 及创新如下： 1 、提出了采用炉膛辐射能信号对入炉燃料量进行反馈控制的新型锅炉燃烧及 机组负荷控制策略。一方面，对引入炉膛辐射能信号后的一台6 7 0 t h 电站锅炉主 汽压系统调节对象的动态特性及仿真控制进行了研究；另一方面，对引入炉膛辐 射能信号后的一台1 2 5 m w 机组的负荷控制系统进行了仿真试验，并对结果进行了 分析。 2 、在前人研究工作的基础上，提出了一种炉膛辐射能信号的检测方法基 于参考测温的综合法。- 方i l i i ，对基于火焰亮度图像处理的全色法，基于参考点 华中科技大学博士学位论文 测温的单色法和基于彩色c c d 的双色法进行了介绍，并指出了各自的优点及局限 性。另一方面，论述了基于参考测温的综合法的原理和特点。 3 、根据基于参考测温的综合法的炉膛火焰检测原理，设计并研制了一套炉膛 辐射能信号检测系统。介绍了系统的硬件配置及软件设计，对c c d 图像采集与处 理装置进行了标定，并将炉膛辐射能信号检测系统安装到湘潭电厂3 0 0 m w 燃煤锅 炉上，调试成功后投入运行。 4 、对湘潭电厂3 0 0 m w 燃煤机组进行了燃料量扰动和调门开度扰动的开环试 验，获得了引入炉膛辐射能信号后的的机组动态特性。在此基础上，对采用炉膛 辐射能信号代替机组原有热量信号的燃烧控制方案进行了仿真研究和现场试验， 采用b p 神经网络对基于炉膛辐射能信号的机组特性进行了预测，对采用炉膛辐射 能信号反馈控制方案的机组进行了锅炉热效率试验及n o , 排放特性试验，并对结 果进行了分析。 另外，本课题系华中科技大学煤燃烧国家重点实验室、湖南省电力试验研究 所及湘潭电厂共同承担的科研项目，并得到了湖南省电力公司的立项支持。 一_ - _ h _ - _ 一 8 一 华中科技大学博士学位论文 2 基于炉膛辐射能信号反馈的燃烧控制与负荷控制仿真 2 1 基于炉膛辐射能信号反馈的锅炉燃烧控制仿真 锅炉燃烧控制的主要任务之一是维持主汽压力的稳定。对于中小型汽包炉， 锅炉入炉燃料量通常通过汽压的变化来控制。而从燃料量到主汽压力这个通道是 一个纯延迟、大滞后的对象【l o ”，尽管有学者采用动态矩阵预估控制方法、大林算 法等控制入炉燃料量，但始终无法回避锅炉固有的延迟特性，效果欠佳”。1 叫。煤 粉在炉内燃烧时，立即释放出能量，在炉内停留的时间一般只有2 4 秒，从物理 意义上来看，炉膛辐射能能够快速反映入炉燃料量的变化叫i 。因此，若将炉膛辐 射能信号引入燃烧控制系统，对入炉燃料量进行反馈控制，也许可以改善燃烧控 制的品质，提高主汽压的稳定性。本节将对上述设想予以讨论。 一、燃烧控制系统调节对象动态特性 采用全炉膛看火电视装置、计算机图像采集与处理系统对一台6 7 0 t h 电站锅 炉进行了炉膛辐射能信号的检测，现场检测系统示意图如图2 1 所示【l o s ) 。 图2 1 现场检测系统示意图 锅炉型号为d g 6 7 0 1 4 0 - 1 2 ，为超高压中间再热自然循环固态排渣炉，单体炉， 9 当夏 罡 昱 华中科技大学博士学位论文 ii 兀型布置，炉膛四角安装有煤粉燃烧器，直吹式制粉系统，炉宽1 1 9 0 0 m m ，炉深 1 0 8 8 0 m m ，炉膛容积为4 2 4 6 m 3 。全炉膛看火电视装置型号为d z h j i i ，其火焰探 头安装于炉膛乙侧墙中间标高2 7 m 处，镜头视角为6 0 。，光轴偏转2 0 。火焰图像 视频信号经图像采集卡( 型号为c a 6 3 0 0 ) 处理进入计算机，得到火焰的数字化灰 度图像。同时，利用数据采集系统采集锅炉运行主要参数，如主汽压力、蒸汽流 量及汽包压力等进入计算机。 简单介绍一下图像灰度的概念。计算机从景物的模拟图像中获得数字化图像 时，一般要经过抽样和量化两种处理( 两者统称为数字化) 1 0 6 1 。抽样就是把时间 和空间上连续的图像变成离散点的集合。经过抽样处理后，图像被分解成在时间 和空间上离散的像素，但像素值( 浓淡值) 仍为连续值。把连续的浓淡值变为离 散值( 整数值) 的处理就是量化。