（电气工程专业论文）燃烧电站燃烧优化闭环控制系统应用研究.pdf

浙江大学工程硕上学位论文摘要 摘要 随着国家对节能降耗要求的提高和发电企业发电成本的增加，各发 电企业采用新技术来进行节能降耗必将成为今后的趋势。 本文通过比较国内外燃烧优化闭环控制系统，结合台州发电厂# 7 炉 实际情况，从提高锅炉效率和降低n o x 两个目标出发，选择p o w e r p e r f e c t e r 软件平台进行燃烧优化闭环控制系统的应用研究，研究的结果表 明燃烧优化闭环控制系统可增加炉效0 3 ，降低n o x l 0 以上，同时该 技术符合国家政策，具有良好的社会效益。 【关键词】：燃烧优化，闭环控制，p o w e rp e r f e c t e r 浙江大学工程硕十学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t hd e m a n d sf o r e n e r g y r e t r e n c h m e n ta n d e m p o s s i o n r e d u c t i o n s ，i tw a sb e c a m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o rp o w e r p l a n tt ou s en e wt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，c o m b i n d ew i t ht a i z h o up o w e rp l a n tu i n t7 ，p o w e r p e r f e c t e rw a ss e l e c t e dt o i m p r o v eb o i l e re f f i c i e n c ya n dr e d u c e e m p o s s i o n t h er e s u l tt e l l s u st h a tt h i s p r o j e c ta c h i e v eao 3 b o i l e re f f i c i e n c yi m p r o v e do ra10 r e d u c t i o ni nn o x ，a tt h es a m e t i m e ，t h i st e c h n o l o g ya c c o r dw i t ht h ec o u n t r yp o l i c y ，h a v et h eg o o d s o c i e t yb e n e f i t k e y w o r d ：c o m b u s t i o no p t i m i z a t i o n ；c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m ；p o w e r p e r f e c t e r 一一 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 课题背景 第一章绪论 当前国家大力提倡绿色g d p ，“十一五 计划也将火电行业确定为高耗能行 业，是“十一五 期间节能降耗重点行业之一。据有关单位统计，目前，我国火 电供电煤耗与发达国家水平还有2 0 左右的差距，因此，我国火电行业的节能 降耗还有一定的空间。随着目前燃煤价格的不断上涨，电厂利润的空间已经非常 小，很多电厂已经出现了亏损现象，因此电厂大力采用节能降耗技术，是燃煤电 站降低发电成本、增加利润空间的有效手段之一。 燃煤电厂锅炉会有很多污染排放物，如硫氧化物s o x ( s 0 2 为主) ，氮氧化 物n o x 和粉尘等，对我国环境造成了极大的危害。这种情况下，我国也针对电 厂的污染物排放，制定了相关标准。在这种背景下，近年来我国火电厂脱硫工程 实施得比较多。从国家的长远发展看，脱硝也是大势所趋。2 0 0 3 年，我国出台 了新的排污费征收标准管理办法【6 引，从2 0 0 4 年7 月1 日开始，每个n o x 排 放当量按0 6 元的标准收费。因此，如果锅炉的n o 。排放过大，也就直接影响到 电厂的经济效益。所以，如何降低n o 。排放也已经被提到电厂的议事日程上来。 在这种情况下，如何在电力生产过程中保持发电机组运行过程中的经济性和 环保性，即降低发电煤耗，减少n o x 排放，并且保证机组在安全状态运行，成 为每个电厂必须考虑的问题。各个发电企业正在通过设备和技术改造，如d c s 改造、辅机程控、变频控制、信息管理系统和设备更新等，不断地改善机组的性 能和运行水平，挖掘潜力，降低发电成本，减少污染物排放，从安全运行过渡到 安全经济运行，提高自身的竞争能力。 1 1 2 课题目标与意义 要实现火力发电厂节能降耗，减少污染，加强机组锅炉侧的优化控制是最直 浙江人学工程硕士学位论文第一章绪论 接有效的方法。锅炉燃烧过程是一个复杂的物理和化学反应过程。火力发电厂运 行过程中，由于电网负荷变化、燃料成分含量波动等实际因素的影响，锅炉等机 组设备的实际状态在不断调整。因此在确保蒸汽的品质、产量和安全运行前提下 要实现锅炉等设备的经济运行，就必须对锅炉的送煤量、给水量、给风量等燃烧 及运行参数进行实时优化调整和控制。