燃煤鍋爐閉環(huán)吹灰優(yōu)化系統(tǒng)的研發(fā)與應用

張 雄，易 凡，徐國飚，倪新宇

（1.艾默生過程控制有限公司，上海 201206；2.中國華電集團公司望亭發(fā)電廠，蘇州 215011）

燃煤鍋爐運行中，受熱面積灰和結渣存在諸多問題。對鍋爐受熱面進行吹灰，能夠有效減輕受熱面的積灰和結渣。但是吹灰需要消耗蒸汽，過度吹灰還會造成受熱面磨損。另外，吹灰對鍋爐運行參數(shù)會產(chǎn)生較大擾動，運行人員必須密切監(jiān)視，尤其是在異常狀況下要及時調整吹灰操作和鍋爐運行參數(shù)。只有綜合考慮各方面的因素，制定合理的吹灰控制策略，才能提高鍋爐運行的經(jīng)濟性和安全性，同時降低運行人員的勞動強度。

1 存在問題

望亭發(fā)電廠3、4號660MW超超臨界機組的鍋爐為變壓運行Π型直流爐，主蒸汽溫度為605℃，主蒸汽壓力為25.5MPa，再熱蒸汽溫度為605℃，再熱蒸汽壓力為5.2MPa，設計煤種為淮南煤，型號為SG－2024／26.15－M621，采用“定—滑—定”運行方式，單爐膛、四角切向燃燒、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構。除省煤器受熱面采用聲波吹灰外，其它受熱面都采用蒸汽吹灰，水冷壁受熱面安裝了96根短吹灰槍，對流受熱面安裝了54根長吹灰槍。蒸汽吹灰程控系統(tǒng)為戴蒙德電力機械（湖北）有限公司的PLC系統(tǒng)。DCS分散控制系統(tǒng)為艾默生過程控制有限公司的Ovation系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)與Ovation系統(tǒng)通過Modbus串口通信進行雙向數(shù)據(jù)交換，集控運行人員可在Ovation系統(tǒng)或PLC系統(tǒng)終端機的人機界面上，對吹灰過程進行監(jiān)控。

3號機組660MW超超臨界鍋爐投產(chǎn)2年多來，一直為定期吹灰，曾對吹灰時間間隔做過幾次優(yōu)化調整。實施吹灰優(yōu)化方案之前，執(zhí)行《望亭發(fā)電廠3、4號機組集控運行規(guī)程》有關“機組正常運行及維護”規(guī)定，每天對50%水冷壁、后屏過熱器吹灰1次，每2天對高溫過熱器和高溫再熱器吹灰1次，每周對低溫過熱器和低溫再熱器的吹灰器吹灰1次，每8h對空預器吹灰2次［3］。從機組運行和檢修狀況來看，現(xiàn)有的定期吹灰方式和控制功能存在5個問題：

1）不同區(qū)域存在受熱面過吹灰和欠吹灰問題 由于沒有在線監(jiān)測受熱面臟污狀態(tài)的測量裝置，運行人員無法知道受熱面積灰的位置和積灰程度，只能按照運行規(guī)程的要求定期吹掃鍋爐各個受熱面。因此，受熱面不可避免地存在過吹灰和欠吹灰現(xiàn)象。

2）吹灰造成再熱蒸汽溫度過低 對水冷壁或高溫過熱器進行吹灰，會使再熱蒸汽溫度明顯降低。盡管鍋爐運行規(guī)程中規(guī)定運行人員在吹灰過程中要重點監(jiān)視再熱蒸汽溫度，盡量采取燃燒調整措施提高再熱汽溫，但是由于各種原因，還是會造成再熱蒸汽溫度低于560℃，有時甚至低于550℃，嚴重影響機組運行的經(jīng)濟性和安全性。

3）電廠人員無法修改吹灰程控邏輯 鍋爐采用多種煤摻燒方式，導致受熱面積灰特性經(jīng)常變化。鍋爐專工每月要收集運行數(shù)據(jù)，分析受熱面積灰和結渣狀況，找出吹灰方式中存在的問題，提出吹灰改進措施，有時需要修改吹灰PLC系統(tǒng)里的程控邏輯。但是，吹灰PLC系統(tǒng)的邏輯組態(tài)過程是封閉的，電廠人員無法修改邏輯。

