锅炉燃烧优化闭环控制系统的研究

1、锅炉燃烧优化闭环控制系统的研究 摘 要： 锅炉燃烧过程是一个复杂的物理化学变化过程，目前的技术还无法从锅炉燃烧的机理来剖析整个燃烧过程。本文通过对目前国内外几类主要的燃烧优化技术的分析，了解到模型预测技术是解决这个问题的有效手段。常用的模型预测技术包括神经网络，贝叶斯概率统计等。这种技术将锅炉燃烧过程作为一个黑箱操作过程，通过大量历史数据的训练，调整模型结构，最终使模型具备模拟锅炉燃烧过程的功能。在此基础上，再通过多目标最优化技术，调整锅炉操作变量，使锅炉运行在优化区间，实现经济、环保、安全运行的目标。欧美国家已经在这种技术的基础上，开发了多个成熟的燃烧优化闭环控制系统，并有了很多成功的实施案

2、例。 全文可以分为三个部分。首先，通过燃烧优化综述，明确目前火电厂实施燃烧优化闭环控制系统的必要性和可行性，并且比较了主要的几类燃烧优化技术，确定了使用基于模型预测多目标优化技术的燃烧优化闭环控制系统的目标；其次，根据模型预测技术的不同，从系统原理，系统架构，系统实施，系统运行等方面分别介绍了基于神经网络技术和贝叶斯概率统计技术的两类燃烧优化软件平台，并给出了各种软件平台的特性与实施效果综合比较表；最后，在结论部分提出了几点电厂在实施燃烧优化闭环控制系统可供借鉴的经验。 关键词：燃烧优化，闭环燃烧优化，模型预测，多目标优化，神经网络， 贝叶斯概率统计，NeuSIGHT， Power Perfe

3、cter， GNOCIS PLUS，ULTRAMAX 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 1 燃烧优化综述 11前言 ? 电厂安全节能运行和环保控制加强的需求。 用电负荷的持续紧张，导致多数电厂长期处于满负荷运行状态，其满负荷运行时间已达到69007000小时/年，一方面电厂运行安全的压力陡增，另一方面从增加负荷方面来提升利润空间已很小。在当前形势下，如何采用新技术来综合提升电力企业安全控制水平和成本控制成为新的课题。随着国家针对电力企业污染物排放控制的加强，如何综合考虑污染物排放收费和节能增效间存在的冲突成为电力企业急需解决的课题。 ? 自动化水平的不断进步，为燃烧优化闭环

4、控制系统的成功实施奠定了基础。 随着科技进步，电力企业的自动化控制水平不断提高，就地设备执行控制能力逐步完善，使电厂DCS对设备实现更有效、更稳定的控制，为DCS系统响应运行优化系统的控制指令提供了高效保证，为燃烧优化闭环控制系统的成功实施奠定了基础。 ? 国外的优化闭环控制系统已处于成熟应用阶段。 在国外，特别是欧美发达国家，优化闭环控制系统（包括电力、石化、制造业等）的应用已广泛开展，已经有非常多的成功应用案例，目前此类应用正发挥着极大的效益。 12燃烧优化技术介绍与分析 121 主要燃烧优化技术分类 关于燃烧优化技术的研究探讨，国内外已经开展了很多工作，大致可分为以下几类： ? DCS的

5、控制模块改进。 通过对DCS内控制模块的优化、改进，使其符合控制对象的特点。碍于DCS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。 ? 常规性的燃烧优化试验调整。 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 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。影响机组运行的因素众多，而常规性的燃烧调整往往只能针对重要控制参数，给出特定点及时间段的优化策略，有时缺乏普遍适应性，不能及时响应机组的动态变化过程。 ? 基于在线检测设备的优化系统。 此类

6、系统主要基于在线监测设备：如煤粉浓度，一二三次风风速，炉膛过剩氧量等。通过在线检测数据的积累，为运行人员提供稳定运行的参考依据，此类系统只能就局部范围提供开环指导，一般无法提供全局性优化闭环控制功能。 ? 基于多目标寻优技术的燃烧优化闭环控制系统。 此类系统通过对各种影响因素数据的采集，利用概率统计、神经网络等工具，形成其特有的知识库。根据对当前机组状态进行模式识别，参照预设的目标（如：成本目标、环保排放目标及多种目标的综合），针对机组特性运行提供优化策略，提供开环指导或直接参与闭环控制。由于此类系统能动态响应机组的各种变化，具备良好的指导性和可控性，目前在国外，特别是欧美国家得到了广泛应用，