目前采用的d c s 控制调节往往无法完全 针对锅炉燃烧的特点控制最佳运行工况。而且随机组负荷变化的情况，运行效率 变化也非常大，不能保持机组运行在最佳的运行曲线上。随着时间的推移，原来 的控制基准也会发生变化，运行人员的经验和操作水平在很大程度上决定了机组 的运行性能。锅炉燃烧优化系统提高锅炉d c s 的控制调节能力，减少操作人员 的人为影响，正受到越来越多的关注。 锅炉燃烧优化系统一般分为开环和闭环两种。所谓开环是一种有人工参与的 控制方式，系统通过优化运行，把优化结果以用户图形界面( g u i ) 提供给操作 人员，再由操作人员根据这些参数修改d c s 控制参数，这种系统通常又被称为 专家指导系统；所谓闭环是一种没有人员参与的封闭系统，系统的优化结果不再 通过操作人员，而是直接与d c s 通讯，调节其控制参数，所有操作都由系统自 动完成。相比较而言，闭环控制系统具有更高的效率和稳定性，受关注的程度比 开环系统高。 实施锅炉燃烧优化闭环控制系统，首先要求电厂锅炉设备本身具备自动化检 测与控制能力，并且调节响应性能良好，因此并不是所有的锅炉都能应用这类系 统。新建电厂普遍采用了d c s 等先进的控制设备与有效的检测仪器；老电厂为 提高企业竞争力，也正在添加自动化控制设备及实施技术改造，这一切都为锅炉 燃烧优化控制系统在火电厂的实施奠定了基础。 许多国外的大电厂，特别是欧美国家，由于其自动化控制系统普及较早，锅 炉燃烧优化闭环控制系统已经在推广应用；在国内，该类系统的应用尚处于一个 起步阶段。 当前省内电厂机组锅炉都有应用世界领先而成熟的技术进行燃烧最优化调 整、进一步提高锅炉效率及降低污染排放的必要。具体体现为： 各电厂锅炉在运行中虽然用常规方法做过热力试验，与国内相同锅炉相比经 济指标领先，但均有进一步提高效率及降低排污的潜力。 浙江大学工程硕十学位论文第一章绪论 由于技术上的复杂性，锅炉设计中常常运用一些经验知识( 如经验系数等) 以及一些假设条件。因此，一旦这些经验知识与实际不符或假设条件不成立 时，锅炉实际运行的特性与设计阶段的预期将不可避免地出现差异。 在机组的服役期内，锅炉本体、辅机或部件不可避免地将发生不同程度的磨 损、材质老化、泄漏、结垢、积灰及结渣等现象。任一环节发生上述现象均 可能导致锅炉特性的变化。其结果是锅炉运行的特性将受到影响。 随着电网负荷峰谷差的增大以及“竞价上网”的实施，机组的负荷不可避免 地频繁发生变化。这意味着机组的运行可能长时间偏离设计工况，机组效率 下滑明显。因此为了节能降耗，必须对不同负荷工况下的锅炉运行进行最优 化调整。 若给煤的品质发生变化，锅炉的燃烧将受到严重影响。针对煤质的变化，客 观要求对锅炉的燃烧进行最优化调整。 随着技术的进步，电厂不断对锅炉进行技术改造；另外在机组的服役期内， 机组也经历了多次大修。上述两种情况都可能影响锅炉的运行特性，客观要 求在改造或大修后，对锅炉的燃烧进行最优化调整。 由于我国火电机组的供电煤耗率总体还处于较高水平，为了实现从“粗放型 经营 到“集约型经营”的转换，使电厂的运行水平更上一个台阶，更为了国家 可持续发展的战略，电厂必须采用先进技术努力降低污染、降低供电煤耗率。 1 3 课题研究的对象 台州发电厂撑7 机组锅炉为北京巴威公司生产的3 3 0 m w 亚临界单炉膛自然循 环平衡通风汽包炉。采用e i - - d r b 型强化点火双调风旋流煤粉燃烧器，前后墙对 冲燃烧，并配置四台m p s - - 2 2 5 摆辊磨盘式中速磨煤机，设计锅炉效率为9 1 9 6 。 当前该机组的炉效为9 2 5 左右，还有一定提高空间；氮氧化物排放浓度与国家 相关标准规定的6 5 0m g n m 3 还存在一定的差距。由于尾部脱硝存在技术不成熟 与初期投资巨大、运行及维护费用较高等困难阻碍着其工业应用，因此，要提高 锅炉效率，降低氮氧化物排放，实施锅炉燃烧优化控制系统是最好的选择。 下表是锅炉的主要设计参数。 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 表卜1 台州电厂# 7 机组主要设计参数( m c r 工况) 序号项目单位设计参数 1 额定蒸发量 t h1 0 0 4 2 再热蒸汽量t h9 0 6 3汽包工作压力m p a1 9 3 3 4 过热蒸汽压力 m p a1 8 4 4 5 再热蒸汽进口压力 m p a4 3 2 6 再热蒸汽出口压力 m p a4 1 3 7 过热蒸汽温度5 4 3 8 再热蒸汽进口温度 3 3 6 3 9 再热蒸汽出口温度5 4 2 1 0给水温度2 5 7 l1 冷风温度3 0 1 2 热风温度( 一次风) 3 3 8 5 1 3 热风温度( - - 次风)3 5 2 8 1 4 排烟温度( 未修正) 1 4 3 1 5 锅炉正常水容积 产 1 2 5 4m 1 6 水压试验水容积 m 34 0 5 7 1 7 过热器系统水阻力 m p ao 8 9 1 8 再热器系统水阻力 m p a0 1 7 1 9 省煤器系统水阻力 m p a o 1 5 2 0 锅炉效率 9 1 9 6 2 1 计算燃料消耗量 t h1 5 3 要实施燃烧优化控制系统，首先要求电厂锅炉设备本身具备自动化检测与控 制能力，并且调节响应性能良好。