4）吹灰過程中運行人員操作量較大 每天吹灰時依次開啟吹灰蒸汽電動門和4個吹灰疏水電動門，監(jiān)視疏水溫度變化。當4個疏水溫度中的3個達到238℃時，依次關閉4個吹灰疏水電動門，依次啟動需要吹掃的受熱面的吹灰序列。吹灰結束后，依次開啟4個吹灰疏水電動門，關閉吹灰蒸汽電動門。操作過程中若吹灰對鍋爐運行工況影響較大，還需手工改變吹灰方式，暫停吹灰進程，重新進行疏水或退出吹灰等操作。

5）不能自動統(tǒng)計吹灰槍投用記錄和故障記錄 為了準確了解吹灰槍的投用狀況，運行人員每天手工記錄吹灰序列、吹灰槍的投用狀況和故障狀況，用于月度吹灰狀況的統(tǒng)計分析。

2 系統(tǒng)設計與功能

2.1 系統(tǒng)架構

按《艾默生控制系統(tǒng)有限公司智能吹灰器用戶指南，2011》要求，配置1臺吹灰優(yōu)化服務器，通過冗余網(wǎng)卡接入Ovation系統(tǒng)高速以太網(wǎng)，設置為Ovation系統(tǒng)的操作員站。在吹灰優(yōu)化服務器上運行吹灰優(yōu)化專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。吹灰優(yōu)化專家系統(tǒng)主要由清潔系數(shù)計算模塊和專家系統(tǒng)模塊組成，這些模塊通過專有數(shù)據(jù)接口與Ovation系統(tǒng)進行雙向通信。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由性能分析模塊、統(tǒng)計分析模塊和負荷預測分析模塊組成，這些模塊通過OPC接口與Ovation系統(tǒng)進行雙向通信。

閉環(huán)吹灰優(yōu)化系統(tǒng)架構框圖如圖1所示。

圖1 閉環(huán)吹灰優(yōu)化系統(tǒng)架構

由圖1可看出，在Ovation系統(tǒng)中配置虛擬控制器，通過Ovation系統(tǒng)以太網(wǎng)與真實控制器共享數(shù)據(jù)，真實控制器與PLC程控系統(tǒng)進行雙向串口通信。用虛擬控制器代替真實控制器的好處，可以在虛擬控制器中修改邏輯圖和下裝虛擬控制器，不會影響機組的安全性，還可避免增加真實控制器的負載率。

2.2 清潔系數(shù)建模

用清潔系數(shù)表示鍋爐受熱面的臟污狀況。清潔系數(shù)定義為受熱面實際吸熱量和理想吸熱量之比。在Ovation系統(tǒng)里，受熱面進口、出口處工質的溫度、壓力和流量都有在線測點。因此，可以通過受熱面進出處的工質能量平衡方程計算出實際吸熱量。理想吸熱量是指受熱面處于相對最清潔狀態(tài)時的吸熱量。由于理想吸熱量無法在線計算，因此利用Ovation系統(tǒng)里的歷史數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立預測模型計算理想吸熱量。

2.2.1 建模步驟

1）從Ovation系統(tǒng)歷史站，采集半年左右的高壓過熱器進口蒸汽溫度、蒸汽壓力、蒸汽流量；高壓過熱器出口蒸汽溫度、蒸汽壓力、蒸汽流量；給水流量、過熱減溫水流量、再熱煙氣擋板開度、水煤比、發(fā)電負荷等數(shù)據(jù)。

2）計算水冷壁、低溫過熱器、屏式過熱器、高溫過熱器、高溫再熱器和低溫再熱器的吸熱量。

3）從歷史數(shù)據(jù)中挑選出吹灰后的穩(wěn)定工況的數(shù)據(jù)，利用Tiberus軟件建立理想吸熱量神經(jīng)網(wǎng)絡模型，其中80%數(shù)據(jù)為模型訓練樣本，20%數(shù)據(jù)為模型預測和驗證樣本。

