锅炉燃烧优化闭环控制系统的研究

锅炉燃烧优化闭环控制系统的研究第1页共12页锅炉燃烧优化闭环控制系统的研究[摘要]：锅炉燃烧过程是一个复杂的物理化学变化过程，目前的技术还无法从锅炉燃烧的机理来剖析整个燃烧过程。本文通过对目前国内外几类主要的燃烧优化技术的分析，了解到模型预测技术是解决这个问题的有效手段。常用的模型预测技术包括神经网络，贝叶斯概率统计等。这种技术将锅炉燃烧过程作为一个黑箱操作过程，通过大量历史数据的训练，调整模型结构，最终使模型具备模拟锅炉燃烧过程的功能。在此基础上，再通过多目标最优化技术，调整锅炉操作变量，使锅炉运行在优化区间，实现经济、环保、安全运行的目标。欧美国家已经在这种技术的基础上，开发了多个成熟的燃烧优化闭环控制系统，并有了很多成功的实施案例。全文可以分为三个部分。首先，通过燃烧优化综述，明确目前火电厂实施燃烧优化闭环控制系统的必要性和可行性，并且比较了主要的几类燃烧优化技术，确定了使用基于模型预测多目标优化技术的燃烧优化闭环控制系统的目标；其次，根据模型预测技术的不同，从系统原理，系统架构，系统实施，系统运行等方面分别介绍了基于神经网络技术和贝叶斯概率统计技术的两类燃烧优化软件平台，并给出了各种软件平台的特性与实施效果综合比较表；最后，在结论部分提出了几点电厂在实施燃烧优化闭环控制系统可供借鉴的经验。[关键词]：燃烧优化，闭环燃烧优化，模型预测，多目标优化，神经网络，贝叶斯概率统计，NeuSIGHT，PowerPerfecter，GNOCISPLUS，ULTRAMAX锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告第2页共12页1燃烧优化综述1．1前言电厂安全节能运行和环保控制加强的需求。用电负荷的持续紧张，导致多数电厂长期处于满负荷运行状态，其满负荷运行时间已达到6900～7000小时/年，一方面电厂运行安全的压力陡增，另一方面从增加负荷方面来提升利润空间已很小。在当前形势下，如何采用新技术来综合提升电力企业安全控制水平和成本控制成为新的课题。。随着国家针对电力企业污染物排放控制的加强，如何综合考虑污染物排放收费和节能增效间存在的冲突成为电力企业急需解决的课题。自动化水平的不断进步，为燃烧优化闭环控制系统的成功实施奠定了基础。随着科技进步，电力企业的自动化控制水平不断提高，就地设备执行控制能力逐步完善，使电厂DCS对设备实现更有效、更稳定的控制，为DCS系统响应运行优化系统的控制指令提供了高效保证，为燃烧优化闭环控制系统的成功实施奠定了基础。国外的优化闭环控制系统已处于成熟应用阶段。在国外，特别是欧美发达国家，优化闭环控制系统（包括电力、石化、制造业等）的应用已广泛开展，已经有非常多的成功应用案例，目前此类应用正发挥着极大的效益。1．2燃烧优化技术介绍与分析1．2．1主要燃烧优化技术分类关于燃烧优化技术的研究探讨，国内外已经开展了很多工作，大致可分为以下几类：DCS的控制模块改进。通过对DCS内控制模块的优化、改进，使其符合控制对象的特点。碍于DCS系统的数据处理和分析能力及其侧重于目标控制对象的安全、稳定的控制，未能在综合分析、整体优化上突破。常规性的燃烧优化试验调整。锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告第3页共12页通过常规性的燃烧调整试验，采集当前机组的状态数据，根据机组运行特点及燃烧调整的经验，制定出重要控制参数改进策略，使机组在较优的状态下运行。影响机组运行的因素众多，而常规性的燃烧调整往往只能针对重要控制参数，给出特定点及时间段的优化策略，有时缺乏普遍适应性，不能及时响应机组的动态变化过程。基于在线检测设备的优化系统。此类系统主要基于在线监测设备：如煤粉浓度，一二三次风风速，炉膛过剩氧量等。通过在线检测数据的积累，为运行人员提供稳定运行的参考依据，此类系统只能就局部范围提供开环指导，一般无法提供全局性优化闭环控制功能。基于多目标寻优技术的燃烧优化闭环控制系统。此类系统通过对各种影响因素数据的采集，利用概率统计、神经网络等工具，形成其特有的知识库。