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火電機組鍋爐實時控制與優化節能技術

文檔作者：孫德敏文檔來源：上海富方軟件工程有限公司		點擊數：	更新時間： 2022年02月25日
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上海電力 2007年第5期
火電機組鍋爐實時控制與優化節能技術
孫德敏
(上海富方軟件工程有限公司，上海 201203)
摘 要：國外電站鍋爐燃燒優化軟件是基于系統靜態輸入輸出模型．對于工況變化較快的機組是不適合的。
文章針對國內外鍋爐燃燒優化軟件產品與應用及其存在的問題，介紹了開發的火電機組鍋爐實時控制與優
化節能軟件，在已配置分布式控制系統(DCS)機組穩定運行的基礎上，配置增加一個實時控制工作站，采用實
時在線動態運行數據建模，通過各調節回路PID 自動整定、鍋爐主控溫度預測控制、在線風煤比優化，實現對
鍋爐的實時在線優化控制。為挖掘火電站機組鍋爐的節能潛力，擬采用鍋爐燃燒實時控制與優化節能軟件及
系統等或技術，準備實施鍋爐燃燒優化節能系統集成，從而達到節能減排的技術指標。
關鍵詞：火電機組；鍋爐燃燒系統；實時控制；優化；節能；軟件；系統集成
中圖分類號：TM621．1 文獻標識碼：B
1 引言
我國電力主要由火電站提供。2005年，火電
耗煤總量為11．1億t，占當年煤產量21．9億t的
50．7 9／6，火電行業同時也是污染物排放大戶。我
國火電煤耗為379 g／kW ·h標準煤，比國際先進
水平高67 g。
火電機組鍋爐實時控制與優化實際上是在機
組已經配置分布式控制系統(DCS)，并已穩定投
運的基礎上，通過增加一個實時控制工作站，實現
對鍋爐的實時控制與優化，從而達到提高產品質
量與節能的目標。
國內外的燃燒優化軟件產品及其應用主要
有：
(1)美國俄亥俄州Ultramax公司開發的
Ultramax鍋爐燃燒優化系統是將一系列代表鍋
爐燃燒工況的參數，比如煙氣氧量、排煙溫度、煙
氣排放物等，作為系統的輸入數據，并以這些樣本
數據建立鍋爐燃燒特性模型，軟件提供運行人員
一個優化燃燒的操作指導(手動操作)。
目前全世界應用該系統已經有30多個電廠，
其中包括我國鄒縣電廠。
(2)NeuSIGHT系統為美國Pegasus公司應
用人工智能神經網絡技術設計的燃煤電廠鍋爐燃
燒優化控制系統，其主要功能是以提高鍋爐熱效
率和降低NO 排放為目標的穩態優化。Neu—
SIGHT系統在美國市場的占有率為4O 。對于
沒有排放控制的電廠，NeuSIGHT 系統可降低
一450 一
NO 排放達20 ～60O(一般為25 ～35O)。
(3)Power Perfecter系統是美國Pegasus公
司研制的鍋爐運行優化控制軟件(也稱
DeltaE3)。它基于神經網絡技術，并增加了模型
預測控制(MPC)技術，能通過建立多目標的動態
優化控制器，動態調整DCS設定參數與偏置，實
現鍋爐燃燒優化動態閉環控制，系統原理圖如圖
1所示。
穩態優化
神經網絡穩態
模犁優化算法
非線性模型預測控制
丙 爵
模犁預測控制算法
操作暈
設定值
機組實時數據
鍋爐
圖1 美國Power Perfecter系統原理圖
該系統可提升鍋爐熱效率0．5 ～2．5 ，降
低氮氧化物排放量10 ～30 ，降低飛灰含碳量
7 ～9O，該軟件已應用于我國山東省的華電萊
城電廠1號鍋爐和華能天津楊柳青電廠5號鍋
爐，測試報告表明應用效果良好。
(4)電站鍋爐燃燒優化控制軟件OCP3，是清
華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室研制
的，屬于神經網絡建模靜態優化，通過機組穩態尋
優，建立機組最佳的工作點。該軟件優化控制原
理圖如圖2所示。
目前該軟件包已經在國產20萬kW 機組和