4）如果理想吸熱量模型不夠準確，調整模型輸入變量，重新進行神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練。

在理想吸熱量建模過程中，需要充分考慮各個因素對受熱面吸熱量的影響，模型輸入變量的選擇非常關鍵。不合理的輸入變量組合會導致理想吸熱量預測結果不準確，對應的清潔系數(shù)也不準確。清潔系數(shù)本身無法用在線測量值進行驗證，因此只能從清潔系數(shù)計算結果本身的特性來判斷其準確性。

2.2.2 判斷準則

1）大部分清潔系數(shù)分布在0.75～1之間，清潔系數(shù)越大，表示受熱面越干凈。

2）從吹灰結束時刻起，隨著運行時間增加，清潔系數(shù)總體上呈單調遞減趨勢，表明受熱面越來越臟。

3）對比燃燒不同煤種期間的清潔系數(shù)，清潔系數(shù)隨運行時間遞減的斜率有所不同，斜率不同表示受熱面的積灰速度存在差異。

2.2.3 曲線演示

以末級過熱器為例，利用2011年4月16日至2011年6月8日的數(shù)據(jù)，計算出末級過熱器的清潔系數(shù)，并把每次吹灰結束后清潔系數(shù)的變化狀況顯示在1張歷史趨勢圖上，圖中X軸表示吹灰結束后的時間，Y軸表示清潔系數(shù)，從中可以看出清潔系數(shù)基本符合上述3個準則。末級過熱器清潔系數(shù)隨時間變化曲線，如圖2所示。

圖2 末級過熱器清潔系數(shù)隨時間變化規(guī)律

2.3 控制邏輯

吹灰對鍋爐運行工況有較大的擾動，特別是對再熱汽溫的影響較大。因此，在吹灰過程中要密切監(jiān)視運行參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)異常狀況要及時調整吹灰操作，維持鍋爐重要運行參數(shù)，特別是再熱汽溫的穩(wěn)定。

《望亭發(fā)電廠鍋爐運行規(guī)程》規(guī)定：吹灰過程中，若再熱汽溫低于570℃，吹灰方式由對吹改為單吹；若再熱汽溫低于560℃，暫停吹灰；若再熱蒸汽溫度高于560℃時，允許繼續(xù)吹灰。暫停吹灰時，若4個疏水溫度有3個低于200℃或吹灰暫停時間超過30min，需要重新疏水，以防止吹灰蒸汽帶水進鍋爐。鑒于此，設計了一系列吹灰優(yōu)化控制邏輯，用以實現(xiàn)吹灰優(yōu)化系統(tǒng)一鍵投入，減輕運行人員的日常操作強度，提高吹灰過程中鍋爐運行參數(shù)的穩(wěn)定性。

吹灰優(yōu)化控制邏輯的主要內容：吹灰槍單操邏輯和吹灰序列順控邏輯；吹灰槍反饋信號校驗邏輯；吹灰優(yōu)化系統(tǒng)投切邏輯；吹灰疏水系統(tǒng)順控邏輯；再熱汽溫保護邏輯；吹灰序列排隊時間和剩余空閑時間排序邏輯；吹灰槍對吹與單吹切換邏輯；吹灰優(yōu)化仿真邏輯；吹灰報警邏輯；吹灰槍和吹灰序列運行記錄邏輯和故障記錄邏輯。

2.4 控制算法

艾默生控制系統(tǒng)有限公司針對吹灰優(yōu)化控制問題，開發(fā)了4個高級控制算法，分別為SBmaster，SBsequence，SBschedule，Blower。高級算法集成在Ovation系統(tǒng)標準算法庫中，其組態(tài)方法與常規(guī)算法的組態(tài)方法完全一樣，但是需要從艾默生控制系統(tǒng)有限公司購買授權才能使用。

