燃煤锅炉闭环吹灰优化系统的研发与应用

张 雄，易 凡，徐国飚，倪新宇

（1.艾默生过程控制有限公司，上海 201206；2.中国华电集团公司望亭发电厂，苏州 215011）

燃煤锅炉运行中，受热面积灰和结渣存在诸多问题。对锅炉受热面进行吹灰，能够有效减轻受热面的积灰和结渣。但是吹灰需要消耗蒸汽，过度吹灰还会造成受热面磨损。另外，吹灰对锅炉运行参数会产生较大扰动，运行人员必须密切监视，尤其是在异常状况下要及时调整吹灰操作和锅炉运行参数。只有综合考虑各方面的因素，制定合理的吹灰控制策略，才能提高锅炉运行的经济性和安全性，同时降低运行人员的劳动强度。

1 存在问题

望亭发电厂3、4号660MW超超临界机组的锅炉为变压运行Π型直流炉，主蒸汽温度为605℃，主蒸汽压力为25.5MPa，再热蒸汽温度为605℃，再热蒸汽压力为5.2MPa，设计煤种为淮南煤，型号为SG－2024／26.15－M621，采用“定—滑—定”运行方式，单炉膛、四角切向燃烧、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构。除省煤器受热面采用声波吹灰外，其它受热面都采用蒸汽吹灰，水冷壁受热面安装了96根短吹灰枪，对流受热面安装了54根长吹灰枪。蒸汽吹灰程控系统为戴蒙德电力机械（湖北）有限公司的PLC系统。DCS分散控制系统为艾默生过程控制有限公司的Ovation系统。PLC系统与Ovation系统通过Modbus串口通信进行双向数据交换，集控运行人员可在Ovation系统或PLC系统终端机的人机界面上，对吹灰过程进行监控。

3号机组660MW超超临界锅炉投产2年多来，一直为定期吹灰，曾对吹灰时间间隔做过几次优化调整。实施吹灰优化方案之前，执行《望亭发电厂3、4号机组集控运行规程》有关“机组正常运行及维护”规定，每天对50%水冷壁、后屏过热器吹灰1次，每2天对高温过热器和高温再热器吹灰1次，每周对低温过热器和低温再热器的吹灰器吹灰1次，每8h对空预器吹灰2次［3］。从机组运行和检修状况来看，现有的定期吹灰方式和控制功能存在5个问题：

1）不同区域存在受热面过吹灰和欠吹灰问题 由于没有在线监测受热面脏污状态的测量装置，运行人员无法知道受热面积灰的位置和积灰程度，只能按照运行规程的要求定期吹扫锅炉各个受热面。因此，受热面不可避免地存在过吹灰和欠吹灰现象。

2）吹灰造成再热蒸汽温度过低 对水冷壁或高温过热器进行吹灰，会使再热蒸汽温度明显降低。尽管锅炉运行规程中规定运行人员在吹灰过程中要重点监视再热蒸汽温度，尽量采取燃烧调整措施提高再热汽温，但是由于各种原因，还是会造成再热蒸汽温度低于560℃，有时甚至低于550℃，严重影响机组运行的经济性和安全性。

3）电厂人员无法修改吹灰程控逻辑 锅炉采用多种煤掺烧方式，导致受热面积灰特性经常变化。锅炉专工每月要收集运行数据，分析受热面积灰和结渣状况，找出吹灰方式中存在的问题，提出吹灰改进措施，有时需要修改吹灰PLC系统里的程控逻辑。但是，吹灰PLC系统的逻辑组态过程是封闭的，电厂人员无法修改逻辑。

4）吹灰过程中运行人员操作量较大 每天吹灰时依次开启吹灰蒸汽电动门和4个吹灰疏水电动门，监视疏水温度变化。当4个疏水温度中的3个达到238℃时，依次关闭4个吹灰疏水电动门，依次启动需要吹扫的受热面的吹灰序列。吹灰结束后，依次开启4个吹灰疏水电动门，关闭吹灰蒸汽电动门。操作过程中若吹灰对锅炉运行工况影响较大，还需手工改变吹灰方式，暂停吹灰进程，重新进行疏水或退出吹灰等操作。

