燃燒控制系統(tǒng)及優(yōu)化

1、燃燒控制系統(tǒng)及優(yōu)化一、燃燒控制系統(tǒng)1風(fēng)煙系統(tǒng)流程與作用鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)主要包括一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)。一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)主要用來克服供燃料燃燒所需空氣在空氣預(yù)熱器、煤粉設(shè)備和燃燒設(shè)備等風(fēng)道設(shè)備的系統(tǒng)阻力；引風(fēng)機(jī)主要用來克服熱煙氣在受熱面管束（過熱器、爐膛后墻排管和省煤器等）、空氣預(yù)熱器、電除塵器等煙道的產(chǎn)生的系統(tǒng)阻力，并使?fàn)t膛出口處保持一定的負(fù)壓。鍋爐的風(fēng)煙系統(tǒng)由送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器、煙道、風(fēng)道等構(gòu)成。冷空氣由兩臺送風(fēng)機(jī)克服送風(fēng)流程（空氣預(yù)熱器、風(fēng)道、擋板等）的阻力，并將空氣送入空氣預(yù)熱器預(yù)熱；空氣預(yù)熱器出口的熱風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)聯(lián)絡(luò)母管，一部分進(jìn)入爐兩側(cè)的大風(fēng)箱，并被分配到燃燒器二次風(fēng)進(jìn)口，進(jìn)

2、入爐膛；另一部分由一次風(fēng)機(jī)經(jīng)空預(yù)器引到磨煤機(jī)熱風(fēng)母管作干燥劑并輸送煤粉。爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)鍋爐各受熱面分兩路進(jìn)入兩臺空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器后的煙氣進(jìn)入電除塵器，由兩臺引風(fēng)機(jī)克服煙氣流程（包括受熱面、脫硝設(shè)備、除塵器、煙道、脫硫設(shè)備、擋板等）的阻力將煙氣抽吸到煙囪排入大氣。引風(fēng)機(jī)：克服尾部煙道、除塵器、空氣預(yù)熱器等的壓力損失。使?fàn)t膛內(nèi)產(chǎn)生的煙氣能夠順利排除，并使?fàn)t膛內(nèi)維持一定的負(fù)壓，讓鍋爐能夠良好的充分燃燒。以提高經(jīng)濟(jì)效益。一次風(fēng)系統(tǒng)：一次風(fēng)的作用是用來輸送和干燥煤粉，并供給煤粉揮發(fā)份燃燒所需的空氣。二次風(fēng)系統(tǒng)：二次風(fēng)是在煤粉氣流著火后混入的。由于高溫火焰的粘度很大，二次風(fēng)必須以很高的速度才

3、能穿透火焰，以增強(qiáng)空氣與焦碳粒子表面的接觸和混合。二次風(fēng)由兩臺二次風(fēng)機(jī)供給，進(jìn)入空氣預(yù)熱器內(nèi)加熱后，由二次熱風(fēng)道送到鍋爐四周，再由二次風(fēng)管分層在不同高度進(jìn)入爐內(nèi)，供給燃料燃燒所需要的氧量，并實現(xiàn)分級送風(fēng)，降低NOx排放。另一路從二次熱風(fēng)道引出送到給煤口和石灰石管線上作為密封風(fēng)。燃燒方式：鴛鴦湖電廠采用的燃燒方式是四角切圓燃燒方式，有24個燃燒器。工作原理是：煤粉氣流在射出噴口時，雖然是直流射流，但當(dāng)四股氣流到達(dá)爐膛中心部位時，以切圓形式匯合，形成旋轉(zhuǎn)燃燒火焰，同時在爐膛內(nèi)形成一個自下而上的旋渦狀氣流。00O147066圖1燃燒器四角切圓布置2等離子點火系統(tǒng)等離子點火燃燒系統(tǒng)包括等離子燃燒器和風(fēng)

