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摘要 循环流化床锅炉燃烧系统热效率优化控制研究 摘要 能源和环境问题作为关系到可持续发展的重要问题，日益成为国家和各级政 府关注的焦点。循环流化床锅炉( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，简称c f b b 或c f b 锅炉) 是目前我国主要的清洁燃煤设备，具有良好的市场前景和发展前景。 但是现有的工业c f b 锅炉中，尤其是作为我国燃煤供热主力锅炉的中小型号c f b 锅炉普遍存在锅炉效率偏低而煤耗偏高的现象。与大型c f b 锅炉相比，中小型 c f b 锅炉仍存在较大的优化空间，为了获得更好的节能效果，有必要针对这部分 c f b 锅炉燃烧效率的优化控制方法进行研究。 由于目前尚未有成熟的c f b 锅炉效率的优化控制方案，本文以福建永定1 3 5 吨c f b 工业锅炉燃烧系统为研究对象，在本实验室已实现c f b 锅炉燃烧过程在线 闭环控制和锅炉效率、煤质在线观测的研究基础上，对c f b 锅炉燃烧系统热效率 指标( 锅炉热效率和锅炉煤耗) 的优化控制方法进行了研究。 首先，本文根据锅炉热效率计算的正平衡法则及其简化规则，提出可用于在 线计算的简化循环流化床锅炉热效率计算表达式；对循环流化床锅炉工作点附近 的给水焓值和c 0 ：生成热值进行最小二乘法拟合，分别计算锅炉的输入能量和有 效利用能量，进而实现c f b 锅炉热效率的在线计算；并进行了工业仿真计算。 其次，采用正交试验法对影响c f b 锅炉热效率指标的影响因素进行分析；由 于无法取得正交试验表中对应水平和因素下热效率指标的工业数据，因而先采用 人工神经网络建模的方法，构建了锅炉热效率指标的神经网络预测模型；预测模 型应用b p 人工神经网络，比较了标准b p 算法和护舻算法两种情况下预测模型 的准确度和优缺点；在分析得到各影响因素影响力大小排序之后，进行工业调优 试验，验证了该方法的正确性。 最后，对循环流化床锅炉燃烧系统热效率指标的优化控制方法进行了初步研 究。以锅炉热效率、锅炉煤耗、主汽压力、蒸汽温度、电负荷、氧浓度、粒子浓 度等变量为输入参数，以炉床温度和风煤比为输出参数，建立了锅炉热效率指标 的神经网络逆模型。采集工业上连续2 4 小时的实时数据，改变锅炉热效率和煤 耗的输入条件，通过逆模型输出给出炉床温度和风煤比的优化参数，结合其他非 调节参数，导入构建好的锅炉热效率和煤耗预测模型，进行优化试验，得到锅炉 摘要 热效率和煤耗的优化数据，并与工业原始数据做了对比和分析。 本文给出了通过调整锅炉炉床温度和风煤比来对锅炉燃烧系统进行优化控 制的试验方案，为今后进一步建立循环流化床锅炉燃烧系统的在线优化控制系统 奠定基础。 关键词：循环流化床锅炉；热效率计算与分析；优化控制 t h eo p t i m a lc o n t r o lo fh e a te f f i c i e n c yo n c o m b u s t i o ns y s t e mo fc f b b a b s t r a c t e n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e mi so n eo ft h em o s tp r e s s i n gi s s u e si nc h i n a , w h i c hi sr e l a t e dt os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc o u n t r y n o w a d a y s ，c i r c u l a t i o n f l u i d i z e db e db o i l e r ( c f bb o i l e ro rc f b b ) i sb e c o m i n gt h em a i nc o a lc o m b u s t i o n t e c h n i q u ea l l o v e rt h ew o r l df o ri t sa t t r a c t i v ea d v a n t a g e so fh i g hc o m b u s t i o n e f f i c i e n c ya n dl o wg a se m i s s i o n h o w e v e r , i n d u s t r i a lc f bb o i l e r s ，e s p e c i a l l ym e d i u m a n ds m a l lt y p e sh a v el o wh e a te f f i c i e n c ya n d t h e yn e e dm o r ec o a lf o rb u r n i n g c o m p a r e dt ot h eb i gt y p e s ，t h em e d i u ma n ds m a l lb o i l e r sh a v em o r es p a c ef o r o p t i m i z