基于聲波測(cè)溫的電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)

1、基于聲波測(cè)溫的電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)項(xiàng)目建議書(shū)華北電力大學(xué)一 目前電站鍋爐燃燒系統(tǒng)存在的問(wèn)題1.1 共性問(wèn)題1.1.1 兩對(duì)矛盾需要解決 鍋爐效率(h)與污染排放(NOx)之間的矛盾當(dāng)我們追求高的鍋爐效率的時(shí)候，勢(shì)必要使煤粉在爐內(nèi)充分燃燒。要達(dá)到這一目的，則需要提高爐內(nèi)燃燒溫度以及使用較高的過(guò)量空氣系數(shù)，而這兩方面都會(huì)增加污染的排放。反之，則鍋爐效率較低。爐內(nèi)的高溫燃燒還會(huì)帶來(lái)水冷壁結(jié)渣等事故的發(fā)生。因此需要在兩者之間做出最佳的折中選擇。 鍋爐排煙熱損失(h2)和機(jī)械未完全燃燒熱損失(h4)之間的矛盾對(duì)于鍋爐效率影響最大的兩項(xiàng)熱損失排煙熱損失(h2)和機(jī)械未完全燃燒熱損失(h4)而言，也存在

2、類(lèi)似的矛盾。提高爐內(nèi)燃燒溫度以及使用較高的過(guò)量空氣系數(shù)，可以降低機(jī)械未完全燃燒熱損失(h4)，但是排煙熱損失(h2)則會(huì)隨之增加。因此也需要在兩者之間做出最佳的折中選擇。1.1.2 四個(gè)優(yōu)化問(wèn)題需要解決 鍋爐效率(h)與污染排放(NOx)的聯(lián)合優(yōu)化通過(guò)尋找最佳的二次風(fēng)門(mén)和燃盡風(fēng)門(mén)組合，建立良好的爐內(nèi)燃燒空氣動(dòng)力場(chǎng)，可以達(dá)到鍋爐效率(h)與污染排放(NOx)的共贏。 鍋爐排煙熱損失(h2)和機(jī)械未完全燃燒熱損失(h4)的聯(lián)合優(yōu)化通過(guò)尋找最佳的煙氣含氧量(O2)設(shè)定值，可以達(dá)到鍋爐排煙熱損失(h2)和機(jī)械未完全燃燒熱損失(h4)的共贏。 汽溫控制方案的優(yōu)化聯(lián)合調(diào)節(jié)燃燒器和噴水，盡量使用燃燒器擺角等

3、方式來(lái)調(diào)節(jié)汽溫而減少減溫水的使用量，可以較大幅度的提高機(jī)組熱效率。 防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣的優(yōu)化這可以通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)：一是尋找最佳的煤粉和二次風(fēng)門(mén)、燃盡風(fēng)門(mén)的組合，調(diào)整均衡燃燒，防治火焰偏斜；二是調(diào)節(jié)爐膛出口溫度目標(biāo)值；三是組織合理的吹灰優(yōu)化。1.1.3 爐膛內(nèi)三個(gè)參數(shù)的測(cè)量需要解決 爐膛溫度場(chǎng)的測(cè)量 爐內(nèi)O2濃度的測(cè)量 爐內(nèi)CO濃度的測(cè)量爐膛溫度、O2和CO與鍋爐效率、污染物排放、爐內(nèi)結(jié)渣等等關(guān)系密切，它同時(shí)還反映了燃燒是否均衡以及燃料的質(zhì)和量的變化情況。通過(guò)爐膛溫度測(cè)量可以達(dá)到a) 監(jiān)控爐膛出口溫度，防止過(guò)熱器結(jié)焦和管壁過(guò)熱，防止啟動(dòng)時(shí)升溫太快和燒壞再熱器管（干燒），監(jiān)控爐膛水冷壁的吸熱量情況，指

4、導(dǎo)吹灰和調(diào)整風(fēng)量，減少過(guò)熱器和再熱器噴水量（300MW，再熱噴水減10t/h，降低煤耗1.91g/kwh）；b) 矯正燃燒不均衡，防止兩側(cè)煙溫、汽溫偏差，防止一側(cè)水冷壁磨損、結(jié)焦， 防止汽包水位兩側(cè)嚴(yán)重偏差，防止局部過(guò)熱而流渣；c) 提高燃燒效率，均衡風(fēng)量分配，優(yōu)化風(fēng)煤比，降低O2，控制火焰中心高度；d) 降低污染物排放，防止局部火焰過(guò)熱，降低NOx生成（1482時(shí)NOX成指數(shù)級(jí)增加）， 減少脫硝系統(tǒng)運(yùn)行成本。這些參數(shù)對(duì)于爐內(nèi)燃燒狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷具有十分重要的意義。對(duì)于爐膛溫度場(chǎng)的測(cè)量，在聲波測(cè)溫裝置問(wèn)世之前還一直是個(gè)棘手的難題。而對(duì)于爐內(nèi)O2濃度和CO濃度，課題組將計(jì)算智能和爐膛溫度場(chǎng)、

