SOFA配風調整對爐膛出口煙溫影響的研究

煙臺龍源電力技術股份有限公司 高金玉 陳 龍

北京國電電力有限公司大連開發區熱電廠 孫 磊 鄭鴻志 趙樹龍

1 引言

氣候變化是人類面臨的全球性問題，隨著各國二氧化碳排放，溫室氣體猛增，對生命系統形成威脅。在這一背景下，世界各國以全球協約的方式減排溫室氣體，我國由此提出碳達峰和碳中和目標。“十四五”時期是實現碳達峰目標關鍵時間窗口，也是加快構建清潔低碳、安全高效能源體系的關鍵五年，在碳中和碳達峰的雙重目標引領下，火力發電企業也在緊鑼密鼓的提高鍋爐燃燒效率，通過對燃燒系統的調節優化機組的經濟性和環保性。

SOFA 風作為電站鍋爐燃燒末端補充的燃燒空氣起到幫助充分燃燒的作用，因此SOFA 風的有效調節與控制能降低NOx 排放[1]，減少爐膛出口煙溫偏差，降低飛灰，同時還能夠減少CO 生成。王潛等研究發現通過調整二次風和SOFA 風風門開度,可以有效降低爐內兩側的煙溫偏差,提高鍋爐運行的安全性[2]。吳乃新等采用冷態模擬實驗和數值模擬的研究了SOFA 配風在不同運行工況對煙氣側的煙氣偏差特性影響規律[3]，但是沒有實際的應用案例。劉基昌等提出了一種基于分離燃盡風風速度偏置的煙溫偏差控制方法，研究了SOFA 配風風速對爐膛出口煙溫的影響[4]。以上研究均說明SOFA 配風與爐膛出口煙溫有著很大的關聯性。

本文的研究對象為北京國電電力大連開發區熱電廠，該廠2×350MW-HG-1125/25.4-HM2鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主開發制造的超臨界褐煤鍋爐。為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行，采用不帶再循環泵的大氣擴容式啟動系統的直流鍋爐，鍋爐采用單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、π 型、半露天布置。采用中速磨直吹式制粉系統，每爐配5臺MPS200HP-II磨煤機，4運1備；煤粉細度R90=35%。鍋爐采用新型切圓燃燒方式，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，每層4只噴口對應一臺磨煤機。SOFA 燃燒器布置在主燃燒器區上方水冷壁的四角，以實現分級燃燒，降低NOx 排放。當前鍋爐二次風系統，尤其是二次風小風門系統很難建立一種有效的閉環控制策略，其主要原因在于缺乏爐內燃燒狀態的中間反饋狀態用于指導二次風控制。本研究借助該廠已經布置安裝的聲波測溫系統獲得的爐內燃燒的溫度場數據，通過調節SOFA 風門角操動頁開度，觀察溫度場的變換規律，進而獲得其與主汽溫變化的規律。

2 SOFA 風門角操激勵試驗

2.1 試驗目的

本次激勵試驗的重點是利用SOFA 風門的有規律的動作，觀察其它各項指標如溫度場、主汽溫、脫銷出口NOx 濃度的變化。最終希望能夠得到SOFA 風門開度與各項指標的良好模型，以采用SOFA 風門開度調節來微調溫度場、主汽溫兩側偏差等指標。

2.2 試驗原理

采用激勵辨識法作為模型辨識手段，對閉環數據首先進行一定的擾動處理，再將數據用于分析建模。激勵辨識法是一種能夠在閉環狀態下獲取動態過程模型的方法，其核心環節為激勵測試試驗。試驗通過在原控制系統輸入指令上疊加特定幅度的激勵信號，引起閉環控制系統有限幅度的擾動，一般來說這種擾動幅度為原控制指令自然波動幅度的5%-10%，不會對系統的控制品質造成明顯影響。激勵信號與原控制系統接入方式如下圖所示。

圖1 激勵信號與原控制系統

激勵信號采用廣義二進制噪聲信號與小幅值白噪聲的疊加信號作為試驗信號，信號的采樣頻率要比控制器采樣頻率高很多，試驗模塊使用測試信號對生產過程進行激勵。用戶需給出工業過程的穩態時間，試驗模塊據此自動生成試驗信號。

辨識模塊采用漸進性系統辨識方法（ASYM）來計算模型的參數，并選擇模型的階次，能夠計算局部線性模型的當前模型誤差上界和未來模型誤差上界，根據計算的局部線性模型的誤差上界用于劃分模型的品質等級，調整正在進行的試驗和決定試驗的結束時間。