i n g i no r d e rt oi n c r e a s eh e a te f f i c i e n c ya n dl o wd o w nc o a lc o n s u m p t i o nf o r t h e s ec f bb o i l e r s ，i ti sn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ho no p t i m a lc o n t r o lo nb o i l e r c o m b u s t i o ns y s t e m s i n c er e s e a r c ho no p t i m a lc o n t r o ls y s t e mo nh e a te f f i c i e n c yo fc f bb o i l e rh a s n o tb e e nw e l l - d e v e l o p e d ，t h eo p t i m a lc o n t r o lm e t h o do nh o wt o i m p r o v eh e a t e f f i c i e n c ya n dl o wd o w nc o a lc o n s u m p t i o no nc o m b u s t i o ns y s t e mo fc f b b o i l e rw e r e i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , a i m i n ga to n ei n d u s t r i a l13 5 t hc f bb o i l e ri nf u j i a n t h i s r e s e a r c hw a sb a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o ni nm y l a b o r a t o r yb e f o r e ，i n c l u d i n gc l o s e dl o o p c o n t r o lo nc o m b u s t i o ns y s t e ma n dt h ec o a lq u a l i t yo b s e r v a t i o no nc f bb o i l e r f i r s t l y , an e wm e t h o df o ro n - l i n ec a l c u l a t i o no fh e a te f f i c i e n c yo nc f bb o i l e r w a sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h eg b10 18 4 8 8 b a s e do ns o m e m e a s u r a b l eo p e r a t i o np a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dt h ef l o wo f m a i n s t r e a m ，t h ew a t e ra n dt h e1s ta n d2 n dw i n d ，w h i c ha r ec o l l e c t e do n l i n e ，i n p u t e n e r g ya n du t i l i z a t i o ne n e r g yc a nb ed e d u c e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h e nt h eh e a te f f i c i e n c y c a nb ec o m p u t e d u s i n gs p o td a t af r o ma13 5 t o n hc f bb o i l e ru n i ti nf u j i a n ，t h e o n l i n ec a l c u l a t i o no fh e a te f f i c i e n c yw a ss i m u l a t e da n dt h er e s u l to fi n d u s t r i a l s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h i sm e t h o dw a sa c c u r a t ea n de f f e c t i v e f u r t h e r m o r e ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sp r e c e d e dt oa n a l y z es e v e nf a c t o r s w h i c hc o n t r i b u t eh e a te f f i c i e n c yt oc f bb o i l e r b e c a u s ei ti sh