《基于先進測量技術(shù)的精確燃燒優(yōu)化控制技術(shù)研究及示范應(yīng)用可行性研究》

1、基于先進測量技術(shù)的精確燃燒優(yōu)化控制技術(shù)研究及示范應(yīng)用可行性研究報告威信爾（北京）科技發(fā)展有限公司二一五年十月三十日一、 立項的背景與意義隨著能源市場和環(huán)境形勢的日益嚴峻，能源的高效利用及減少污染排放是燃煤電廠永恒的課題，在電力改革的政策背景下，發(fā)電企業(yè)面臨廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)的市場競爭壓力。一方面，我國當(dāng)前供電煤耗相對于發(fā)達國家水平還有很大提升空間，另一方面，我國目前的大氣污染狀況十分嚴重，氮氧化物、二氧化碳排放量分居世界前列，因此造成了高昂的經(jīng)濟成本和環(huán)境成本。在此背景下，使得國內(nèi)燃煤機組面臨著提高發(fā)電效率與降低污染排放的雙重要求，迫切需要面向節(jié)能降耗與降低污染、安全生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制技術(shù)。對

2、于機組的鍋爐燃燒是節(jié)能減排的主要控制環(huán)節(jié)。而當(dāng)前電廠現(xiàn)有的鍋爐燃燒控制技術(shù)存在的不足在新形勢下日益顯露，逐漸難以滿足實際需求，于是高效率低排放的燃燒優(yōu)化技術(shù)成為研究的焦點。鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個非線性、多輸入多輸出、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，鍋爐燃燒優(yōu)化本質(zhì)上是一個多目標優(yōu)化問題，以至于直接影響機組安全經(jīng)濟運行。以復(fù)雜的過程控制為解決對象，從而研究火電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化控制。在保證污染排放不超標的前提下，兼顧安全運行的同時追求盡可能高的鍋爐效率；或者在保證鍋爐效率一定的前提下，采用盡可能低的污染排放控制策略；或者在鍋爐效率和污染排放之間達到最佳折中，使綜合成本達到最低。鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)能夠有效提高機組運

3、行效率,降低發(fā)電成本,顯著降低鍋爐污染物的排放，并能夠監(jiān)督保障鍋爐的安全運行。爐膛內(nèi)是否均衡燃燒是實現(xiàn)鍋爐最優(yōu)效率、最優(yōu)經(jīng)濟指標的絕對前提，而這又追溯到風(fēng)粉是否在燃燒前均勻混合、如何取得最優(yōu)風(fēng)粉比的動態(tài)值等等一系列問題，這就需要系統(tǒng)性的考慮燃燒問題，通過精確控制手段調(diào)整輸入?yún)?shù)，保障輸出參數(shù)從而達到機組燃燒優(yōu)化的目標。 二、 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 20世紀80年代末和90年代初期，隨著我國電廠“節(jié)能降耗”措施的推行，電廠開始普遍關(guān)注鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)，通過燃燒優(yōu)化降低鍋爐煤耗，提高火電廠發(fā)電效率。20世紀90年代中后期，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，許多企業(yè)研制開發(fā)了一系列重要的影響鍋爐燃燒參數(shù)的在線測

4、量裝置，同期，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，在分散控制系統(tǒng)DCS層面上控制邏輯的優(yōu)化，先進的人工智能技術(shù)在鍋爐燃燒優(yōu)化上應(yīng)用的研究也開始受到了廣大科研人員的關(guān)注。20世紀90年代末，隨著社會對環(huán)境的關(guān)注，電廠鍋爐燃燒優(yōu)化已由最初的以安全性、經(jīng)濟性為目標的優(yōu)化發(fā)展到經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性并舉的時期。電子信息技術(shù)、人工智能技術(shù)給電廠鍋爐燃燒優(yōu)化注入了新的活力，鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)進入新的快速發(fā)展時期。鍋爐燃燒優(yōu)化控制是實現(xiàn)火電機組高效發(fā)電、降低排放的重要技術(shù)途徑，對于大型燃煤鍋爐，運行中燃料的分配是否均勻，配風(fēng)是否合理，將直接影響到機組運行性能。而目前優(yōu)化燃燒方法主要存在以下問題：1. 煤粉分配不均衡當(dāng)磨煤