7、并取得良好效果。 122 燃烧优化闭环控制技术 从以上四类优化技术的比较来看，前三类有较大的局限性无法全面满足燃烧优化闭环控制系统的要求。 基于模型预测技术和多目标优化技术的燃烧优化闭环控制系统由于采用了模型预测技术和多目标优化技术，可以对锅炉燃烧过程作出准确预测，可以实现提高燃烧效率，降低NOx排放等多重优化目标。目前国内关于燃烧优化技术的研究大多集中在这一领域。 随着电力企业自动化控制水平进步和优化控制理论的成熟，这类系统正在得到越来越广泛的成功应用，如美国Pegasus公司的NeuSIGHT、Power PerfecterTM和Ultramax，英国Powergen公司的GNOCIS P

8、LUS等，这些产品在世界各行业得到了广泛的应用。如何引进此类成熟应用是我们重点关注的目标。 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 13 燃烧优化闭环控制软件的主要功能描述 ? 模型预测（具有良好的相容性，能适应多状态工况）； ? 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）； ? 与DCS的双向安全通讯策略； ? 多重安全防护体系； 确保不影响DCS系统原有的控制系统安全，具备良好的容错性，具有多重数据安全验证体系。 ? 优化模型再学习修正能力； 当机组状况出现重大变化时（如主燃烧设备改造、煤种大变化等），优化应该能进行新的学习修正来适应变化后的状

9、况。 ? 良好的用户监控界面。 14 成功实施燃烧优化闭环控制软件的关键点 通过综合国外的成熟应用案例以及国内火电厂燃烧优化闭环控制的应用项目经验，为更好的组织实施燃烧优化闭环控制软件，有以下几点注意事项： ? 燃烧优化闭环控制软件有多套成熟应用经验积累； ? DCS及就地设备具有良好的调节性能，并具备必要的检测设备； 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） ? 系统实施人员的经验及对控制对象的了解程度（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

10、大程度上影响优化控制模型建立的完备性；。 ? 成功案例实施经验的借鉴； 成功案例的实施经验可以对具体项目的实施提供了宝贵的借鉴，为可加速优化模型的建立进程。 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 2 燃烧优化闭环控制软件平台介绍 目前国外的成熟应用主要采用以下两类优化技术： ? 基于神经网络优化技术类软件平台：如Power Perfecter，NeuSIGHT，GNOCIS PLUS。 ? 基于贝叶斯概率统计优化技术类软件平台：如ULTRAMAX。 21 基于神经网络优化技术类软件平台 211 神经网络优化技术类软件平台特点 神经网络燃烧优化闭环控制软件平台一般具有下面几个共同

11、特点： ? 基于神经网络的模型预测技术 ? 多目标优化控制 ? 闭环反馈控制 ? 强鲁棒控制，系统抗干扰能力强 ? 动态优化 212 神经网络燃烧优化系统实施 2121系统配置 ? 硬件部分：主要由工控主机及各类通讯板卡、与DCS的通讯接口组成。 ? 软件部分：主要由操作系统、组态软件、系统应用程序组成。 2122典型的实施步骤 ? 机组调研（本体设备基本状况、DCS相关资料、用户需求分析） ? 锅炉优化燃烧初步方案设计 ? 设计联络会、明确实施方案 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 ? 制定试验计划与试验方案设计 ? 机组测试、收集试验数据 ? 试验数据处理、建立锅炉燃烧

12、神经网络多变量非线性动力学模型 ? 利用DCS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 ? DCS逻辑更改及运行，人机界面的设计与实施 ? 系统安装 ? 开环有效性验证 ? 闭环有效性验证 ? 项目实施成果的确认 ? 项目实施完成验收 22贝叶斯概率统计燃烧优化软件平台 ULTRAMAX是基于贝叶斯概率统计模型预测技术的燃烧优化闭环控制系统的典型产品。 221 ULTRAMAX系统特点 ? 集系统辨识技术与最优化原理于一体 ? 快捷的优化启动，可不依赖历史数据 ? 具有强大的数据分析能力 ? 方便、灵活及友好的调整参数选择 ? 具有“ What-if”功能 ? 能实现多重

13、优化目标 ? 优化中能确保系统的安全及运行要求 ? 能寻找到运行历史范围之外的最优运行方式 ? 对不可控或难于控制的输入参数具有自动补偿能力 ? 适用于复杂的多输入多输出系统，能考虑变量间的耦合效应 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 222 ULTRAMAX系统实施 ? 确定优化目标 ? 确定系统的输入、输出参数 ? 建立优化调整方案 ? 优化调整的具体实施 ? 持续改进 23 主要的燃烧优化闭环控制软件特性及实施效果比较表 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 24燃烧优化闭环控制系统平台代理商比较表 表6.2 Power Perfecter系统在国内的代