5）不能自动统计吹灰枪投用记录和故障记录 为了准确了解吹灰枪的投用状况，运行人员每天手工记录吹灰序列、吹灰枪的投用状况和故障状况，用于月度吹灰状况的统计分析。

2 系统设计与功能

2.1 系统架构

按《艾默生控制系统有限公司智能吹灰器用户指南，2011》要求，配置1台吹灰优化服务器，通过冗余网卡接入Ovation系统高速以太网，设置为Ovation系统的操作员站。在吹灰优化服务器上运行吹灰优化专家系统和数据分析系统。吹灰优化专家系统主要由清洁系数计算模块和专家系统模块组成，这些模块通过专有数据接口与Ovation系统进行双向通信。数据分析系统由性能分析模块、统计分析模块和负荷预测分析模块组成，这些模块通过OPC接口与Ovation系统进行双向通信。

闭环吹灰优化系统架构框图如图1所示。

图1 闭环吹灰优化系统架构

由图1可看出，在Ovation系统中配置虚拟控制器，通过Ovation系统以太网与真实控制器共享数据，真实控制器与PLC程控系统进行双向串口通信。用虚拟控制器代替真实控制器的好处，可以在虚拟控制器中修改逻辑图和下装虚拟控制器，不会影响机组的安全性，还可避免增加真实控制器的负载率。

2.2 清洁系数建模

用清洁系数表示锅炉受热面的脏污状况。清洁系数定义为受热面实际吸热量和理想吸热量之比。在Ovation系统里，受热面进口、出口处工质的温度、压力和流量都有在线测点。因此，可以通过受热面进出处的工质能量平衡方程计算出实际吸热量。理想吸热量是指受热面处于相对最清洁状态时的吸热量。由于理想吸热量无法在线计算，因此利用Ovation系统里的历史数据，通过神经网络算法建立预测模型计算理想吸热量。

2.2.1 建模步骤

1）从Ovation系统历史站，采集半年左右的高压过热器进口蒸汽温度、蒸汽压力、蒸汽流量；高压过热器出口蒸汽温度、蒸汽压力、蒸汽流量；给水流量、过热减温水流量、再热烟气挡板开度、水煤比、发电负荷等数据。

2）计算水冷壁、低温过热器、屏式过热器、高温过热器、高温再热器和低温再热器的吸热量。

3）从历史数据中挑选出吹灰后的稳定工况的数据，利用Tiberus软件建立理想吸热量神经网络模型，其中80%数据为模型训练样本，20%数据为模型预测和验证样本。

4）如果理想吸热量模型不够准确，调整模型输入变量，重新进行神经网络模型训练。

在理想吸热量建模过程中，需要充分考虑各个因素对受热面吸热量的影响，模型输入变量的选择非常关键。不合理的输入变量组合会导致理想吸热量预测结果不准确，对应的清洁系数也不准确。清洁系数本身无法用在线测量值进行验证，因此只能从清洁系数计算结果本身的特性来判断其准确性。

2.2.2 判断准则

1）大部分清洁系数分布在0.75～1之间，清洁系数越大，表示受热面越干净。

2）从吹灰结束时刻起，随着运行时间增加，清洁系数总体上呈单调递减趋势，表明受热面越来越脏。

3）对比燃烧不同煤种期间的清洁系数，清洁系数随运行时间递减的斜率有所不同，斜率不同表示受热面的积灰速度存在差异。

2.2.3 曲线演示

以末级过热器为例，利用2011年4月16日至2011年6月8日的数据，计算出末级过热器的清洁系数，并把每次吹灰结束后清洁系数的变化状况显示在1张历史趋势图上，图中X轴表示吹灰结束后的时间，Y轴表示清洁系数，从中可以看出清洁系数基本符合上述3个准则。末级过热器清洁系数随时间变化曲线，如图2所示。

图2 末级过热器清洁系数随时间变化规律

2.3 控制逻辑

吹灰对锅炉运行工况有较大的扰动，特别是对再热汽温的影响较大。因此，在吹灰过程中要密切监视运行参数的变化，发现异常状况要及时调整吹灰操作，维持锅炉重要运行参数，特别是再热汽温的稳定。