台州发电厂舟7 机组采用西门子t e l e p e r m x p m e d c s 控制系统，并拥有在线飞灰测量装置和烟气分析仪，已具备实施 锅炉燃烧优化闭环控制系统的条件。 为了保护环境和企业的可持续发展，开展锅炉燃烧优化闭环控制系统的开发 研究和实施具有重要的意义。 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 1 4 课题研究的任务 通过对目前锅炉燃烧优化系统的比较分析，选择合适的燃烧优化控制系统软 件平台进行应用研究，并能成功实施，实现提高锅炉效率，降低n o x 排放的目 的。根据台州发电厂# 7 机组锅炉燃烧优化闭环控制系统应用研究项目要求，项 目主要内容是： 1 ) 基于多目标寻优技术的燃烧优化闭环控制系统使用模型预测技术，对锅 炉燃烧过程作出准确预测，达到实现提高燃烧效率，降低n o 。排放等多重优化 目标，并可根据不同时段需求变化，调整各种目标的权重，使系统始终处于稳定 优化运行的状态。 2 ) 通过采集相应数据，利用概率统计、神经网络等优化决策工具，生成相 应的模型。根据对当前机组状态的模式识别，参照预设目标，如成本目标、环保 控制目标或多种目标的综合，提供优化控制策略，供机组闭环控制运行。 当前系统目标为： ( 1 ) 提高炉效0 3 - - 一0 5 ， ( 2 ) 氮氧化物排放下降1 0 ， ( 3 ) 一定程度上降低厂用电。 系统主要功能设计： ( 1 ) 模型预测，能适应多工况与变工况； ( 2 ) 多目标优化，可根据不同时段的不同目标进行优化，如成本目标、环 保控制目标； ( 3 ) 与d c s 的双向安全通讯策略； ( 4 ) 多重安全防护体系：通过严格的数据验证与多阈值控制，实现多重安 全防护，确保不影响d c s 原有控制系统安全； ( 5 ) 优化模型学习修正能力：当机组设备等出现重大变化时，如主燃烧设 备改造、煤种较大变化等，能进行新的学习修正来适应变更后的状况； ( 6 ) 友善的用户监控与操作界面。 浙江大学t 程硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外燃烧优化研究现状 随着d c s 系统及实时数据库的应用，电厂自动化水平的不断提高。先进监 测装置的使用，可以监测电厂设备的现行状况，为调整设备运行提供参考数据。 在这样的情况下，实现锅炉燃烧优化成为可能。 综合近年来国内外关于燃烧优化方面的研究成果，大致可以分成以下四类： 基于d c s 控制系统的优化调整 2 4 筇, 2 6 , 2 8 , 4 0 基于试验的燃烧参数优化调整o 1 3 4 8 ，4 9 】 基于在线检测专家系统的优化调整 4 , 5 , 1 5 , 2 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 , 3 7 1 4 3 ，5 4 】 基于多目标寻优技术的燃烧优化闭环控制系统 1 , 1 8 , 5 3 , 6 3 , 6 4 , 6 5 ，6 6 1 2 1 基于d c s 控制系统的优化调整 锅炉燃烧过程自动化控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应 锅炉蒸汽负荷的需要，同时保证燃烧过程的安全性和经济性。因此，其主要任务 有以下几个方面【1 l i ： ( 1 ) 保证气压为给定值； ( 2 ) 保证炉膛过量空气系数为给定值； ( 3 ) 保证炉膛负压为给定值。 从这三个任务可以看出，锅炉燃烧控制系统有三个调节量，即燃料量，送风 量和引风量。这三个调节量同时影响着气压( 或负荷) ，过量空气系数( 或含氧 量) 和炉膛负压这三个被调量，所以锅炉燃烧调节对象是一个多输入多输出的多 变量对象。对于燃烧调节系统，为了方便分析研究，可在燃料量，送风量和引风 量这三个调节量协调配合的基础上，将燃烧控制系统划分为三个子系统，即燃料 控制子系统，送风控制子系统，引风控制子系统，这三个子系统的动作是互相协 调不可分割的。 浙江大学1 = 程硕上学位论文第一章绪论 l d d q i iv 0 2 d n v g v s i d 一负荷指令；i r 给粉机转速；d q 一热量信号；v g 一送风机挡板开度；v s - 一引风机挡 板开庸：o ，烟气含氧量：d 一丰蒸汽流量：p s 一炉膛负乐：v _ 一送风量 图t - 1中储式负压运行煤粉锅炉燃烧控制系统 图1 1 f 2 即是一个典型的中储式负压运行煤粉锅炉的燃烧控制系统图。 由于锅炉系统的多样性，基于d c s 的控制系统并不是标准化的，各个电厂 往往根据机组的实际情况，在锅炉系统进行机理分析的基础上，或者基于操作经 验，给出经验公式或经验数据，对系统进行优化调整。这些调整主要是针对三个 控制回路的d c s 逻辑修改，或者根据需要增加少量辅助回路。文献【2 6 】就是根 据镇海发电厂# 3 机组的特点，增加了一次风压控制回路。 这类优化调整虽然可以在一定程度上提高锅炉运行的效率，但是碍于d c s 系统的数据处理和分析能力及其侧重于目标控制对象的安全、稳定的控制，未能 在综合分析、整体优化上突破。 1 2 2 基于试验的燃烧参数优化调整 这类优化调整从锅炉系统实际出发，根据不同的燃烧器和燃烧方式，确定需 浙江大学工程硕上学位论文第一章绪论 要调试的参数，通过常规性的燃烧调整试验，采集当前机组的状态数据，根据机 组运行特点及燃烧调整的经验，制定出重要控制参数改进策略，使机组在较优的 状态下运行。