燃烧控制系统及优化.docx
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燃烧控制系统及优化
燃烧控制系统及优化
一、燃烧控制系统
1风烟系统流程与作用
锅炉烟风系统主要包括一次风机、送风机及引风机等系统。
一次风机和送风机主要用来克服供燃料燃烧所需空气在空气预热器、煤粉设备和燃烧设备等风道设备的系统阻力；引风机主要用来克服热烟气在受热面管束（过热器、炉膛后墙排管和省煤器等）、空气预热器、电除尘器等烟道的产生的系统阻力，并使炉膛出口处保持一定的负压。
锅炉的风烟系统由送风机、引风机、空气预热器、烟道、风道等构成。
冷空气由两台送风机克服送风流程（空气预热器、风道、挡板等）的阻力，并将空气送入空气预热器预热；空气预热器出口的热风经热风联络母管，一部分进入炉两侧的大风箱，并被分配到燃烧器二次风进口，进入炉膛；另一部分由一次风机经空预器引到磨煤机热风母管作干燥剂并输送煤粉。
炉膛内燃烧产生的烟气经锅炉各受热面分两路进入两台空气预热器，空气预热器后的烟气进入电除尘器，由两台引风机克服烟气流程（包括受热面、脱硝设备、除尘器、烟道、脱硫设备、挡板等）的阻力将烟气抽吸到烟囱排入大气。
引风机：
克服尾部烟道、除尘器、空气预热器等的压力损失。
使炉膛内产生的烟气能够顺利排除，并使炉膛内维持一定的负压，让锅炉能够良好的充分燃烧。
以提高经济效益。
一次风系统：
一次风的作用是用来输送和干燥煤粉，并供给煤粉挥发份燃烧所需的空气。
二次风系统：
二次风是在煤粉气流着火后混入的。
由于高温火焰的粘度很大，二次风必须以很高的速度才能穿透火焰，以增强空气与焦碳粒子表面的接触和混合。
二次风由两台二次风机供给，进入空气预热器内加热后，由二次热风道送到锅炉四周，再由二次风管分层在不同高度进入炉内，供给燃料燃烧所需要的氧量，并实现分级送风，降低NOx排放。
另一路从二次热风道引出送到给煤口和石灰石管线上作为密封风。
燃烧方式：
鸳鸯湖电厂采用的燃烧方式是四角切圆燃烧方式，有24个燃烧器。
工作原理是：
煤粉气流在射出喷口时，虽然是直流射流，但当四股气流到达炉膛中心部位时，以切圆形式汇合，形成旋转燃烧火焰，同时在炉膛内形成一个自下而上的旋涡状气流。
图1燃烧器四角切圆布置
2等离子点火系统
等离子点火燃烧系统包括等离子燃烧器和风粉系统。
等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，可在炉膛内无火焰状态直接点燃煤粉，从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。
等离子点火风粉系统包括给粉机、磨煤机、暖风器、一次风、二次风、冷却风等。
等离子燃烧器一是在内燃方式的基础上，利用双筒结构将部分煤粉推至燃烧器出口，在炉膛内燃烧。
内外筒形成同心双层并联通道，有利于着火燃烧，降低飞灰含碳量。
二是稳定可靠的点燃，确保点火过程中不爆燃、不二次燃烧。
三是不影响主燃烧器的主要性能。
四是燃烧器的出力可以在一定的范围内变动，从最大限度地节约燃油的角度考虑，在设计上该燃烧器能满足在锅炉冷态点火时投入，锅炉升温、升压速率能满足电厂运行规程的要求。
五是燃烧器的外形主要尺寸与原燃烧器相同，便于燃烧器布置和与系统接口。
启弧：
等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置，主要由阳极、阴极、线圈组件三大部分组成。
阳极、阴极组件包括用来形成电弧的两个金属电极阳极与阴极，在两电极间加稳定的大电流，将电极之间的空气电离形成具有高温导电特性等离子体，并由压缩空气吹出阳极，形成可以利用的高温电弧。
煤粉颗粒通过该等离子受到高温作用而迅速燃烧。