根据对当前机组状态进行模式识别，参照预设的目标（如：成本目标、环保排放目标及多种目标的综合），针对机组特性运行提供优化策略，提供开环指导或直接参与闭环控制。由于此类系统能动态响应机组的各种变化，具备良好的指导性和可控性，目前在国外，特别是欧美国家得到了广泛应用，并取得良好效果。1．2．2燃烧优化闭环控制技术从以上四类优化技术的比较来看，前三类有较大的局限性无法全面满足燃烧优化闭环控制系统的要求。基于模型预测技术和多目标优化技术的燃烧优化闭环控制系统由于采用了模型预测技术和多目标优化技术，可以对锅炉燃烧过程作出准确预测，可以实现提高燃烧效率，降低NOx排放等多重优化目标。目前国内关于燃烧优化技术的研究大多集中在这一领域。随着电力企业自动化控制水平进步和优化控制理论的成熟，这类系统正在得到越来越广泛的成功应用，如美国Pegasus公司的NeuSIGHT、PowerPerfecterTM和Ultramax，英国Powergen公司的GNOCISPLUS等，这些产品在世界各行业得到了广泛的应用。如何引进此类成熟应用是我们重点关注的目标。锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告第4页共12页1．3燃烧优化闭环控制软件的主要功能描述模型预测（具有良好的相容性，能适应多状态工况）；多目标优化（可根据不同时段的不同目标进行优化，如：成本目标、环保控制目标）；与DCS的双向安全通讯策略；多重安全防护体系；确保不影响DCS系统原有的控制系统安全，具备良好的容错性，具有多重数据安全验证体系。优化模型再学习修正能力；当机组状况出现重大变化时（如主燃烧设备改造、煤种大变化等），优化应该能进行新的学习修正来适应变化后的状况。良好的用户监控界面。1．4成功实施燃烧优化闭环控制软件的关键点通过综合国外的成熟应用案例以及国内火电厂燃烧优化闭环控制的应用项目经验，为更好的组织实施燃烧优化闭环控制软件，有以下几点注意事项：燃烧优化闭环控制软件有多套成熟应用经验积累；DCS及就地设备具有良好的调节性能，并具备必要的检测设备；如关注环保控制目标时，需要有污染物排放的监测设备。如关注经济成本目标，需要有相应的在线分析检测设备（飞灰、氧量等）系统实施人员的经验及对控制对象的了解程度（如对燃烧的理解、控制的理解）；此为项目实施成功的关键点，项目实施人员的经验丰富程度及对控制对象的深刻理解程度，很大程度上影响优化控制模型建立的完备性；。成功案例实施经验的借鉴；成功案例的实施经验可以对具体项目的实施提供了宝贵的借鉴，为可加速优化模型的建立进程。锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告第5页共12页2燃烧优化闭环控制软件平台介绍目前国外的成熟应用主要采用以下两类优化技术：基于神经网络优化技术类软件平台：如PowerPerfecter，NeuSIGHT，GNOCISPLUS。基于贝叶斯概率统计优化技术类软件平台：如ULTRAMAX。2．1基于神经网络优化技术类软件平台2．1．1神经网络优化技术类软件平台特点神经网络燃烧优化闭环控制软件平台一般具有下面几个共同特点：基于神经网络的模型预测技术多目标优化控制闭环反馈控制强鲁棒控制，系统抗干扰能力强动态优化2．1．2神经网络燃烧优化系统实施2．1．2．1系统配置硬件部分：主要由工控主机及各类通讯板卡、与DCS的通讯接口组成。软件部分：主要由操作系统、组态软件、系统应用程序组成。2．1．2．2典型的实施步骤机组调研（本体设备基本状况、DCS相关资料、用户需求分析）锅炉优化燃烧初步方案设计设计联络会、明确实施方案锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告第6页共12页制定试验计划与试验方案设计机组测试、收集试验数据试验数据处理、建立锅炉燃烧神经网络多变量非线性动力学模型利用DCS历史数据建立仿真平台，对锅炉模型进行校验，对预测控制器进行测试DCS逻辑更改及运行，人机界面的设计与实施系统安装开环有效性验证闭环有效性验证项目实施成果的确认项目实施完成验收2．