1 000 MW机组锅炉氧量自适应预测控制模型研究

白玉峰， 孙伟鹏， 江 永

(华能海门电厂， 广东汕头 515132)

1 000 MW机组锅炉氧量自适应预测控制模型研究

白玉峰， 孙伟鹏， 江 永

(华能海门电厂， 广东汕头 515132)

对锅炉氧量的优化控制进行研究，通过外挂控制系统，与SIS系统和配煤掺烧系统进行连接，开发多煤种条件下的氧量自适应控制系统，实现多目标的闭环寻优控制。通过多煤种条件下的氧量自动寻优构建目标函数，通过氧量的相对经济性分析模型构建出相对供电成本，以相对供电成本最低为目标函数，进行氧量自适应控制策略的设计，实际运行结果显示达到了深度节能降耗的目的。

锅炉氧量； 自适应； 预测模型； 节能

Abstract： To optimize the control of boiler oxygen content, a multi-objective closed-loop optimization algorithm was proposed by developing an adaptive control system for the oxygen content under multi-coal combustion conditions through connection with the external control system, SIS system and blending combustion system. Meanwhile, a model of relative power supply cost was constructed under multi-coal conditions by building up an objective function of oxygen content optimization and setting up an analysis model of relative economy. Taking the minimum relative power supply cost as the objective function, an adaptive control strategy was designed for the oxygen content, which was proved to be effective in actual operation.

Keywords： boiler oxygen content; adaptive; prediction model; energy saving

氧量是锅炉运行的重要参数，其对锅炉经济性的影响是多方面的，不仅包括锅炉热效率、风机电耗，还对汽温和减温水、NOx的排放等产生明显影响，对锅炉结渣、结焦和高温腐蚀等产生影响，飞灰可燃物含量的变化对受热面的磨损也产生影响。使锅炉始终在经济氧量下运行，是锅炉安全经济运行的主要内容[1]。

某1 000 MW超超临界机组锅炉为变压运行螺旋管圈直流炉、一次再热、采用前后墙对冲燃烧方式、烟气挡板调节再热汽温、平衡通风、固态排渣、全钢结构、全悬吊结构П形锅炉。锅炉燃用煤种主要为印尼煤、澳洲煤、菲律宾煤、俄罗斯煤等，采取两种或多种煤掺烧方式，运行中氧量采用氧量-负荷函数控制，氧量可投入自动运行，且设有手动偏置。为了实现锅炉在全负荷、不同煤种工况下均能在经济氧量下运行，提高锅炉运行经济性，决定首先在2号锅炉实施氧量自适应控制项目。

1 锅炉氧量预测控制模型

氧量自适应燃烧优化控制系统是一种基于模型预测控制技术(MPC)的控制系统，结构见图1。MPC系统从SIS系统和煤质在线系统中读取数据，下位机通过优化控制程序计算出优化控制指令，并经过总线服务器，通过硬接线的方式将控制指令输入到DCS系统当中。可以看出，MPC系统不但能够获取DCS系统的数据资源，还能够获取SIS以及其他系统的信息资源。在实施MPC系统时无需修改DCS系统控制逻辑，只需要添加简单的接口逻辑即可，因此，项目施工时无需在DCS系统上频繁地进行下载逻辑的操作，除了接口逻辑下载工作需要在锅炉停机时进行之外，其余调试任务均可在锅炉正常运行时进行。另外，MPC系统集成了面向大型电站锅炉的控制模块库，模块库中又分为非线性控制模块、智能控制模块、滞后性控制模块、时变性控制模块等各种模块共计达到300多种，设计人员能够针对不同的控制对象及控制要求，进行不同的基本控制模块组态连接，形成最终的控制策略算法。因此，该系统具有灵活性强、可扩展性强、安全性高、实施方便、对原有系统改动小等特点。

图1 氧量自适应优化控制系统结构图

锅炉的经济运行氧量与众多因素相关，其中主要的因素包括：入炉煤种和煤质、磨煤机运行方式、负荷，以及燃烧不均匀程度。 该机组锅炉经济运行氧量预测值φ(O2)即根据这5个因素进行预测控制[2]：

φ(O2)=f(p1,p2,p3,p4,f(负荷设定值))

(1)