5、機送出煤粉經(jīng)過彎曲的管道到達燃燒器時，如果分層狀態(tài)的煤粉進入燃燒器，會導(dǎo)致各燃燒器之間的煤粉質(zhì)量流量存在較大偏差，就會出現(xiàn)火焰不穩(wěn)定、燃燒不均勻等系列問題。2. 缺少精確的測量手段由于缺乏對風(fēng)、粉、灰的精確測量手段，準確性和穩(wěn)定性差等缺陷導(dǎo)致國內(nèi)電廠檢測裝置安裝率低，應(yīng)用情況一直不佳，甚至在大部分鍋爐上仍是一個空白，因此使鍋爐燃燒控制失去了一個重要依據(jù)，這樣就直接影響優(yōu)化燃燒建模以及優(yōu)化的效果。3. 無法對風(fēng)粉在線測量并有效地調(diào)整當(dāng)前大型燃煤鍋爐多采用直吹式制粉系統(tǒng)，即一臺磨煤機配置一臺燃燒器。過去由于無法對風(fēng)粉量進行在線測量，以及磨煤機、分離器和燃燒器之間不同的特性與非線性，導(dǎo)致煤量與風(fēng)量不

6、能得到正確的匹配并進行有效調(diào)整。4. 系統(tǒng)性優(yōu)化解決的程度不夠在無法做到完全自動化的復(fù)雜系統(tǒng)中，人的運行操作和系統(tǒng)自動調(diào)整均有非常重要的作用，兩者應(yīng)緊密結(jié)合。在無法完全智能化又無法良好的技術(shù)系統(tǒng)指導(dǎo)下，電廠運行人員難以從復(fù)雜的鍋爐燃燒系統(tǒng)中進行全局性考慮和優(yōu)化解決。5. 燃燒優(yōu)化理論與方法的實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的優(yōu)化理論依賴于建立系統(tǒng)的模型和優(yōu)化算法，復(fù)雜系統(tǒng)建模困難，以及優(yōu)化過程的成本投入往往使現(xiàn)實與理論相差甚遠。正因為燃燒參數(shù)測量如此重要，長期以來各企業(yè)與機構(gòu)經(jīng)過大量深入研究，開發(fā)出了各種不同原理的測量裝置。一方面，隨著測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了越來越多的精確測量和控制器件，一定程度上解決

7、了測量和控制精度等問題，對燃燒過程的重要參數(shù)的在線檢測與精確控制提供了可能。另一方面，隨著近幾年國內(nèi)大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，基于海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)挖掘，成為解決許多實際問題的有效工具，利用海量的機組運行歷史數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，是電力行業(yè)自身的客觀需求，電力大數(shù)據(jù)與發(fā)電企業(yè)優(yōu)化燃燒研究相結(jié)合也將是必然的發(fā)展趨勢。三、 項目主要內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)1. 主要內(nèi)容燃燒優(yōu)化的目標是在鍋爐的負荷、煤種以及其它相關(guān)設(shè)備和參數(shù)的約束下，實時尋找最優(yōu)的鍋爐配風(fēng)、配煤以及有關(guān)參數(shù)的設(shè)定值，以達到最佳的燃燒運行方式，指導(dǎo)鍋爐燃燒調(diào)整，提高鍋爐燃燒效率，降低發(fā)電煤耗，同時減少污染物排放，實現(xiàn)鍋爐的經(jīng)濟環(huán)保運行。為了