進口35萬kW 機組上得到應用，初步測試表明，
采用該軟件包能夠使鍋爐運行效率提高0．5 左
右，NO 排放降低10 ～20％左右。
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2007年第5期 上海電力
機組負荷
一次風
二次風
出口風
燃燒器組織
基于人J：
神經網絡
的非線性
模型
Y=F(x)
NOI
煙溫
NO (1一町)
． 墾垡堡 量 夏蕊j ． 1
圖2 電站鍋爐燃燒優化控制軟件OCP3原理圖
需要指出的是，國內外的鍋爐燃燒優化控制
系統軟件都是基于系統靜態輸入輸出模型。這
樣，在系統數據采集過程中，必須等待系統穩定
后，再扣除動態過程段才可以采集穩態有效數據
(這需要對系統何時進入穩定狀態進行判斷)，因
而獲取一個有用數據的時間在數小時甚至更長時
間；而且神經網絡建模需要數據較多所用時間更
長。例如NeuSIGHT 系統建立神經網絡模型前
要經過2～4周的鍋爐變參數測試，在測試數據的
基礎上建立原始模型。在工況變化比較快機組
(國內機組大都是這樣)中是不適合的。
由于一些國外開發的鍋爐燃燒優化控制系統
軟件缺少本地化開發和培訓，服務也不到位，因此
有的長期處于閑置狀態，有的則在投用不久即因
運行事故而不再使用。
2 火電鍋爐機組實時控制與優化軟件
中國科學技術大學與上海富方軟件工程有限
公司合作開發的火電機組鍋爐實時控制與優化軟
件，在采用PID參數自動整定軟件整定各調節回
路、關鍵回路實現高精度預測控制(如前述)的基礎
上，用實時在線動態運行數據建模(采樣時間短到
幾分鐘，并且理論上轉換成優化模型無誤差)、實時
在線優化控制，能夠節煤1 ，降低NOx排放
20 。近5—6年來，公司在山東石橫電廠1 080 t／h
鍋爐、河南焦作愛依斯(AES)萬方電力公司的二
臺420 t／h鍋爐、淮南平電公司#1機2 008 t／h
鍋爐上，完成了多項實時控制與優化軟件項目。
火電鍋爐機組實時控制與優化軟件包括：
2．1 各調節回路PID 自動整定
開發的PID 自動整定軟件，已被國家科技部
評為2000 年國家重點新產品(編號：
2000G0'41D600025)。焦作AES電力公司420t／h
鍋爐運行，在負荷較大波動的情況下，回路仍然達
到部頒標準。
主汽壓力的部頒標準為：-0．196 Mpa，采用
PID 自動整定軟件后實際主汽壓力達到一0．
O94一+0．087 Mpa，僅為部頒標準偏差的一半；
汽包水位的部頒標準偏差、為-15mm，而采用PID
自動整定軟件后汽倉水位偏差達到-9．85 mm，
也是優于部頒標準。
2．2 鍋爐主汽溫預測控制
(1)淮南平電公司1號機2 008 t／h鍋爐自
1989年投運以來，主蒸汽溫度基本上控制在設定
值539℃ -12℃ 左右，常常出現超溫現象，廠里6
次將其列為技術難題進行主蒸汽溫度自動控制系
統改造，均未獲得成功。采用廣義預測控制后，穩
定負荷下的汽溫變化范圍僅為設定值的±3℃ 之
內，見圖3。
635
595
556
5l6
477
437
398
358
3l9
279
240
、弛 l、弛 l 、弛 l t t t t
圖3 鍋爐蒸汽溫度變化范圍
該系統投運時間超過85 ，控制性能優于部
頒驗收標準。
(2)石橫1 080 t／h鍋爐主汽溫原設計的控
制方式是兩級PID控制系統。在負荷波動較大
的情況下，汽溫波動經常在±10℃ 以上，致使運行
人員經常需要采用手操方式，以避免超溫。
采用多模型廣義預測控制(GPC)后主蒸汽溫
度控制效果見圖4。
至
1一風量％；2一煤量t／h；3一主汽溫℃ ；4一機組功率Mw
負荷從190MWJ~IJ308MW，主汽溫處于539~C±3℃ 。此前為手動，
汽溫波動經常在±12~C以上。
圖4 主蒸汽溫度控制效果
主汽溫度均值較手動控制時提高了3~C左右，
主汽溫的提高可使機組平均煤耗降低3 g／kW ·h