需要调整的参数主要是炉膛出口含氧量，一次风速、风量，二次风 速、风量，给煤量等，不同燃烧设备的特点不同，所选取的参数也不一样。 常规性的燃烧调整往往只能针对重要控制参数，给出特定工况点及特定时段 的优化策略，缺乏普适性。该方法在解决较少的优化目标时比较有效，可以提供 操作指导，对一些未实现d c s 控制的老机组也同样适用，而且不需要软件支持， 成本较低。但是影响机组运行的因素众多，用人工处理的手段，其效果是十分有 限的，且往往不能及时响应机组的动态变化。 1 2 3 基于在线检测专家系统的优化调整 这类系统是以有效的测量手段为基础的，关注燃烧过程中关键参数的在线监 测，如煤粉浓度、一二三次风风量、烟气含氧量( 即过剩氧量) 、飞灰含炭量、 炉渣含炭量( 通过大量数据统计分析，取经验公式) 、排烟温度及成分( 0 2 、c 0 2 、 c o ) 等，通过对这些关键参数的在线显示与长期积累，实现锅炉状态在线检测， 并且根据这些参数的变化，利用专家系统的特有的知识库功能，提出相应的锅炉 操作建议，指导锅炉人员作出及时有效的调整。 这类系统一般具备故障诊断、运行指导等功能，具有一定的分析能力，系统 的最终运行结果是一些文字性的操作建议，只能在局部范围提供开环指导，无法 实现闭环控制。这类系统通常被称为燃烧分析专家系统，或者燃烧优化指导系统。 下表是一个典型的燃烧优化专家系统的风粉调节、故障诊断知识库。 表1 - 2 风粉调节知识库【4 】 序号 现象原因处理方法 一次风门开度，大给粉机转速关小一次风门，调节给粉机 1 风速过高浓度过低 低，给粉机不下粉转速，检修给粉机 调节给粉机转速，暂停给粉 2 风速过低浓度过高给粉机转速高，风管中有积粉 机吹管 调节给粉机转速，检修给粉 3 风速正常浓度过高 给粉机转速高，给粉机下粉块 机 调节给粉机转速，检修给粉 4 风速正常浓度过低给粉机转速低，给粉机下粉慢 机 浙大学i 程预学位论史 第章绪论 1 24 基于多目标寻优技术的燃烧优化闭环控制系统 这类系统有成熟的多目标培优化理论为指导，最优化的基本日的是根据优化 的日标，确定需要输入的参数，使得应用这些参数所取得的结粜最优。模型预测 和优化搜索是多目标优化过程中的两个晟核心的技术。优化搜索技术的好坏决定 搜索速度，模g o 预测能力的好坏决定优化结果的质量。 该类系统根据对当前机组状态的模式识别，参照预设目标( 如：成本h 标、 环保排放日标及多种目标的综合) ，提供优化摔制荒略，供机组丌环或闭环控制 运钉= 。该娄系统在国外，特别是欧美国家得到了广泛应用，并取得良好效果，在 我困也有了定的应用。国内部分高校也在对这种技术作深入研究，但是目前尚 无成熟的产品。 丰姥性爱至 y = f ( x ) 吲1 - 2 基于多目标优化的燃烧择制系统 这类系统的运行结果是一些昼化的数值，具有与d c s 配合实现| _ j 1 环控制的 功能；同时根据实际情况，也可以h 使h j 开环专家指导功能，与专家系统的以文 字形式的指导方式相比，数值化的指导力式具有更好的可操作性。而u 系统所需 要的数据太部分来自d c s ，不需太多的榆测设备。不过，要使用此类系统， 般需要锅炉设备安装有d c s 系统，且调整响应能力要比较良好；另外，由1 ：系 统预钡4 模型本身对锅炉燃烧过程是不了解的，它对燃烧结果的预测完全依赖于前 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 期的训练，因此，训练数据选取的好坏直接影响预测结果的正确性，这样，对实 施人员的技术要求就特别高。系统实施人员应该能够根据现有d c s 系统的特点， 确定需要调整的控制回路，选择参) j n i ) t l 练的数据，对这些数据进行预先处理，选 取一些良好的数据进行模型训练。 1 3 燃烧优化闭环控制技术 比较前面四类研究成果中，基于多目标寻优技术的燃烧优化闭环控制系统 可以实现提高燃烧效率，降低n o x 排放等多重优化目标，因此，目前关于燃烧 优化的研究多集中在这一领域。随着锅炉d c s 的普及，这类系统也正在得到越 来越广泛的关注。一些欧美的公司已经在此基础上开发了燃烧优化软件产品，如 美国p e g a s u s 公司的n e u s i g h t 、p o w e rp e r f e c t e r 和u l t r a m a x ，英国p o w e r g e n 公司的g n o c i sp l u s 等。 1 3 1 模型预测与最优化搜索 模型预测和最优化搜索是这类系统的主要技术，两者是紧密联系在一起的。 对于一些简单的优化问题，模型预测可以用明确的数学公式表示，如果求函 数y = x 2 在工卜1 , 1 】的最小值，那么f ( x ) = x 2 就是一个模型，我们可以根据不同 的x ，预测不同的结果，例如，f ( x ) 在x = l 时，可以预测y = f ( 1 ) = 1 ；而对于 一些复杂的问题，如燃烧优化等，由于其反应过程比较复杂，无法用一个明确的 函数来表示。要解决这个问题，最有效的方法是采用神经网络、概率统计等数学 模型来模拟燃烧反应的过程。