14、理比较多，目前在我国的应用也最多。 南京大陆公司通过外方专家的培训，已拥有4位系统实施工程师和一个成功应用案例山东莱城1炉，积累了部分经验。对于类似莱城1炉的项目，南京大陆公司已基本具备对项目全过程的控制能力，而对于其他类型的项目，还需要外方提供关键点的支持。项目实施以大陆公司实施人员为主，外方专家只提供远程监控和技术支持，如果出现棘手的难题，则由外方专家进行现场指导。 上海智企公司此前已在化工行业实施Power Perfecter多年，有丰富的实施经验，近两年开始涉足电力行业。该公司拥有8位系统实施工程师，其中6位服务于化工行业，2位服务于电力行业，目前分别在大庆和香港的电厂做系统实施。系统

15、实施项目组成员主要由一位外方专家（Leader Engineer）和一位智企公司组成。 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 Ultramax公司通过香港嘉兆科技公司驻北京办事处在中国大陆代理销售Ultramax系统。 嘉兆公司只卖软件，不提供实施，因此，Ultramax系统的实施主要依靠外方专家。 浙江天丽公司是NeuSIGHT和Gnocis Plus 在我国的唯一代理。该公司目前还不具备独 立实施的能力，工程实施主要依靠国外专家。目前该公司有妈湾电厂和沙角电厂两个项目正在同时实施中，有两位燃烧工程师分别在这两个项目跟踪学习。 25推荐机组 实施燃烧优化闭环控制系统，首先要求

16、锅炉控制设备有良好的调节响应能力，特别是燃 料和送风设备。表是浙江省能源集团下属电厂中，300MW及以上机组的主要参数列表。这些300MW及以上的新机组比较新，普遍采用DCS控制，调节性能比较好，已经具备这种条件。 表6.3 燃烧优化闭环控制系统的成功案例涵盖了从146MW到1300MW，四角切圆、对冲、cell、 Single wall、roof fired等各种炉型，具有广泛的适应性。因此，300MW以下机组，如125MW机组，200MW机组等也具有实施该系统的可能性，前提是相关控制设备的调节响应能力良好。只是就浙能集团的现状而言，300MW以下机组的控制调节能力还不够，如果现在就实施燃烧

17、优化闭环控制系统，有可能因为这个原因而产生噪音信号，影响优化效果，增加机组运行的不稳定性，所以需要先对设备进行改造。 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 26经济性评估 261 电厂投入成本估算 电厂实施燃烧优化闭环控制系统，主要的投入来自两个方面，即软件投入和相应的设备改造成本。 软件投入成本已表示在表“大致价格”一栏中。 至于设备改造费用，则需要根据各个电厂设备的具体情况来计算。一般来说，燃烧优化闭环控制系统主要是控制和调节风粉比，因此与此相关的控制设备，如调节一二三次风的风门等，需要有良好的调节响应能力。举个例子来说，山东莱城电厂1炉的燃烧优化，主要控制16个回路，包括

18、氧量主控，风箱差压，5层二次风，2层过燃风，3个磨煤机差压，4层燃烧器摆角（燃烧器摆角采用了开环控制模式）。如果相关的控制与调节设备调节性能响应能力比较差，那就需要对它们进行改造。 262 电厂收益计算 燃烧优化闭环控制系统能从提高燃烧效率，降低NOX排放两个方面为电厂带来效益。表为各个系统能够保证的性能底线。 表6.4 首先用表中的数据，对电厂收益作一粗略的计算，以300MW机组为例。该类机组大致煤耗为330g/kwh左右，每年的NOX排放量大约为几千吨。 如果燃烧效率提高0.5%，则可以降低煤耗。在目前的用电形势下，我省电厂满负荷运行时间每年在69007000小时，如果按6900小时计算，

19、那么，至少可以降低煤耗 1.65*300000*5000=3415500000g，即吨，如果按每吨电煤250元计算，每年可以节省成本万元。 排污费征收标准管理办法中规定，2004年7月1日起，按氮氧化物排放每一污染当量元收费。以每年NOX排放量为5000吨计算，如果能降低10的NOX排放量，那 共 12 页 锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告 么就可以减少500吨。根据排污费征收标准管理办法中的污染当量计算公式，减少的污染当量为526300，万元。 表中的这些数据都是最保守的估计，在签订合同前，实施人员一般需要先对电厂进行实地考察，在查看了历史数据及控制设备的调节能力后才会给出一个较为准确的性能提升保证数据，特别是NOX排放，一般认为可以降低20以上。 实施燃烧优化闭环控制系统，除了取得以上分析的最直接的经济收益外，还具有减少减温水排放，降低辅机功耗等作用；另外，在潜移默化中，提高了员工的操作运行水平；同时也实现了节能降耗和降低污染，为提高我国可持续发展能力作出贡献。 263 性能评估方式 实施燃烧优化闭环控制系统，并不是保证锅炉系统始终运