4、粉系統(tǒng)。等離子燃燒器是借助等離子發(fā)生器的電弧來點燃煤粉的煤粉燃燒器，可在爐膛內(nèi)無火焰狀態(tài)直接點燃煤粉，從而實現(xiàn)鍋爐的無油啟動和無油低負(fù)荷穩(wěn)燃。等離子點火風(fēng)粉系統(tǒng)包括給粉機(jī)、磨煤機(jī)、暖風(fēng)器、一次風(fēng)、二次風(fēng)、冷卻風(fēng)等。等離子燃燒器一是在內(nèi)燃方式的基礎(chǔ)上，利用雙筒結(jié)構(gòu)將部分煤粉推至燃燒器出口，在爐膛內(nèi)燃燒。內(nèi)外筒形成同心雙層并聯(lián)通道，有利于著火燃燒，降低飛灰含碳量。二是穩(wěn)定可靠的點燃，確保點火過程中不爆燃、不二次燃燒。三是不影響主燃燒器的主要性能。四是燃燒器的出力可以在一定的范圍內(nèi)變動，從最大限度地節(jié)約燃油的角度考慮，在設(shè)計上該燃燒器能滿足在鍋爐冷態(tài)點火時投入，鍋爐升溫、升壓速率能滿足電廠運(yùn)行規(guī)程的

5、要求。五是燃燒器的外形主要尺寸與原燃燒器相同，便于燃燒器布置和與系統(tǒng)接口。啟弧：等離子發(fā)生器是用來產(chǎn)生高溫等離子電弧的裝置，主要由陽極、陰極、線圈組件三大部分組成。陽極、陰極組件包括用來形成電弧的兩個金屬電極陽極與陰極，在兩電極間加穩(wěn)定的大電流，將電極之間的空氣電離形成具有高溫導(dǎo)電特性等離子體，并由壓縮空氣吹出陽極，形成可以利用的高溫電弧。煤粉顆粒通過該等離子受到高溫作用而迅速燃燒。圖2等離子點火系統(tǒng)3磨煤機(jī)系統(tǒng)本次課程上電廠所用磨煤機(jī)為輥式磨煤機(jī)。輥式磨煤機(jī)是將煤塊破碎并磨成煤粉的機(jī)械，它是煤粉爐的重要輔助設(shè)備。磨煤過程是煤被破碎及其表面積不斷增加的過程。要增加新的表面積，必須克服固體分子間

6、的結(jié)合力，因而需消耗能量。煤在磨煤機(jī)中被磨制成煤粉，主要是通過壓碎、擊碎和研碎三種方式進(jìn)行。其中壓碎過程消耗的能量最省。研碎過程最費(fèi)能量。工作原理：電動機(jī)通過減速機(jī)帶動磨盤轉(zhuǎn)動，物料經(jīng)鎖風(fēng)喂料器從進(jìn)料口落在磨盤中央，同時熱風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入磨內(nèi)。隨著磨盤的轉(zhuǎn)動，物料在離心力的作用下，向磨盤邊緣移動，經(jīng)過磨盤上的環(huán)形槽時受到磨輥的碾壓而粉碎，粉碎后的物料在磨盤邊緣被風(fēng)環(huán)高速氣流帶起，大顆粒直接落到磨盤上重新粉磨，氣流中的物料經(jīng)過上部分離器時，在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的作用下，粗粉從錐斗落到磨盤重新粉磨，合格細(xì)粉隨氣流一起出磨，通過收塵裝置收集，即為產(chǎn)品，含有水分的物料在與熱氣流的接觸過程中被烘干，通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度

