李忠猛

（天津陳塘熱電有限公司 天津 300222）

0 引言

當前，國家對節(jié)能、減排、降耗的要求越來越高，節(jié)能的經(jīng)濟效益也越來越明顯。鍋爐是燃煤電站三大主設備之一，鍋爐效率的高低不僅與設計參數(shù)有關(guān)，更與實際運行操作調(diào)整的水平密切相關(guān)，如鍋爐排煙溫度每升高10℃，供電煤耗就要升高1.7g/kWh[1]。一般的運行規(guī)程，對于額定負荷運行參數(shù)規(guī)定的比較詳細，但對于變工況運行，參數(shù)規(guī)定就沒那么詳細，一般只給出一個安全的調(diào)整范圍，具體的參數(shù)設置，由運行人員根據(jù)經(jīng)驗和習慣進行調(diào)整，在該范圍內(nèi)，能保證安全運行，但不能保持在最佳經(jīng)濟工況連續(xù)運行。

通過建立鍋爐燃燒智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，采用先進的神經(jīng)元網(wǎng)絡技術(shù)和現(xiàn)代預測性優(yōu)化控制理論，改進DCS控制策略，對一些關(guān)鍵邏輯和控制變量進行修改和修正，實現(xiàn)鍋爐熱效率、NOx排放等多變量的動態(tài)優(yōu)化控制，始終將鍋爐燃燒調(diào)整到“最佳”狀態(tài)，期望提高鍋爐燃燒效率，減少污染物排放，降低廠用電，達到節(jié)能、環(huán)保的效果。[2]

1 設備概況

陳塘莊熱電廠8號機組為300M W熱電聯(lián)產(chǎn)機組，鍋爐形式為亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐，單爐膛п型布置，燃用煙煤，一次中間再熱，平衡通風、固態(tài)排渣，全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)，最大連續(xù)蒸發(fā)量1028t/h。鍋爐主要參數(shù)見表1。

表1 鍋爐參數(shù)

機組的DCS系統(tǒng)為新華XDPS-400+，具有實時數(shù)據(jù)采集、過程控制、順序控制、高級控制、報警檢測、監(jiān)視操作等功能。XDPS—400+采用冗余數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)，所有XDPS站點均直接與其相連，避免了多層網(wǎng)絡在物理和信息格式轉(zhuǎn)接過程中造成的通訊延遲、瓶頸和可靠性降低，滿足了目前工業(yè)過程控制所采用的集中監(jiān)控方式對人機接口站實時性和可靠性的要求。

2 燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的原理及組成

2.1 系統(tǒng)原理

本項目采用的智能優(yōu)化控制軟件通過收集機組大量的運行數(shù)據(jù)，建立神經(jīng)元網(wǎng)絡模型，來分析機組的運行工況。人工神經(jīng)元網(wǎng)絡是模擬生物大腦神經(jīng)元細胞的結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)成的一種信息處理系統(tǒng)，具有識別、學習、邏輯思維和分析判斷的能力，可以以任意精度逼近任意非線性連續(xù)函數(shù)，擁有很強的適用于復雜環(huán)境和多目標控制要求的能力，適用于復雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制【3】。

傳統(tǒng)辨識方法通常取線性時不變的離散參數(shù)化模型來建立過程模型，模型結(jié)構(gòu)確定后，采用最小二乘法或極大值法來計算模型參數(shù)。過程的非線性特性的影響通過在線周期性更新校正模型參數(shù)來補償，或者由分布在工作區(qū)域的一組局部線性模型來表示。然而當操作條件或擾動引起過程從線性化工作點漂移時，基于線性模型的控制器的控制性能可能產(chǎn)生很大的偏離。因此說明某些對象的非線性特性和復雜性不能在線性模型的框架下完美表達，此時一個包容對象所有工作區(qū)域的非線性模型對設計控制器應該更加有利。在這種情況下人工神經(jīng)元網(wǎng)絡建模技術(shù)是最好的選擇。B P神經(jīng)網(wǎng)絡選用三層誤差反向傳播網(wǎng)絡(Back Propagation)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡三層誤差反向傳播結(jié)構(gòu)圖