左右，僅此煤耗降低就可以為電廠每年增加約
400萬元的經濟效益。
2．3 以反平衡熱效率最高為目標的在線風煤比
優化
一45】一
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在電站鍋爐運行過程中，如果能恰當的保持煤
量與空氣量的正確比例，就能達到最小的熱損失和
最大的熱效率。如果空氣不足，結果導致煤不完全
燃燒，熱量損失上升；如果空氣過多，就會使大量的
熱量隨煙氣被排出，使燃燒效率降低，如圖5所示。
損失 節約 損失
操作＼ 最高燃燒 操作在這里
在這I 效率區 熱量損失
里浪＼ 煙氣里
費燃＼
料 ＼／ ／ ＼ ，‘ 不完全／＼
燃燒損、 過剩空氣
失 損失
／
墊窒 ( 2
圖5 電站鍋爐燃燒效率曲線
在石橫電廠1 080 t／h鍋爐，建立反平衡熱效
率在線優化數學模型如式(1)所示：
Q ：==y(k)= boo+ Blo(q )Ul(是～ )+
B (q )U (是一 )+ ? +
B (q )U (是一 )U (是一 )+ ? +
B (q )U (k— d)一A (q- ) (是) (1)
式中Q—y(k)— — 鍋爐熱效率；
“。— — 煙氣中氧含量；
“。— — 鍋爐負荷；
各項系數為辨識參數。
以反平衡熱效率最高為目標在線優化，投運后
熱效率提高，節煤1 ，減少NO 排放20 ，優化后
效率曲線和NO 排放曲線分別如圖6、7所示。
92．
92．
諄91．
耬91．
90．
90．
g
g
0
Z
時間
圖6 在線風煤比優化效率曲線
l，j l l，Z5=ul l，螂l l，：56l上J 16：1391 16：肼l I6 62l
時間
圖7 NO 排放曲線
2．4 以提高給風質量為目標的燃燒優化
鍋爐燃燒優化需要保證鍋爐有良好燃燒條
件，所謂良好燃燒條件包含4點：
(1)相當高的爐溫。爐溫越高，加熱速度越
一452 一
快，燃燒的化學反應也越快，有利于燃料在爐內的
著火和完全燃燒，但溫度過高時(例如高于2
000℃)燃燒產物的分解增加，未完全燃燒損失反
而增大，而且過高的爐溫還會引起爐內結渣和水
冷壁的膜態沸騰。一般爐溫在1 500℃ 為好，爐膛
內壓力在0．1 MPa為好。
(2)合適的空氣量。空氣不足，未完全燃燒熱
損失q。、q 會因供氧不足而增大；但空氣太多，又會
導致爐溫下降、燃燒速度降低和燃料在爐膛內停留
時間縮短，未完全燃燒熱損失q。、q 也要增大。
(3)燃料與空氣良好混合。除保證相當高的
爐溫和供應合適的空氣量外，還必須使燃料與其
燃燒所需的氧充分擾動和混合，才能使燃燒化學
反應持續進行。
(4)足夠的爐內停留時間。只有燃料在爐內
的停留時間大于燃料完全燃燒所需要的時間，才
能保證燃料在爐內的燃燒完全，否則將增大未完
全燃燒熱損失。
良好燃燒條件是通過鍋爐的精心設計形成
的，例如為使一次風、二次風良好的混合，鍋爐設
計成爐膛內軸向空氣分級燃燒，形成熱解區、貧氧
區和富氧區，徑向直流燃燒器采用四角切圓燃燒
(圖9)，燃燒器射出的四股氣流在爐膛中心形成
一個穩定的強烈旋轉火炬，在離心力的作用下，爐
膛中心區形成負壓區，即無風區，外面是氣流強烈
旋轉的強風區，最外圍是弱風區。在爐膛中形成
一個旋轉上升氣流，而且爐膛中心的負壓還使部
分高溫熱氣由上向下流動。
圖8 軸向空氣分級燃燒示意圖
圖9 徑向空氣分級燃燒示意圖
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2007年第5期 上海電力
2．4．1 鍋爐燃燒過程優化控制
鍋爐燃燒過程優化控制是通過DCS可以控
制的量，來保證鍋爐優化燃燒，調整鍋爐運行操作
中裝置及燃料變化引起的偏差。鍋爐燃燒過程優
化控制內容如下：
鍋爐的用煤量是由鍋爐蒸汽壓力回路來保
證，通過穩定及滿足負荷變化的爐機協調控制來
確定，由磨煤機一次風量(給煤量)提供。
