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【摘 要】介绍了电站锅炉一种燃烧优化技术，在机组DCS的基础上采用激光测量与现代控制算法，通过燃烧优化控制系统完成燃烧优化的实时、在线闭环控制功能。燃烧优化系统需要修改DCS组态，整定设定值，实现锅炉在不同负荷以及其它相关设备和参数约束下均衡、优化的燃烧。
【关键词】锅炉 机组 燃烧优化
一、引言
目前对于燃煤电站来说，锅炉的研究工作还有很多未知的因素。结合当前电力市场的形式以及煤种的变化，为了提高机组的安全运行水平、提高锅炉燃烧效率、降低煤耗及污染物排放，达到节能降耗、改善环境和降低发电成本的效果，需对锅炉燃烧系统进行优化。因此锅炉的燃烧优化具有比较现实的发展前景。
二、燃烧优化系统
（一）燃烧优化系统简介。系统的监测部分采用美国佐炉技术公司的最新ZOlOBOSS产品，优化控制部分采用德国西门子公司的SPPA-P3000电站锅炉燃烧优化专家控制系统，二者构成一套完整的燃烧优化控制系统。该系统主要仪器设备包括DCS数据、数据采集装置、烟气分析仪等。燃烧优化项目采用的技术和传统方式不同，在测量方面采用Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy（TDLAS）测量技术，这是因为吸收系数是独立于激光信号的吞吐量。只要可以衡量激光强度的基线，无论信号的大小都可量化物种成分的吸收率。TDLAS测量技术可在炉膛中直接测量炉膛燃烧区域的温度、O2、H2O、CO的浓度值，借助CAT技术（计算机辅助断层扫描），利用测量得到的路径均值计算温度和浓度分布并生成一个二维分布图。测量数据通过OPC通讯协议传送到SPPA-P3000技术服务器中，该服务器同时采集机组DCS中的各类运行数据。最终实现优化燃烧系统的目的。同时确保运行人员能够实时观测到炉膛中燃烧的情况，准确了解燃烧动态，有效实现燃烧优化，提高锅炉的效率，延长设备寿命。
（二）优化控制系统软件结构。在燃烧优化软件包方面采用模糊控制为主，辅助与常规闭环控制PI控制器，神经网络自适应调整的优化控制算法，既保证了控制准确性，又保证了控制的稳定性和安全性。
对于需要控制的变量如炉膛右角温度和CO浓度， 根据模糊控制器和机组锅炉燃烧的情况设计出模糊化规则，然后根据锅炉模型和模糊控制规则进行相应的计算处理，得出相应的输出部分控制指令，再结合反模糊化的过程转化为相应的执行机构调节指令，以此来控制各个指标和调节锅炉的整体燃烧。
三、优化系统实施方案
（一）总体方案。停机期间首先在锅炉上安装激光探测设备。待机组运行后利用历史数据站存储的大量来自DCS和激光探测的运行数据，建立锅炉的操作变量（如：氧量设定、给煤机偏移量、风量偏移量等）、干扰变量与反应锅炉安全运行、燃烧经济性、污染物排放的控制目标量（如：锅炉效率、飞灰含碳、排放等）之间的多变量非线性模型。模型辨识完成后，进行控制策略的设计，并在现场DCS和燃烧优化控制器中实现相关的回路策略的组态实施。组态完成后，最后在现场进行整体系统的集成和现场优化调试。
影响锅炉燃烧特性的因素包括配风、配煤、含氧量等相关操作变量。在运行过程中对这些影响因素的设定值进行实时的调整，保证机组在最优的运行状态下工作。从而实现安全运行、经济运行和低排放运行的多目标锅炉运行。
（二）优化模式。优化的结果可以通过开环指导、闭环控制两种工作模式连接到机组的DCS控制系统上。锅炉运行优化控制系统将与锅炉运行性能有关的各个操作量的偏置值，直接下载到DCS，完成性能闭环控制，闭环优化模式通过OPC通信方式方式将定值送入现有DCS。
本方案采用闭环优化模式，将ZoloBOSS测得的实时、精确CO、O2、温度数值发送至DCS形成闭环控制。通过系统优化计算得出含氧量等控制量，并将这些控制量设为定值来修正系统未优化前DCS中的定值。同时在原有DCS系统控制条件的约束下帮助改善运行，从而保证锅炉运行的安全性不受优化系统的影响。
燃烧优化控制系统需要采集的几个主要输入变量有机组负荷、煤质、一次风量、二次风量、炉膛含氧量、O2、CO含量以及炉膛温度场等，输出量包括烟气中NOX含量、烟气温度、飞灰含量、过量空气系数、CO含量等值。需要干预、控制的回路有各层二次风量（含辅助风，周界风和SOFA风）、烟气含氧量等。
