1、锅炉闭环燃烧优化控制研究与应用进展,清华大学热能工程系2014年4月,锅炉闭环燃烧优化控制研究与应用进展,为什么现在提及锅炉燃烧优化控制投运锅炉燃烧优化控制的意义锅炉燃烧优化控制的两种主要思路基于燃烧特性模型的燃烧优化控制基于燃烧分布测量的燃烧优化控制锅炉燃烧优化控制的有效性锅炉投运燃烧优化控制系统的条件,为什么现在提及锅炉燃烧优化控制,外因：煤价居高，电厂利润空间下降，要求电厂实现精益生产，降低煤耗，提高市场竞争力。节能减排成为国家的大政方针，成为政治要求和目标。内因：电力生产需要逐渐从粗放管理向精益生产过渡。需要解决运行人员差异引起的运行效率差异问题。最大程度地解决煤质变化引起的燃烧效率变
2、化问题。需要最大程度地利用DCS的可控性和各种仪表来进一步产生经济效益，自动化不只是要减员，更要增效。技术：技术逐渐成熟（自动化理论、计算机、分析仪表，DCS）观念不断更新（电厂，研究者）热工自动化研究人员一直没有停止过努力,投运锅炉燃烧优化控制的意义,使锅炉的整体运行水平上一个台阶 测量、控制提高节能意识，实现精益生产实现锅炉闭环的燃烧优化控制，节能减排,锅炉燃烧优化控制的两种主要思路,（1）基于燃烧特性模型的优化控制（2）基于燃烧分布测量的优化控制,机组稳态运行特性,NOx,排烟温度,飞灰含炭,过量空气系数,CO含量,优化目标量,控制量,操作量,非线性寻优,最佳,机组负荷,一次风量,各层二
3、次风量,磨煤机出口风温,烟气含氧量,给煤机偏置,燃烧器组织,煤质,建立锅炉操作与结果的特性模型，据此进行优化控制,锅炉燃烧优化控制的两种主要思路,（1）基于燃烧特性模型的优化控制（2）基于燃烧分布测量的优化控制,测出炉膛温度和成分的三维分布场，据此进行优化控制,由一个简单的例子开始,基于燃烧特性模型的优化控制,O2,q2 q4,煤质变化,最佳氧量,由一个简单的例子开始,基于燃烧特性模型的优化控制,O2,q2 q4,配风方式（一次风量，二次风量，过燃风量，二次风分布）配煤方式燃烧器倾角分离器开度,锅炉效率NOx排放飞灰含碳,锅炉燃烧特性模型进一步考虑动态过程,基于燃烧特性模型的优化控制,热力试验
4、,运行参数设定值,PID控制器,锅炉,安全性闭环控制,效率排放,燃烧优化控制,燃烧性能闭环控制,+,-,+,-,最佳性能,通过机组各负荷的工况试验，获取各个调节参数与优化目标（锅炉效率和氮氧化物）的对应关系。分析数据，建立数学模型，生成表征锅炉燃烧特性的稳态控制模型（神经网络模型，克里各模型，统计模型）。通过模型的自学习，始终使模型与锅炉燃烧特性一致，从而保证模型的有效性。通过模型，进行寻优，得出锅炉燃烧工况对应的最优调节参数，稳态时直接控制调节量，动态时用优化得出的控制量设定值作为预测控制的设定值，通过动态控制，得到DCS调节量的最优设定值，从而使燃烧始终处于最佳的状态。,基于燃烧特性模型的
5、优化控制,机组负荷燃烧煤质煤粉状态一次风量总二次风量（氧量）二次风分配磨煤机出口风温给粉机偏置燃烧器的倾角燃烧器组织,机组负荷燃烧煤质煤粉状态一次风量各层二次风量过燃风量各层给粉机偏置磨煤机出口风温烟气含氧量燃烧器的倾角燃烧器组织,珞璜电厂2炉W火焰,长兴电厂2炉，前后墙对冲,优化哪些量？,基于燃烧特性模型的优化控制,（1）建立锅炉燃烧特性的稳态模型,机组稳态运行特性,机组负荷,一次风量,各层二次风量,磨煤机出口风温,烟气含氧量,给煤机偏置,燃烧器组织,NOx,排烟温度,飞灰含炭,过量空气系数,CO含量,历史数据,试验数据,优化目标量,煤质,基于燃烧特性模型的优化控制,用人工神经网络建立稳态模
6、型,机组稳态运行特性,NOx,排烟温度,飞灰含炭,过量空气系数,CO含量,优化目标量,机组负荷,一次风量,各层二次风量,磨煤机出口风温,烟气含氧量,给煤机偏置,燃烧器组织,煤质,基于燃烧特性模型的优化控制,克里格模型和其它统计模型也是重要的建模手段,Optimal Control of Power Plant Performance,（2）寻优，建立机组最佳的工作点,机组稳态运行特性,NOx,排烟温度,飞灰含炭,过量空气系数,CO含量,优化目标量,控制量,操作量,非线性寻优,最佳,机组负荷,一次风量,各层二次风量,磨煤机出口风温,烟气含氧量,给煤机偏置,燃烧器组织,煤质,基于燃烧特性模型的优化
7、控制,（3）通过动态控制，将机组控制在最佳的工作点,最佳控制量,稳态模型,预测控制,锅炉,动态模型,反馈,偏差,基于燃烧特性模型的优化控制,（4）安全性保证,基于燃烧特性模型的优化控制,以补偿的方式，将最优设定加到DCS控制回路握手信号异常工况退出动态的优化空间运行人员随时可以切除优化补偿,Optimal Control of Power Plant Performance,可以理解成DCS之上的锅炉性能控制站,锅炉,燃烧优化控制,DCS,测量,控制,通讯,通讯,锅炉性能控制站,基础控制层,控制对象,监督控制层,基于燃烧特性模型的优化控制,Optimal Control of Power Pl