《望亭发电厂锅炉运行规程》规定：吹灰过程中，若再热汽温低于570℃，吹灰方式由对吹改为单吹；若再热汽温低于560℃，暂停吹灰；若再热蒸汽温度高于560℃时，允许继续吹灰。暂停吹灰时，若4个疏水温度有3个低于200℃或吹灰暂停时间超过30min，需要重新疏水，以防止吹灰蒸汽带水进锅炉。鉴于此，设计了一系列吹灰优化控制逻辑，用以实现吹灰优化系统一键投入，减轻运行人员的日常操作强度，提高吹灰过程中锅炉运行参数的稳定性。

吹灰优化控制逻辑的主要内容：吹灰枪单操逻辑和吹灰序列顺控逻辑；吹灰枪反馈信号校验逻辑；吹灰优化系统投切逻辑；吹灰疏水系统顺控逻辑；再热汽温保护逻辑；吹灰序列排队时间和剩余空闲时间排序逻辑；吹灰枪对吹与单吹切换逻辑；吹灰优化仿真逻辑；吹灰报警逻辑；吹灰枪和吹灰序列运行记录逻辑和故障记录逻辑。

2.4 控制算法

艾默生控制系统有限公司针对吹灰优化控制问题，开发了4个高级控制算法，分别为SBmaster，SBsequence，SBschedule，Blower。高级算法集成在Ovation系统标准算法库中，其组态方法与常规算法的组态方法完全一样，但是需要从艾默生控制系统有限公司购买授权才能使用。

SBmaster算法用于定义多个吹灰序列组，每个吹灰序列组里最多可定义99个吹灰序列，同1个序列组里的序列只能按顺序执行，不同序列组里的序列可以同时执行。

SBsequence算法用于定义吹灰序列，每个吹灰序列最多可定义99个吹灰步序，每个吹灰步序最多可定义4个吹灰枪，吹灰步序之间的时间间隔可以设置。

SBschedule算法用于协调吹灰序列算法的执行状况，例如：在吹灰蒸汽流量一定的状况下，吹灰序列和吹灰枪的投用顺序存在约束关系，需要根据吹灰蒸汽的状态参数协调吹灰枪和吹灰序列的启动或暂停。

Blower算法用于组态吹灰枪驱动逻辑，输出吹灰枪的启动、暂停、停止和跳步等命令，接收吹灰枪的反馈状态信号。

2.5 数据挖掘

Ovation系统历史站存储了2年多的历史数据，测点总数约2万点，包括所有一次测点和部分二次计算点。历史数据中蕴藏着大量信息，充分挖掘历史数据中有价值的信息有助于吹灰优化建模和效果评估。但是，历史数据中也夹杂着大量的噪声数据。因此，数据挖掘过程需要用到一系列数据处理方法和工具，如数据采集、数据传输，数据清洗、数据转换、数据分析、数据可视化等。

本文开发了多个数据分析工具，对历史数据进行分析，解决了吹灰优化过程中吹灰对再热汽温的影响、受热面清洁系数建模和吹灰优化效益评估等问题。

以吹灰对再热汽温的影响定量分析为例，对32个月的历史数据进行统计分析，把每1根吹灰枪对再热汽温的影响进行了累计，如图3所示。

图3 IK1至IK41长吹灰枪对再热汽温的影响

从图3可看出，末级过热器区域的IK1至IK12吹灰枪投用过程中对再热汽温的影响最大，如IK3吹灰枪投用32个月，累计再热汽温的变化量超过2 099.94℃，表明统计结果是准确的。