5、尾部煙道氧量測(cè)量等氣體分析裝置相結(jié)合，所研究的相關(guān)軟測(cè)量技術(shù)能夠達(dá)到相當(dāng)好的精度。1.2 特殊問(wèn)題不同的電廠、不同的運(yùn)行人員或不同的運(yùn)行水平，帶來(lái)個(gè)不系統(tǒng)的問(wèn)題，比如：有的廠，二次風(fēng)的配風(fēng)長(zhǎng)期以來(lái)不正常(二次風(fēng)擋板開(kāi)得很少，甚至幾乎不開(kāi))，結(jié)果造成排煙處的氧量只有2%-3%，爐內(nèi)燃燒嚴(yán)重缺氧，飛灰、爐渣可燃物增加;還造成主汽溫、再熱汽溫降低、二次風(fēng)噴嘴燒壞、水冷壁高溫腐蝕等一系列的負(fù)作用。有些廠的運(yùn)行人員人為過(guò)多的壓風(fēng)量，造成低負(fù)荷下缺氧燃燒這樣做的理由是怕熄火，認(rèn)為風(fēng)速低一點(diǎn)，風(fēng)量少一點(diǎn)，有利于燃燒穩(wěn)定，很多電廠的司爐頭腦中都持有這一觀點(diǎn)。有的鍋爐主汽溫、再熱汽溫一直偏低，為了提高汽溫，抬高

6、燃燒器的傾角，結(jié)果造成煤粉在爐內(nèi)停留的時(shí)間縮短，機(jī)械未完全燃燒熱損失增大。1.3問(wèn)題的復(fù)雜性以上所述表明：在數(shù)學(xué)上，燃燒系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性的、多變量嚴(yán)重耦合的、復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)一個(gè)目標(biāo)的調(diào)節(jié)會(huì)矛盾地影響到其它目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，屬于多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題。在測(cè)量手段上，需要開(kāi)創(chuàng)性的引入爐膛參數(shù)測(cè)量設(shè)備，給我們的運(yùn)行人員和優(yōu)化系統(tǒng)配備一雙“火眼金睛”。在運(yùn)行方式上，我們需要對(duì)燃燒系統(tǒng)重新認(rèn)識(shí)，合理組織燃燒，真正的做到節(jié)能減排。也正是在這種思想的指導(dǎo)下，我們基于課題組在該方面多年的探索、探尋和積累，終于研究開(kāi)發(fā)出全新一代的燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)。二 本項(xiàng)目實(shí)施的目的和意義在火力發(fā)電成本中，燃料費(fèi)用一般要占70%以上，提高

7、鍋爐燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行水平對(duì)機(jī)組的節(jié)能降耗具有重要意義。同時(shí)，發(fā)電企業(yè)面臨廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),由于能源緊張導(dǎo)致燃煤價(jià)格上漲,進(jìn)一步加大了發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)成本。一方面，就供電煤耗來(lái)說(shuō)，根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)2008年的全國(guó)300MW機(jī)組煤耗評(píng)比數(shù)據(jù)，最佳供電煤耗是301.52g/Kw·h。300MW機(jī)組世界先進(jìn)水平的供電煤耗是285g/Kw·h。我國(guó)當(dāng)前供電煤耗相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家1990 年左右的平均水平。大部分電廠的發(fā)電煤耗還有很大提升空間。另一方面，我國(guó)目前的大氣污染狀況很?chē)?yán)重，氮氧化物、二氧化碳排放量分別居世界第一位和第二位，因此造成了高昂的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本。研究

8、表明大氣污染造成的經(jīng)濟(jì)損失占GDP的3-7%。造成嚴(yán)重大氣污染的主要原因也在于我國(guó)以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)，煤炭能源占整個(gè) 能源的70%左右，大氣污染中煙塵和二氧化碳排放量的70%、二氧化硫的90%、氮氧化物的67%來(lái)自于燃煤。截至2006年底，中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)的煤炭消費(fèi)總量達(dá)到了23.7 億噸，其中火電燃煤量達(dá)12.63 億噸，占總煤炭消費(fèi)的50% 以上，成為最大的消費(fèi)途徑。燃煤價(jià)格的上漲和污染排放的限制,使國(guó)內(nèi)燃煤電站面臨著提高鍋爐效率與降低污染排放的雙重要求，迫切需要面向節(jié)能、降耗與降低污染、安全運(yùn)行的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化控制與調(diào)度方法。鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)能夠有效提高機(jī)組運(yùn)行效率,降低發(fā)電成本,顯著降低鍋