四、燃烧优化系统的应用
通过检测手段，实时调整和掌握炉膛的燃烧情况。增强锅炉对煤种变化适应性，提高锅炉效率和运行稳定性，同时避免锅炉结焦和减少有害气体排放。
1.优化过剩空气量，使进入锅炉的总空气量适当，该量用多余氧来表示。单个氧化锆测量值不能反映氧的平均分布情况。例如：氧化锆测量值确认氧浓度在2.855%，同时证实有些区域氧浓度高，一些区域过低。ZoloBOSS网格则证实氧平均浓度在3.93%，高于设定值。通过ZoloBOSS提供氧浓度二维分布图，锅炉操作员平衡氧气分布，然后降低过氧含量。在保证CO和飞灰含碳量没有明显变化的情况下，通过优化消除氧浓度过高区域，提高了锅炉的热效率、降低水冷壁管的损坏速度，过氧量每降低1% 锅炉热效率可以提高0.3%。
2.改进空气与燃料的分布，调整火焰燃烧中心。燃烧器故障、配风不均衡等都会导致火球偏离中心致使火焰贴近水冷壁受热面，导致该区域氧量过低，氧气从水冷壁管析出，致使管子过早老化最终泄露，同时也会因为过热器、再热器受热不均导致损坏。燃烧系统通过各种风门来控制炉膛内空气量的分布。合理的空气量分布使燃烧更加充分，保持燃烧的均衡性和有效性，避免锅炉各角和各边的局部高温，使得火焰中心位于炉膛中央。
3.改善热分布，提高温度控制品质。炉膛中发生的热传递直接影响烟气出口温度和主再热蒸汽温度。均衡的燃烧使得炉膛尾部两侧的温度分布更加均匀。通过燃烧优化系统可以减少减温水喷水量，让蒸汽温度达到其最高限值并同时将烟气出口温度降至其低限值。
五、结论
这项优化系统采用先进的检测分析手段和成熟可靠先进的优化控制方案，开拓了一种全新的锅炉运行方式。不仅能够提高锅炉的燃烧效率，对于存在燃烧问题如结礁严重、爆管频繁的机组也能提供有效的信息。通过燃烧优化系统运行人员可以实时检测炉膛燃烧情况，大大提高机组的安全性。同时降低污染物的排放，使电厂获得额外的补贴，减少因排放不达标造成的停机检修损失。
参考文献：
[1]李勤道. 基于炉内参数测量的燃烧系统优化运行理论与技术的研究[D].保定：华北电力大学，2013.
[2]周建新，樊征兵等.电站锅炉燃烧优化技术研究发展综述[J].锅炉技术，2008（5）.
作者简介：
焦军（1975，10-），男（汉族），山东青岛人，工程师，研究方向为热工自动化及其控制系统，智能控制系统。
【关键词】锅炉 机组 燃烧优化
一、引言
目前对于燃煤电站来说，锅炉的研究工作还有很多未知的因素。结合当前电力市场的形式以及煤种的变化，为了提高机组的安全运行水平、提高锅炉燃烧效率、降低煤耗及污染物排放，达到节能降耗、改善环境和降低发电成本的效果，需对锅炉燃烧系统进行优化。因此锅炉的燃烧优化具有比较现实的发展前景。
二、燃烧优化系统
（一）燃烧优化系统简介。系统的监测部分采用美国佐炉技术公司的最新ZOlOBOSS产品，优化控制部分采用德国西门子公司的SPPA-P3000电站锅炉燃烧优化专家控制系统，二者构成一套完整的燃烧优化控制系统。该系统主要仪器设备包括DCS数据、数据采集装置、烟气分析仪等。燃烧优化项目采用的技术和传统方式不同，在测量方面采用Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy（TDLAS）测量技术，这是因为吸收系数是独立于激光信号的吞吐量。只要可以衡量激光强度的基线，无论信号的大小都可量化物种成分的吸收率。TDLAS测量技术可在炉膛中直接测量炉膛燃烧区域的温度、O2、H2O、CO的浓度值，借助CAT技术（计算机辅助断层扫描），利用测量得到的路径均值计算温度和浓度分布并生成一个二维分布图。测量数据通过OPC通讯协议传送到SPPA-P3000技术服务器中，该服务器同时采集机组DCS中的各类运行数据。最终实现优化燃烧系统的目的。同时确保运行人员能够实时观测到炉膛中燃烧的情况，准确了解燃烧动态，有效实现燃烧优化，提高锅炉的效率，延长设备寿命。
（二）优化控制系统软件结构。在燃烧优化软件包方面采用模糊控制为主，辅助与常规闭环控制PI控制器，神经网络自适应调整的优化控制算法，既保证了控制准确性，又保证了控制的稳定性和安全性。