8、實現(xiàn)燃燒目標，鍋爐的燃燒效率和污染物排放特性主要是由兩個方面決定的：第一，鍋爐的設(shè)計制造水平，優(yōu)化燃燒技術(shù)在設(shè)備層面，通過對磨煤機、燃燒器、受熱面等的改造實現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化調(diào)整。第二，鍋爐的操作運行水平，通過對風(fēng)量、風(fēng)速、煤粉濃度以及煤質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)的精確測量，同時采用先進的控制邏輯與算法模型實現(xiàn)在線監(jiān)測，指導(dǎo)運行人員調(diào)整鍋爐燃燒?；谙冗M測量技術(shù)的精確燃燒優(yōu)化控制技術(shù)是在優(yōu)化鍋爐燃燒技術(shù)領(lǐng)域，以對鍋爐燃燒參數(shù)的精確測量為基礎(chǔ)，在對鍋爐系統(tǒng)主輔設(shè)備改造的前提下，通過采集測量數(shù)據(jù)配合先進的燃燒模型，進行歷史尋優(yōu)與精確控制繼而提供燃燒調(diào)整指導(dǎo)的系統(tǒng)性解決方法。通過燃燒調(diào)整降低NOx排放同時降低煤耗是

9、公認的最佳解決方案，當(dāng)前燃燒過程的控制大多還停留在落后的總量參數(shù)控制上，例如通過鍋爐出口氧量和蒸汽參數(shù)等，這就為鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整提供了很大提升空間。2. 工藝流程為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，精確燃燒優(yōu)化控制技術(shù)在對燃煤機組煤粉進行均衡分配改造的基礎(chǔ)上，采用測量器件對風(fēng)、粉、灰等參數(shù)進行精確測量，獲取所采集的鍋爐實時數(shù)據(jù)以工況優(yōu)化為基本原則，通過數(shù)據(jù)的深層次分析和挖掘來解析運行的歷史行為，建立燃燒過程的運行操作參數(shù)、狀態(tài)輸入?yún)?shù)與鍋爐效率、NOx等參數(shù)之間的數(shù)理模型，獲得機組運行狀態(tài)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，進行全廠節(jié)能減排綜合評估和診斷，分析機組運行潛力，提供用于優(yōu)化操作的經(jīng)驗積累，針對不同燃燒指標或指標組

10、合進行鍋爐燃燒參數(shù)配置的優(yōu)化，最終實現(xiàn)多重目標的優(yōu)化，并分類提出降耗與減排實施方案和措施，供機組運行人員根據(jù)實際需求做出優(yōu)化選擇。精確燃燒優(yōu)化控制技術(shù)特點在于從設(shè)備優(yōu)化改造到精確的參數(shù)測量，最后實現(xiàn)安全環(huán)保高效燃燒目標的系統(tǒng)性的解決方法。其主要工藝流程有：圖1 精確燃燒優(yōu)化控制技術(shù)流程圖1）設(shè)備優(yōu)化改造范圍包括：磨煤機、煤粉管道、省煤器、空氣預(yù)熱器、燃燒器、一次風(fēng)管道、二次風(fēng)管道；通過采集電廠DCS系統(tǒng)中的制粉系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，例如磨煤機出口風(fēng)溫、壓差和磨煤機電流存入實時數(shù)據(jù)庫中，而通過人工周期點檢得到的其他參數(shù)，例如煤粉細度、電機繞組溫度、齒輪磨損顆粒特征、軸承溫度、各密封有無風(fēng)粉露出、密封箱

11、水位、磨煤機有無異常振動、潤滑系統(tǒng)的油溫油壓油位等，將點檢參數(shù)手動錄入歷史數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中所儲存的數(shù)據(jù)掌握磨煤機當(dāng)前運行狀態(tài)，通過一定周期的分析處理可以掌握磨煤機狀態(tài)歷史變化趨勢，挖掘盡可能多的磨煤機狀態(tài)檢修信息，包括磨煤機各部件劣化程度信息，提供檢修更換建議。經(jīng)過對磨煤機的檢修改造以改善磨煤機出力降低、電耗增高、研磨件磨損大以及磨煤機震動大、煤粉細度控制等問題。2）測量器件及輔助裝置有：粉煤濃度測量裝置、風(fēng)量風(fēng)速測量裝置、飛灰含碳測量裝置、燃盡風(fēng)調(diào)整裝置、煤粉分散器、煤粉控制裝置；改造磨煤機煤粉粉管，在經(jīng)過改造的總粉管管道上依次加裝煤粉分散器和煤粉控制裝置，通過煤粉分散器和煤粉控制裝置對