这类方法的一个最大特点是把燃烧过程当作一个 “黑匣子 ，通过大量有效数据的训练，使得这个“黑匣子 具备模拟锅炉燃烧 过程的能力，根据不同的输入数据预测出相应的输出结果。另外，该方法通常都 具备自适应功能，通过对实时数据的在线学习，可以对“黑匣子 进行调整，引 导系统朝正确的方向改进。目前，解决这类模型预测的技术主要有神经网络，概 率统计等。 最优化搜索是一种搜索技术，还是以求函数y = x 2 在x 卜1 ，l 】的最小值为例 子，目标函数： m i ny = 工2 ，约束条件：x 卜1 ，l 】，也就是说，要求x 的值， 一1 0 一 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 使得x 满足y = 工2 最小。如果说模型预测是顺方向的话，那么，优化搜索就是反 方向的。像燃烧优化等复杂的优化问题，无非是有不同的优化目标、模型预测和 约束条件，基本的原理是一致的。 1 3 2 闭环控制系统的主要功能描述 模型预测 火电厂锅炉运行过程是一个复杂的物理化学反应过程，无法用一个明确的数 学公式来进行描述。如何使用先进的技术来构建一个数学模型，来模拟锅炉燃烧 反应过程，这是此类系统要首先解决的问题，这种技术就是模型预测。数学模型 的好坏，直接影响着运算结果与实际情况的符合程度。常用的模型预测技术有神 经网络技术，贝叶斯概率统计技术等。通过这种技术构建的模型能够模拟多状态 工况下的锅炉反应过程，具有良好的相容性。 多目标优化 在确保安全性前提下追求锅炉运行的经济性和环保性，是燃烧优化闭环控制 软件的主要目标。如何调整各种目标之间的关系，使得整体状态最优，即多目标 优化是锅炉燃烧优化控制系统的第二个必备功能。 与d c s 的双向安全通讯策略 随着锅炉运行的自动化程度越来越高，新建的机组基本上都使用了d c s 集 散控制系统，因此，为了实现燃烧优化闭环控制，锅炉燃烧优化闭环控制系统必 须具有与d c s 进行双向的，安全的通信功能。而且，由于电厂d c s 产品的多 样性，系统与d c s 的通信功能应该有良好的兼容性，能够实现与多个不同厂家 的d c s 系统的连接。 多重安全防护体系 锅炉运行的安全性十分重要。锅炉燃烧优化闭环控制系统架构在d c s 之上， 如果因为使用了锅炉燃烧优化闭环控制系统而导致锅炉设备的运行处于不安全 状态，那么，这套系统是不能被接受的。因此系统应该具备使d c s 系统安全运 行的多重防护相关措施。如对输入数据需要进行分析过虑，剔除一些噪音信号； 对输出数据应具有自动调节功能，如果输出的偏置信号改变率太大，应该使用较 小的偏置量代替，通过多次输出逐步实现；在锅炉状态出现波动时，应该能够自 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 动切除系统；由用户自主决定使用闭环和开环运行的方式；系统的投运不能对 d c s 其他控制回路产生负面影响；。这些功能必须能保证系统运行是安全 的。 优化模型再学习修正能力 模型预测功能的建模过程，是通过大量数据的训练来完成的。这些数据都是 历史数据，当锅炉状况发生重大变化时，这些数据就无法描述这个变化过程，需 要有新的数据对模型进行再次训练。因此系统还必须具备优化模型再学习功能。 良好的用户监控界面 作为一个优秀的软件平台，简便有效的用户操作界面，如状态检测界面，控 制界面等也是必不可少的。 1 3 3 闭环控制系统软件平台比较 针对目前国际上使用情况比较多的几款燃烧优化软件产品：n e u s i g h t 、 p o w e rp e r f e c t e r t m 、u l t r a m a x 和g n o c i sp l u s ，从技术原理、技术特点、 对d c s 接口的支持程度、软件运行的平台、模型学习方式、运行模式、系统容 量、系统实施的难易等方面因素进行比较，详细内容见下表： 表1 - 3 闭环控制系统主要因素比较 系统名称 p o w e rp e r f e c t e ru l t 黜蝴n e u s i g h tg n o c i sp l u s 贝叶斯统计及其独特 技术原理神经网络神经网络神经网络 的加权旧归算法 解决了非线性多变 量预测和运行速度 集系统辨识技术与最 利用神经网络技术 等关键技术，结合控建立统一的锅炉燃结合了英美国 技术特点制和优化技术，比较 优化原理于一体，有 烧预测模型，要求较家在锅炉优化 适合工程应用，支持 较好和较快的寻优途 多的建模数据和较方面的技术。 多工况和变工况优 径。 长的建模时间 化。 s i e m e n st e l e p e r m 姬、a b bb a i l e y 、 b a i l e y9 0 、w e s t 支持所有带通 对d c s 接口 h o n e y w eli 、f o x b o r o支持所有带通用d d ew p d f 、p m a x 等，支 用d d e 和o p c i a 、w e s ti n g h o u s e和o p c 接口的d c s 系 持所有带通用d d e 的支持 接【j 的d c s 系 w i ) p f 等。