x、z是網(wǎng)絡的輸入、輸出向量，每一神經(jīng)元用一個節(jié)點表示，網(wǎng)絡由輸入層、隱層和輸出層節(jié)點組成，前層至后層節(jié)點之間通過權(quán)系數(shù)相聯(lián)結(jié)。B P神經(jīng)網(wǎng)絡學習時，輸入信號從輸入層經(jīng)隱層傳向輸出層(正向傳播)，若輸出層得到期望的輸出，則學習算法結(jié)束；否則，轉(zhuǎn)至反向傳播。反向傳播就是將誤差信號(樣本輸出與網(wǎng)絡輸出之差)按原聯(lián)接通路反向計算，由梯度下降法調(diào)整各層神經(jīng)元的權(quán)值，使誤差信號減小。以下是各層權(quán)值的具體過程（即B P學習算法）：

定義網(wǎng)絡的輸出誤差，將其依次展開至隱層和輸入層，在使誤差不斷減小的原則下，應使權(quán)值的調(diào)整量與誤差的負梯度成正比，即：

經(jīng)推導可得到各層權(quán)值調(diào)整的計算公式，寫成向量的形式為：

式中，為輸入向量，為隱層輸出向量，為輸出向量，為期望輸出，而和分別是隱層到輸出層和輸入層到隱層的權(quán)值矩陣。

BP網(wǎng)絡的學習訓練過程如下：

(1)初始化網(wǎng)絡，對網(wǎng)絡參數(shù)及各權(quán)系數(shù)進行賦值，其中權(quán)系數(shù)應取隨機數(shù)。

(2)輸入訓練樣本，計算各層的預測值，并與真實值相比較，得出網(wǎng)絡的輸出誤差。

(3)依據(jù)誤差反向傳播規(guī)則，調(diào)整隱層之間以及隱層與輸入層之間的權(quán)系數(shù)。

(4)重復步驟（2）和（3），直至預測誤差滿足條件或訓練次數(shù)達到規(guī)定次數(shù)。

通過對鍋爐運行歷史數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的分析判斷，以提高熱效率、降低氮氧化物的排放量為目標，優(yōu)化燃燒，從而在不斷變化的特定的系統(tǒng)運行狀況下找出最佳匹配的操作參數(shù)，選擇最優(yōu)化的系統(tǒng)運行方案，始終將鍋爐燃燒調(diào)整到“最佳”狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件為1臺研華工控機（IPC-610P4雙硬盤80G×2）和顯示器。優(yōu)化控制軟件與XDPS-400+之間采用MODBUS協(xié)議的串口通訊，優(yōu)化控制軟件所在工控機作為從站，DCS作為主站進行應答操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通訊。由于通訊距離較遠，為了保證工控機與DCS的通訊效果，工控機與網(wǎng)關(guān)之間采用RS-232C接口轉(zhuǎn)化成RS-485接口的適配器來處理來完成，適配器與網(wǎng)關(guān)之間通過雙絞數(shù)據(jù)線連接。

BP優(yōu)化軟件包按運行狀態(tài)可以分為離線和在線兩大部分：離線部分包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、模型辨識和仿真器四個模塊；在線部分包括數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)前處理、數(shù)據(jù)后處理、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)觀察、在線優(yōu)化控制器等六個模塊。

3 項目實施要點

3.1 典型的DCS操作變量的邏輯修改

鍋爐智能燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)是根植于DCS系統(tǒng)之上的二級控制系統(tǒng)，它要求DCS系統(tǒng)首先要投入運行，再運行鍋爐智能燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)。通過適當?shù)耐ㄓ嵟c邏輯設計，特別是在通訊故障后的保護處理，可以實現(xiàn)在鍋爐智能燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)之間平滑無誤的連接與切換。