12、煤粉流量進行分配。在各燃燒器入口的多路煤粉管道安裝煤粉濃度測量裝置；在一次風(fēng)管道、二次風(fēng)管道和燃盡風(fēng)管道分別設(shè)置風(fēng)量風(fēng)速測量裝置；在所述省煤器和空氣預(yù)熱器之間安裝飛灰含碳測量裝置；上述各測量裝置將測量信號傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，在實時數(shù)據(jù)庫中記錄機組運行過程信息，對過程數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)輸出到與調(diào)風(fēng)裝置與煤粉控制閥門裝置連接的應(yīng)用服務(wù)器，根據(jù)所測量的煤粉濃度、風(fēng)量風(fēng)速、飛灰含碳量、煤質(zhì)信息以及在預(yù)設(shè)定的氮氧化物排放水平、鍋爐效率水平的范圍內(nèi)，擬合風(fēng)煤比曲線，建立鍋爐運行操作量、運行狀態(tài)量和NOx排放與鍋爐效率的燃燒模型，開展實際運行工況下動態(tài)尋優(yōu)，建立各個工況最佳運行操作經(jīng)驗庫，通過調(diào)風(fēng)裝置、煤

13、粉控制閥門等裝置調(diào)整一次風(fēng)量、煤粉流量以及燃盡風(fēng)量，完成燃燒優(yōu)化的閉環(huán)控制。本技術(shù)可以獲得鍋爐效率與NOx排放多目標優(yōu)化的運行方案，實現(xiàn)鍋爐污染物排放最低時的鍋爐優(yōu)化運行方案，或鍋爐效率最大時的優(yōu)化運行方案。降低NOx排放，在不采取其他脫硝設(shè)備等工藝的情況下，可將NOx排放降低XX%XX%。在保持NOx達到最低的排放水平前提下，盡可能降低損失提高燃燒效率，平均降低能耗XX%XX%，降低機組煤耗約XXXXg/kWh。3. 關(guān)鍵技術(shù)大數(shù)據(jù)技術(shù)：機組運行數(shù)據(jù)挖掘，預(yù)測設(shè)備壽命，運行狀態(tài)預(yù)警。設(shè)備制造：精密工業(yè)制造，新材料、新工藝的研發(fā)與應(yīng)用。測量技術(shù)：可靠穩(wěn)定的測量器件，實現(xiàn)精確測量支撐燃燒精度評價

14、指標體系。燃燒模型：建立具有自適應(yīng)能力、容錯能力、并行處理能力的算法模型。四、 產(chǎn)業(yè)化前景與市場需求盡管近幾年清潔能源不斷發(fā)展，煤電在總發(fā)電量中所占比仍接近7成，預(yù)計至2030年煤電在中國占比也仍將在一半以上。從資源儲量上看，我國是貧油、少氣、相對富煤的國家，煤炭能源占一次能源比例同樣達70%。也就是說在今后相當(dāng)長的時間里，燃煤發(fā)電仍是我國日益增長的用電需求的主要解決方式?！懊禾壳鍧嵏咝Ю谩睂⑹侨济弘姀S長期面對的課題，在這樣的背景下，鍋爐燃燒優(yōu)化作為解決上述問題的直接途徑，市場前景將被看好且具有長效性。當(dāng)前，我國火力發(fā)電廠鍋爐運行中，設(shè)備的實際制造、安裝和運行方式存在一定缺陷，監(jiān)控參數(shù)存在偏

15、差、負荷頻繁變化以及煤質(zhì)不穩(wěn)定等現(xiàn)狀，以致對鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整有著迫切的需求。僅就山西電網(wǎng)省調(diào)機組來看，約有超百余臺機組的數(shù)量規(guī)模，大部分機組燃燒運行方式仍較為落后。因此，在廣泛的市場需求和預(yù)期的市場空間下，研究和推廣我們提出的基于先進測量技術(shù)的精確燃燒優(yōu)化控制技術(shù)便具備了產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。從鍋爐相關(guān)燃燒優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用狀況來看，行業(yè)內(nèi)各企業(yè)、高校、研究機構(gòu)仍處于研究攻堅階段。在系統(tǒng)性優(yōu)化燃燒領(lǐng)域，行業(yè)帶頭企業(yè)的產(chǎn)品也處在試驗和應(yīng)用推廣初期，隨著先進的測量技術(shù)以及設(shè)備自主研發(fā)制造的不斷發(fā)展，一直備受關(guān)注的鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)得以落地并產(chǎn)生了較好的應(yīng)用效果，該市場細分領(lǐng)域逐漸在業(yè)內(nèi)被確認，市場剛剛打開正