2.3 試驗過程

本次SOFA 風門角操激勵試驗分別對#1、#2、#3、#4角操單獨做了激勵試驗，完成后又對#1-#3對角與#2-#4號對角、#1-#2同側角與#3-#4號同側角、#1-#4同側角與#2-#3號同側角分別進行了激勵試驗。具體試驗操作過程如下：

a.風門保持手動狀態穩定運行，維持一定開度，然后切換至自動狀態；

b.邏輯內開關量改為1，使指令切換到優化服務器輸出上；

c.由#1角風門開始進行激勵測試，初始激勵幅度在±5%以內，觀察一段時間后激勵幅度逐步增加到±10%左右；測試時間約1-2小時，測試結束后退出自動控制切手動，邏輯接口開關量改為0；

d.#2、#3、#4、角激勵試驗方式與#1角相同。

e.#1-#3對角與#2-#4號對角、#1-#2同側角與#3-#4號同側角、#1-#4同側角與#2-#3號同側角遵循單一變量法，保持同一組角操開度不變，另一組依然按照#1角操試驗的方式進行。

所有測試期間數據作為建模分析數據，建模完成后SOFA 層風門的控制策略為通過燃盡風角操開度量控制燃盡風率，對爐膛出口煙溫均值和主汽溫進行調節。

3 試驗數據處理與建模

所有的試驗數據全部通訊到裝有預測控制器的工控機上，預測控制器采用模型預測控制（MPC）技術，模型預測控制是一種基于模型的優化控制策略，其算法的核心是：可預測未來的動態模型，在線反復優化計算并滾動實施的控制作用和模型誤差的反饋校正。它的當前控制動作是在每一個采樣瞬間通過求解一個有限時域開環最優控制問題而獲得。過程的當前狀態作為最優控制問題的初始狀態，解得的最優控制序列只實施第一個控制作用。

通過對數據的研究分析，選擇SOFA 風門的四個角操開度作為控制變量（MV），采用聲波測溫裝置獲取的鍋爐燃燒的溫度場坐標數據、主汽溫溫度作為被控變量（CV），選擇SCR 入口NOx 濃度作為干擾變量DV 進行模型辨識。預測控制器會根據試驗獲取的數據自動進行濾波處理，并且建立模型。

模型建立完成后，預測控制器會根據已建立好的模型以SOFA 風門的四個角操開度為調節手段，以鍋爐燃燒溫度場最高溫度坐標點為中間變量，以主汽溫兩側偏差為最終調節目的進行優化控制調節。

4 SOFA 風角操開度的自動調節與效果

首先將SOFA 風的所有小風門層操、角操全部投自動，邏輯頁中的保護模塊置1，使得預測控制器接管SOFA 風的所有控制。預測控制器會根據先前建立好的模型規律，按照運行人員的設定要求對SOFA 風門進行自動控制，SOFA 風門角操會根據聲波測溫裝置測得的鍋爐折焰角附近的溫度場火焰中心位置反饋與運行人員設定的火焰中心位置進行不斷修正，SOFA 風門調節溫度場火焰中心示意圖（圖2）所示。使其過程值接近設定值，爐膛燃燒的火焰中心無限接近鍋爐的物理位置中心，這就使得爐膛出口兩側煙溫達到基本一致。

圖2 SOFA 風門調節溫度場火焰中心示意圖

SOFA 風門自動優化控制系統投運一段時間后，經過前后的數據對比發現，主汽溫兩側汽溫偏差得到明顯的改善，同時發現主汽溫溫度相比調整前也有所提高，圖3為SOFA 配風優化改造前后三個月的主汽溫兩側汽溫數值，每個數據節點是15天內的主汽溫平均值，由圖可見SOFA 風門優化投入后較投入前主汽溫兩側汽溫偏差明顯減小，且主汽溫整體溫度也有所提高。

SOFA 風門自動優化的投入通過優化SOFA 風門各角操之間的送風配比來調整爐膛燃燒火焰中心位置，進而達到調整主汽溫兩側的溫度偏差的目的，并沒有改變SOFA 風的總風量，因此并沒有影響到煤粉的二次燃燒，SOFA 風門自動優化投入后，由于燃燒得到了更好的優化配比，因此NOx 與飛灰的生成量也有所下降，由此證明本優化方案沒有對環保參數產生任何影響。

5 結語

本文通過試驗與仿真測試得出SOFA 風門角操對爐膛火焰中心有著重要的作用，通過對SOFA 風門四個角操開度進行試驗，建立了SOFA 風量與爐膛燃燒火焰中心之間的控制策略，通過改變SOFA風門的配風量，可對爐膛火焰中心進行微調，使得爐膛兩側出口煙溫接近平衡，進而達到調節主熱蒸汽兩側溫度偏差大的問題，有效提高機組的安全性和經濟性。本文從嘗試改變北京國電電力大連開發區熱電廠#1機組主汽溫兩側偏差的這一問題入手，總結出了一套通過調節SOFA 風門的不同配比調節爐膛出口煙溫的方法，本方法可對具有同類問題的機組起到一定的指導作用。