電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)淺析

【摘 要】介紹了電站鍋爐一種燃燒優(yōu)化技術(shù)，在機(jī)組DCS的基礎(chǔ)上采用激光測量與現(xiàn)代控制算法，通過燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)完成燃燒優(yōu)化的實(shí)時(shí)、在線閉環(huán)控制功能。燃燒優(yōu)化系統(tǒng)需要修改DCS組態(tài)，整定設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)鍋爐在不同負(fù)荷以及其它相關(guān)設(shè)備和參數(shù)約束下均衡、優(yōu)化的燃燒。

【關(guān)鍵詞】鍋爐 機(jī)組 燃燒優(yōu)化

一、引言

目前對于燃煤電站來說，鍋爐的研究工作還有很多未知的因素。結(jié)合當(dāng)前電力市場的形式以及煤種的變化，為了提高機(jī)組的安全運(yùn)行水平、提高鍋爐燃燒效率、降低煤耗及污染物排放，達(dá)到節(jié)能降耗、改善環(huán)境和降低發(fā)電成本的效果，需對鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。因此鍋爐的燃燒優(yōu)化具有比較現(xiàn)實(shí)的發(fā)展前景。

二、燃燒優(yōu)化系統(tǒng)

（一）燃燒優(yōu)化系統(tǒng)簡介。系統(tǒng)的監(jiān)測部分采用美國佐爐技術(shù)公司的最新ZOlOBOSS產(chǎn)品，優(yōu)化控制部分采用德國西門子公司的SPPA-P3000電站鍋爐燃燒優(yōu)化專家控制系統(tǒng)，二者構(gòu)成一套完整的燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要儀器設(shè)備包括DCS數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集裝置、煙氣分析儀等。燃燒優(yōu)化項(xiàng)目采用的技術(shù)和傳統(tǒng)方式不同，在測量方面采用Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy（TDLAS）測量技術(shù)，這是因?yàn)槲障禂?shù)是獨(dú)立于激光信號的吞吐量。只要可以衡量激光強(qiáng)度的基線，無論信號的大小都可量化物種成分的吸收率。TDLAS測量技術(shù)可在爐膛中直接測量爐膛燃燒區(qū)域的溫度、O2、H2O、CO的濃度值，借助CAT技術(shù)（計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描），利用測量得到的路徑均值計(jì)算溫度和濃度分布并生成一個(gè)二維分布圖。測量數(shù)據(jù)通過OPC通訊協(xié)議傳送到SPPA-P3000技術(shù)服務(wù)器中，該服務(wù)器同時(shí)采集機(jī)組DCS中的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)。最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃燒系統(tǒng)的目的。同時(shí)確保運(yùn)行人員能夠?qū)崟r(shí)觀測到爐膛中燃燒的情況，準(zhǔn)確了解燃燒動態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化，提高鍋爐的效率，延長設(shè)備壽命。

（二）優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。在燃燒優(yōu)化軟件包方面采用模糊控制為主，輔助與常規(guī)閉環(huán)控制PI控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)調(diào)整的優(yōu)化控制算法，既保證了控制準(zhǔn)確性，又保證了控制的穩(wěn)定性和安全性。

對于需要控制的變量如爐膛右角溫度和CO濃度， 根據(jù)模糊控制器和機(jī)組鍋爐燃燒的情況設(shè)計(jì)出模糊化規(guī)則，然后根據(jù)鍋爐模型和模糊控制規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理，得出相應(yīng)的輸出部分控制指令，再結(jié)合反模糊化的過程轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)指令，以此來控制各個(gè)指標(biāo)和調(diào)節(jié)鍋爐的整體燃燒。

三、優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)施方案

（一）總體方案。停機(jī)期間首先在鍋爐上安裝激光探測設(shè)備。待機(jī)組運(yùn)行后利用歷史數(shù)據(jù)站存儲的大量來自DCS和激光探測的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立鍋爐的操作變量（如：氧量設(shè)定、給煤機(jī)偏移量、風(fēng)量偏移量等）、干擾變量與反應(yīng)鍋爐安全運(yùn)行、燃燒經(jīng)濟(jì)性、污染物排放的控制目標(biāo)量（如：鍋爐效率、飛灰含碳、排放等）之間的多變量非線性模型。模型辨識完成后，進(jìn)行控制策略的設(shè)計(jì)，并在現(xiàn)場DCS和燃燒優(yōu)化控制器中實(shí)現(xiàn)相關(guān)的回路策略的組態(tài)實(shí)施。組態(tài)完成后，最后在現(xiàn)場進(jìn)行整體系統(tǒng)的集成和現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)試。

影響鍋爐燃燒特性的因素包括配風(fēng)、配煤、含氧量等相關(guān)操作變量。在運(yùn)行過程中對這些影響因素的設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，保證機(jī)組在最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)下工作。從而實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和低排放運(yùn)行的多目標(biāo)鍋爐運(yùn)行。