7、，能滿足不同濕度物料要求，達(dá)到所要求的產(chǎn)品水分。通過調(diào)整分離器，可達(dá)到不同產(chǎn)品所需的粗細(xì)度。稀油站：用于傳動齒輪、減速箱的潤滑；液壓油站：做為磨輥加載、開關(guān)排渣門的動力。4燃燒控制SAMA圖分析滿足機(jī)組負(fù)荷要求，維持主蒸汽壓力穩(wěn)定一一燃料控制；保證燃燒過程經(jīng)濟(jì)性（保證燃料量與通風(fēng)量之間的最佳比值，即保證燃料充分燃燒，又要減少排煙損失。一一送風(fēng)控制；保證燃燒過程穩(wěn)定性一一引風(fēng)控制；爐膛壓力反應(yīng)燃燒過程送風(fēng)與引風(fēng)之間的工質(zhì)平衡關(guān)系。燃料量控制在7號站23號圖和7號站25號圖。下圖燃料控制SAMA圖中可以看到，燃料控制由一個PID和一個手操器以及其他小模塊組成。燃料指令經(jīng)過一個濾波環(huán)節(jié)和一個中值選擇

8、模塊作為PID的PV信號，總?cè)剂狭孔鳛镻ID的SP信號，當(dāng)控制方式切手動之后，PID跟蹤手操器的輸出。下圖燃料空氣指令SAMA圖中左上方可以看到一個慣性遲延環(huán)節(jié)，點擊進(jìn)去查看參數(shù)可以知道是一個一階慣性模塊。它的作用是低通濾波，保留上一時刻的值，來與現(xiàn)一時刻送過來的鍋爐指令作對比，防止鍋爐指令過大產(chǎn)生一個過大的擾動。鍋爐主控指令與總?cè)剂狭恐噶罱?jīng)過濾波、取大模塊保證了在負(fù)荷要求變大時做到先加風(fēng)后加煤，在負(fù)荷要求變小時做到先減煤后減風(fēng)的要求。圖3燃料控制SAMA圖爐膛壓力控制在5號站132133號圖。爐膛壓力信號經(jīng)過一個濾波環(huán)節(jié)一個減法模塊和非線性環(huán)節(jié)作為PID的實際輸入PV信號,這里還有一個ASE

9、T模塊,在切換手動運(yùn)行的時候，操作員可以從DCS畫面直接輸入爐膛壓力指令，在自動狀態(tài)時，則直接等于爐膛壓力信號指令，這里就實現(xiàn)了操作人員手動給指令的功能，送風(fēng)量指令經(jīng)過一個非線性環(huán)節(jié)作為PID的FF信號，總?cè)剂狭孔鳛镻ID的SP信號。圖5爐膛壓力控制SAMA圖二次風(fēng)壓力控制在5號站135138號圖。為了在機(jī)組增、減負(fù)荷動態(tài)過程中，使燃料得到充分燃燒，就要保證有足夠的風(fēng)量。需要保持一定的過量空氣系數(shù)，因此，在機(jī)組增負(fù)荷時，就要求先加風(fēng)后加煤；在機(jī)組減負(fù)荷時，就要求先減煤,后減風(fēng)。這樣就存在一個風(fēng)煤交叉限制。鍋爐主控和總?cè)剂狭吭谏?fù)荷時，經(jīng)過一個大選信號，通過模塊135-74大選模塊選擇鍋爐主控，

10、然后經(jīng)過濾波，函數(shù)轉(zhuǎn)換等作為PID的SP信號，可以達(dá)到使得總風(fēng)量增加的效果。（先增風(fēng)。）鍋爐主控和總?cè)剂狭吭诮地?fù)荷時，經(jīng)過一個大選信號，通過模塊135-74大選模塊選擇總?cè)剂狭浚缓蠼?jīng)過濾，函數(shù)轉(zhuǎn)換等送作為PID的SP信號，使得風(fēng)量先保持不變，待總?cè)剂狭繙p小到小于鍋爐主控后，鍋爐主控經(jīng)大選模塊等一系列模塊后送入PID作為設(shè)定值，然后才使得風(fēng)量減小。這樣便可以始終使風(fēng)大于煤。（先減煤）A、B送風(fēng)控制：總風(fēng)量經(jīng)過濾波模塊后作為PID的實際值PV信號，經(jīng)PID模塊后，經(jīng)模塊135-7M/A手自動切換模塊、限幅模塊等一系列模塊后作為送風(fēng)A、B的控制信號來控制A、B擋板開度。氧量控制：氧量控制是一個串級

