電力鍋爐燃燒優(yōu)化策略探討

厲恩啟

摘 要：鍋爐是火電企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，目前火電鍋爐能耗約占全國總能耗的20%，鍋爐運行的經(jīng)濟穩(wěn)定關(guān)乎發(fā)電企業(yè)的競爭力和我國能源的安全。隨著工程化水平的提高，在火電生產(chǎn)行業(yè)中，對電站鍋爐的應(yīng)用水平已經(jīng)發(fā)展到了一個新的歷史高度，電力鍋爐的燃燒優(yōu)化問題有重要的研究價值和工程應(yīng)用價值。基于目前廣泛使用的控制系統(tǒng)，本文開展針對電廠鍋爐燃燒過程中控制策略的優(yōu)化問題探討。

關(guān)鍵詞：電力鍋爐；自動化技術(shù)；控制技術(shù)；優(yōu)化技術(shù)

0 引言

電力鍋爐燃燒效率關(guān)乎我國能源戰(zhàn)略的發(fā)展。隨著自動控制技術(shù)的引入，現(xiàn)代電力鍋爐的送風(fēng)量和送粉量實現(xiàn)優(yōu)化配置，提高電力鍋爐的燃燒效率從而實現(xiàn)成本優(yōu)化和減少碳排放。因此，如何實現(xiàn)電力鍋爐燃燒的最優(yōu)控制，具有重要的研究價值。火電鍋爐是一種復(fù)雜的參數(shù)時變非線性系統(tǒng)，同時受到燃煤品質(zhì)等眾多外部因素的影響，導(dǎo)致控制技術(shù)很難實現(xiàn)電力鍋爐燃燒過程的實時最優(yōu)控制。

1 電力鍋爐燃燒控制的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展迅速，國家電網(wǎng)已經(jīng)進入智能電網(wǎng)時代，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電自動控制，電網(wǎng)頻率、電壓自動控制和變電站無人值守等高度自動化的功能。與之對應(yīng)，作為電力生產(chǎn)設(shè)別的電站鍋爐的要求也越來越高。在歐美發(fā)達國家，鍋爐燃燒的自動化控制已經(jīng)獲得了加大的應(yīng)用和推廣，近幾年來，通過合理的技術(shù)引入和國產(chǎn)技術(shù)的研究，我國大型鍋爐的燃燒優(yōu)化控制已經(jīng)獲得了長足進步并取得了大量成果。

我過電力鍋爐的熱效率在70%～80%之間，當(dāng)參與電網(wǎng)削峰填谷需求時，鍋爐在非額定負荷下工作，各項參數(shù)偏離最優(yōu)值，不但造成效率下降，成本增加，而且會產(chǎn)生意外停機的隱患。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，計算機控制技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，火電鍋爐的控制系統(tǒng)研究主要包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、工程師站和操作員站、組態(tài)語言和圖形界面。控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場總線技術(shù)并利用各種先進的控制策略，實現(xiàn)過程控制自動化和信息管理自動化的結(jié)合。其中控制策略主要包括PID控制和模糊控制兩個方面。

2 我國電力鍋爐燃燒控制的不足

量測設(shè)備固有的量測誤差和通信過程及數(shù)模接口處的誤碼、延遲，關(guān)鍵量測數(shù)據(jù)（如：飛灰含碳量、排煙溫度和煙氣含氧量等）誤差偏大或者滯后，導(dǎo)致風(fēng)、煤調(diào)節(jié)失準，燃燒過程惡化，效率降低；此外，這些關(guān)鍵參數(shù)間的交互影響和作為調(diào)節(jié)盤踞的理論依據(jù)缺乏深入研究。

無論是國產(chǎn)控制系統(tǒng)還是進口控制系統(tǒng)，大多采用PID控制器，PID控制器的原理簡單，速度較快，可以有效處理簡單系統(tǒng)的控制問題。但是鍋爐燃燒系統(tǒng)屬于動態(tài)多輸入多輸出系統(tǒng)，且包含大量非線性、死區(qū)和滯后等特性的元件，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型。利用單一的控制器，法有效的實現(xiàn)鍋爐燃燒過程的有效控制，即使在某些事件斷面可以實現(xiàn)穩(wěn)定運行，但只要出現(xiàn)擾動或者參數(shù)變化，控制策略就會失效。