SBmaster算法用于定義多個吹灰序列組，每個吹灰序列組里最多可定義99個吹灰序列，同1個序列組里的序列只能按順序執(zhí)行，不同序列組里的序列可以同時執(zhí)行。

SBsequence算法用于定義吹灰序列，每個吹灰序列最多可定義99個吹灰步序，每個吹灰步序最多可定義4個吹灰槍，吹灰步序之間的時間間隔可以設置。

SBschedule算法用于協(xié)調吹灰序列算法的執(zhí)行狀況，例如：在吹灰蒸汽流量一定的狀況下，吹灰序列和吹灰槍的投用順序存在約束關系，需要根據(jù)吹灰蒸汽的狀態(tài)參數(shù)協(xié)調吹灰槍和吹灰序列的啟動或暫停。

Blower算法用于組態(tài)吹灰槍驅動邏輯，輸出吹灰槍的啟動、暫停、停止和跳步等命令，接收吹灰槍的反饋狀態(tài)信號。

2.5 數(shù)據(jù)挖掘

Ovation系統(tǒng)歷史站存儲了2年多的歷史數(shù)據(jù)，測點總數(shù)約2萬點，包括所有一次測點和部分二次計算點。歷史數(shù)據(jù)中蘊藏著大量信息，充分挖掘歷史數(shù)據(jù)中有價值的信息有助于吹灰優(yōu)化建模和效果評估。但是，歷史數(shù)據(jù)中也夾雜著大量的噪聲數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)挖掘過程需要用到一系列數(shù)據(jù)處理方法和工具，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等。

本文開發(fā)了多個數(shù)據(jù)分析工具，對歷史數(shù)據(jù)進行分析，解決了吹灰優(yōu)化過程中吹灰對再熱汽溫的影響、受熱面清潔系數(shù)建模和吹灰優(yōu)化效益評估等問題。

以吹灰對再熱汽溫的影響定量分析為例，對32個月的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，把每1根吹灰槍對再熱汽溫的影響進行了累計，如圖3所示。

圖3 IK1至IK41長吹灰槍對再熱汽溫的影響

從圖3可看出，末級過熱器區(qū)域的IK1至IK12吹灰槍投用過程中對再熱汽溫的影響最大，如IK3吹灰槍投用32個月，累計再熱汽溫的變化量超過2 099.94℃，表明統(tǒng)計結果是準確的。

2.6 專家規(guī)則

除了清潔系數(shù)，受熱面的積灰結渣與Ovation系統(tǒng)里的某些監(jiān)測點或幾個監(jiān)測點的組合，存在一定程度的關聯(lián)關系。例如：運行人員和鍋爐專工在長期實踐中，觀察到某些監(jiān)測點與受熱面積灰之間存在對應關系，當負荷大于600MW且空預器入口煙溫超過548℃時，對流受熱面可能有一定程度的積灰結渣，溫度越高受熱面積灰結渣越嚴重；又如：受熱面吸熱比例也能在一定程序上反映受熱面的清潔狀態(tài)（受熱面吸熱比例是指某個受熱面的吸熱量占鍋爐總吸熱量的百分比）。利用大量歷史數(shù)據(jù)對望亭電廠運行人員和鍋爐專工掌握的與吹灰相關的經(jīng)驗和規(guī)律進行了驗證和篩選，把清潔系數(shù)、吸熱量比例和篩選后的運行經(jīng)驗結合在一起，歸納整理出一系列專家規(guī)則。每個鍋爐受熱面由1個或多個專家規(guī)則組成，不同的專家規(guī)則之間是邏輯或的關系，每個專家規(guī)則由1個要素或幾個要素組成，要素之間是邏輯與的關系，要素是指某個測點或計算值滿足特定的條件。只要1個專家規(guī)則滿足條件就認為對應的受熱面需要吹灰。本文設計了相應的控制邏輯和報警邏輯，使專家規(guī)則與吹灰序列的投入形成閉環(huán)控制。