a r dt og e tt h ed a t ao f a b s t r a c t h e a te f f i c i e n c yw h i c ha l es e to nt h eo r t h o g o n a ll a y o u t ，t h ep r e d i c t i v em o d e lb a s e do n a r t i f i d a ln e u t r a ln e t w o r kw a sp r o p o s e d a f t e rc o m p a r i n gt h eg e n e r a l i z a t i o nc a p a b i l i t y a n dt h er e s u l t so ft h er e a lt i m es i m u l a t i o nb e t w e e nt h es t a n d a r db pa r i t h m e t i ca n d l m - b pa r i t h m e t i c ，t h ep r e d i c t i v em o d e lb a s e do nt h el m - b pn e t w o r k si se s t a b l i s h e d f i r s t t h e nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sp r e c e d e da n dt h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e r a t i oo fw i n da n dc o a l ，t h ep r e s s u r eo fg a sa n dt h et e m p e r a t u r eo fb o i l e rw e r ek e y f a c t o r s t h i sr e s u l tw a sv a l i d a t e db yt h ei n d u s t r i a lo p t i m a le x p e r i m e n t a f t e rt h a t ，t h eo p t i m a lc o n t r o lo fh e a te f f i c i e n c yo nc o m b u s t i o ns y s t e mo fc f b b o i l e rw a ss t u d i e d c h o o s i n gh e a te f f i c i e n c y , c o a lc o n s u m p t i o n ，g a sp r e s s u r e ，g a s t e m p e r a t u r e ，o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dl o a do ft h eb o i l e ra si n p u tp a r a m e t e r sa n db e d t e m p e r a t u r e ，r a t i oo fw i l l da n dc o a la so u t p u tp a r a m e t e r s ，t h eh e a te f f i c i e n c y a n t i - m o d e lb a s e do nl m - b pa r i t h m e t i ch a sb e e nd e s i g n e d r e a l - t i m ei n d u s t r i a ld a t a f o rt w e n t y - f o u rh o u r sw e r ec o l l e c t e di nt h i sp a p e r t o g e t h e rw i t ht h ei n d u s t r i a ld a t a , o u t p u td a t af r o mt h ea n t i m o d e l ，o t h e ri n d u s t r i a lp a r a m e t e r sa n dt h eh e a te f f i c i e n c y p r e d i c t i v em o d e l ，t h eo p t i m a ld a t ao fh e a te f f i c i e n c ya n dc o a lc o n s u m p t i o nc o u l db e o b t a i n e d f i n a l l y , t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ni n d u s t r i a ld a t aa n do p t i m a ld a t aw e r ec o m p a r e d a n da n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ew o r