9、爐污染物的排放，并能夠監(jiān)督保障鍋爐的安全運(yùn)行。三 國(guó)內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀3.1燃燒優(yōu)化控制的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀早在上世紀(jì)八十年代末，美國(guó)和日本專(zhuān)家就聲波測(cè)量爐膛煙氣溫度進(jìn)行了研究。聲波電站鍋爐燃燒是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,涉及到燃燒學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域任何與燃燒相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)、與燃燒相關(guān)設(shè)備的改造,都可以稱(chēng)為燃燒優(yōu)化,包括DCS控制邏輯的優(yōu)化、控制模型的設(shè)計(jì)。從鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)角度看,鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)可以分為三類(lèi):第一類(lèi)通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)鍋爐燃燒的重要參數(shù),指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)節(jié)鍋爐燃燒,這類(lèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)占據(jù)著主導(dǎo)地位。第二類(lèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)是在DCS的基礎(chǔ)上,作為鍋爐運(yùn)行

10、的監(jiān)督控制系統(tǒng),通過(guò)采用先進(jìn)的控制邏輯、控制算法或人工智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化隨著先進(jìn)控制和人工智能技術(shù)的逐步成熟和在工業(yè)上成功的應(yīng)用,這類(lèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)發(fā)展迅猛。第三類(lèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)在設(shè)備層面,通過(guò)對(duì)燃燒器、受熱面等的改造實(shí)現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化調(diào)整。上述三類(lèi)技術(shù)在實(shí)際中各有優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用但其中第二類(lèi)技術(shù)不需要對(duì)鍋爐設(shè)備進(jìn)行任何改造,能夠充分利用鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù),在DCS控制的基礎(chǔ)上,通過(guò)先進(jìn)建模、優(yōu)化、控制技術(shù)的應(yīng)用,直接提高鍋爐運(yùn)行效率,降低NOx排放,具有投資少、風(fēng)險(xiǎn)小、效果明顯的優(yōu)點(diǎn),因而成為很多電廠首選的燃燒優(yōu)化技術(shù)。近幾年來(lái)，隨著鍋爐燃燒在線(xiàn)檢測(cè)、診斷技術(shù)的發(fā)展，許多以前難以測(cè)得重要燃燒參數(shù)

11、例如爐膛燃燒截面的O2、CO濃度與溫度分布值都變成了實(shí)實(shí)在在、精確的在線(xiàn)數(shù)據(jù)被送到DCS以及燃燒優(yōu)化軟件。應(yīng)用實(shí)踐證明，第一類(lèi)與第二類(lèi)技術(shù)的結(jié)合可以取得事半功倍的效果。第一類(lèi)技術(shù)直接服務(wù)于第二類(lèi)技術(shù)。20世紀(jì)80年代末期和90年代初期，隨著我國(guó)電廠“節(jié)能降耗”措施的推行，電廠開(kāi)始普遍關(guān)注鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)燃燒優(yōu)化降低鍋爐煤耗，提高火電廠發(fā)電效率。20世紀(jì)90年代中期和末期，隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，許多企業(yè)研制開(kāi)發(fā)了一系列重要的影響鍋爐燃燒參數(shù)的在線(xiàn)測(cè)量?jī)x表，如飛灰含碳量在線(xiàn)檢測(cè)裝置、煤粉濃度細(xì)度在線(xiàn)檢測(cè)裝置、煤質(zhì)成分在線(xiàn)檢測(cè)裝置、鍋爐火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。同期，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，在分散控制系統(tǒng)

12、DCS層面上控制邏輯的優(yōu)化，先進(jìn)的人工智能技術(shù)在鍋爐燃燒優(yōu)化上應(yīng)用的研究也開(kāi)始受到了廣大科研人員的關(guān)注。20世紀(jì)90年代末期，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境的關(guān)注，電站鍋爐燃燒優(yōu)化已由最初的以安全性、經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化發(fā)展到經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保并舉的時(shí)期。電子信息技術(shù)、人工智能技術(shù)給電站鍋爐燃燒優(yōu)化注入了新的活力，鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)進(jìn)入新的快速發(fā)展時(shí)期。我國(guó)研究電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)的高校、研究所、企業(yè)、工程公司有近千家，這近千家單位可分為兩類(lèi)。企業(yè)、工程公司為一類(lèi)，大都從實(shí)用角度出發(fā)，重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)影響鍋爐燃燒參數(shù)的測(cè)量、監(jiān)測(cè)儀表。高校、科研院所側(cè)重于從理論角度出發(fā)，重點(diǎn)研究新的控制技術(shù)在電站鍋爐燃燒優(yōu)化上的應(yīng)用