2.7 人機界面

人機界面是運行人員與吹灰優(yōu)化系統(tǒng)的紐帶，良好的人機界面對提高人機交互的效率具有重要的作用。設計人機界面時，與運行人員進行了反復溝通和交流，最終形成的人機界面見圖4。照片摘自艾默生控制系統(tǒng)有限公司《660MW超超臨界鍋爐智能吹灰優(yōu)化項目操作說明，2013》。

圖4 閉環(huán)吹灰優(yōu)化系統(tǒng)人機界面

人機界面上的各項功能：

1）上方小圓點的顏色表示吹灰槍的狀態(tài)，小圓點下方的勾的組合表示吹灰槍投用歷史記錄。

2）左上角5個按鈕（疏水系統(tǒng)未復位，吹灰槍控制已投入，專家系統(tǒng)已投入，仿真回路已切除，順控已繼續(xù)運行），用于吹灰優(yōu)化系統(tǒng)的投切操作。

3）右側分別為主要參數(shù)實時值和設定值，如最低負荷限、再熱汽溫保護定值和疏水系統(tǒng)保護定值。

4）左側是吹灰序列的排隊時間記錄和投用狀況記錄。

5）中部是吹灰序列的運行狀況，點擊序列按鈕可以進入吹灰序列定義界面。在吹灰序列定義界面中，可以從吹灰槍列表中選擇吹灰槍添加到吹灰序列中，每個吹灰步序最多可以配置4根吹灰槍，吹灰步序之間的時間間隔也可以設置。

3 效益評估

影響鍋爐受熱面積灰和結渣的因素很多，例如：煤質、負荷率、磨煤機組合、燃燒器擺角、重要參數(shù)設定值、吹灰頻次等。吹灰對受熱面積灰結渣的影響總是與別的因素耦合在一起。僅比較吹灰優(yōu)化前后個別工況的鍋爐性能和吹灰頻次的變化，不能客觀評價吹灰優(yōu)化對鍋爐運行經(jīng)濟性的影響。

利用Ovation系統(tǒng)里32個月的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)大量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的趨勢信息和統(tǒng)計結果，對吹灰優(yōu)化效益進行定量評估，評估結果摘自艾默生控制系統(tǒng)有限公司《660MW超超臨界鍋爐智能吹灰優(yōu)化項目效益分析報告，2013》。主要體現(xiàn)在2個方面：一是減少受熱面吹灰頻次約45%，全年累計減少吹灰時間約700h，減少吹灰蒸汽量約1.1萬t，減少煤耗量約1000t，節(jié)約燃煤成本約80萬元；二是平均提高再熱汽溫8℃，全年累計減少煤耗量約2 500t，節(jié)約燃煤成本約200萬元。

另外，吹灰優(yōu)化系統(tǒng)投運后，提高了機組運行的安全性。主要體現(xiàn)在4個方面：一是避免鍋爐運行在極端工況，防止結焦和垮焦；二是減少再熱汽溫低對汽輪機安全運行的影響；三是減少鍋爐受熱面吹灰頻次，減少管壁磨損，降低爆管概率；四是減輕運行人員勞動強度，減少誤操作概率。

4 結語

對于以蒸汽為吹灰介質的大型燃煤鍋爐來說，設計合理的吹灰控制策略，需要綜合考慮發(fā)電機組和控制系統(tǒng)的安全性，還要考慮吹灰蒸汽消耗、受熱面清潔狀態(tài)、鍋爐運行參數(shù)穩(wěn)定以及運行人員勞動強度、運行檢修管理模式等因素。

通過對望亭發(fā)電廠660MW超超臨界機組的燃煤鍋爐吹灰優(yōu)化課題的研究與實踐，首次在Ovation控制系統(tǒng)中使用虛擬控制器技術、高級吹灰控制算法和吹灰優(yōu)化專家系統(tǒng)平臺，設計了各種閉環(huán)優(yōu)化控制邏輯和易于交互的人機界面等。吹灰優(yōu)化系統(tǒng)連續(xù)運行1年來，取得了良好的節(jié)能效果，提高了鍋爐運行的安全性，減輕了運行人員的勞動強度，具有很好的應用推廣前景。