ki nt h i sp a p e rp r o v i d e san e ww a yt oh e l po n l i n eo p t i m a lo p e r a t i o no f t h ec f bb o i l e rt h r o u g ha d j u s t i n gb e dt e m p e r a t u r eo fb o i l e ra n dr a t i oo fw i n da n dc o a l ni st h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c hf o re s t a b l i s h i n go n l i n eo p t i m a lc o n t r o ls y s t e mo nc f b b o i l e ri nf u t u r e k e y w o r d s ：c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db o i l e r ；c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fh e a t e f f i c i e n c y ；o p t i m a lc o n t r o l 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其他指定机构送交论文的纸质版和 电子版，有权将学位论文用于非营利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密 后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) 作者签名：穿波 导师签名： 曰期：加转年 日期：年 莎月 ( 日 一 月 日 前言 上- j - 刖舌 循环流化床锅炉( c f b 锅炉c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ) 是2 0 世纪8 0 年代以后迅速发展起来的一种新型高效低污染的清洁燃煤设备，其燃烧 方式是处于煤的层燃燃烧和煤粉燃烧之间的一种燃烧方式，现已经成为公认的高 效清洁燃煤技术。由于能源和环境问题是关系到可持续发展的重大问题，如何通 过操作与优化控制手段提高c f b 锅炉燃烧效率、降低锅炉煤耗逐渐成为研究的热 点，在我国和世界范围内都得到了广泛的重视。 c f b 锅炉燃烧系统热效率指标包括锅炉热效率和锅炉煤耗，它们是c f b 锅炉 燃烧系统最主要的两个经济性指标。由于c f b 锅炉燃烧机理和工艺条件复杂，燃 烧过程是一个非线性、多耦合的大系统，加之国内各厂用煤来源及用煤质多变， 因而导致影响c f b 锅炉燃烧热效率的影响因素众多，具体说，主要有风煤比、一 二次风比例、烟气氧浓度、炉床温度、排烟温度等。同时这些锅炉效率的影响因 素多存在严重的非线性，如较高的风煤比有利于提高燃烧效率，但是若风煤比过 大，又会引起排放的热损失的增大，从而又造成锅炉效率的降低。正是由于影响 因素复杂众多、同时又存在强烈的非线性，使得实现c f b 锅炉燃烧过程的优化控 制十分困难。 1 0 0 0 吨以上的大型c f b 锅炉能产生高压蒸汽，最大锅炉效率可达9 0 以上， 发电效率也较高，是今后火力发电的发展方向。但目前我国燃煤供热的主力锅炉 仍以4 4 0 - - 6 0 0 吨级别以及4 4 0 吨级别以下的中小锅炉为主，这部分中小锅炉的 效率偏低而煤耗偏高。由于这些型号的中小锅炉在短期内不可能完全弃用( 目前 国产4 4 0 - - - 6 0 0 吨级别锅炉仍有几百台，其中第一台4 4 0 吨的c f b 锅炉2 0 0 1 年才 投产) ，因此有必要针对中小型锅炉进行锅炉效率的优化控制研究，根据煤质和 工况的不同调整锅炉效率影响因素的操作条件，以改善这部分中小型c f b 锅炉的 燃烧效率，达到节能减排的目标。 从2 0 0 2 年开始，本实验室就对循环流化床锅炉的先进控制和优化控制进行 了研究。2 0 0 2 年至2 0 0 5 年完成了厦门市科技项目“循环流化床锅炉燃烧过程先 进控制”，解决了c f b 锅炉燃烧过程床温、蒸汽压力、一二次风量、负压等在线 前言 闭环控制，获得国家发明专利、软件著作权、国家重点新产品证书；2 0 0 5 年起， 本实验室承接福建省科技计划重点项目“循环流化床锅炉燃烧过程优化控制” ( 2 0 0 5 h 0 4 4 ) ，本文所作的工作也是该项目的一部分。 有关锅炉效率的优化研究一直受到了许多高校和科研院所的重视，但对于 c f b 锅炉热效率指标的优化控制，目前尚无成熟的应用方案。本文所作的工作是 建立在本实验室之前的研究成果之上，对c f b 锅炉燃烧系统热效率指标的优化控 制进行了初步的探索性研究。