11、控制。由A狽0、B側(cè)空預(yù)器入口煙氣含氧量、鍋爐主控指令控制氧量調(diào)整指令。A狽0、B側(cè)空預(yù)器入口煙氣含氧量經(jīng)過運(yùn)算作為PID的實際值PV信號，鍋爐主控指令經(jīng)過函數(shù)轉(zhuǎn)換等送入模塊138-5PID作為其設(shè)定值SP，然后經(jīng)過限幅等一系列動作輸出作為氧量校正控制?？?盤ns-i-X1-圖6二次風(fēng)壓控制SAMA圖TM-TSEFraffiia-.口騎番少母譚撫IfiSAGIi?>話增刪同>:甕電逐鳥悄中i二建團(tuán)】ui-zrI33-Z5I1S-23TV'iw-il他；Mj丁乂4>m詩穢二和站-.r.ATWC-aEHTtWTHiaA.DttEt圖7氧量校正控制SAMA圖3MFT燃料跳閘

12、控制MFT（主燃料跳閘）：MFT般指的是鍋爐運(yùn)行當(dāng)中對設(shè)備的自動保護(hù)措施：當(dāng)發(fā)生異常突發(fā)事故時或報警，或自動停止設(shè)備運(yùn)行。保留送，引風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行吹掃。缺陷或故障消除后需啟動設(shè)備時，必須先將MFT復(fù)位方可啟動設(shè)備，否則電機(jī)設(shè)備無法啟動。FT動作后會有以下的連鎖動作：給粉機(jī)全停，油槍全停；燃油進(jìn)油電磁閥關(guān)閉；制粉系統(tǒng)全停；前后平衡風(fēng)擋板回到設(shè)定值；汽機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)解列；高低旁自動開啟（兩級旁路）。膛壓力的計算非常近似于下式：PV=MRTP-絕對壓力；V爐膛容；M爐膛煙氣質(zhì)量；R煙氣常數(shù)；T一絕對溫度于容積是固定的,R是常數(shù)，故壓力P與MT成正比關(guān)系。因此，在主燃料跳閘后因爐膛內(nèi)煙氣量減少和溫度降低

13、將造成壓力急劇下降?；谏鲜鲈?，可以設(shè)計超馳控制回路，用是防止主燃料跳閘（MFT動作）時，引起爐膛滅火而產(chǎn)生鍋爐內(nèi)爆的事故。當(dāng)MFT動作時，控制系統(tǒng)強(qiáng)制前饋信號為0,關(guān)小引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度，以減少引風(fēng)機(jī)出力，使?fàn)t膛負(fù)壓不至太低。二、燃燒控制優(yōu)化1前言鍋爐和鍋爐配套系統(tǒng)均存在一定的煤種適應(yīng)范圍（即燃用規(guī)定范圍內(nèi)的煤種，應(yīng)該達(dá)到設(shè)計效率、保證低負(fù)荷穩(wěn)燃、以及符合安全性和NOx排放等參數(shù)的要求)，但對于我國的大部分火力發(fā)電廠，由于煤種變化大，燃用煤質(zhì)普遍較差，再加之鍋爐實際運(yùn)行中，設(shè)備改造、變負(fù)荷運(yùn)行、熱力試驗間隔時間長等原因，存在鍋爐燃燒達(dá)不到最佳的現(xiàn)象，因此迫切需要通過優(yōu)化運(yùn)行，在一定范圍內(nèi)提高機(jī)