支持所有统和o p c 接口的d c s 系 统 带通用d d e 和o p c 接统 口的d c s 系统 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 系统名称 p o w e rp e r f e c t e ru l t 鼬蚴n e u s i g h tg n o c i sp l u s s u nu l t r as p a r e2 p c w i n d o w s 运行平台p c w i n d o w sn tp c w i n d o w sn t s o l a r i sn t 模型再学 学习模型与在线优 化模型分离，增加系在线自适应，系统对环境变化反应快，但是稳定性稍差 习方式 统运行的稳定性 运行模式开环闭环 系统输入 参数量1 支持几百个输入参数 系统控制 参数量 支持几十个控制参数 系统实施 周期 一般为6 8 个月，根据各个电厂的具体情况而定 关注锅炉效率和n 0 ，排放等多个目标，通过 主要以降低n 0 ；排放最为目标，在解决 应用效果调节权重，解决效率和n 0 ，排放之问的矛盾， 效率和n o 。的整体优化时效果不明显 寻找整体最优点。 主要应用电力、食品加工、造 行业 电力、化工等电力行业电力行业 纸等 表1 - 4 各系统优势汇总表 p o w e rp e r f e c t e r 在技术特点，模型再学习方式，应用效果、价格等几项有优势，适合工程应用 u it r a m a x价格的竞争力比较强，但是闭环应用很少，多用于开环指导模式 n u e s l g h t p e g 硒u s 的早期产品，成功应用的案例比较多，价格比较贵 g n i s n u s 没有明显的优势项 通过以上两个表格的分析，p e g a s u s 公司的燃烧优化闭环控制软件一呻o w e r p e r f e c t e r ，对于提高锅炉燃烧效率，降低污染物排放等有着比较好的效果，软件 设计思想先进，有多种手段保证系统运行的安全性。p o w e rp e r f e c t e r 系统采用基 于神经网络技术的模型预测技术，这种技术是一种模糊预测技术，需要根据环境 的变化进行调整。与其他系统相比，p o w e rp e r f e c t e r 系统不支持模型在线自适应 功能，认为在线自适应功能会影响模型的稳定性，推荐使用离线学习。这是该系 统与其他基于神经网络技术的产品的最大区别。综合比较，结合台州电厂# 7 机 组本身具备的基础条件，选用p o w e rp e r f e c t e r 系统来进行应用研究是比较合适 的。 1 目前，国内外火电厂应用的燃烧优化闭环控制系统中，控制参数量最多的也只有1 8 个，如果按照每个控 制参数平均有4 个输入参数来计算，输入参数量也只需要7 0 多个，因此，提供几百个输入参数已经足够了。 一1 3 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 3 4 实施燃烧优化闭环控制软件的关键点 综合国外一些成功应用案例的经验，系统实施过程中有以下几个关键点。 成熟应用经验积累，可以为实施燃烧优化闭环控制软件提供宝贵的借鉴 作用； d c s 及相关就地设备具有良好的调节响应性能，并已有必要的在线检测 设备，以便提供优化目标控制的关键数据； 如燃料和送风系统等锅炉燃烧控制设备必须有良好的调节响应能力；如 关注环保控制目标时，需要有污染物排放的监测设备；如关注经济成本目标， 需要有相应的在线分析检测设备( 飞灰、氧量等) 。 系统实施人员需要有丰富的经验及对控制对象的深入了解( 如对燃烧的 理解、控制的理解) ； 此为项目实施成功的关键点，项目实施人员的经验丰富程度及对控制对 象的深刻理解程度，很大程度上影响优化控制模型建立的完备性，进而影响 项目实施的成败。 浙大学i 程碗i 学位论空 第一章p r p e f i e c l e r 燃烧优比控景统 第二章p o w e rp e r f e c t e r 燃烧优化控制系统 2 1p o w e rp e r f e c t e r 产品概述 基于f 十经网络的锅炉燃烧优化控制系统p o w e rp e r f e c t e r 足荚圈p e g a s u s 公司开发的高科技产品，谆产品拥有4 0 多项幽际专利技术。它基于先进的神经 网络技术和预测控制技术，通过建立多h 标的动态优化控制器，动志调整d c s 设定参数与偏置，实现锅炉燃烧优化控制，从而提高锅炉热效率，降低7 _ 染物排 放，具有显著的经济效益和社会环保效益。 基于神鲐网络的多变量预测 控制是神竖网络技术- o 预测控制 技术的完美结合。预测控制足在 传统自校正控制基础 。蔓艉起来 的种强鲁棒性控制与法，结台 神经嘲络强大的处理非线性多变 量系统的能力构成的神经网络预 测控制方浊，刘于解决热工过程 控制、锅炉燃烧优化控制等娄 具有大惯性和不确定性的多变星 系统的多日标优化控制问题而 i ，是种最佳的解决方案。 2 2p o w e rp e r f e c t e r 系统原理 裂 ，嘲 囊 2 21 锅炉燃烧优化控制的完整解决方案 ：、： 锅炉燃烧是一个复杂的热r 过程锅炉燃烧的各种设定工况如：一次风量、 _ 次风分配、一次肛l 量以及给粉分配等多种因素对锅炉燃烧的安全性、稳定性、 经济性以及大气污染物排放都有直接的影响。锚炉燃烧优化控制系统是以提高锅 一 、 h 什厂；。奄 。 