对于需要控制的变量如炉膛右角温度和CO浓度， 根据模糊控制器和机组锅炉燃烧的情况设计出模糊化规则，然后根据锅炉模型和模糊控制规则进行相应的计算处理，得出相应的输出部分控制指令，再结合反模糊化的过程转化为相应的执行机构调节指令，以此来控制各个指标和调节锅炉的整体燃烧。
三、优化系统实施方案
（一）总体方案。停机期间首先在锅炉上安装激光探测设备。待机组运行后利用历史数据站存储的大量来自DCS和激光探测的运行数据，建立锅炉的操作变量（如：氧量设定、给煤机偏移量、风量偏移量等）、干扰变量与反应锅炉安全运行、燃烧经济性、污染物排放的控制目标量（如：锅炉效率、飞灰含碳、排放等）之间的多变量非线性模型。模型辨识完成后，进行控制策略的设计，并在现场DCS和燃烧优化控制器中实现相关的回路策略的组态实施。组态完成后，最后在现场进行整体系统的集成和现场优化调试。
影响锅炉燃烧特性的因素包括配风、配煤、含氧量等相关操作变量。在运行过程中对这些影响因素的设定值进行实时的调整，保证机组在最优的运行状态下工作。从而实现安全运行、经济运行和低排放运行的多目标锅炉运行。
（二）优化模式。优化的结果可以通过开环指导、闭环控制两种工作模式连接到机组的DCS控制系统上。锅炉运行优化控制系统将与锅炉运行性能有关的各个操作量的偏置值，直接下载到DCS，完成性能闭环控制，闭环优化模式通过OPC通信方式方式将定值送入现有DCS。
本方案采用闭环优化模式，将ZoloBOSS测得的实时、精确CO、O2、温度数值发送至DCS形成闭环控制。通过系统优化计算得出含氧量等控制量，并将这些控制量设为定值来修正系统未优化前DCS中的定值。同时在原有DCS系统控制条件的约束下帮助改善运行，从而保证锅炉运行的安全性不受优化系统的影响。
燃烧优化控制系统需要采集的几个主要输入变量有机组负荷、煤质、一次风量、二次风量、炉膛含氧量、O2、CO含量以及炉膛温度场等，输出量包括烟气中NOX含量、烟气温度、飞灰含量、过量空气系数、CO含量等值。需要干预、控制的回路有各层二次风量（含辅助风，周界风和SOFA风）、烟气含氧量等。
四、燃烧优化系统的应用
通过检测手段，实时调整和掌握炉膛的燃烧情况。增强锅炉对煤种变化适应性，提高锅炉效率和运行稳定性，同时避免锅炉结焦和减少有害气体排放。
1.优化过剩空气量，使进入锅炉的总空气量适当，该量用多余氧来表示。单个氧化锆测量值不能反映氧的平均分布情况。例如：氧化锆测量值确认氧浓度在2.855%，同时证实有些区域氧浓度高，一些区域过低。ZoloBOSS网格则证实氧平均浓度在3.93%，高于设定值。通过ZoloBOSS提供氧浓度二维分布图，锅炉操作员平衡氧气分布，然后降低过氧含量。在保证CO和飞灰含碳量没有明显变化的情况下，通过优化消除氧浓度过高区域，提高了锅炉的热效率、降低水冷壁管的损坏速度，过氧量每降低1% 锅炉热效率可以提高0.3%。
2.改进空气与燃料的分布，调整火焰燃烧中心。燃烧器故障、配风不均衡等都会导致火球偏离中心致使火焰贴近水冷壁受热面，导致该区域氧量过低，氧气从水冷壁管析出，致使管子过早老化最终泄露，同时也会因为过热器、再热器受热不均导致损坏。燃烧系统通过各种风门来控制炉膛内空气量的分布。合理的空气量分布使燃烧更加充分，保持燃烧的均衡性和有效性，避免锅炉各角和各边的局部高温，使得火焰中心位于炉膛中央。
3.改善热分布，提高温度控制品质。炉膛中发生的热传递直接影响烟气出口温度和主再热蒸汽温度。均衡的燃烧使得炉膛尾部两侧的温度分布更加均匀。通过燃烧优化系统可以减少减温水喷水量，让蒸汽温度达到其最高限值并同时将烟气出口温度降至其低限值。
五、结论
这项优化系统采用先进的检测分析手段和成熟可靠先进的优化控制方案，开拓了一种全新的锅炉运行方式。不仅能够提高锅炉的燃烧效率，对于存在燃烧问题如结礁严重、爆管频繁的机组也能提供有效的信息。通过燃烧优化系统运行人员可以实时检测炉膛燃烧情况，大大提高机组的安全性。同时降低污染物的排放，使电厂获得额外的补贴，减少因排放不达标造成的停机检修损失。
参考文献：
[1]李勤道. 基于炉内参数测量的燃烧系统优化运行理论与技术的研究[D].保定：华北电力大学，2013.
[2]周建新，樊征兵等.电站锅炉燃烧优化技术研究发展综述[J].锅炉技术，2008（5）.
作者简介：
焦军（1975，10-），男（汉族），山东青岛人，工程师，研究方向为热工自动化及其控制系统，智能控制系统。