这里的像素整数值也就是灰度值。 因此，在计算机中的图像灰度值可以反映出图像上各像素点的浓淡程度，计 算机采集到的火焰灰度图像为0 2 5 5 灰度级别，其中0 为黑，2 5 5 为白。炉膛辐射 能越大，图像越白，其灰度值越大，两者在一定范围内成正比变化。 从现场采集并记录的大量数据可以看出，炉膛辐射能信号( 灰度值) 很好地 反映了燃料量调节的变化，并且明显超前主汽压力的变化，典型的动态曲线如图2 2 所示。图中，采样时间r o = 4 4 4 8 。 门 也 乏 、 r 出 c 州 f l 图2 2 炉膛辐射能和主汽压力的动态变化 3 ( ，) o 、 描 操 婢 趟 蠡 华中科技大学博士学位论文 该锅炉现有的燃烧控制系统采用传统的单级控制方式，如图2 3 所示。 p t 堕： 图2 3 传统的单级燃烧控制方式 根据图2 2 所示的炉膛辐射能信号( 灰度值) 与主汽压力动态变化的关系，我 们可以设想将燃料量主汽压力通道等效为两个环节的串联，燃料量炉膛 辐射能环节和炉膛辐射能主汽压力环节，构成串级燃烧控制系统，如图2 4 所 示。 图2 4 引入辐射能信号的串级燃烧控制方式 在进行上述两种燃烧控制方案仿真研究之前，首先应该了解调节对象的动态 特性，即需要获得从燃料量h 0 到主汽压力p 如) 的传递函数、从燃料量耶) 到炉膛 辐射能信号踯) 的传递函数以及从炉膛辐射能信号甄到主汽压力n 0 ) 的传递函 数。根据实践经验，可以将上述传递函数的形式设定为： ( 1 ) 从燃料量荆到主汽压力p 胎) 的传递函数 g 小，= 锵= 焉 ，一盛? 华中科技大学博士学位论文 ( 2 ) 从燃料量凡j ) 到炉膛辐射能信号以s ) 的传递函数 g 心，= 器= 焉 ( 3 ) 从炉膛辐射能信号邱) 到主汽压力p ，( s ) 的传递函数 g ：= 铬= 嵩 另外，上述传递函数满足： g o ( j ) = g l ( s ) g 2 ( s ) 因而，各参数近似满足： k o = k l k 2 ，t o = 正+ 疋，0 = q + r 2 对于调节对象动态特性的辨识，工业上常用的方法有阶跃脉冲试验法和矩形 脉冲试验法。但由于这两种方法均需要在调节对象的输入端加上一定幅度的扰动， 进行专门试验，这在实际生产中不容易实现。因此，根据采集记录的大量数据， 采用最小二乘法确定上述传递函数中的待定系数，所得结果为： g 心，= 鬻= 篇 汜， g 如) = 器= 丽4 5 3 e - 4 。 ( 2 2 ) g 2 ( s ) ：缨：蕊0 0 0 0 1 5 e - e g , ( 2 3 ) e ( s )s ( 1 + 2 0 s ) 二、两种控制方式的仿真对比研究 在获得调节对象动态特性的基础上，拟对单级燃烧控制方式和串级燃烧控制 方式进行仿真对比研究。 由于电站控制系统中普遍采用p i d 控制器，因而文中单级控制方式和串级控 制方式中的控制器也均采用p i d 控制器。 1 2 华中科技大学博士学位论文 对于单级控制方式，根据衰减条件，加上动态响应的特性的仿真比较，整定 得到控制器参数： k f o = 0 0 4 4 2 6 ，= 1 2 6 0 对于串级控制方式，先整定内回路即炉膛辐射能控制回路的控制器参数： k l l = 0 0 4 4 2 6 ，z l = 1 6 0 然后，将内回路控制器参数代入控制系统，整定得到外回路控制器参数： k f 2 = 2 5 ，1 2 = 1 2 0 0 0 对两种控制方式进行仿真对比研究，结果如图2 5 和图2 6 所示。图中，采样 时间瓦= 4 4 4 s 。 f 吒 图2 5 燃料量扰动。两种控制方式的主汽压力动态响应 图2 5 中，与虚线对应的是单级燃烧控制方式在燃料量扰动+ 5 的情况下主汽 压力的动态响应；与实线对应的是串级燃烧控制方式在燃料量扰动+ 3 0 的情况下 主汽压力的动态响应。从图2 5 可见，即使燃料量扰动大几倍，串级燃烧控制方式 下的主汽压力波动峰值仍远远小于单级燃烧控制方式下的主汽压力波动峰值。由 此可