浙 半t 程项十学位论文 第章p 0 p e r f t e r 燃烧优化控制系统 炉燃烧的经济性、降低大气污染物排放为目的的高级应j h 系统。p o w e rp e r f e c t e r 系统基f 锅炉可控参数的反馈( 如飞灰台碳昔、排烟潞度、污染物排放等) ， 利用基于神经网络的多变量非线性预测控制方法，通过对锅炉燃烧操作变量( 立： 一次m 、二次风等) 的优化闭环控制，实现锅炉经济运行。 2 22 锅炉燃烧优化的目的 圈2 - 3 倒2 - 2 2 23 锅炉燃烧优化的可控参数 口提高机组热效率，降低煤耗； 口降低厂用电； 口降低排放，减少对环境的污染和可能 的排污费用； d 提高机纽运行的安全性、稳定陛，减少 1 f 计划停机损失。 锅炉燃烧优化控制系统以提高锅炉运行经济性、降低污染物排放、降低厂用 浙江大学工程硕上学位论文 第二章p o w e rp e r f e c t e r 燃烧优化控制系统 电为目的，寻求基于多目标的锅炉运行综合优化。炉侧的很多可控参数都可以用 于多目标优化，典型的过程参数包括：飞灰含碳量、排烟温度、过热器喷水量、 再热器喷水量、n o x 排放、风机厂用电等。 2 2 4 锅炉燃烧优化的操作变量 锅炉燃烧优化的潜在操作变量包括：一次风量、二次风量、二次风压、二次 风分配、磨煤机出口温度、粉量分配等。 2 2 5 技术原理 p o w e rp e r f e c t e r 的核心思想是利用基于神经网络的动态预测控制技术，通过 对风、粉、氧量等影响锅炉燃烧特性的操作变量进行动态优化调整，实现基于多 目标的锅炉安全运行、低排放运行、经济运行。模型预测是预测优化控制的基 础，p o w e rp e r f e c t e r 利用神经网络技术建立锅炉操作变量( 如：氧量设定、给煤 机偏移量、风量偏移量等) 、干扰变量与反应锅炉燃烧经济性、安全运行、污染 物排放的控制目标量( 如：锅炉效率、飞灰含碳、n o 。排放等) 之间的多变量 非线性动力学模型。p o w e rp e r f e c t e r 动态预测优化控制器利用锅炉燃烧神经网络 动力学模型实现多变量系统的多目标优化。p o w e rp e r f e c t e r 通过d c s 采集反应 锅炉燃烧经济性的实时数据，预测控制器以反馈数据为输入，利用神经网络动力 学模型及多目标优化算法动态调整影响锅炉燃烧的操作变量，实现锅炉经济燃 烧。p o w e rp e r f e c t e r 可以以开环操作指导、闭环监督控制两种工作模式与机组 的d c s 控制系统相连接，p o w e rp e r f e c t e r 不是通过改变d c s 的控制功能，而是 改变d c s 的设定值或偏移量实现锅炉优化燃烧，对机组的安全运行没有任何影 响。不仅如此，锅炉优化燃烧使得机组在低负荷工作时具有更好的稳定燃烧安全 特性。p o w e rp e r f e c t e r 实时控制系统投运之前，利用系统提供的仿真工具对控 制系统的特性进行严密的仿真实验，仿真工具利用从d c s 上获得的数据文件对 神经网络模型和预测控制器进行全面测试，仿真测试是p o w e rp e r f e c t e r 的一个重 要组成部分。 浙 学t 砸+ 学位论史第幸p o w e rp e r 衄i “燃烧优化掉制系统 2 2 6 系统结构 遘行人员p o w e r p e r r e ( 女e rd c s 电厂锅炉 曲圈 削2 4 p o w e r p e r f e c t e r 执行程序安裂存台微机上，通过网关与d c s 系统柏联。该 网关使用d c s 供应商提供的应用程序接【j ，山双方公司的人员共同实现。 p o w e r p e r f e c t e r 的运行产品包括能使p o w e r p e r f e c t e r 模j 弘易于在线安装的所 有工具。蛆过使川r u n t i m ea p p l i c a t i o ne n g i n e ( r a e ) 和p a v i l i o nd a t ai n t e r f a c e ( p d i ) ，丌丁以对模型进行组志，以便能埘各娄数据历史站和d c s 进行数据的读 和写；r u n t i m e - a p p l i c a t i o ne n g i n e ( r a e ) 提供了所柏建造远行应用程序所必须 的软什，不需要客户进行编程或代码，f 发。为r 使运行应川 l 序集成到已有的控 制站i f i ，需要将表扯优化世肖的新的过程点、系统报警和状态指水器加到d c s 中， 2 27 燃烧优化控制系统与d c s u 通过d c sb u s ，系统获取所需数据 对这”! 数槲进行综合分析判断，丌发模型 u 利用动态模型，系统实时运算得出各u 路优化偏督值 u 将偏置值送往d c sb u s ，通过增益优化对燃烧进行优化 u 不会对机组现有d c s 的安全及联锁进行干预 口不改变机组原有d c s 的控制思想 碾罗一一 r 一 淅大学 程硕i 学位论立 第一章p o w e rp e r f e c t e r 燃烧优化牲f 系统 匪囹 黜 明_ i 7 麓兰莹_ 一 一l 而夏瓣 而而菠碉陌硼 = ：铃j b ， n l 塑塑壅竖l厂瓢菇盯 再秭葡丽习 ： l ! 