本文首先对c f b 锅炉的工作原理以及c f b 锅炉燃烧 系统优化控制的研究现状进行了文献综述；其次根据锅炉热效率计算的正平衡规 则，提出了可用于在线计算的c f b 锅炉热效率简化计算方法，同时进行了工业仿 真计算和验证；随后，本文建立了c f b 锅炉热效率和锅炉煤耗的人工神经网络预 测模型，提出基于人工神经网络理论的正交分析方法，用以分析循环流化床工业 锅炉热效率指标众多影响因素的影响力大小；之后，本文以锅炉热效率、锅炉煤 耗、主汽压力、蒸汽温度、电负荷、氧浓度等锅炉参数作为模型输入，以炉床温 度和风煤比作为模型输出参数，建立了锅炉热效率指标的神经网络逆模型；采集 工业上连续2 4 小时的实时数据，通过改变锅炉热效率和锅炉煤耗的输入条件， 由逆模型输出给出炉床温度和风煤比的优化参数，同时结合其他非调节参数，导 入已构建好的锅炉热效率和煤耗预测模型，得到锅炉热效率和煤耗的优化数据， 并与工业现场的原始数据做了对比和分析。 本文给出了通过调整锅炉炉床温度和风煤比来对锅炉燃烧系统进行优化控 制的试验方案，该试验思路和研究工作将为日后建立循环流化床锅炉燃烧系统热 效率指标的在线优化控制系统奠定基础。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 循环流化床锅炉的特点与工作原理 1 1 1 循环流化床锅炉的特点及发展前景 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。2 0 0 6 年的统计资料表明，在我国 一次能源消费中，煤炭占6 9 4 ，比世界平均值高了4 1 个百分点n 1 。虽然包括核 能、风能、太阳能、生物质能在内的其它能源比例逐渐增加，但煤炭占主导地位 的局面在今后相当长的一段时间内不会发生根本变化。同时在环境问题日益严峻 的今天，能源的清洁利用和转换是经济得以持续发展的重要保障。 循环流化床锅炉燃烧技术已被运行实践证明是可靠的洁净煤燃烧技术，受到 人们的高度重视，同时针对我国能源以直接燃烧原煤为主、燃煤与环保的矛盾日 益突出、我国电厂负荷调节范围大等特点，无论从技术经济上还是从环境保护的 社会意义上讲，循环流化床锅炉都是非常适合我国国情的。因而循环流化床锅炉 已经逐渐成为首选的高效低污染的新型燃烧技术乜1 ，在我国将具有广阔的市场前 景和发展前景。 循环流化床燃烧技术具有如下特点：煤种适应性强、燃烧效率高、能有效降 低n o 。排放、低成本脱硫、灰渣易于综合利用、负荷调节范围大、燃烧稳定等特 点口_ 。具体来说： 燃料适应性广且燃烧效率高：循环流化床锅炉可燃用优质煤，也可燃用 各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、煤矸石、高水分煤、泥煤、尾 矿、炉渣、树皮，甚至垃圾等，具有广泛的燃料适用性。同时在循环流化床锅炉 中，由于燃烧区域扩展到整个炉膛乃至旋风分离器，携带出炉膛的颗粒被旋风分 离器捕集后直接送回燃烧室下部循环再燃烧，使得燃料可以在炉膛内具有很长的 停留时间进行充分燃烧，因此，循环流化床锅炉的燃烧效率一般较高，可以与煤 粉炉相比。 污染物排放量低：循环流化床锅炉采用低温燃烧( 8 5 0 9 0 0 ) 及分级送 风的燃烧方式，这种方式使得n o 。排放量只有1 5 0 p p m 左右，是煤粉炉的1 3 1 4 。 第一章文献综述 这样的燃烧温度范围也是脱硫剂石狄石活性最好的温度，循环流化床锅炉同时具 有良好的气一固与固一固混合特性，通过物料的再循环大大增加了物料在炉内的停 留时间，这些因素都使得可以通过直接向炉内添加廉价的石灰石脱除燃烧过程中 产生的s o 。，这是目前我国唯一在经济上可承受的燃煤污染控制技术。 排出的灰渣活性好，易于实现综合利用，无二次灰渣污染：循环流化床 锅炉燃烧过程属于低温燃烧，同时锅炉内部良好的燃烧条件使得锅炉的灰渣含碳 量低，易于实现灰渣的综合利用。另外炉内加入石灰石后，灰渣的成分也有所变 化，含有一定的c a s o 。和未反应的c a o 。循环流化床锅炉的灰渣可以用于制造水 泥的掺和料或者其它建筑材料的原料，同时低温烧透也有利于提取灰渣中的稀有 金属。 负荷调节范围大：当负荷变化时，循环流化床锅炉只需改变给煤量、空 气量和物料循环量就可以满足负荷的变化。循环流化床锅炉由于燃烧截面风速高 和吸热控制容易，所以负荷调节很快，负荷调节范围可达1 0 - - - 一1 1 0 ，负荷调 节速度可达每分钟5 1 0 。 由于以上优势，循环流化床锅炉逐渐成为商业化程度最好的清洁煤燃烧技 术。如今，循环流化床锅炉已成为热电工程的首选炉型，越来越多的厂家选用了 该锅炉。随着我国经济的迅速发展以及对电力资源的持续需求和对环保的更高要 求，可以预见，未来几年甚至几十年，将是循环流化床锅炉燃煤技术将得到迅速 发展的重要时期。 1 1 2 循环流化床锅炉的工作原理 循环流化床锅炉主要分为燃烧系统和汽水系统 7 3 两个部分。典型的循环流 化床锅炉的系统流程如图1 1 所示伸】。 循环流化床锅炉的燃烧系统较集中地反映了循环流化床的结构特点，其燃烧 室与常规的煤粉锅炉的炉膛有较大的差异。典型的循环流化床锅炉分为上、下两 个部分，燃烧室的上部为氧化燃烧区，下部主要是还原燃烧和固硫区，由布风装 置、密相区( 悬浮段) 、床内受热面、气固物料分离装置、固体物料再循环装置 ( 回料装置) 等部分组成。