為了保證充分燃燒，首先要解決的就是為鍋
爐所用煤量配置合適的空氣量，在石橫電廠1 080
t／h鍋爐上用煙道氧量做為變量，以熱效率最高
為目標尋最優風煤比，也就是針對鍋爐的給煤量
(及一次風)，通過優化供給二次風、燃盡風(加上
一次風)的總風量在線優化，使式(2)最小，來保證
充分燃燒的最優空氣量。
min J 一是l(1一刁鍋爐)+ 是2 NO (2)
式中 min．廠一一目標函數最小；
碥 — — 鍋爐熱效率；
NO — — 煙氣中氧化氮含量；
k 、k —— 加權系數。
在石橫電廠1 080 t／h鍋爐上已經節煤1
左右，減少NO 排放15 ～2O％ 。
電站鍋爐是復雜的大系統，鍋爐燃燒需要滿
足上述條件，雖然風煤比優化得到合適的給風總
量很有效，但僅有給風“數量”還不夠，應在給風及
給煤的“質量”上有所前進，才可達到更理想的節
能、減少NO 排放、減少結焦效果。
因而，以提高給風質量為目標的燃燒優化應
該是：
(1)首先是調節一次風，使火焰長度合適，并
保證一次風有一定的剛性，盡量減少一次風貼墻
現象；二次風偏角是人工調整后不動的，為防止火
焰偏斜和結焦，當四角氣流不對稱時，用四路平衡
差動控制糾正火焰偏斜；
(2)改變上下排燃燒器的給粉量來調節火
焰中心的位置；改變二次風和燃盡風的比例，控
制爐內空氣的分布，使煤在著火階段缺氧，即在
燃燒器出口和燃燒中心區域造成還原性氣氛。
以最優風總量為基礎，以一次風速，二次風量、
風速、燃盡風量為變量尋優，通過空間合理配風
進一步提高熱效率、減少NO 排放、降低排煙溫
度、減少結焦。
改進煤粉質量：通過磨煤機負荷優化減小煤
粉細度到適當值，降低磨煤機電耗，同時通過控制
保證煤粉濃度、煤粉細度、煤粉溫度的穩定。
(3)對爐膛出口煙溫等參數進行在線監視，
用專家系統軟件防止結焦。
以煤耗、電耗、NO 排放最小為目標的在線
優化示意圖如圖1O所示。
容量風檔板r] 套
一次劂攀楊． 蘑
I給煤量I 最{
,lax玎毒 k(D煤粉，P臍
煤位(存煤量)優化
1 i -j
l ■—■—■_
助 — —
盡
爐
膛
4 0， Min kl(1一H )+k2N
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．1四路平衡差動控制j
l糾正火焰偏斜優化I
優到N 雖低(總風量、配比
星堡壁塑 壁曼
．
圖10 以煤耗、電耗、NOx排放最小為目標的在線優化不恿圖
這樣，電站鍋爐優化節能軟件應包括圖1O的
各部分，但往往限于硬件儀表不配套，只能實施：
(1)基于反平衡熱效率鍋爐風煤比在線燃燒
優化軟件；
(2)NO 排放最低在線優化軟件；
(3)防止結焦專家系統軟件。
上述三項相關檢測儀表齊全情況下，最終能
實現如下指標：降低煤耗0．6 ～1 ；減少NOx
排放10 ～2O 。
300 Mw 機組鍋爐優化節能軟件節煤的經濟
效益為300 600萬元／a，用戶節煤一年以內收回
投資。
2．4．2 實時控制與優化節能軟件應用方法
在火電機組鍋爐已有DCS上，另加一臺實時
控制工作站，實現裝置的實時控制與節能優化，如
圖11所示。
實時控制與
操作員站 操作員站 操作員站優化工作站
現場控制站現場控制站 現場控制站
圖11 火電機組鍋爐實時控制與節能優化裝置示意圖
其工作步驟為：
(1)考察現場控制計算機或DCS，修改或編
一453 —
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制實時控制工作站部份接口軟件，實現先進控制
工作站與現場DCS或控制計算機的聯接。近年
生產的DCS都有微機接口，可直接連接。
(2)根據控制方案，利用開發的ACMP平臺
軟件，對系統數據采集、計算、控制、顯示、報警、打
印等功能在校內組態，測試通過后送到現場。
(3)現場調試。檢查數據采集與計算機送給