8、ant Performance,燃烧优化服务器,可以理解成DCS之上的锅炉性能控制站,基于燃烧特性模型的优化控制,基于燃烧分布测量的优化控制,首先测量炉膛三维成分分布（CO，O2，NOx）根据操作与分布的关系进行优化控制根据操作与结果的关系进行优化控制,炉膛三维分布测量,机组负荷,一次风量,各层二次风量,磨煤机出口风温,烟气含氧量,给煤机偏置,燃烧器组织,NOx,排烟温度,飞灰含炭,过量空气系数,CO含量,煤质,Optimal Control of Power Plant Performance,基于燃烧分布测量的优化控制,燃烧三维分布测量原理,原子吸收光谱根据能级跃迁原理，原子从基态跃迁到某
9、激发态，会吸收特定波长的光波作为跃迁的能量。特定的原子会对某几个波长的光波强烈吸收，通过实验，得到这个吸收的谱线，就是原子吸收光谱。对于光波，(波長) (频率) = 光速，因此特定波长就是特定频率，那么原子吸收光谱就可以利用频谱分析的方法进行检测。,基于燃烧分布测量的优化控制,燃烧三维分布测量原理,选择某原子吸收光谱中最有代表性的几个波长（频率）作为激光，打向待检测的区域，在另一头接收，测出各波长（频率）激光能量的衰减量，比照标定结果，就可算出在激光通过的路径上，该原子的量是多少。对于温度，同样可以靠接收某些红外激光的信号，来测得路径的平均温度。利用频谱分析理论，将多种波长（频率）激光组合成一
10、束，就能同时测量激光路径上多种原子的沿路径平均浓度和沿路径温度均值。,基于燃烧分布测量的优化控制,燃烧三维分布测量原理,由于炉膛内很脏，激光势必会被遮挡、散射，有较大的衰减，姑且称为背景衰减。我们可以假设，炉膛里的脏东西对激光的所有波长是没有选择性的进行散射的，所以可认为，各波长的能量从发出到接收，衰减了同一个比例，设为x。于是，用接收到的某波长的能量信号除以总的接收到的能量信号，用这个值来计算此波长对应的物质含量，就可消掉x，既消除了背景衰减的影响。,Optimal Control of Power Plant Performance,基于燃烧分布测量的优化控制,对于炉膛，在一个横截面内，布
11、置多路激光检测器，得到多路被测量（O2、CO、温度等）的均值，通过类似医学成像里CT扫描的方法，可以反算出被测量在这一截面上的分布图。这是有现成算法的，显然其精度随测量路径的增多而提高。不过只需少数几路，就可给出大致的示意效果。ZOLO公司完整的一套系统，装在炉膛上的探头只是光纤，激光发生器只有一个，每隔15秒切换一路光纤，刷新一个结果。如果如图所示，在一个横截面内布置了5组发射-接收探头，则每75秒彻底更新一次结果。但每15秒有了1/5的新数据，就可重新算一次各被测量的断面分布图。因此其实时性还是比较好的。,燃烧三维分布测量原理,Optimal Control of Power Plant
12、Performance,基于燃烧分布测量的优化控制,有了炉膛某截面的实时氧量、CO（表征燃尽性）、温度等的分布图，就可进行有针对性的调整。ZOLO的产品本身只负责测量，提供结果，不包括优化调节部分，但他们已经有与国外一些知名燃烧优化公司合作的经验。基于截面分布图，可以调整燃烧，使得氧量、温度分布合理，提高稳定性传热效率，降低氧量和CO量，提高燃尽性，同时较低的温度值还有助于NOx排放。,燃烧三维分布测量原理,Optimal Control of Power Plant Performance,基于燃烧分布测量的优化控制,燃烧三维分布测量原理,如右图，前后墙对冲，单侧一排布置5个燃烧器，ZOLO
13、的系统也是对应布置了5路激光探头，再在垂直方向布置了两路，以判断前后墙。实时测得第5路激光路径CO含量均值异常，再配合截面分布图或6、7路的数据，可确定是哪个旋流燃烧器燃烧状况发生恶化，燃尽性变差，于是可即时对其进行调整。图中给出了发现问题后，经过1小时的调节，燃烧状况恢复正常。,锅炉燃烧优化控制的有效性,第一类燃烧优化控制系统在国内外应用较多天津杨柳青电厂300MW机组、山东莱城电厂300MW机组、浙江台州电厂300MW机组华能珞璜电厂300MW机组、浙能长兴电厂300MW机组、华电西塞山电厂300MW机组，中电投通辽发电总厂600MW机组一般使锅炉效率提高0.3-0.6%左右，NOx降低10%左右。第二类燃烧优化控制系统在国内尚没有应用报道可以想象是一个非常好的监视系统,可以提高锅炉的安全性和经济性需要与专门的优化控制相结合，才能实现闭环的燃烧性能优化控制,锅炉投运燃烧优化控制系统的条件,第一类燃烧优化控制系统锅炉调节性能良好飞灰含碳测量、NOx测量第二类燃烧优化控制系统锅炉调节性能良好首先实现一种安全性监控如果要实现闭环控制，也必须安装飞灰含碳测量、NOx测量,谢谢大家！,