其燃烧过程为：煤和脱硫剂被送入炉膛后，被炉膛内 存在的大量惰性高温物料包围，着火燃烧，发生脱硫反应，并在上升气流作用下 第一章文献综述 向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内布置的其它受热面放热，使锅炉进水加热汽化。 粗大粒子在被上升气流带入悬浮区后，在重力及其它外力作用下不断减速偏离主 气流，并最终形成附壁下降粒子流。被夹带出炉膛的固体粒子随气流进入高温分 离器，大量固体物料，包括煤粉和脱硫剂，被分离出来送回炉膛，进行循环燃烧 和脱硫。未被分离的极细粒子随烟气进入尾部烟道，进一步对受热面、空气预热 器等放热冷却，经除尘器后，由引风机送入烟囱排入大气。汽水系统中，给水从 给水管引出后，一路经给水调节门、省煤器预热后到汽包；另一路经过减温水调 节门进入减温器，以调节主蒸汽温度。汽水分离后的主蒸汽经过热器、减温器热 交换后成为成品蒸汽。 影响循环硫化流化床锅炉燃烧效率的因素包括燃煤的性质、粒度分布、布风 系统、流化质量、给煤方式、炉床温度、床层结构、回料量和运行水平等。 图1 一l 典型循环流化床锅炉系统示意图 1 2 循环流化床锅炉燃烧系统优化控制的研究现状 1 2 1 锅炉燃烧优化技术的分类 随着我国能源问题的凸现、可持续发展战略的提出和节能降耗措施的推行， 电厂开始普遍关注锅炉燃烧优化技术，通过燃烧优化降低锅炉煤耗，提高锅炉的 第一束文献综述 热效率和电厂的发电效率。2 0 世纪9 0 年代以来，随着测量技术的发展，许多企 业研制开发了一系列重要的影响c f b 锅炉燃烧参数的在线测量仪表，如飞灰含碳 量的在线检测装置，锅炉火焰检测系统等。同时，随着人工智能技术的发展，在 分散控制系统( d c s ) 层面上控制逻辑的优化，先进的人工智能技术在锅炉燃烧 优化上应用的研究也开始受到了广大科研人员的关注阻1 。2 0 世纪9 0 年代末期以 来，电站锅炉燃烧优化已由最初的以安全性、经济性为目标的优化发展到经济性、 安全性、环保性并举的时期。而电子信息技术、人工智能技术则给电站锅炉燃烧 优化注入了新的活力，锅炉燃烧优化技术进入了新的快速发展时期。 循环流化床锅炉燃烧是个复杂的物理化学过程，涉及到化学工程、热能工程、 流体力学、动力工程等多个学科领域；同时c f b 锅炉燃烧也是一个复杂的非线性 耦合过程，影响锅炉燃烧好坏的参数多，各个参数之间的关系复杂，因而c f b 锅 炉燃烧优化是一个很广阔的领域。从c f b 锅炉燃烧优化的技术角度上看，其燃烧 优化技术可以分为三类n 阳： 在线测量层面，通过开发影响c f b 锅炉燃烧效率的一次风量风速、烟气 含氧量、煤粉浓度细度、煤质成分、飞灰含碳量、火焰图像等参数的在线观测仪 表，实现锅炉的燃烧优化。 设备层面，通过燃烧器的优化设计和改造，如开发超临界c f b 锅炉、超 大型c f b 锅炉等，实现锅炉的燃烧优化。 d c s 层面，通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术，实现 c f b 锅炉燃烧的优化，随着人工智能技术的逐步成熟和在工业上的成功运用， 这类燃烧优化技术发展迅猛。 上述三类技术在实际中各有优点和应用。其中第三类技术，即在d c s 层面上 的优化技术，由于不需要对锅炉设备进行任何改造，能够充分利用锅炉的运行数 据。在d c s 数据采集的基础上，通过先进的模拟、优化、控制技术的应用，直接 提高锅炉运行效率，降低n o ，排放，具有投资少、风险小、效果明显等优点。 下文所阐述的c f b 锅炉燃烧优化主要针对的是在d c s 层面上的燃烧优化以 及这一燃烧优化控制技术在国内外的研究、应用和发展。 第一章文献综述 1 2 2 循环流化床锅炉燃烧系统优化控制的意义和基本任务 提高我国火电厂循环流化床锅炉的燃烧效率、降低其有害气体排放量对于节 约能源、改善环境具有非常重要的意义，主要体现在以下几个方面n 1 1 ： 从我国电力系统的产业结构来说，火电机组仍然是主要的发电设施，其 装机容量占总装机容量的7 5 左右，因此提高火电厂c f b 锅炉的热效率对于整 个发电行业的经济性影响很大。 从能源储量来说，虽然我国煤炭资源丰富，但煤炭的产能建设已经严重 滞后，有资料表明，我国燃煤火电机组每年消耗的煤占总消耗量的六成以上，因 此，降低锅炉燃烧的煤耗，可在一定程度上缓解能源短缺问题。 从能源利用率上来说，如果按照每千克煤当量产出的g d p ，我国在2 0 0 0 年的能源利用率是1 9 9 8 年世界平均水平的1 3 ，发电煤耗也比发达国家高不少， 在效率上有很大的优化潜力。 就环境压力来说，我过氮氧化物的7 0 都来源于煤炭燃烧，所以对于燃煤 机组锅炉的燃烧优化，对解决环境问题影响很大。 随着我国经济的发展和电力系统的改革，市场竞争日益激烈，大型电站锅炉 迫切需要提高其运行的经济性。对于c f b 锅炉，由于其燃烧系统设备众多，工 艺机理复杂，影响因素众多，其燃烧过程的控制对象是一个各参数相互影响的多 输入多输出的多变量相关被控对象。由于对控制精度要求较高，大多数工业c f b 锅炉燃烧过程难以实现完全的长时间的自动控制。从c f b 锅炉燃烧系统的运行 特点分析，其控制的复杂性在于各个变量之间相互影响，有的被调参数同时受到几 个调节参数的共同影响，如床层温度要受到给煤量、石灰石量、一次风量、返料 量及排渣量等多个参数控制。