（二）優(yōu)化模式。優(yōu)化的結(jié)果可以通過開環(huán)指導(dǎo)、閉環(huán)控制兩種工作模式連接到機(jī)組的DCS控制系統(tǒng)上。鍋爐運(yùn)行優(yōu)化控制系統(tǒng)將與鍋爐運(yùn)行性能有關(guān)的各個(gè)操作量的偏置值，直接下載到DCS，完成性能閉環(huán)控制，閉環(huán)優(yōu)化模式通過OPC通信方式方式將定值送入現(xiàn)有DCS。

本方案采用閉環(huán)優(yōu)化模式，將ZoloBOSS測得的實(shí)時(shí)、精確CO、O2、溫度數(shù)值發(fā)送至DCS形成閉環(huán)控制。通過系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算得出含氧量等控制量，并將這些控制量設(shè)為定值來修正系統(tǒng)未優(yōu)化前DCS中的定值。同時(shí)在原有DCS系統(tǒng)控制條件的約束下幫助改善運(yùn)行，從而保證鍋爐運(yùn)行的安全性不受優(yōu)化系統(tǒng)的影響。

燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)需要采集的幾個(gè)主要輸入變量有機(jī)組負(fù)荷、煤質(zhì)、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、爐膛含氧量、O2、CO含量以及爐膛溫度場等，輸出量包括煙氣中NOX含量、煙氣溫度、飛灰含量、過量空氣系數(shù)、CO含量等值。需要干預(yù)、控制的回路有各層二次風(fēng)量（含輔助風(fēng)，周界風(fēng)和SOFA風(fēng)）、煙氣含氧量等。

四、燃燒優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用

通過檢測手段，實(shí)時(shí)調(diào)整和掌握爐膛的燃燒情況。增強(qiáng)鍋爐對煤種變化適應(yīng)性，提高鍋爐效率和運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)避免鍋爐結(jié)焦和減少有害氣體排放。

1.優(yōu)化過?？諝饬浚惯M(jìn)入鍋爐的總空氣量適當(dāng)，該量用多余氧來表示。單個(gè)氧化鋯測量值不能反映氧的平均分布情況。例如：氧化鋯測量值確認(rèn)氧濃度在2.855%，同時(shí)證實(shí)有些區(qū)域氧濃度高，一些區(qū)域過低。ZoloBOSS網(wǎng)格則證實(shí)氧平均濃度在3.93%，高于設(shè)定值。通過ZoloBOSS提供氧濃度二維分布圖，鍋爐操作員平衡氧氣分布，然后降低過氧含量。在保證CO和飛灰含碳量沒有明顯變化的情況下，通過優(yōu)化消除氧濃度過高區(qū)域，提高了鍋爐的熱效率、降低水冷壁管的損壞速度，過氧量每降低1% 鍋爐熱效率可以提高0.3%。

2.改進(jìn)空氣與燃料的分布，調(diào)整火焰燃燒中心。燃燒器故障、配風(fēng)不均衡等都會導(dǎo)致火球偏離中心致使火焰貼近水冷壁受熱面，導(dǎo)致該區(qū)域氧量過低，氧氣從水冷壁管析出，致使管子過早老化最終泄露，同時(shí)也會因?yàn)檫^熱器、再熱器受熱不均導(dǎo)致?lián)p壞。燃燒系統(tǒng)通過各種風(fēng)門來控制爐膛內(nèi)空氣量的分布。合理的空氣量分布使燃燒更加充分，保持燃燒的均衡性和有效性，避免鍋爐各角和各邊的局部高溫，使得火焰中心位于爐膛中央。

3.改善熱分布，提高溫度控制品質(zhì)。爐膛中發(fā)生的熱傳遞直接影響煙氣出口溫度和主再熱蒸汽溫度。均衡的燃燒使得爐膛尾部兩側(cè)的溫度分布更加均勻。通過燃燒優(yōu)化系統(tǒng)可以減少減溫水噴水量，讓蒸汽溫度達(dá)到其最高限值并同時(shí)將煙氣出口溫度降至其低限值。

五、結(jié)論

這項(xiàng)優(yōu)化系統(tǒng)采用先進(jìn)的檢測分析手段和成熟可靠先進(jìn)的優(yōu)化控制方案，開拓了一種全新的鍋爐運(yùn)行方式。不僅能夠提高鍋爐的燃燒效率，對于存在燃燒問題如結(jié)礁嚴(yán)重、爆管頻繁的機(jī)組也能提供有效的信息。通過燃燒優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行人員可以實(shí)時(shí)檢測爐膛燃燒情況，大大提高機(jī)組的安全性。同時(shí)降低污染物的排放，使電廠獲得額外的補(bǔ)貼，減少因排放不達(dá)標(biāo)造成的停機(jī)檢修損失。

參考文獻(xiàn)：

[1]李勤道. 基于爐內(nèi)參數(shù)測量的燃燒系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行理論與技術(shù)的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2013.

[2]周建新，樊征兵等.電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)研究發(fā)展綜述[J].鍋爐技術(shù)，2008（5）.

作者簡介：

焦軍（1975，10-），男（漢族），山東青島人，工程師，研究方向?yàn)闊峁ぷ詣踊捌淇刂葡到y(tǒng)，智能控制系統(tǒng)。