13、。不過(guò)這樣劃分并不絕對(duì)?，F(xiàn)在，這樣的界限并不是很明顯。高校、科研院所也開(kāi)始研制影響鍋爐燃燒參數(shù)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品。而企業(yè)、工程公司也開(kāi)始關(guān)注新的控制技術(shù)在鍋爐燃燒優(yōu)化上的應(yīng)用。國(guó)外的人工智能控制算法已經(jīng)在電站鍋爐燃燒優(yōu)化上實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，取得較好的成績(jī)。如德國(guó)西門(mén)子公司的P-3000產(chǎn)品、美國(guó)NEUCO公司的CombustionOpt。但是國(guó)外產(chǎn)品對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是國(guó)外產(chǎn)品不太適應(yīng)國(guó)內(nèi)電廠實(shí)際運(yùn)行情況；二是國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格昂貴，一般在四、五百萬(wàn)甚至千萬(wàn)人民幣不等，而且其服務(wù)費(fèi)用高昂，再加上路途遙遠(yuǎn)導(dǎo)致難以快速響應(yīng)客戶(hù)的服務(wù)需求。3.2爐膛溫度測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀和缺點(diǎn)正因?yàn)闋t膛

14、溫度測(cè)量如此重要，長(zhǎng)期來(lái)人們進(jìn)行了大量研究，開(kāi)發(fā)出了各種不同原理的測(cè)量裝置，但由于其固有的缺點(diǎn)，應(yīng)用情況一直不佳，甚至大部分鍋爐上至今仍是一個(gè)空白，使鍋爐燃燒監(jiān)控失去了一個(gè)重要依據(jù)。傳統(tǒng)爐膛溫度測(cè)量裝置主要有接觸式（伸縮式溫度計(jì)）和非接觸式兩類(lèi)，而非接觸式常見(jiàn)有輻射式溫度計(jì)和光譜圖象檢測(cè)系統(tǒng)，這些技術(shù)存在的缺點(diǎn)是：1）接觸式（伸縮式溫度計(jì)）目前300MW及以上機(jī)組的鍋爐均配供有價(jià)格昂貴的測(cè)量爐膛出口煙氣溫度的伸縮式溫度計(jì)，但由于探針深入爐膛很長(zhǎng)，笨重、易變形卡澀，故障率高，因此，許多電廠實(shí)際上已停用。此外，探針受耐溫限制，一般僅在鍋爐啟動(dòng)時(shí)伸入爐膛測(cè)量出口煙氣溫度，當(dāng)煙溫達(dá)到一定值時(shí)，必須馬上

15、退出爐膛，因此，其允許使用溫度范圍和作用也有限。2）輻射式溫度計(jì)眾所周知爐膛煙氣輻射大多不在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，因此，目前常見(jiàn)的輻射式溫度計(jì)主要是紅外式溫度計(jì)，它測(cè)量表面或區(qū)域的紅外光強(qiáng)度。由于爐膛煙氣是氣態(tài)發(fā)光，溫度分布不均勻，成分不固定，再加上飛灰顆粒輻射的存在，因此，組成的光譜波長(zhǎng)和穿透力等不確定，從而導(dǎo)致被測(cè)區(qū)域不確定，測(cè)量誤差大。由于上述缺點(diǎn)影響了輻射式溫度計(jì)在鍋爐爐膛煙氣溫度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。3）飛灰顆粒輻射光譜測(cè)量這類(lèi)溫度測(cè)量系統(tǒng)是利用圖像檢測(cè)爐膛煙氣中主要是飛灰顆粒輻射的可見(jiàn)光（包栝一定波長(zhǎng)紅外光，以提高溫度測(cè)量上限），經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行極其復(fù)雜的圖象處理，從而得到爐膛內(nèi)煙氣的溫度分布。由于

16、受飛灰顆粒成分濃度和分布的影響，鏡頭污染以及復(fù)雜圖象處理算法等影響，測(cè)量誤差大；被測(cè)量區(qū)域也存在很大的不確定性。加上采光系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)焦或積灰使鏡頭保養(yǎng)困難，可靠性差，價(jià)格昂貴。從而使這類(lèi)系統(tǒng)在爐膛煙溫測(cè)量的工程實(shí)際應(yīng)用中受到限制。四 項(xiàng)目的理論和實(shí)踐依據(jù)鍋爐燃燒優(yōu)化本質(zhì)上是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。在保證污染排放不超標(biāo)的前提下，追求盡可能高的鍋爐效率；或者在保證鍋爐效率一定的前提下，采用盡可能低的污染排放控制策略；或者在鍋爐效率和污染排放之間達(dá)到最佳折中，使綜合成本最低。燃燒優(yōu)化的目標(biāo)是在鍋爐的負(fù)荷、煤種以及其它相關(guān)設(shè)備和參數(shù)的約束下，實(shí)時(shí)尋找最優(yōu)的鍋爐配風(fēng)、配煤以及有關(guān)參數(shù)的設(shè)定值，以達(dá)到最佳的燃