式中：p1为入炉煤种对经济运行氧量的影响因子；p2为热值对经济运行氧量的影响因子；p3为磨煤机运行方式对经济运行氧量的影响因子；p4为锅炉燃烧不均匀程度对经济运行氧量的影响因子。

1.1 入炉煤种和煤质

锅炉的入炉煤种和煤质对经济运行氧量的影响表现为煤种的燃尽特性不同，所需运行氧量不同，易燃尽的印尼煤所需的经济运行氧量低，难燃尽的澳洲煤所需的经济运行氧量高。

入炉煤种对经济氧量的影响通过影响因子p1的方式实现，印尼煤的影响因子p1=1.0,其他煤种的影响因子p1>1.0。入炉煤质对经济运行氧量的影响主要考虑热值，入炉煤的热值越高，固定碳越高，为使固定碳充分燃尽，所需的运行氧量会相对高一些。热值对经济氧量的影响通过影响因子p2来实现(见图2)。

图2 燃煤热值对经济氧量的影响

1.2 磨煤机运行方式

磨煤机运行方式决定了煤粉在锅炉内的平均停留时间，显然采用下层磨比上层磨有更多的煤粉燃烧时间，在同样的煤粉燃尽率的条件下，可以减少风量，降低运行氧量。磨煤机运行方式采用影响因子p3来实现，下层磨取系数0.8，中层磨取系数1.0，上层磨取系数1.2。

1.3 负荷

负荷决定了锅炉的燃烧温度，在同样条件下，负荷越高，所需的运行氧量越低(见图3)。

图3 锅炉运行氧量曲线初始设置

1.4 燃烧不均匀程度

锅炉燃烧不均匀程度表明了炉膛风粉分配的不均匀性，若炉膛内局部区域缺氧，会增大锅炉的不完全燃烧损失，降低锅炉效率，这时除了调整锅炉的风粉分配，尽量提高风粉分配的均匀性外，可以提高总的运行氧量，改善局部缺氧状况，减少不完全燃烧损失，但同时增大了排烟热损失。运行氧量调整的目的是使总的热损失降低[3]。

燃烧不均匀程度通过锅炉10个氧量测点的标准差表示，标准差越大，燃烧不均匀程度越大，所需的运行氧量越高，影响因子p4越大。

2 氧量相对经济性分析模型

为了分析氧量对锅炉经济性的影响，从而选择最佳的经济运行氧量，需要采用一个综合的经济指标来进行相对评判。采用氧量相对经济性分析模型，即除了与氧量有直接耦合关系的参数外，其他所有参数均认为在不同氧量下都是不变的，以减少测试的系统误差对经济性分析结果的影响[4]。该模型以相对供电成本为目标函数，主要考虑以下几个因素：(1)锅炉热效率；(2)送、引风机电耗；(3)NOx生成质量浓度。其他因素如减温水量和汽温的变化、结渣的变化、腐蚀和磨损的变化等，在进行氧量寻优时作为限制条件进行考虑，在相对供电成本中则不予考虑。

2.1 相对供电煤耗

同一负荷不同运行氧量下，机组相对供电煤耗的表达式为：

(2)

式中：bg为相对供电煤耗，g/(kW·h)；Hn为机组的热耗率，kJ/(kW·h)；η为锅炉热效率, %；η0为管道保温效率，%；ξ为厂用电率，%。

2.2 相对供电成本

同一负荷不同运行氧量下，机组相对供电成本的表达式为：

p(i)=bg×pg+f(NOx)

(3)

式中：pg为电厂采购燃煤的标煤单价，元/g；f(NOx)为SCR脱硝成本。

为计算方便，f(NOx)根据图4的曲线和负荷率(代表烟气量)进行计算，即

(4)

图4 锅炉脱硝成本曲线

3 氧量自适应控制策略设计

3.1 基于动态目标的反馈控制模型

通常情况下，锅炉经济运行氧量预测值与真正的经济运行氧量还是存在偏差的，这时需要对运行氧量进行进一步的寻优，采用基于动态目标的反馈控制模型进行最终的氧量寻优。

基于动态目标的反馈控制模型采用CO质量浓度作为反馈控制参数，以相对供电成本作为寻优动态目标，模型设计见图5。

图5 锅炉反馈控制模型

通过反馈控制模型，可以使2号锅炉相对供电成本处于一个相对较低的运行区域。但此时CO质量浓度并不处于最低的水平，而有适当的CO质量浓度排放。

图6为600 MW负荷下不同CO质量浓度运行值下的相对供电煤耗和相对供电成本比较，CO质量浓度运行值在500 mg/m3左右时的经济性优于100 mg/m3和900 mg/m3平均运行值时的经济性。