控制系統(tǒng)中各種參數(shù)都是按照穩(wěn)態(tài)運行時進行整定的離線參數(shù)，缺乏自適應(yīng)能力，而實際運行工況多變，單一控制策略無法滿足鍋爐內(nèi)部擾動、外部擾動、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)等多變的運行狀況。如常規(guī)主汽壓力控制參數(shù)按照穩(wěn)態(tài)過程設(shè)置，當(dāng)電網(wǎng)負荷側(cè)出現(xiàn)打擾動時發(fā)電機需要提高發(fā)電量，此時鍋爐燃燒的調(diào)節(jié)速度滯后，會出現(xiàn)壓力越線的問題。

實際發(fā)電廠有多組鍋爐和多組發(fā)電機并行運行，共用一個主蒸汽母管的情況。為保證母管壓力的穩(wěn)定，傳統(tǒng)的控制策略是由調(diào)壓爐單獨承擔(dān)調(diào)壓任務(wù)，其他鍋爐保證穩(wěn)態(tài)運行；但當(dāng)某一時間段母管壓力出現(xiàn)大幅震蕩時，單一鍋爐無法實現(xiàn)調(diào)壓任務(wù)，此時可能會導(dǎo)致母管壓力的失穩(wěn)。

3 監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能工作中的改進

量測信號的優(yōu)化。電力系統(tǒng)PMU量測等具有同步量測和高精度的量測設(shè)施可以有效解決量測信息的同步問題。通過對鍋爐量測信號添加時標(biāo)，實現(xiàn)量測信息的同步，可以有效避免量測信號的時間誤差導(dǎo)致的精度問題。同時，利用量測信號的冗余度，對量測生數(shù)據(jù)進行合理的濾波處理，剔除錯誤數(shù)據(jù)，濾除誤差信息，有效提高量測數(shù)據(jù)的精度。

控制技術(shù)和控制策略的優(yōu)化。控制技術(shù)包括積分微分（PID）控制、模糊控制和預(yù)測控制等。不同的控制技術(shù)有各自的優(yōu)缺點，單一的使用某一個方法無法實現(xiàn)鍋爐燃燒過程的有效控制。通過分析鍋爐系統(tǒng)中不同子系統(tǒng)的特點和不同控制方法的優(yōu)缺點，對不同的子系統(tǒng)選擇或者研發(fā)出理的控制方法實現(xiàn)針對性控制；對于更復(fù)雜的情況，利用不同控制方法融合技術(shù)，如模糊PID控制、模糊預(yù)測控制等，實現(xiàn)對燃燒系統(tǒng)的復(fù)合優(yōu)化控制。

燃燒系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化和復(fù)合控制。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主要包括：送風(fēng)控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)和燃料量控制系統(tǒng)。進行上述系統(tǒng)的控制進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，可能會導(dǎo)致子系統(tǒng)非最優(yōu)控制，但可以實現(xiàn)整個燃燒系統(tǒng)的最優(yōu)控制，保證燃燒系統(tǒng)的最優(yōu)運行。

燃燒優(yōu)化系統(tǒng)頂層設(shè)計優(yōu)化。優(yōu)化系統(tǒng)可以分為5部分，包括原始信號的校準、信號的構(gòu)建、控制系統(tǒng)優(yōu)化、鍋爐燃燒狀態(tài)的評估和燃燒優(yōu)化方案的反饋改進。通過改進優(yōu)化設(shè)計的頂層結(jié)構(gòu)，明確各功能模塊的職責(zé)，構(gòu)建合理的軟件平臺、采用相應(yīng)的技術(shù)手段和新能評價指標(biāo)進行現(xiàn)場調(diào)試，保證鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)功能的有效性。

4 總結(jié)與展望

電力鍋爐燃燒過程的優(yōu)化控制，保證鍋爐運行各項指標(biāo)的最優(yōu)化，實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒和綠色燃燒。但由于電力鍋爐燃燒過程建模的復(fù)雜性，以及實際運行各項指標(biāo)參數(shù)間的復(fù)雜關(guān)系，各種理論和方法目前還不夠完善。電力鍋爐的分析計算模型，鍋爐運行中的各種優(yōu)化控制方法和參數(shù)都需要進一步的深入研究和不斷提高，為提高火電廠的經(jīng)濟運行以及電力企業(yè)的整體運行進行技術(shù)性指導(dǎo)。

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