臧春華，潘 宇

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

電廠鍋爐系統(tǒng)存在著煤種繁雜不一，設(shè)備改造及老化嚴(yán)重，生產(chǎn)運(yùn)行中大范圍的變負(fù)荷等問題，使得機(jī)組運(yùn)行工況偏離最優(yōu)工況，機(jī)組普遍出現(xiàn)鍋爐效率降低、生產(chǎn)成本增高的狀態(tài)[1-5]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電廠鍋爐燃燒優(yōu)化理論做了深入研究，其中，顧燕萍等[6]通過非線性尋優(yōu)和歷史工況的數(shù)據(jù)挖掘，建立了一種最優(yōu)操作變量決策模型。谷麗景等[7]對(duì)電廠燃煤鍋爐進(jìn)行了不同負(fù)荷下的熱態(tài)試驗(yàn)，基于人工神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，構(gòu)建燃燒優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。王東風(fēng)等[8]提出一種分析匹配得到實(shí)際工況的最佳參數(shù)值的數(shù)據(jù)挖掘方法。顧燕萍等[9]對(duì)最小二乘支持向量機(jī)進(jìn)行研究，提出了一種燃燒模型。Kalogirou等[10]基于人工智能技術(shù)，對(duì)鍋爐系統(tǒng)的燃燒優(yōu)化應(yīng)用進(jìn)行了研究。應(yīng)蕾等[11]運(yùn)用模糊控制策略，對(duì)鍋爐燃燒對(duì)象優(yōu)化設(shè)計(jì)。吳恒運(yùn)等[12]對(duì)非對(duì)稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行研究，對(duì)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行建模。Taniguchi等[13]采用燃燒調(diào)整試驗(yàn)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。李國強(qiáng)等[14]對(duì)新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，提出了一種有學(xué)習(xí)功能的快速學(xué)習(xí)網(wǎng)，并且應(yīng)用到了燃燒優(yōu)化中。

本文介紹一種電廠鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)，通過在陜西榆林某自備電廠實(shí)施，證明該方案可有效提高鍋爐熱效率，保證裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 燃燒優(yōu)化策略概述

本文提出的方法是自適應(yīng)解耦控制，將非線性的鍋爐燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)輸入量為引風(fēng)量、送風(fēng)量和給煤量，輸出量為爐膛負(fù)壓、氧含量和主蒸汽壓力的多變量系統(tǒng)，如圖1所示。因此燃燒優(yōu)化策略包括有引風(fēng)控制優(yōu)化、送風(fēng)量自動(dòng)辨識(shí)和優(yōu)化、給煤量自動(dòng)尋優(yōu)等策略。

圖1 燃燒優(yōu)化控制策略Fig.1 Combustion optimization control strategy

1.1 引風(fēng)控制優(yōu)化

爐膛負(fù)壓是鍋爐生產(chǎn)安全與否的主要參數(shù)指標(biāo)，而引風(fēng)機(jī)是調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓的主要環(huán)節(jié)。在熱電廠中，擋板調(diào)節(jié)和液力耦合器調(diào)節(jié)是引風(fēng)機(jī)的兩種控制方式。液耦和擋板的區(qū)別在于，液耦可以精確控制引風(fēng)機(jī)出力，相對(duì)節(jié)能，但另一方面這也對(duì)儀器精度提出更高的要求。因此，本文綜合實(shí)際電廠生產(chǎn)條件，在液耦精度要求允許的情況下，此鍋爐的負(fù)壓控制系統(tǒng)是由雙側(cè)引風(fēng)機(jī)的液力耦合器來調(diào)節(jié)。

電流自平衡是指將雙側(cè)液力耦合器的電流控制在一個(gè)相近的范圍內(nèi)，以達(dá)到控制作用快速有效響應(yīng)。當(dāng)爐膛負(fù)壓隨著擾動(dòng)偏離設(shè)定值，調(diào)節(jié)指令會(huì)送達(dá)到電流相對(duì)小的液耦，避免大電流的液耦控制器滿開或者接近滿開時(shí)，調(diào)節(jié)指令依然送達(dá)該液耦。該方法有效將兩側(cè)液耦電流的差值控制在DI以內(nèi)(DI可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況改變)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)效果快速有效。電流自平衡使?fàn)t膛負(fù)壓能夠迅速有效調(diào)節(jié)至設(shè)定值，響應(yīng)引鳳量和送風(fēng)量變化，減弱內(nèi)外擾動(dòng)的影響。