14、組經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性能。在這方面，對鍋爐燃燒進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整是最有效最直接的手段，所以研究電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)早已成為一項重要的課題。鍋爐燃燒優(yōu)化是通過對鍋爐燃料供給和配風(fēng)參數(shù)的調(diào)整，以及對其控制方式的改變等，保證送入鍋爐爐膛內(nèi)的燃料及時、完全、穩(wěn)定和連續(xù)地燃燒，并在滿足機(jī)組負(fù)荷變動需要的前提下，獲得最佳燃燒工況的工作。進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)節(jié)的目的是：在滿足外界電負(fù)荷需要的蒸汽數(shù)量和合格的蒸汽品質(zhì)的基礎(chǔ)上，保證鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。具體可歸納為(1) 保證正常穩(wěn)定的汽壓、汽溫和蒸發(fā)量；(2) 著火穩(wěn)定、燃燒安全，火焰均勻充滿爐膛，不結(jié)渣，不燒損燃燒器和水冷壁、過熱器不超溫；(3) 使機(jī)組運(yùn)行保持最高

15、的經(jīng)濟(jì)性；(4) 減少燃燒污染物排放。2電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)研究現(xiàn)狀從鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)角度看，鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)可以分為三類：第一類通過在線檢測鍋爐燃燒的重要參數(shù)，指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)節(jié)鍋爐燃燒，這類燃燒優(yōu)化技術(shù)目前在國內(nèi)占據(jù)著主導(dǎo)地位。第二類燃燒優(yōu)化技術(shù)是在的基礎(chǔ)上，作為鍋爐運(yùn)行的監(jiān)督控制系統(tǒng)，通過采用先進(jìn)的控制邏輯、控制算法或人工智能技術(shù)，實現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化。隨著先進(jìn)控制和人工智能技術(shù)的逐步成熟和在工業(yè)上成功的應(yīng)用，這類燃燒優(yōu)化技術(shù)發(fā)展迅猛。第三類燃燒優(yōu)化技術(shù)在設(shè)備層面，通過對燃燒器、受熱面等的改造實現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化調(diào)整。上述三類技術(shù)在實際中各有優(yōu)點和應(yīng)用。但其中第二類技術(shù)不需要對鍋爐設(shè)備進(jìn)行任何

16、改造，能夠充分利用鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在控制的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)建模、優(yōu)化、控制技術(shù)的應(yīng)用，直接提高鍋爐運(yùn)行效率，降低NOx排放，具有投資少、風(fēng)險小、效果明顯的優(yōu)點，因而成為很多電廠首選的燃燒優(yōu)化技術(shù)。21國內(nèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)鍋爐煙氣含氧量的優(yōu)化控制技術(shù)一般情況下，鍋爐的效率與煙氣含氧量成凸的二次曲線關(guān)系。因此這些運(yùn)行優(yōu)化控制的研究都是采用這一關(guān)系曲線對鍋爐的煙氣含氧量進(jìn)行在線的尋優(yōu)控制，以保證鍋爐的最佳燃燒效率。由于鍋爐效率不可在線測量，因此很多研究采用了煙氣中含量與鍋爐效率的關(guān)系作為間接尋優(yōu)煙氣氧量的依據(jù)。這類控制系統(tǒng)簡單、有效，但是比較粗糙，實際應(yīng)用很少。這主要是受早期鍋爐可控性較差、各種分析測量

17、儀表尚沒有成熟的影響。閉環(huán)均衡燃燒控制系統(tǒng)圖8均衡燃燒控制系統(tǒng)工作原理圖傳統(tǒng)的燃燒控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證進(jìn)入鍋爐爐膛的燃料總量與機(jī)組所需的燃料量相符，但這并不能確保燃料能平均分配至鍋爐的每個燃燒器。燃料分配的非均衡性造成了燃燒的不穩(wěn)定、爐膛火焰中心的偏移以及水冷壁的結(jié)焦等現(xiàn)象。均衡燃燒控制系統(tǒng)能在風(fēng)粉濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過對每個給粉機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，較好地解決上述問題。若鍋爐以四角切圓方式進(jìn)行燃燒，均衡燃燒控制系統(tǒng)能保證流經(jīng)同層的每個燃燒器的煤粉濃度相等，并能夠控制各個工況下總的煤粉量以最優(yōu)的比例分配給各層燃燒器。均衡燃燒控制系統(tǒng)已經(jīng)在多家電廠得到應(yīng)用，起到了燃燒優(yōu)化控制的效果，提高了鍋