而有的调节参数又影响多个被调参数，如给煤量影 响主汽压力、床温、一、二次风量等参数。又如负荷的增加通过加大给煤量来实 现，但却又会同时提高床层温度，床温与主蒸汽压力的这种强烈耦合造成了变负 荷下控制系统的振动，使得自动很难投入。同时在锅炉运行中，由于要适应电网 负荷的变化，锅炉经常在非额定负荷下变工况运行，使得各项控制参数偏离设计 工况下的最优值，造成其运行效率下降，耗煤情况上升。 因此对c f b 锅炉的经济性指标进行在线计算和实时监测，并对各影响因素 进行影响力大小分析，进而调整输入给定值，使锅炉燃烧过程能够在不同负荷、 第一章文献综述 不同工况和内外扰动下维持蒸汽质量和安全燃烧，同时使锅炉燃烧系统处于最优 状态，提高锅炉燃烧热效率，降低燃煤损耗，是c f b 锅炉燃烧过程优化控制的 基本任务。 1 2 3 锅炉燃烧系统优化控制的研究现状 从目前情况看，对循环流化床燃烧系统的优化控制的研究逐渐成为了研究的 热点，也是难点。国内外许多知名高校、科研院所和工程公司纷纷对循环流化床 锅炉的燃烧系统的优化燃烧进行了研究： 高校方面，厦门大学余文武、周荣等建立了循环流化床锅炉燃烧系统和汽水 系统的动力学模型，并基于该机理模型和人工神经网络技术，建立了给煤含碳量 和给煤挥发份含量的循环流化床锅炉煤质观测系统n 2 1 朝；清华大学李明、徐向东 等结合循环流化床锅炉动态数学模型，提出采用模糊控制和广义预测控制相结合 的方法，同时针对床温和主气压的强耦合，设计了基于广义预测控制的指导系统， 实现了床温和主汽压的解耦协调优化控制n 钔；清华大学陈彪，吴占松等选用实数 编码的遗传算法作为循环流化床锅炉数学模型求解的方法，针对燃煤锅炉高效低 n o 。两个方面的要求，引入成本系数将这两方面要求统一在适应度函数中，从而 将多目标优化问题转化为单目标优化问题求解，给出可行的调整锅炉各操作参数 的优化控制方案n 射；江南大学吴锡生、徐军等采用循环流化床锅炉燃烧优化控制 方法，以主汽流量和给煤量关系曲线以及总风量和给煤量关系曲线的在线学习单 元为主，以主汽流量、主汽流量模糊控制器为辅，设置燃料给定值和给定方案， 大大提高了控制系统的投运率及锅炉效率n 6 1 ：东南大学马宝萍、司凤琪等基于遗 传算法，建立控制规则库，结合循环流化床锅炉的运行特性提出一种基于遗传算 法设计的床温模糊控制系统，实现了锅炉安全、连续运行n 7 1 ；青岛海洋大学牛培 峰等人根据循环流化床锅炉的动态特性，提出了仿人智能控制系统，从对人宏观 仿真和行为功能仿真的观点出发，通过特征辨识。直觉推理给出了多模态控制策 略，该控制系统应用于国产7 5 t h 锅炉获得了令人满意的效果n 引。 研究院方面，河北省电力研究院张秋生、方海珍等针对河北省南部电网已投 运4 5 0 t h 和4 1 0 t h 循环流化床锅炉，对其协调控制系统进行了许多试验与研究， 探索了不同控制结构和不同协调控制方式的调节效果n 钔；西安热工研究院高洪 第一章文献综述 培、王鹏利等提出从风量、一二次风比例、燃煤粒度以及返料风等方面控制大型 循环流化床锅炉临界流化风量及燃烧优化调整，指导大型循环流化床锅炉运行 啪1 ；山东电力研究院王付生等设计并实施了山东里彦电厂2 1 3 5 m w 循环流化床 锅炉协调控制系统，探讨协调控制系统的优化及协调控制策略，提出较合理的负 荷变化率瞳。 国外方面主要是针对燃煤品种较为固定的大型煤粉炉进行燃烧优化的研究。 美国俄亥俄州u l t r a m a x 公司开发了u l t r a m a x 燃烧优化系统心铂。该系统将一系列 代表锅炉燃烧工况的参数，如烟气氧量、排烟温度、烟气排放物等作为系统的输 入数据，建立锅炉燃烧特性模型，并经过软件分析，给运行人员一个优化燃烧的 操作指导，运行人员根据这些操作指导进行手动操作，或将操作指导纳入到自动 控制系统中进行优化调整。u l t r a m a x 系统采用了贝叶斯统计和加权非线性回归分 析相结合的建模方法，可快速精确地辨识出锅炉的运行特性，并在最优化原理指 导下快速寻找到最佳的控制量组合。目前全世界已经有3 0 多个电厂运用了此系 统，其中包括我国的邹县电厂。 此外，美国p e g a s u s 公司开发了n e u s i g h t 和p o w e rp e r f e c t e r 两个燃烧优化 系统。n e u s i g h t 系统乜3 3 利用d c s 本身具有的数据库中庞大的数据作为数据分析 的基础，经过神经网络模型在线分析，迅速得出运行参数的最优值，然后输出到 d c s ，d c s 系统通过控制偏移量，进而实现n e u s i g h t 对锅炉燃烧的优化控制。这 种燃烧优化控制技术并没有考虑机组运行的动态特性和过程，所以这种优化也只 是离线稳态优化。n e u s i g h t 系统的工作原理图如图卜2 所示： 图1 2n e u s i g h t 系统工作原理图 第一章文献综述 p o w e rp e r f e c t e r 系统是美国p e g a s u s 公司另一个锅炉运行优化控制软件，国外 也称它为d e l t a e 3 系统1 。