執行機構、顯示與報警信號準確無誤后，整定PID
參數，投入運行。
(4)根據系統的需要，安裝有關實時控制與
優化軟件，在上一步的系統投運后，即可采集數
據、建模，然后投運實時控制與優化軟件，整定有
關參數，達到指標即告結束。
3 火電鍋爐機組優化節能系統集成
前述火電站機組鍋爐實時控制與優化節能軟
件的應用，往往受儀表、執行機構等硬件的局限，
無法達到理想的節能效果。
節能系統集成則是以挖掘火電站機組鍋爐的
節能潛力為目標，對已經正常運行并配置DCS的
機組鍋爐各耗能環節，例如耗煤的鍋爐燃燒系統、
耗電的磨煤機系統、耗電的風機系統進行分析，找
出節能的潛力，通過購置相關儀表、執行機構等硬
件，加上本公司的實時控制與優化節能軟件，集成
為一個節能系統，通過設計、集成與安裝調試，最
終達到預期的節煤、節電技術指標。
之所以稱之為“優化節能”，是因為節能的核
心技術是自主創新的實時控制與優化節能軟件及
系統集成技術。
本公司與中國科學技術大學聯合申報的
2007年國家863目標導向類項目《火電鍋爐節能
降耗減排集成優化控制》已于2007年7月獲國家
科技部批準，將在中國電力國際有限公司下屬的
平頂山姚孟發電有限責任公司2臺300MW 發電
機組上實施國家863示范項目— — 火電鍋爐機組
先進控制與優化節能系統集成。
鍋爐燃燒優化節能系統集成項目不同于實時
控制與優化節能軟件應用項目，既需要配置數以
百萬計儀表等硬件，還要有一個復雜的設計、施工
與驗收過程，即必須經過精心設計，配置相關硬件
設備，用系統集成技術進行安裝調試才能達到節
能減排的技術指標。
火電鍋爐機組優化節能系統集成項目預計能
達到下列技術指標：降低煤耗1 ；風機、磨煤機
節電5 ～15 ；減少NO 排放15～20 。
300 MW 機組鍋爐優化節能軟件節煤、節電
的經濟效益為800～1 200萬元／a，用戶節煤、節
電一年內可望收回投資。
收稿日期：2007—11-06
作者簡介：1,1、德敏(1 939一)，男，遼寧人，本科，教授，從事工
業過程先進控制與優化研究工作，O21—38958590。
(責任編輯：葛榮良)
華東電監局加大節能減排監管力度
據《華東電力報)2007年9月20日報道：為加強華東區域電力企業節能減排有效監管力度，9月7
日，華東電監局部署了下階段的有關工作。
該局明確以“上大壓小”、節能發電調度、差別電價政策、脫硫運行和在線監測作為監管工作重點，并將通過加強宣傳
動員、強化檢查調研，把好許可關口、引入市場機制、發布監管信息、政監聯合執法、機關文化建設為抓手，把華東區域電
力節能減排監管的各項工作落到實處。
該局將結合區域實際，突出開展五方面的工作：一是做好節能減排調查摸底工作，開展小火電機組關停、“上大壓
小”、可再生能源及電量收購、常規燃煤機組煤耗水平、煙氣脫硫工程建設與運行以及實時監測系統建設、發電權交易情
況的調研，建立節能減排信息報送制度，建立節能減排信息庫。二是把好市場準入和退出關，加強對常規燃煤機組發電
許可證和可再生能源發電的規范管理，積極配合地方政府做好小火電關停工作。三是加大節能減排監管力度，建設脫硫
工程運行實時監測系統，開展電網企業落實高能耗企業差別電價政策執行情況的檢查調研，加強對電力調度行為的監
管，督促電網企業認真落實節能發電調度和全額收購可再生能源電量政策，加強與地方政府有關部門的聯合執法，加強
政監合作。四是積極探索用市場化手段推進節能減排工作．研究節能減排與區域電力市場結合的方案，加大發電權交易
力度．加快啟動區域電力市場，控索利用市場手段實現節能減排的目的，加強電力需求側管理，提高用電效率，推動能效
電廠建設。五是將加強節能減排信息發布，定期發布節能減排監管信息，建立節能減排監管報告制度，搭建節能減排經
驗交流平臺，促進節能減排工作。

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