電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化策略分析

王 騰

（中外合資合肥第二發(fā)電廠，安徽 合肥 230000）

1 常見的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

1.1 燃燒理論模型

在充分理解并掌握電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)燃燒理論基礎(chǔ)上，可建立起相應(yīng)的理論模型，用于探討求解方法。在對鍋爐燃燒狀況進行模擬時，可借助數(shù)值方式實現(xiàn)，但這一方法運算過程復(fù)雜且耗時長。對于部分電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)燃燒機理不明確且無法使用數(shù)值計算的情況，可以采用燃燒理論模型結(jié)合離線分析與高仿真技術(shù)方法完成計算[1]。

1.2 實驗調(diào)整技術(shù)

電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)優(yōu)化可以通過實驗調(diào)整技術(shù)方式實現(xiàn)，這一技術(shù)能夠精準(zhǔn)判定合理的風(fēng)量與煤量比例，從而在實驗中確定鍋爐燃燒設(shè)備最佳運行參數(shù)。不僅如此，還可以制定出最為科學(xué)計算機控制曲線，根據(jù)曲線控制方法，使鍋爐以最佳的狀態(tài)運行燃燒。但是，在實驗操作中，技術(shù)人員仍要保證新機組試運行前，完成單因素與正交實驗，提高應(yīng)用合理性。

1.3 檢測技術(shù)優(yōu)化

檢測技術(shù)優(yōu)化需要和燃燒優(yōu)化聯(lián)系在一起，通過優(yōu)化檢測技術(shù)，可對系統(tǒng)內(nèi)部燃燒狀態(tài)進行全面監(jiān)控，為系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化調(diào)整提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。此種方法在我國應(yīng)用范圍較廣，具體而言，主要是對煤炭分析技術(shù)、火焰檢測技術(shù)、風(fēng)煤量檢測技術(shù)等進行優(yōu)化，最終可以達到優(yōu)化鍋爐燃燒的總體目標(biāo)。

1.4 燃燒設(shè)備改造

在對鍋爐設(shè)備設(shè)計改造階段，要站在設(shè)備燃燒理論模型基礎(chǔ)上進行，主要是實現(xiàn)設(shè)備燃燒器的優(yōu)化設(shè)計與改造。設(shè)備的質(zhì)量直接影響鍋爐燃燒，所以要提高電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)燃燒效率，首先要對設(shè)備進行改造。實際操作中，不同設(shè)備的改造會受到燃燒制粉系統(tǒng)、煤炭種類等因素影響。

2 集成控制系統(tǒng)在電站鍋爐燃燒控制中應(yīng)用

2.1 理論概述

電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用到的控制系統(tǒng)模式為集成控制系統(tǒng)，簡稱為DCS系統(tǒng)。這一系統(tǒng)模式在工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中較為常見，除了具備常規(guī)的系統(tǒng)采集和數(shù)據(jù)處理功能之外，還具有可執(zhí)行監(jiān)督與設(shè)備運行的優(yōu)勢。集成控制系統(tǒng)在電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、運行控制、順序控制。且針對燃燒控制系統(tǒng)特征，工作人員可采用集成控制系統(tǒng)作為主要的控制方法，為燃燒過程提供更為經(jīng)濟和安全的保障，提高電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)整體運行期間的穩(wěn)定性。具體操作中，可針對動態(tài)變化因素進行調(diào)整，比如，外部因素當(dāng)中的機組負(fù)荷與煤炭品質(zhì)等[2]。