3.2 通訊監(jiān)測

優(yōu)化系統(tǒng)與DCS進行雙向通訊，有一個稱為看門狗的專門的軟件監(jiān)視通訊狀態(tài)，優(yōu)化系統(tǒng)連續(xù)發(fā)出脈沖信號，DCS側(cè)做一個接受控制邏輯，如果在一定的時間內(nèi)接受不到脈沖信號，就認為系統(tǒng)通訊中斷，優(yōu)化控制系統(tǒng)自動切除，恢復到DCS控制狀態(tài)。

3.3 參數(shù)變化范圍和變化速度的限制

通過做試驗和調(diào)試，確定出參數(shù)的變化范圍和變化速度，優(yōu)化控制系統(tǒng)的出口參數(shù)確定的變化范圍和變化速度內(nèi)（見表2）；同時在DCS側(cè)也要做一個數(shù)據(jù)過濾器，凡是從優(yōu)化系統(tǒng)過來的參數(shù)，都要經(jīng)過這個過濾器的過濾，確保影響DCS系統(tǒng)的參數(shù)在一定的范圍以一定的速度變化，不對DCS系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

表2 調(diào)整相關(guān)變量及最大調(diào)整范圍

4 燃燒優(yōu)化系統(tǒng)投運效果

經(jīng)過一段時間的調(diào)整，燃燒優(yōu)化系統(tǒng)已能夠穩(wěn)定有效運行。為了檢驗燃燒優(yōu)化系統(tǒng)特進行驗收實驗，通過對鍋爐效率、NOX、發(fā)電煤耗等參數(shù)的比較，來驗證該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。實驗分170MW，230MW，300MW三個負荷點進行，在每個負荷實驗過程中要求：(1)煤質(zhì)相對穩(wěn)定(2)噴燃器擺角一致(3)磨煤機啟停情況一致(4)鍋爐運行穩(wěn)定，其他影響鍋爐運行狀態(tài)的各種操作暫停(5)DCS相關(guān)工作站不要進行重啟，保證燃燒優(yōu)化系統(tǒng)和DCS通訊穩(wěn)定正常(6)在要求的每個負荷下，鍋爐穩(wěn)定運行3小時后，投入優(yōu)化系統(tǒng)運行4小時。試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 燃燒優(yōu)化系統(tǒng)投切效果對比

在機組負荷170MW，230MW，300MW三個工況下，鍋爐智能燃燒優(yōu)化系統(tǒng)投運后，鍋爐效率分別提高了0.414%、0.453%和0.387%；NOX分別下降了10%、15%和13%；送、引風機總能耗分別下降6.79%、6.79%和1.5%。從以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，智能燃燒優(yōu)化系統(tǒng)的投運，使鍋爐運行性能得到明顯改善，達到了節(jié)能減排的效果。

5 總結(jié)

利用先進的鍋爐燃燒智能優(yōu)化控制技術(shù)，根據(jù)機組的實際運行狀況，通過二次開發(fā),對一些關(guān)鍵邏輯和控制變量的進行修改和修正，實現(xiàn)了對天津陳塘熱電有限責任公司8號機組的鍋爐熱效率、NOx排放進行多變量的動態(tài)優(yōu)化控制.鍋爐智能燃燒優(yōu)化系統(tǒng)投運后，效率平均提升0.35%以上，NOX下降10%以上，獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

基于熱工控制系統(tǒng)的鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)不需要對鍋爐受熱面進行改造，通過在分散控制系統(tǒng)(DCS)控制的基礎(chǔ)上，采用先進的控制算法實現(xiàn)提高鍋爐效率和降低污染物排放，具有投資少、風險小、效果明顯的優(yōu)點。

[1]中國電力投資集團公司.300MW火電機組節(jié)能對標指導手冊[M].北京:中國電力出版社,2008.

[2]孔亮，張毅，丁艷軍，吳占松.電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制技術(shù)綜述[J].電力設備.2006,7(2).

[3]周昊，朱洪波，岑可法.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法的火電廠鍋爐實時燃燒優(yōu)化系統(tǒng)[J].動力工程.2003,23(5).