它基于与n e u s i g h t 系统类似的神经网络技术，并增 加了模型预测控制( m p c ) 技术，通过建立多目标的动态优化控制器，动态调整d c s 设定参数与偏置，实现锅炉燃烧优化动态闭环控制。相比n e u s i g h t 系统， d e l t a e 3 系统在硬件上没有变化，主要增加了动态预测功能和离线仿真功能。此 外，该系统可以用来查找模型的失谐和提供偏差扰动的纠正能力。p o w e r p e r f e c t e r 系统的工作原理图如图1 - 3 所示： 稳态优化 神经网络稳态模 型优化算法 非线性模型预测控制 自适应非线性动态模 型预测控制算法 操作量 设定值 锅炉 实时数据 图1 - - 3p o w e rp e r f e c t e r 系统工作原理图 上述两个国外的燃煤系统优化控制软件主要是针对国外煤粉锅炉燃烧系统 的工况和燃烧实际设计的，适用于煤质条件较为稳定的大中型的煤粉锅炉的离线 优化。由于我国c f b 锅炉用煤情况极其复杂且多变，多数中小装置的各类在线测 量装置仪表也缺乏有效的维护，存在着一定的数值漂移等现象，因而国外软件公 司设计的优化方法和优化软件并不完全适合我国的国情，但还是可以提供可借鉴 的研究方向。 综合以上文献和工程应用实例，我们可以看到c f b 锅炉燃烧系统优化控制存 在以下研究难点： ( 1 ) 在线测量问题。由于c f b 锅炉燃烧过程中需要有大量的数据在线测量得 到，如果数据无法在线准确测量，势必导致在线计算的如锅炉效率、飞灰含碳量 等锅炉运行参数的不准确，从而成为锅炉运行优化控制的一大障碍。 ( 2 ) 保证燃烧稳定下的优化范围问题。燃烧优化控制的寻优范围太窄，优 化后效果可能会不明显；寻优范围太广，将可能影响燃烧的稳定性。由于近年煤 第一章文献综述 炭资源的紧缺，煤质经常得不到保证，因此燃烧稳定性往往被优先考虑。这使得 燃烧优化控制软件需要对燃烧的稳定性进行充分考虑，而不只是简单的性能目标 的寻优问题。 ( 3 ) 自适应建模问题。由于入炉煤种的不稳定，再加上锅炉检修、积灰、结 渣等因素的影响，使得在性能试验数据基础上建立的锅炉模型失配严重，所以如 何利用最新的燃烧数据进行模型的在线自适应修正也显得格外重要。 1 3 本论文的工作安排 本课题来源于福建省科技计划重点项目一循环流化床锅炉燃烧过程优化 控制系统，项目编号：2 0 0 5 h 0 4 4 。本文的主要研究对象是福建永定火电厂1 3 5 吨循环流化床工业锅炉燃烧控制系统。 由小结1 2 3 中，我们可以看到，近几年来，国内对于循环流化床锅炉燃烧 系统的优化控制已有了一些研究和报道，包括建立循环流化床锅炉燃烧系统的机 理模型、在线观测模型、智能控制系统、模糊控制系统、协调控制系统和优化控 制系统等。但是对于c f b 锅炉热效率指标的在线计算，热效率指标影响因素的 影响力大小分析以及在此基础上的锅炉燃烧系统优化方法的研究尚未见到有所 报道。 因此希望能够在实验室的研究基础上，对c f b 锅炉热效率指标进行在线计 算，并在此基础上，分析影响锅炉热效率指标的主要影响因素，从而了解这些因 素对c f b 锅炉热效率指标的影响力大小，进而对于锅炉热效率指标的优化方法 进行初步研究，寻求合理的运行方式和运行参数，以提高c f b 锅炉运行的安全 性和经济性，降低消耗的燃煤总量。 为此，本文的主要工作将围绕以下几个部分来进行： 在g b l 0 1 8 4 - 8 8 电站锅炉性能试验规程中锅炉热效率计算方法及其简化规 则基础上，基于锅炉热效率的正平衡计算法则，分别计算锅炉的输入能量和有效 利用能量，提出了简化的循环流化床锅炉热效率的在线计算公式；因在线计算公 式的需要，对循环流化床锅炉工作点附近的给水热焓和二氧化碳生成热焓值进行 了最小二乘法拟合，得到给水热焓和二氧化碳生成热焓的拟合式；采用工业数据 进行了工业仿真计算和验证。 第一章文献综述 在循环流化床锅炉热效率在线计算的基础上，采用正交试验设计与分析的方 法对影响锅炉热效率指标( 锅炉热效率和煤耗) 的影响因素进行分析；由于无法 取得正交试验表中对应水平和因素下热效率指标的工业数据，故首先采用人工神 经网络建模的方法，构建了锅炉热效率指标的神经网络预测模型；预测模型应用 俨人工神经网络，比较了标准舻算法和胪舻算法情况下预测模型的准确度和 优缺点；最后根据正交分析的结果进行工业调优试验，以验证方法的正确性。 结合上述分析结果，对循环流化床锅炉燃烧系统的优化控制进行了初步的探 索性研究。以锅炉热效率、锅炉煤耗、主汽压力、蒸汽温度、电负荷、氧浓度、 粒子浓度等锅炉参数作为模型输入参数，以炉床温度和风煤比作为模型输出参 数，建立了以锅炉热效率指标的神经网络逆模型；采集工业上连续2 4 小时的实 时数据，改变锅炉热效率和煤耗的逆模型输入条件，由逆模型输出给出炉床温度 和风煤比的优化参数，结合其他非调节参数，导入已构建好的锅炉热效率和煤耗 预测模型，得到锅炉热效率和煤耗的优化数据，并与工业现场数据做了对比和分 析。 第一章文献综述 本章主要参考文献： 1 江泽民对中国能源问题的思考 j 上海交通火学学报2 0 0 8 年第4 2 卷第3 期： p 3 4 5 3 5 9 2 李振忠，蔡建欣等循环流化床锅炉的优点和发展 j 电站系统工程，2 0 0 3 年第1 9 卷 第4 期