2贝叶斯概率统计燃烧优化软件平台ULTRAMAX是基于贝叶斯概率统计模型预测技术的燃烧优化闭环控制系统的典型产品。2．2．1ULTRAMAX系统特点集系统辨识技术与最优化原理于一体快捷的优化启动，可不依赖历史数据具有强大的数据分析能力方便、灵活及友好的调整参数选择具有“What-if”功能能实现多重优化目标优化中能确保系统的安全及运行要求能寻找到运行历史范围之外的最优运行方式对不可控或难于控制的输入参数具有自动补偿能力适用于复杂的多输入多输出系统，能考虑变量间的耦合效应锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告第7页共12页2．2．2ULTRAMAX系统实施确定优化目标确定系统的输入、输出参数建立优化调整方案优化调整的具体实施持续改进2．3主要的燃烧优化闭环控制软件特性及实施效果比较表系统名称PowerPerfecterULTRAMAXNeuSIGHTGNOCISPLUS技术原理神经网络贝叶斯统计及其独特的加权回归算法神经网络神经网络运行平台PC/WindowsNTPC/WindowsNTSunUltraSparc2/SolarisPC/WindowsNT模型再学习方式离线,不推荐使用在线优化在线在线在线运行模式开环/闭环开环/闭环开环/闭环开环/闭环系统输入参数量至少支持300个输入参数至少支持100个输入参数最多支持1400个输入参数支持输入参数在几十个到二、三百个之间系统控制参数量支持30个以上控制参数40个以上可控制参数变量最多支持70多个可控参数一般支持20～30个控制参数系统实施周期一般为6～8个月一般4～6个月一般为6～8个月一般为6～8个月应用效果热效率提高0.5%～2.5%；Nox排放减少10％～30％；降低飞灰含炭量；改善再热气温度控制品质；降低辅机功耗燃烧效率提高0.5％～3％；Nox排放降低15％～30％；LOI降低25％～50％提高效率，降低煤耗，满负荷下一般为0.5%～2.0%；降低Nox排放10％～60％（在满负荷下一般为25％～30％）降低Nox排放10％～35％；改善燃烧性能，降低煤耗～1％成功案例国外有几十套成功应用；国内计有有天津杨柳青电厂2＃机组，山东莱城电厂1＃两个成功案例，目前还有张家口电厂#5炉（300MW机应用范围最广，套数多，在美国电力行业有86套锅炉的应用（2002年），其他行业也有很多国外有几十套成功应用，国内有深能源的妈湾电厂，沙角电厂正处于实施及前期阶段70多套，主要集中在英美地区的电厂，国内还没有成功案例锅炉燃烧优化闭环控制系统可行性研究报告第8页共12页系统名称PowerPerfecterULTRAMAXNeuSIGHTGNOCISPLUS组），平圩电厂2#炉（600MW机组）正在实施大致价格250多万RMB（居中）200多万RMB（低）400多万RMB（高）250万RMB左右（居中）主要应用行业电力、化工等电力、食品加工、造纸等电力行业电力行业2．4燃烧优化闭环控制系统平台代理商比较表PowerPerfecterUltramaxNeuSIGHTGnocisPlus国内代理南京大陆上海智企嘉兆科技公司浙江天丽实施能力中方实施人员基本具备对项目全过程的控制能力主要依靠外方实施专家外方授权方式一级代理外方支持外方专家对关键点进行监督控制，并提供部分远程或现场指导外方提供全部支持项目实施主要由外方专家完成，一般有燃烧工程师，通信工程师，控制工程师组成培训提供国内、国外两种培训模式维护国内工程师维护国外工程师免费维护一年表6.2PowerPerfecter系统在国内的代理比较多，目前在我国的应用也最多。南京大陆公司通过外方专家的培训，已拥有4位系统实施工程师和一个成功应用案例——山东莱城＃1炉，积累了部分经验。对于类似莱城＃1炉的项目，南京大陆公司已基本具备对项目全过程的控制能力，而对于其他类型的项目，还需要外方提供关键点的支持。项目实施以大陆公司实施人员为主，外方专家只提供远程监控和