1.2 送風(fēng)控制優(yōu)化

煙氣含氧量是關(guān)系著鍋爐熱效率的重要指標(biāo)，而煤種不同和生產(chǎn)負(fù)荷工況的變化，都有相對(duì)應(yīng)的最佳含氧量αop。低于最佳氧含量，燃燒不充分，造成不完全燃燒損失增加；高于最佳氧含量，則空氣過剩，煙氣帶走熱量增加，引起排煙熱損失增加。這兩種情況下鍋爐熱效率都會(huì)下降。而當(dāng)機(jī)械不完全燃燒損失q4和排煙熱損失q2最小時(shí)，鍋爐氧含量α在最佳值αop，如圖2所示。

圖2 煙氣最佳含氧量Fig.2 The best oxygen content of flue gas

建立風(fēng)煤比校正函數(shù)，根據(jù)上一時(shí)刻風(fēng)煤比、總送風(fēng)量和總給煤量在線計(jì)算出這一時(shí)刻最佳風(fēng)煤比，可由此建立一個(gè)自動(dòng)尋優(yōu)的風(fēng)煤比模塊，如圖3所示。通過氧含量、送風(fēng)量和燃料量，自動(dòng)辨識(shí)，預(yù)測(cè)需要的風(fēng)量，通過串級(jí)PID，調(diào)節(jié)二次風(fēng)機(jī)變頻，通過送風(fēng)量與氧量的偏差進(jìn)行解耦調(diào)節(jié)，送風(fēng)量與煤量成正比，總給煤量變化時(shí)，通過氧含量修正總送風(fēng)量。

圖3 自動(dòng)尋優(yōu)的風(fēng)煤比模塊Fig.3 Automatically optimized air-to-coal ratio module

1.3 給煤控制優(yōu)化

給煤量控制是通過手操器總操，給定總煤量來自動(dòng)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定主蒸汽壓力。當(dāng)煤量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)下一時(shí)刻的給煤量指令，對(duì)煤量進(jìn)行及時(shí)修正。鍋爐負(fù)荷與給煤量需要自學(xué)習(xí)和辨識(shí)，自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前負(fù)荷所需要的總煤量，根據(jù)負(fù)荷偏差和主蒸汽壓力偏差，修正預(yù)測(cè)煤量。

多變量自適應(yīng)優(yōu)化控制是在生產(chǎn)運(yùn)行中采集入煤爐量、主蒸汽壓力和鍋爐氧含量等參數(shù)信息，確定燃燒過程的實(shí)際工作狀態(tài)，優(yōu)化性能準(zhǔn)則，產(chǎn)生自適應(yīng)控制規(guī)律，達(dá)到在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)給煤量，使鍋爐處于最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)，可達(dá)到解決煤種變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

2 燃燒優(yōu)化策略的實(shí)施效果

本文改進(jìn)的燃燒優(yōu)化控制策略已經(jīng)在陜西榆林某電廠實(shí)施，投運(yùn)前，控制回路是操作員手動(dòng)調(diào)節(jié)，主蒸汽壓力測(cè)量值的波動(dòng)范圍最大可達(dá)到0.58 MPa，如圖4所示。而在投運(yùn)后，控制回路均為自動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)定值改變時(shí)，測(cè)量值會(huì)快速跟隨，而且二者的偏差控制在0.15 MPa以內(nèi)，如圖5所示。爐膛壓力測(cè)量值和設(shè)定值的偏差控制在50 Pa以內(nèi)，如圖6所示；氧含量測(cè)量值和設(shè)定值的偏差控制在0.2以內(nèi)，如圖7所示，圖中最后兩條曲線依次表示氧含量設(shè)定值和測(cè)量值。

圖4 投運(yùn)前主蒸汽壓力24 h運(yùn)行曲線Fig.4 24-hour running curve of main steam pressure before commissioning

圖5 投運(yùn)后主蒸汽壓力8 h運(yùn)行曲線Fig.5 8-hour running curve of main steam pressure after commissioning

圖6 投運(yùn)后爐膛負(fù)壓24 h運(yùn)行曲線Fig.6 24-hour running curve of furnace negative pressure after commissioning

圖7 投運(yùn)后氧含量24 h運(yùn)行曲線Fig.7 24-hour running curve of oxygen content after commissioning

3 結(jié)論

本文提出了鍋爐燃燒優(yōu)化的引風(fēng)控制、送風(fēng)控制和給煤控制等策略，通過實(shí)際工廠投運(yùn)，證明了該策略能夠穩(wěn)定負(fù)荷，改善鍋爐熱效率，達(dá)到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用有所助益。