17、燒運(yùn)行方式，指導(dǎo)鍋爐燃燒調(diào)整，提高鍋爐燃燒運(yùn)行效率，降低發(fā)電煤耗，同時(shí)減少污染物排放，實(shí)現(xiàn)鍋爐的經(jīng)濟(jì)環(huán)保運(yùn)行。鍋爐的燃燒效率和污染物排放特性主要是由兩個(gè)方面決定的： 鍋爐的設(shè)計(jì)制造水平 鍋爐的操作運(yùn)行水平由此相應(yīng)地有鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)的兩種主要方式： 改造鍋爐的設(shè)計(jì)制造水平。燃燒優(yōu)化技術(shù)在設(shè)備層面，通過(guò)對(duì)燃燒器、受熱面等的改造實(shí)現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化調(diào)整。 提高鍋爐的運(yùn)行操作水平。通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)鍋爐燃燒的重要參數(shù)，指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)節(jié)鍋爐燃燒。同時(shí)在DCS的基礎(chǔ)上，作為鍋爐運(yùn)行的監(jiān)督控制系統(tǒng)，通過(guò)采用先進(jìn)的控制邏輯、控制算法或人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化。隨著DCS技術(shù)的廣泛推廣、先進(jìn)控制和人工智能技術(shù)

18、的逐步成熟及其在工業(yè)上成功的應(yīng)用，這類(lèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)發(fā)展迅速。就目前實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化的方法與手段而言，我們一方面需要將先進(jìn)的控制理論、完善的數(shù)學(xué)模型與功能強(qiáng)大的軟件進(jìn)一步實(shí)用化，另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是缺乏對(duì)爐膛燃燒區(qū)域、火焰中心的直接數(shù)據(jù)的獲?。罕热鐪囟葓?chǎng)以及O2、CO的濃度值。由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛燃燒參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，無(wú)法對(duì)爐內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷，這導(dǎo)致現(xiàn)有的燃燒優(yōu)化項(xiàng)目完成并投入運(yùn)行之后取得的效果基本上都不是很顯著。眾所周知，依靠傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表例如氧化鋯探頭、CO探頭無(wú)法在爐膛燃燒區(qū)域直接測(cè)量，獲得數(shù)據(jù)。因?yàn)樗鼈冊(cè)跀z氏1500的爐溫下都會(huì)熔化。要想獲得這些數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的做法是在鍋爐尾部煙道、空氣預(yù)

19、熱器附近安裝氧化鋯、CO探頭，獲取間接數(shù)據(jù)，再結(jié)合熱力試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式從而修正、推算出爐膛燃燒區(qū)域的溫度、O2、CO濃度。由于爐膛漏風(fēng)、氧化鋯儀表的隨機(jī)誤差以及其它鍋爐缺陷，注定這種推算值與實(shí)際測(cè)量值有很大偏差，鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)采用這種有很大誤差的數(shù)據(jù)后，必然導(dǎo)致優(yōu)化效果大打折扣。爐膛內(nèi)是否均衡燃燒是實(shí)現(xiàn)鍋爐最優(yōu)效率、最優(yōu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的絕對(duì)前提，而這又追溯到風(fēng)粉是否在燃燒前均勻混合、如何取得最優(yōu)的風(fēng)/粉比動(dòng)態(tài)值。而這些重要數(shù)據(jù)的缺乏給實(shí)時(shí)燃燒優(yōu)化控制帶來(lái)極大的難題與挑戰(zhàn)。依照傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)方法與測(cè)量手段，在做優(yōu)化調(diào)整之前無(wú)法得知這些工況的具體數(shù)據(jù)，而調(diào)整之后又無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地驗(yàn)證優(yōu)化效果。在聲波測(cè)溫

20、診斷系統(tǒng)發(fā)明之后，這些問(wèn)題便迎刃而解。它可以在較短時(shí)間內(nèi)告訴我們鍋爐優(yōu)化調(diào)整的效果。五 技術(shù)特點(diǎn)整個(gè)燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)由聲波測(cè)溫診斷系統(tǒng)和基于人工智能建模、優(yōu)化控制算法的軟件包構(gòu)成，其核心結(jié)構(gòu)如圖1所示。左側(cè)上部(x1, x2, xn1)是廣泛存在于DCS圖1 燃燒優(yōu)化系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)或SIS中的機(jī)組常規(guī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，左側(cè)下部(y1, y2, yn1)是聲波測(cè)溫得到的爐膛溫度場(chǎng)數(shù)值，中間部分是基于常規(guī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和聲波測(cè)量數(shù)據(jù)的多目標(biāo)燃燒優(yōu)化軟件。其中前兩部分都通過(guò)開(kāi)放的OPC協(xié)議送達(dá)優(yōu)化部分，后兩部分則是本項(xiàng)目所獨(dú)有的技術(shù)，而第二部分則是火電廠極其重要而有難度很大的一種熱工測(cè)量技術(shù)的重大突破，它的推廣應(yīng)用