。h 一、i1 a *l 少一 l 离娥建模l l优化l 、l7 i - j h2 - 5 口闭环反馈控制 p o w e rp e r f e c t e l 实现了真f 意义r 的以锅炉燃烧优化为h 的的闭环反馈控 制。，0 常规的锅炉稳态况燃烧调整不同，p o w e rp e r f e c t e r 实时反馈了反应锅炉 燃烧经济性的动卷信息，根据锅炉运行的实际状况，利用预测控制方法，实时调 整操作变量，p o w e rp e r f e c t e r 锅炉优化燃烧控制系统是一个完整意义上的反馈控 制系统。 口基于神经刚络的非线性多变量动力学模型 p o w e rp e r f e c t e r 利 n 神经m 络拟合锅炉燃烧的多，叟量非线性动力学模型。模 型预测是预测控制的核心，锅炉燃烧是一个贝型的多变量、非线性动力学系统， p o w e rp e r f e c t e r 存锅炉燃烧神经网络建模方丽拥有多项梭心技术。p o w e rp e r f e c t e l 综合利用数据预处理技术、神经网络技术、动力学过程辨识技术、以及系统时滞 辨l = 技术实现锅炉燃烧建模，使得模型具有非常好的预测精度与适麻性。 u 多臼标优化控制 p o w e r p e r f e c t e r 实现了多l j 标预测优化控制，p o w e rp e r f e c t e r 【叮以根据j l | | 户的 需求以及机组的实际状况，样机组的污染物排放j 锅炉燃烧经济陆z 间进行综 合，史现多同标优化。 口强鲁棒控制 p o w e r p e r f e c t e r 预测控制系统对丁锅炉燃烧过程不确定因素的扰动和特性变 浙江人学t 程硕上学位论文第二章p o w e rp e r f e c t e r 燃烧优化控制系统 迁具有非常好的鲁棒性，p o w e rp e r f e c t e r 的滚动预测技术、反馈校正技术使得系 统可以快速适应系统扰动与锅炉特性的变化。 口动态优化 由于动态优化控制的特性，p o w e rp e r f e c t e r 与d c s 系统的通讯每l o 一3 0 秒进 行一次。因此可以很快排除各种不可控的干扰，使得运行参数维持在优化的整定 值上，从而达到多重优化的目标。 口系统配置简单 对于有d c s 控制系统的机组，只需要一台w i n d o w sn t 服务器，以及与d c s 系统进行数据通讯的工具，此外不需要新增加其他硬件设备。由于使用软件产品， 没有损耗，维护工作量小。p o w e rp e r f e c t e r 应用时不需要在已有的系统上增加任 何新的i o ，只需要与d c s 控制系统通讯，优化那些通常由运行人员调整的d c s 设定值或偏置。 2 2 9 系统配置 硬件部分：主要由工控主机及各类通讯板卡、与d c s 的通讯接口组成。 软件部分：主要由w i n d o w sn t 操作系统、组态软件、p o w e rp e r f e c t e r 应用 程序组成。 2 3p o w e rp e r f e c t e r 系统实施 下面给出一种典型的p o w e rp e r f e c t e r 项目应用情况。但由于每台机组可能有 其独特要求，实际工作将会有所变化。 口机组调研( 本体设备基本状况、d c s 相关资料、用户需求分析) 【j 锅炉优化燃烧初步方案设计 口设计联络会、明确实施方案 口制定试验计划与试验方案设计 口机组测试、收集试验数据 【j 试验数据处理、建立锅炉燃烧神经网络多变量非线性动力学模型 凸利用d c s 历史数据建立仿真平台，对锅炉模型进行校验，对预测控制器进行 测试； 塑垩盔兰三堡堡土兰垡丝奎 篁三童! 竺竺! 竺坚兰生型型壁丝堡型墨竺一 口d c s 逻辑更改及运行，人机界面的设计与实施 口用r u n t i m ea p p l i c a t i o ne n g i n e ( r a e ) 安装模型 口开环p o w e rp e r f e c t e r 执行和有效性验证 口闭环有效性验证 口项目实施成果的确认 口项目实施完成验收 浙江大学t 程硕士学位论文第三章燃烧优化系统应用研究 第三章燃烧优化系统应用研究 3 1 台州发电厂燃烧优化系统介绍 经典控制理论研究的是单变量常系数线性系统，只适用于单输入单输出的控 制系统( s i s o ) 。这些控制理论虽然处理方法比较简单。但极大的推动了自动化技术 的发展和普及，而且在当今许多工程的技术领域仍得到应用。 对于锅炉燃烧而言是一个非常复杂的过程，在整体结构上，表现为非线性、不 确定性、多维、分布式及多层次等，因此无法使用常规的数学方法对其进行模拟， 即不是一个s i s o 系统，而且多输入输出的系统( m i m o ) 。 针对锅炉燃烧过程的复杂性。有效的方法之一是神经网络的方法。神经网络 的特点是非常适合解决一些没有特定函数规律的问题，其具有自学习功能，神经 网络可以实时的不间断学习，并通过自调节功能，进行调整。连续监视锅炉燃烧情 况，判断改变的条件和调整的偏移量，优化燃烧过程。 另外神经网络还具有高速寻找优化解的能力。寻找一个复杂问题的优化解， 往往需要很大的计算量，利用一个针对某问题而设计的反馈型人工神经网络，发挥