2.6 专家规则

除了清洁系数，受热面的积灰结渣与Ovation系统里的某些监测点或几个监测点的组合，存在一定程度的关联关系。例如：运行人员和锅炉专工在长期实践中，观察到某些监测点与受热面积灰之间存在对应关系，当负荷大于600MW且空预器入口烟温超过548℃时，对流受热面可能有一定程度的积灰结渣，温度越高受热面积灰结渣越严重；又如：受热面吸热比例也能在一定程序上反映受热面的清洁状态（受热面吸热比例是指某个受热面的吸热量占锅炉总吸热量的百分比）。利用大量历史数据对望亭电厂运行人员和锅炉专工掌握的与吹灰相关的经验和规律进行了验证和筛选，把清洁系数、吸热量比例和筛选后的运行经验结合在一起，归纳整理出一系列专家规则。每个锅炉受热面由1个或多个专家规则组成，不同的专家规则之间是逻辑或的关系，每个专家规则由1个要素或几个要素组成，要素之间是逻辑与的关系，要素是指某个测点或计算值满足特定的条件。只要1个专家规则满足条件就认为对应的受热面需要吹灰。本文设计了相应的控制逻辑和报警逻辑，使专家规则与吹灰序列的投入形成闭环控制。

2.7 人机界面

人机界面是运行人员与吹灰优化系统的纽带，良好的人机界面对提高人机交互的效率具有重要的作用。设计人机界面时，与运行人员进行了反复沟通和交流，最终形成的人机界面见图4。照片摘自艾默生控制系统有限公司《660MW超超临界锅炉智能吹灰优化项目操作说明，2013》。

图4 闭环吹灰优化系统人机界面

人机界面上的各项功能：

1）上方小圆点的颜色表示吹灰枪的状态，小圆点下方的勾的组合表示吹灰枪投用历史记录。

2）左上角5个按钮（疏水系统未复位，吹灰枪控制已投入，专家系统已投入，仿真回路已切除，顺控已继续运行），用于吹灰优化系统的投切操作。

3）右侧分别为主要参数实时值和设定值，如最低负荷限、再热汽温保护定值和疏水系统保护定值。

4）左侧是吹灰序列的排队时间记录和投用状况记录。

5）中部是吹灰序列的运行状况，点击序列按钮可以进入吹灰序列定义界面。在吹灰序列定义界面中，可以从吹灰枪列表中选择吹灰枪添加到吹灰序列中，每个吹灰步序最多可以配置4根吹灰枪，吹灰步序之间的时间间隔也可以设置。

3 效益评估

影响锅炉受热面积灰和结渣的因素很多，例如：煤质、负荷率、磨煤机组合、燃烧器摆角、重要参数设定值、吹灰频次等。吹灰对受热面积灰结渣的影响总是与别的因素耦合在一起。仅比较吹灰优化前后个别工况的锅炉性能和吹灰频次的变化，不能客观评价吹灰优化对锅炉运行经济性的影响。

利用Ovation系统里32个月的历史数据进行统计分析，根据大量数据呈现出的趋势信息和统计结果，对吹灰优化效益进行定量评估，评估结果摘自艾默生控制系统有限公司《660MW超超临界锅炉智能吹灰优化项目效益分析报告，2013》。主要体现在2个方面：一是减少受热面吹灰频次约45%，全年累计减少吹灰时间约700h，减少吹灰蒸汽量约1.1万t，减少煤耗量约1000t，节约燃煤成本约80万元；二是平均提高再热汽温8℃，全年累计减少煤耗量约2 500t，节约燃煤成本约200万元。

另外，吹灰优化系统投运后，提高了机组运行的安全性。主要体现在4个方面：一是避免锅炉运行在极端工况，防止结焦和垮焦；二是减少再热汽温低对汽轮机安全运行的影响；三是减少锅炉受热面吹灰频次，减少管壁磨损，降低爆管概率；四是减轻运行人员劳动强度，减少误操作概率。

4 结语

对于以蒸汽为吹灰介质的大型燃煤锅炉来说，设计合理的吹灰控制策略，需要综合考虑发电机组和控制系统的安全性，还要考虑吹灰蒸汽消耗、受热面清洁状态、锅炉运行参数稳定以及运行人员劳动强度、运行检修管理模式等因素。

通过对望亭发电厂660MW超超临界机组的燃煤锅炉吹灰优化课题的研究与实践，首次在Ovation控制系统中使用虚拟控制器技术、高级吹灰控制算法和吹灰优化专家系统平台，设计了各种闭环优化控制逻辑和易于交互的人机界面等。吹灰优化系统连续运行1年来，取得了良好的节能效果，提高了锅炉运行的安全性，减轻了运行人员的劳动强度，具有很好的应用推广前景。