图6 不同CO质量浓度运行值的经济性比较

3.2 运行氧量上下限设置

正常情况下，锅炉氧量运行上下限设置见图7。

图7 锅炉氧量运行上下限设置

运行氧量高负荷时的下限为1.0%,上限3.5%；低负荷时的下限约2.5%，上限6.0%。

为了适应2号锅炉特殊的运行工况和煤种变化，2号锅炉在运行氧量上下限进行了进一步的限制。

下限：400 MW以上负荷锅炉总风量不低于1 550 t/h,低于1 550 t/h时，氧量自适应控制系统自动提高运行氧量下限值，直至总风量大于1 550 t/h；400 MW以上负荷任一侧再热汽温不低于585 ℃，若低于585 ℃，氧量自适应控制系统的氧量下限值自动增加0.0%～1.0%。

上限：在高负荷时，锅炉由于引风机出力限制，氧量不能加得过高，当由于引风机出力不足导致炉膛负压大于100 Pa时，氧量自适应控制系统的氧量上限值自动减少，直至炉膛负荷低于100 Pa或达到与氧量下限值一致。

3.3 加减负荷处理

由于锅炉DCS中加减负荷时因前馈风量增减速度较快，存在较大过调量，为了适当减少过调，氧量自适应控制系统设计了加减负荷模块，即加负荷时，输出一个-1.0%的阶跃作用于氧量设定值；减负荷时，输出一个+1.0%的阶跃作用于氧量设定值；当加减负荷条件消失后，阶跃也消失[5]。

但由于DCS中对加减负荷时的氧量修正作用乘了一个系数0.2，氧量设定值的阶跃对总风量设定值的影响也相当于被减弱，因此氧量自适应控制的这种处理对总风量的影响有限。

4 氧量自适应控制系统试运行及效果评估

锅炉氧量自适应控制系统经过一段时间的调试，基本达到了正常运行的要求，从运行结果看，在负荷稳定时，氧量设定值基本稳定，并根据相对供电成本和CO排放质量浓度进行小幅自适应调整。

不同负荷下氧量自适应控制投退的经济指标比较见表1，其中退出氧量自适应控制时的运行氧量以DCS函数设定值为基准。从比较结果看，在中间负荷段，氧量自适应控制可降低机组供电煤耗约0.7～1.0 g/(kW·h)，达到了设计要求。

表1 锅炉氧量自适应投退的经济指标比较

5 结语

氧量自适应燃烧优化控制系统是基于MPC的控制系统。MPC系统不但能够获取DCS系统的数据资源，还能够与SIS系统和配煤掺烧系统进行连接，形成多煤种条件下的氧量自适应控制系统，实现多目标的闭环寻优控制，在保证锅炉运行安全和环保排放要求的前提下实现了深度节能降耗。

[1] 胡晓亮. 660 MW机组锅炉氧量测点安装位置对正确测量的影响分析[J]. 科技资讯, 2014(33): 46.

[2] 伍日胜,李贺,杨飞龙,等. 1 000 MW超临界锅炉氧量控制及配风优化[J]. 云南电力技术, 2014, 42(5): 81-83.

[3] 刘玉文,张斌. 电站锅炉氧量的变化对煤耗的影响[J]. 应用能源技术, 2009(9): 29-31.

[4] 武虎坡. 超临界锅炉氧量及炉膛差压变化对燃烧影响分析[J]. 科技信息, 2012(20): 403.

[5] 罗自学,梁培露,周怀春,等. 引入辐射能信号的锅炉氧量寻优控制研究[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(23): 100-103.

StudyonAdaptivePredictionModelofBoilerOxygenContentina1000MWUnit

Bai Yufeng, Sun Weipeng, Jiang Yong

(Huaneng Haimen Power Plant, Shantou 515132, Guangdong Province, China)

2017-01-04；

2017-02-27

白玉峰(1969—)，男，高级工程师，从事大型火力发电机组生产管理及其优化工作。

E-mail: hnbyfvip@126.com

TK223.7

A

1671-086X(2017)05-0332-04