16、處于興起階段，在激烈的競爭未形成之前，先入為主搶占先機，將會獲得非常廣闊的發(fā)展空間。五、 現(xiàn)有工作基礎(chǔ)、條件和優(yōu)勢 自身條件外部條件優(yōu)勢機會條件作用發(fā)電機組優(yōu)化運行的核心技術(shù)及研發(fā)能力大數(shù)據(jù)技術(shù)機組基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)挖掘設(shè)備及備件的國產(chǎn)化制造積極響應(yīng)“中國制造2025戰(zhàn)略”帶動、加快工業(yè)生產(chǎn)制造的國產(chǎn)化進程山西、河北、寧夏等電網(wǎng)省調(diào)機組的大量運行數(shù)據(jù)測量技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)的精確測量可靠的測量器件與先進的測量技術(shù)擴大新技術(shù)的應(yīng)用十年的產(chǎn)品設(shè)計與服務(wù)能力及項目實施經(jīng)驗燃燒精度評價指標體系及分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中采集、模型運算、分析評估、運行指導(dǎo)權(quán)威力量（政府、研究院、高校）的介入與推動帶動資源聚合，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級

17、，“調(diào)結(jié)構(gòu)、保增長”。能源數(shù)據(jù)網(wǎng)建立區(qū)域機組大數(shù)據(jù)平臺、整合產(chǎn)業(yè)資源新的商業(yè)模式發(fā)揮平臺優(yōu)勢，實現(xiàn)商業(yè)閉環(huán)表1 內(nèi)部優(yōu)勢機會與外部條件六、 項目實施方案與組織方式 為了保證技術(shù)項目順利開展并取得預(yù)期成果，采取總經(jīng)理負責(zé)制，對項目進行統(tǒng)籌安排，全面把控實施進度，下設(shè)多個項目小組，統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，協(xié)同開展工作。序號階段時間目標1前期理論研究2015.10.152015.10.30根據(jù)理論研究與技術(shù)路線規(guī)劃，編寫可研報告1.0版。2市場調(diào)研2015.10.302015.12.15根據(jù)技術(shù)研究方向進行市場調(diào)研，與電廠人員、供應(yīng)廠家人員等專家人員交流，組織研討會，改進可研報告。3第一期研究經(jīng)費申請2015.1

18、1.152015.12.30申請課題研究經(jīng)費，計劃第一期50萬元。4研究試驗2015.12.152016.3.1召集專家人員研究、攻關(guān)，按照既定的技術(shù)路線，到達預(yù)期成果。5示范應(yīng)用2016.3.12017.5.1確定示范機組鍋爐，實際應(yīng)用示范。表2 項目實施計劃七、 承擔(dān)單位和主要研究人員簡況 威信爾（北京）科技發(fā)展有限公司主導(dǎo)下，高校、研究所等機構(gòu)參與研究。人員情況暫無。八、 經(jīng)費預(yù)算來源及使用計劃項目投資及資金籌措渠道主要有：科研經(jīng)費、風(fēng)險資本投資和自籌資金。預(yù)計項目費用總投入XXX萬元。序號分類數(shù)量核算標準金額合計備注1直接材料費2儀器設(shè)備費3科技外協(xié)費4專家咨詢費5勞務(wù)費6會議費7管理費8差旅費9其他費用表3 研究經(jīng)費預(yù)算表九、 經(jīng)濟與社會效益分析 1. 經(jīng)濟效益分析技術(shù)項目經(jīng)示范應(yīng)用后進行批量推廣，每座電廠（2臺機組）進行精確燃燒技術(shù)改造預(yù)計約1000萬元的項目額度，年產(chǎn)值預(yù)計超億元。2. 社會效益分析在火力