21、必將對(duì)我國(guó)電站鍋爐安全、節(jié)能和減排產(chǎn)生重大影響。下面就對(duì)后兩部分略做介紹。5.1 聲波測(cè)溫工作原理早在上世紀(jì)八十年代末，美國(guó)和日本專(zhuān)家就聲波測(cè)量爐膛煙氣溫度進(jìn)行了研究。聲波測(cè)溫原理是基于聲音的傳播速度直接隨介質(zhì)溫度而變化。圖2為聲波測(cè)溫系統(tǒng)的原理圖。溫度顯示爐 膛聲波發(fā)射器聲波接收器圖2 聲波測(cè)溫系統(tǒng)原理圖由熱力學(xué)中氣體方程和聲學(xué)中的聲波波動(dòng)方程推導(dǎo)出聲波傳播速度和介質(zhì)溫度的關(guān)系如下： （1）其中, C聲音在介質(zhì)中的傳播速度R氣體常數(shù)k氣體的絕熱指數(shù)M氣體分子量T氣體溫度 測(cè)點(diǎn)分布圖 現(xiàn)場(chǎng)安裝的測(cè)點(diǎn) 平面二維溫度場(chǎng)分布圖 溫度場(chǎng)立體顯示圖接線(xiàn)盒主機(jī)鍋 爐聲源傳聲器導(dǎo)管輸入/出系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理器功率

22、放大器顯示器圖3 聲波測(cè)溫系統(tǒng)框圖聲波測(cè)溫系統(tǒng)主要有下列核心技術(shù)：1)多接收器處理技術(shù)一個(gè)聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波可以有多個(gè)接收器同時(shí)監(jiān)聽(tīng)，一個(gè)控制平臺(tái)可采用多達(dá)16個(gè)發(fā)生器和接受器,比起一個(gè)發(fā)生器對(duì)一個(gè)接受器的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，更重要的是大大減少了鍋爐上安裝發(fā)生器必須在水冷壁彎管開(kāi)孔帶來(lái)的麻煩。2）通過(guò)特殊算法計(jì)算爐膛溫度場(chǎng)圖4為典型的4個(gè)發(fā)射點(diǎn)，8個(gè)接收點(diǎn)，鍋爐爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)配置圖。圖4 典型的爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)配置圖（4發(fā)，8收） 通過(guò)測(cè)量得到24個(gè)通道上煙氣的平均溫度，再經(jīng)計(jì)算機(jī)特殊算法處理得到爐膛溫度場(chǎng)分布（圖5），并在DCS顯示器上呈現(xiàn)出來(lái)，指導(dǎo)運(yùn)行人員操作。必要時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)三

23、維空間的溫度場(chǎng)測(cè)量和顯示（圖6）圖5 爐膛溫度場(chǎng)分布圖 圖6 爐膛溫度場(chǎng)三維空間分布圖5.2 多目標(biāo)燃燒優(yōu)化軟件介紹5.2.1基本方法首先利用歷史數(shù)據(jù)站存儲(chǔ)的大量來(lái)自DCS的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析建立鍋爐燃燒優(yōu)化操作變量（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)鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性、安全運(yùn)行、污染物排放的控制目標(biāo)量（如：鍋爐效率、飛灰含碳、NOx排放等）之間的多變量非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型。離線(xiàn)建模調(diào)試結(jié)束后，可在線(xiàn)更新模型并且利用模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，通過(guò)對(duì)風(fēng)、粉、氧量等影響鍋爐燃燒特性的操作變量的設(shè)定值或偏置進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)基于多目標(biāo)的鍋爐安全運(yùn)行、低排放運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。優(yōu)化的結(jié)果可以開(kāi)

24、環(huán)操作指導(dǎo)、閉環(huán)監(jiān)督控制兩種工作模式與機(jī)組的DCS控制系統(tǒng)相連接。圖8 5.2.2燃燒過(guò)程數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是建立燃燒優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。由于鍋爐爐內(nèi)煤粉燃燒過(guò)程極其復(fù)雜，無(wú)法用理論方法建立燃燒模型。但是，鍋爐的燃燒特性必然反映在鍋爐的燃燒過(guò)程數(shù)據(jù)中，也就是說(shuō)，鍋爐實(shí)際燃燒運(yùn)行數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵了鍋爐的燃燒運(yùn)行特性。基于數(shù)據(jù)的黑箱建模技術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks, ANN），一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間相互連接的關(guān)系，從而達(dá)到處理信息

