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[摘 要]为了提高锅炉的效率，自动化水平以及机组的节能减排能力，需对燃烧系统进行优化。锅炉燃烧优化是在机组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]燃烧优化；激光测量；控制算法
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0367-01
0 引言
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。
1 燃烧优化系统
1.1 燃烧优化系统简介
本次燃烧优化项目采用的技术与传统方式不同，测量方面采用可调二极管激光吸收光谱法（TDLAS）测量技术。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，例如负荷、主汽压、主汽温、送/引风机的开度、一次风量、二次风量、氧量等几十个主要参数。通过建立数学模型并结合多种控制算法（PID、模糊逻辑控制、人工神经网络、插值法、连续最小二乘法等）对以上获得的各类数据加以分析计算，输出偏置信号，改变原来的控制回路输出值，最后由DCS输出AO信号到执行机构，驱动现场的二次风挡板、燃尽风挡板改变开度和控制给煤量等。
1.2 激光测量技术
激光测量系统采用工业应用中适合于锅炉的SensAlignTM激光发生器，根据被测气体分子特有的光谱吸收特性，将激光波长调谐到能够吸收特定被测气体的峰值上。同时将不同频率、波长的激光耦合于同一根光纤上，然后发出能穿过炉膛的激光束。借助激光测量网格，可以精确获得炉膛内的温度分布、O2、H2O和CO浓度。图1给出了一个描述完整燃烧工况的网格信息例子。
1.3 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。
2 优化系统实施方案
2.1 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、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[5]。
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、经济和低排放运行的多目标锅炉运行。
2.2 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。
本方案采用闭环优化模式是将ZoloBOSS测得的实时、精确CO、O2 、温度数值发送至DCS形成闭环控制。以这些数据为基础，进行建模、优化与控制得出含氧量等各个控制量的最优值，并以偏置的形式反馈到DCS，修正系统未优化前DCS中的定值。
闭环优化模式通过OPC通信方式将定值送入现有DCS。图2中，列出了燃烧优化控制系统需要采集的几个主要输入变量以及需要控制的输出变量。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。
3 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。
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。如图8所示。
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。
4）减少氮氧化物排放与避免使用化学催化剂。通过降低风粉比率实现减少氮化物排放量。激光测量网证实较低的风粉比率没有导致靠近受热面区域氧量过低。燃烧优化系统的投入氮化物排放至少降低25% ，达到200 mg/Nm3。
5 结语
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。同時降低污染物的排放，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。总综上所述，采用锅炉燃烧优化解决方案，既可以带来明显的经济效益又可以带来良好的社会效益。
参考文献
[1] 李蔑.基于CCD图像传感器的高温温度场软测量系统的研究[D].长沙：中南大学，2008.
[2] 周怀春，娄新生，肖教芳.炉膛火焰温度场图像处理试验研究[J].中国电机工程学报，1995，15（5）： 295-300.
[3] 许昌，吕剑虹，郑源，等.以效率和低NOx排放为目标的锅炉燃烧整体优化[J].巾国电机工程学报，2006， 26（4）：46-50.
作者简介
赵江涛（1987-），男，助理工程师，主要从事电厂热工控制系统工作。
卢麒麟（ 1989-），男，助理工程师，主要从事电厂热工控制系统工作。
[关键词]燃烧优化；激光测量；控制算法
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0367-01
0 引言
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。
1 燃烧优化系统
1.1 燃烧优化系统简介
本次燃烧优化项目采用的技术与传统方式不同，测量方面采用可调二极管激光吸收光谱法（TDLAS）测量技术。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，例如负荷、主汽压、主汽温、送/引风机的开度、一次风量、二次风量、氧量等几十个主要参数。通过建立数学模型并结合多种控制算法（PID、模糊逻辑控制、人工神经网络、插值法、连续最小二乘法等）对以上获得的各类数据加以分析计算，输出偏置信号，改变原来的控制回路输出值，最后由DCS输出AO信号到执行机构，驱动现场的二次风挡板、燃尽风挡板改变开度和控制给煤量等。
1.2 激光测量技术
激光测量系统采用工业应用中适合于锅炉的SensAlignTM激光发生器，根据被测气体分子特有的光谱吸收特性，将激光波长调谐到能够吸收特定被测气体的峰值上。同时将不同频率、波长的激光耦合于同一根光纤上，然后发出能穿过炉膛的激光束。借助激光测量网格，可以精确获得炉膛内的温度分布、O2、H2O和CO浓度。图1给出了一个描述完整燃烧工况的网格信息例子。
1.3 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。
2 优化系统实施方案
2.1 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、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[5]。
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、经济和低排放运行的多目标锅炉运行。
2.2 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。
本方案采用闭环优化模式是将ZoloBOSS测得的实时、精确CO、O2 、温度数值发送至DCS形成闭环控制。以这些数据为基础，进行建模、优化与控制得出含氧量等各个控制量的最优值，并以偏置的形式反馈到DCS，修正系统未优化前DCS中的定值。
闭环优化模式通过OPC通信方式将定值送入现有DCS。图2中，列出了燃烧优化控制系统需要采集的几个主要输入变量以及需要控制的输出变量。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。
3 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。
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。如图8所示。
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。
4）减少氮氧化物排放与避免使用化学催化剂。通过降低风粉比率实现减少氮化物排放量。激光测量网证实较低的风粉比率没有导致靠近受热面区域氧量过低。燃烧优化系统的投入氮化物排放至少降低25% ，达到200 mg/Nm3。
5 结语
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。同時降低污染物的排放，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。总综上所述，采用锅炉燃烧优化解决方案，既可以带来明显的经济效益又可以带来良好的社会效益。
参考文献
[1] 李蔑.基于CCD图像传感器的高温温度场软测量系统的研究[D].长沙：中南大学，2008.
[2] 周怀春，娄新生，肖教芳.炉膛火焰温度场图像处理试验研究[J].中国电机工程学报，1995，15（5）： 295-300.
[3] 许昌，吕剑虹，郑源，等.以效率和低NOx排放为目标的锅炉燃烧整体优化[J].巾国电机工程学报，2006， 26（4）：46-50.
作者简介
赵江涛（1987-），男，助理工程师，主要从事电厂热工控制系统工作。
卢麒麟（ 1989-），男，助理工程师，主要从事电厂热工控制系统工作。