2.2 設(shè)計思路

在對DCS系統(tǒng)的應(yīng)用價值進行設(shè)計中，主要要從以下方面進行操作： （1） 系統(tǒng)硬件平臺角度。電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)運行的關(guān)鍵在于硬件平臺的構(gòu)建，比如，計算機系統(tǒng)、PLC和傳感器設(shè)備等。在系統(tǒng)管理層方面，相關(guān)人員要利用DCS系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，針對異常運行問題提出相應(yīng)的制定，從而解決故障問題。在控制層面上，硬件平臺可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)運行傳輸，并根據(jù)操作人員的具體命令進行系統(tǒng)管理。此種方法也實現(xiàn)了現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)控制與對接，確保二者間的數(shù)據(jù)信息可以實時傳輸。 （2） 軟件設(shè)計角度。軟件設(shè)計的作用是為硬件設(shè)備和技術(shù)提供支撐，在進行設(shè)計中，要確保軟件平臺對燃燒系統(tǒng)的控制、管理與監(jiān)督。 （3）系統(tǒng)運行角度。系統(tǒng)運行主要體現(xiàn)在自動化運行和手動操作運行等兩種形式。在實際的操作中，自動控制方面主要的優(yōu)勢為PLC引入，借助PLC可以實現(xiàn)自動儀表的信號處理，將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的控制變量。在電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中融入上述變量，便能實現(xiàn)自動控制的目標(biāo)。手動控制中，主要是由操作人員對設(shè)備和相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進行觀察，并結(jié)合蒸汽壓力、蒸汽溫度、爐膛壓力等信息，對鼓風(fēng)機以及給水泵等設(shè)備的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，確保設(shè)備頻率符合實際運行需求。

3 電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化策略

3.1 任務(wù)分析

若想從根本上實現(xiàn)電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整，就要對其日常運行的狀態(tài)、優(yōu)化控制的目的以及產(chǎn)物蒸汽特性等方面進行的優(yōu)化分析，以此提高電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性與安全性[3]。在此環(huán)節(jié)中，相關(guān)技術(shù)人員要對控制任務(wù)進行分析：首先，在對電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計時，要確保鍋爐出口位置保持穩(wěn)定的蒸汽壓力。電站鍋爐系統(tǒng)主要的產(chǎn)物是蒸汽，蒸汽質(zhì)量高低會直接影響到后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)能否順利進行。通常情況下，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量和負(fù)荷需求蒸汽量要在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動，如果蒸汽壓力出現(xiàn)明顯波動，則要對進料量進行調(diào)整，以此達到穩(wěn)定壓力平衡的目的。其次，進入到爐膛內(nèi)的燃料要能充分燃燒，且獲取燃燒所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。這一任務(wù)要求了進入到爐膛內(nèi)部參與燃燒的空氣量與燃燒量比例適當(dāng)。最后，要確保鍋爐運行安全，穩(wěn)定爐膛內(nèi)負(fù)壓。如果爐膛內(nèi)壓力過低，會導(dǎo)致外部壓力超過內(nèi)部壓力，外界的冷空氣進入到爐膛內(nèi)部，出現(xiàn)大量的熱量損失。如果壓力過大，容易產(chǎn)生噴火問題，造成現(xiàn)場與人員安全問題，所以要將爐膛內(nèi)壓力控制在合理范圍內(nèi)。

3.2 控制方案設(shè)計

3.2.1 蒸汽壓力控制

鍋爐壓力要控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)，從而滿足實際生產(chǎn)需求。以往蒸汽壓力控制方案中，蒸汽壓力為被控制量，燃煤流量為控制量，同時還引入了蒸汽流量作為前饋量，以此減少系統(tǒng)延遲時間。但是傳統(tǒng)方法在運行中難以避免存在缺點，比如控制時間長、參數(shù)波動大，此種情況導(dǎo)致最終控制效果不理想。為了解決這一問題，設(shè)計出如下方法進行電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)優(yōu)化如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)蒸汽壓力控制流程圖

在控制流程圖應(yīng)用過程中，還要使用模型預(yù)測的方式，對鍋爐在某一運行時刻的輸出值進行計算。假定系統(tǒng)運行到k時刻，對系統(tǒng)施加單一控制量為u （k），借助公式 （1），可以對系統(tǒng)輸出值的誤差矯正，如下：

式中：yp（k） —矯正結(jié)果；y （k+1） —系統(tǒng)實際輸出值；ym（k） —系統(tǒng)在k時刻的輸出模型預(yù)測結(jié)果。