18、爐燃燒的效率和安全性。但由于該系統(tǒng)以燃燒器煤粉濃度測量為基礎(chǔ)。而這一測量技術(shù)的研究目前進(jìn)展很慢，只是在熱風(fēng)送粉的鍋爐中得到實際應(yīng)用，并且可靠性也不是很高，嚴(yán)重影響了均衡燃燒控制系統(tǒng)的實際使用效果和廣泛推廣。電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制軟件OCP3清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制軟件0CP3。與國外燃燒優(yōu)化控制軟件相比，該軟件包是專門針對我國電站鍋爐機(jī)組的運(yùn)行特點而研究的，具有很好的適應(yīng)性。在軟件包的研究、開發(fā)和應(yīng)用過程中，著重針對我國電站鍋爐的燃燒特點進(jìn)行了研究，并解決了下述問題：(1) 鍋爐燃燒煤質(zhì)的自動辨識問題。煤質(zhì)多變是我

19、國電站鍋爐的特點，不同的煤質(zhì)下鍋爐表現(xiàn)出不同的燃燒特性，必須首先辨識出不同的煤質(zhì)，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化控制。(2) 鍋爐運(yùn)行特性的非線性動態(tài)建模問題，并研究了模型的自適應(yīng)更新問題。鍋爐燃燒是一個非線性的動態(tài)過程，如果只是建立線性模型或者穩(wěn)態(tài)模型，往往不能進(jìn)行很好的燃燒優(yōu)化控制。并且模型自適應(yīng)也是成功進(jìn)行燃燒優(yōu)化控制的關(guān)鍵。(3) 基于多目標(biāo)優(yōu)化的鍋爐運(yùn)行優(yōu)化控制問題。針對我國目前電力市場特點，研究了多種優(yōu)化目標(biāo)下的優(yōu)化控制算法。燃燒優(yōu)化目標(biāo)包括鍋爐效率最佳，NOx排放最低，鍋爐運(yùn)行成本最低等。(4) 鍋爐機(jī)組負(fù)荷大范圍快速變化中的燃燒優(yōu)化實現(xiàn)算法。由于電力市場的原因，使得很多燃煤機(jī)組參與調(diào)峰，因此僅僅考慮鍋爐燃燒的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化是不夠的，一個能夠長期投運(yùn)有效的燃燒優(yōu)化控制軟件必須能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組動態(tài)變化過程中的燃燒優(yōu)化控制。目前該軟件包已經(jīng)在國產(chǎn)20萬機(jī)組和進(jìn)口35萬機(jī)組上得到應(yīng)用。初步測試表明，采用該軟件包能夠使鍋爐運(yùn)行效率提高0.5%左右，NOx排放降低10%20%左右。22國外燃燒優(yōu)化技術(shù)UltraMax公司的燃燒優(yōu)化技術(shù)圖9Ultramax系統(tǒng)工作原理圖美國俄亥俄州Ultramax公司開發(fā)的UltraMax系統(tǒng)又稱為先進(jìn)過程管理系統(tǒng)，是一個對生產(chǎn)操作進(jìn)行日常管理的系統(tǒng)，能應(yīng)用于各種生產(chǎn)過程。其中的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)是將一系列代表鍋爐燃燒工況的參數(shù)，比如煙氣、氧量、排煙溫度、煙氣排放物等