25、的目的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，可以通過(guò)預(yù)先提供的一批相互對(duì)應(yīng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，分析掌握兩者之間潛在的規(guī)律，最終根據(jù)這些規(guī)律，用新的輸入數(shù)據(jù)來(lái)推算輸出結(jié)果。圖9 燃燒優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)鍋爐燃燒過(guò)程歷史數(shù)據(jù)，建立鍋爐運(yùn)行工況(負(fù)荷、煤種等)、配風(fēng)配煤運(yùn)行方式和燃燒性能之間的關(guān)系模型，并采用非線(xiàn)性尋優(yōu)技術(shù)，從模型中找出不同負(fù)荷、不同煤種下最佳的配風(fēng)、配煤運(yùn)行方式，以此作為“專(zhuān)家”燃燒運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)鍋爐燃燒調(diào)整，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線(xiàn)性映射能力，使其成為復(fù)雜系統(tǒng)一致逼近建模的首選工具?；跉v史數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立機(jī)組在不同的干擾量（負(fù)荷

26、，環(huán)境溫度）下，鍋爐各可調(diào)量，如一次風(fēng)壓，二次風(fēng)壓及不同的二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度組合，燃燒器傾角，煙氣含氧量、給粉偏置等，與鍋爐運(yùn)行性能（NOx和效率）之間的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鍋爐燃用煤種、鍋爐運(yùn)行參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系、鍋爐的低NOx排放特性、飛灰含碳量特性等進(jìn)行學(xué)習(xí)建模。確定輸入之后，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，訓(xùn)練獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。建立模型之后，可以根據(jù)模型分析輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系，從而明確如何調(diào)節(jié)某一輸入變量數(shù)值來(lái)改變輸出值，更好的達(dá)到調(diào)節(jié)目的。在鍋爐燃燒特性建模完成的基礎(chǔ)上，利用遺傳算法、模擬退火方法等全局尋優(yōu)算法在可行域內(nèi)對(duì)鍋爐的最佳燃燒工況進(jìn)行尋優(yōu)，獲得不同煤種下各燃燒參數(shù)的最佳設(shè)定值，

27、可以指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化控制。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低NOx高效燃燒的在線(xiàn)控制，對(duì)提高鍋爐燃燒優(yōu)化控制水平，降低NOx排放和提高鍋爐效率具有重要意義。5.2.3優(yōu)化問(wèn)題5燃燒優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算最佳的控制定值，從而能讓運(yùn)行得到改進(jìn)，如提高鍋爐效率及減少污染排放，同時(shí)滿(mǎn)足運(yùn)行安全性的限制要求。燃燒優(yōu)化系統(tǒng)采用遺傳算法（Genetic Algorithm）來(lái)獲得最佳定值。GA是一種優(yōu)化技術(shù)，它對(duì)生物遺傳演化和自然選擇進(jìn)行模擬。本質(zhì)上，GA創(chuàng)建計(jì)算“家族”允許交配以及隨機(jī)變異，將每一代中適應(yīng)性最強(qiáng)的基因傳給下一代。隨著時(shí)間的推移，確定最強(qiáng)的或最佳的定值族。多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題X表示氧量、一次風(fēng)各風(fēng)門(mén)開(kāi)度、二次風(fēng)各風(fēng)門(mén)開(kāi)度、燃

28、盡風(fēng)各風(fēng)門(mén)開(kāi)度、一次風(fēng)壓、二次風(fēng)壓、總?cè)剂狭?、各層煤粉流量、燃燒器擺角等組成的優(yōu)化向量；D表示機(jī)組負(fù)荷、燃煤熱值等不可控干擾向量；Y表示飛灰含碳量、排煙溫度等可控干擾向量；Z=F3(X)表示機(jī)組除效率和氮氧化物之外的其它約束關(guān)系；Xmin和Xmax表示優(yōu)化操作向量的約束范圍。通過(guò)對(duì)這兩目標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，我們還可以得到偏重提高效率或者是偏重降低NOx排放的優(yōu)化控制結(jié)果。正交試驗(yàn)多因素試驗(yàn)方法，適用于多因素、多指標(biāo)、因素間存在交互作用及具有隨機(jī)誤差的試驗(yàn)，具有試驗(yàn)工作量小、信息量豐富、試驗(yàn)方案程序化的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各影響因素進(jìn)行組合簡(jiǎn)化試驗(yàn)。將這種試驗(yàn)方法應(yīng)用于鍋爐燃燒優(yōu)化，能夠掌握了解多種因素的共