模糊控制、模糊預(yù)測控制與常規(guī)PID控制三種控制方法分別能產(chǎn)生不同的系統(tǒng)控制效果： （1） 模糊控制下，系統(tǒng)上升時間慢，但是超調(diào)量較低，會產(chǎn)生輕微震蕩，穩(wěn)定時間較比常規(guī)控制更快； （2） 模糊預(yù)測控制實際應(yīng)用高效果最佳，雖然上升時間略慢，但是系統(tǒng)更加穩(wěn)定，不會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象；（3） 常規(guī)控制上升速度快，DNA系統(tǒng)超調(diào)量較大，且系統(tǒng)震蕩劇烈，進入穩(wěn)定狀態(tài)時間最長。

3.2.2 爐膛壓力控制

爐膛壓力設(shè)計關(guān)系到電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)運行安全，爐膛壓力控制系統(tǒng)中，被控量為爐膛壓力、控制量為引風(fēng)量。根據(jù)實際情況可得，傳統(tǒng)控制方法之中加入幾種現(xiàn)代化智能控制方法，僅能改善傳統(tǒng)控制方法帶來的不足，這一方式雖然可以獲得更高經(jīng)濟效益，但是卻忽視了對環(huán)境的保護。本文設(shè)計的方案將模糊控制方法加入傳統(tǒng)控制方法中，實現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)節(jié)模糊PID控制。系統(tǒng)設(shè)計中，主要設(shè)計內(nèi)容是模糊控制器，主要包括了輸入?yún)?shù)量化、隸屬度函數(shù)選擇、模糊規(guī)則建立。其中，模糊規(guī)則建立關(guān)系到控制器的控制品質(zhì)。爐膛壓力PID控制器設(shè)計與選用，輸入量是爐膛壓力輸入值和輸出值偏差e與偏差變化率ec，輸出量是經(jīng)過模糊優(yōu)化有的△Kp、△Kd、△Ki，可以對控制器進行參數(shù)整定，如公式 （2） 所示：

公式2當(dāng)中的參數(shù)為PID控制器給定的初始值。采用常規(guī)PID控制方法，系統(tǒng)的超調(diào)量超過原本目標(biāo)值的20%，且系統(tǒng)進入到穩(wěn)定狀態(tài)后，花費的時間較長。與常規(guī)方法相比，采用了模糊控制方法結(jié)合PID之后，系統(tǒng)超調(diào)量明顯降低，且時間指標(biāo)縮短，控制效果極大增強。

3.2.3 煙氣氧含量控制

電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的煙氣含量控制系統(tǒng)主要反映的是進入到爐膛內(nèi)部的燃料與供給燃燒所需要的空氣間的定量關(guān)系。煙氣含氧量控制就是對二者比值的控制，將其控制在合理范圍內(nèi)，能夠提升鍋爐燃燒效率，這一方法也是一種提高燃燒經(jīng)濟性的有效方法。但是含氧量獲得存在滯后性，所以采用燃料費前饋、氧量調(diào)節(jié)、送風(fēng)調(diào)節(jié)串級前饋控制系統(tǒng)，可以完成送風(fēng)量調(diào)控系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制。內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制共同組成了雙閉環(huán)控制模式，其中外環(huán)調(diào)節(jié)器選取常規(guī)PID控制，內(nèi)環(huán)控制器采用模糊PID控制，實現(xiàn)了煙氣含氧量始終在合理范圍內(nèi)，優(yōu)化二者比例關(guān)系。在使用常規(guī)PID控制時，系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量大，且進入穩(wěn)定時間較長。為了解決這一問題，同樣可以采用模糊控制方法，優(yōu)化控制效果。經(jīng)過了模糊控制后，系統(tǒng)超調(diào)量小、響應(yīng)速度快、震蕩小，且能夠以較快的速度進入到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，在我國科學(xué)技術(shù)水平提升的背景下，將多種不同的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)優(yōu)化方法應(yīng)用到系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中，有利于充分提高燃燒控制系統(tǒng)的實際運行效率。電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制，能夠在投資較少的情況下，確保鍋爐系統(tǒng)以低成本的狀態(tài)穩(wěn)定運行，此種模式能夠充分地提高發(fā)電企業(yè)的競爭能力，為建立環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會做出巨大貢獻。