29、同影響，通過(guò)合理的試驗(yàn)次數(shù)分析各因素及其交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，并按其重要程度找出主次關(guān)系，確定最佳的運(yùn)行參數(shù)。模型的自適應(yīng)技術(shù)鍋爐燃燒是一個(gè)非線(xiàn)性的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如果只是建立線(xiàn)性模型或者穩(wěn)態(tài)模型,往往不能進(jìn)行很好的燃燒優(yōu)化。入爐煤種的不穩(wěn)定，再加上鍋爐檢修、積灰、結(jié)渣等因素的影響,使得在性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立的鍋爐模型失配嚴(yán)重,所以如何利用最新的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的在線(xiàn)自適應(yīng)修正和建模顯得格外重要，也是成功進(jìn)行燃燒優(yōu)化的關(guān)鍵。相對(duì)于國(guó)外燃煤電站鍋爐,我國(guó)電站鍋爐具有煤質(zhì)多變，負(fù)荷變化大的特點(diǎn)，導(dǎo)致一些進(jìn)口的燃燒優(yōu)化控制軟件在國(guó)內(nèi)應(yīng)用存在適應(yīng)性差的問(wèn)題。鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)采用自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)鍋爐最新

30、的燃燒過(guò)程更新樣本數(shù)據(jù)，在線(xiàn)修正燃燒優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，將運(yùn)行中出現(xiàn)的新的“工況點(diǎn)”加入模型，使模型隨著時(shí)間的推移得到不斷的擴(kuò)充和完善，同時(shí)保證模型與變化的鍋爐特性相“匹配”，使燃燒優(yōu)化系統(tǒng)滾動(dòng)更新，保證優(yōu)化效果長(zhǎng)期有效。5.3 總體方案首先利用歷史數(shù)據(jù)站存儲(chǔ)的大量來(lái)自DCS的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立鍋爐操作變量（如：氧量設(shè)定、磨煤機(jī)偏置、風(fēng)量偏移量等）、干擾變量與反應(yīng)鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性、安全運(yùn)行、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(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型。采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模與多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化（NN-GA）的系鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)在線(xiàn)進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化,同時(shí)在線(xiàn)模型參數(shù)可以根據(jù)新的穩(wěn)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

31、或測(cè)試數(shù)據(jù)滾動(dòng)更新，及時(shí)修正更新在線(xiàn)模型參數(shù)。離線(xiàn)建模調(diào)試結(jié)束后，可在線(xiàn)利用模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，通過(guò)對(duì)風(fēng)、粉、氧量等影響鍋爐燃燒特性的操作變量的設(shè)定值或偏置進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)基于多目標(biāo)的鍋爐安全運(yùn)行、低排放運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。5.4 優(yōu)化模式優(yōu)化結(jié)果可以以開(kāi)環(huán)指導(dǎo)、閉環(huán)控制兩種工作模式與機(jī)組的DCS控制系統(tǒng)相連接。 開(kāi)環(huán)優(yōu)化模式鍋爐運(yùn)行優(yōu)化控制系統(tǒng)將優(yōu)化結(jié)果，即與鍋爐運(yùn)行性能有關(guān)的各個(gè)操作量的偏置值，提交給運(yùn)行人員，由運(yùn)行人員手工設(shè)定DCS設(shè)定值的偏置量。 閉環(huán)優(yōu)化模式鍋爐運(yùn)行優(yōu)化控制系統(tǒng)將優(yōu)化結(jié)果，即與鍋爐運(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。采用閉環(huán)優(yōu)化模

32、式，優(yōu)化控制系統(tǒng)反饋給DCS的補(bǔ)償值可以采用兩種方式反饋給DCS：一是通過(guò)與DCS的數(shù)字通信，將優(yōu)化補(bǔ)償值傳送給DCS的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。這種方式需要的設(shè)備簡(jiǎn)單，但通信接口實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，一般最好能夠與DCS改造一起進(jìn)行。二是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)4-20mA電信號(hào)將優(yōu)化補(bǔ)償值送給DCS，由DCS采集這些新的補(bǔ)償信號(hào)，寫(xiě)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。這種方式需要的設(shè)備較前者復(fù)雜一些，但是數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。圖10 通過(guò)OPC通信方式或I/O硬接線(xiàn)方式將定值送入現(xiàn)有DCS圖11 5.5 系統(tǒng)實(shí)施（）安裝聲波測(cè)溫裝置并調(diào)試；（）數(shù)據(jù)接口調(diào)試：（2a）燃燒優(yōu)化系統(tǒng)與聲波測(cè)溫裝置接口通訊調(diào)試；（2b）燃燒優(yōu)化系統(tǒng)與DCS/SIS等軟件接口通訊或硬件數(shù)據(jù)傳送調(diào)試；（）燃燒調(diào)整試驗(yàn)按照實(shí)驗(yàn)方案確定實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行正交試驗(yàn)以采集鍋爐特性數(shù)據(jù)通過(guò)