图2等离子点火系统
3磨煤机系统
本次课程上电厂所用磨煤机为辊式磨煤机。
辊式磨煤机是将煤块破碎并磨成煤粉的机械，它是煤粉炉的重要辅助设备。
磨煤过程是煤被破碎及其表面积不断增加的过程。
要增加新的表面积，必须克服固体分子间的结合力，因而需消耗能量。
煤在磨煤机中被磨制成煤粉，主要是通过压碎、击碎和研碎三种方式进行。
其中压碎过程消耗的能量最省。
研碎过程最费能量。
工作原理：
电动机通过减速机带动磨盘转动，物料经锁风喂料器从进料口落在磨盘中央，同时热风从进风口进入磨内。
随着磨盘的转动，物料在离心力的作用下，向磨盘边缘移动，经过磨盘上的环形槽时受到磨辊的碾压而粉碎，粉碎后的物料在磨盘边缘被风环高速气流带起，大颗粒直接落到磨盘上重新粉磨，气流中的物料经过上部分离器时，在旋转转子的作用下，粗粉从锥斗落到磨盘重新粉磨，合格细粉随气流一起出磨，通过收尘装置收集，即为产品，含有水分的物料在与热气流的接触过程中被烘干，通过调节热风温度，能满足不同湿度物料要求，达到所要求的产品水分。
通过调整分离器，可达到不同产品所需的粗细度。
稀油站：
用于传动齿轮、减速箱的润滑；
液压油站：
做为磨辊加载、开关排渣门的动力。
4燃烧控制SAMA图分析
满足机组负荷要求，维持主蒸汽压力稳定——燃料控制；保证燃烧过程经济性（保证燃料量与通风量之间的最佳比值，即保证燃料充分燃烧，又要减少排烟损失。
）——送风控制；保证燃烧过程稳定性——引风控制；炉膛压力反应燃烧过程送风与引风之间的工质平衡关系。
燃料量控制在7号站23号图和7号站25号图。
下图燃料控制SAMA图中可以看到，燃料控制由一个PID和一个手操器以及其他小模块组成。
燃料指令经过一个滤波环节和一个中值选择模块作为PID的PV信号，总燃料量作为PID的SP信号，当控制方式切手动之后，PID跟踪手操器的输出。
下图燃料空气指令SAMA图中左上方可以看到一个惯性迟延环节，点击进去查看参数可以知道是一个一阶惯性模块。
它的作用是低通滤波，保留上一时刻的值，来与现一时刻送过来的锅炉指令作对比，防止锅炉指令过大产生一个过大的扰动。
锅炉主控指令与总燃料量指令经过滤波、取大模块保证了在负荷要求变大时做到先加风后加煤，在负荷要求变小时做到先减煤后减风的要求。
图3燃料控制SAMA图
图4燃料空气指令SAMA图
炉膛压力控制在5号站132~133号图。
炉膛压力信号经过一个滤波环节一个减法模块和非线性环节作为PID的实际输入PV信号，这里还有一个ASET模块，在切换手动运行的时候，操作员可以从DCS画面直接输入炉膛压力指令，在自动状态时，则直接等于炉膛压力信号指令，这里就实现了操作人员手动给指令的功能，送风量指令经过一个非线性环节作为PID的FF信号，总燃料量作为PID的SP信号。
图5炉膛压力控制SAMA图
二次风压力控制在5号站135~138号图。
为了在机组增、减负荷动态过程中，使燃料得到充分燃烧，就要保证有足够的风量。
需要保持一定的过量空气系数，因此，在机组增负荷时，就要求先加风后加煤；在机组减负荷时，就要求先减煤，后减风。
这样就存在一个风煤交叉限制。
锅炉主控和总燃料量在升负荷时，经过一个大选信号，通过模块135-74大选模块选择锅炉主控，然后经过滤波，函数转换等作为PID的SP信号，可以达到使得总风量增加的效果。
（先增风。
）
锅炉主控和总燃料量在降负荷时，经过一个大选信号，通过模块135-74大选模块选择总燃料量，然后经过滤，函数转换等送作为PID的SP信号，使得风量先保持不变，待总燃料量减小到小于锅炉主控后，锅炉主控经大选模块等一系列模块后送入PID作为设定值，然后才使得风量减小。
这样便可以始终使风大于煤。
（先减煤）
A、B送风控制：
总风量经过滤波模块后作为PID的实际值PV信号，经PID模块后，经模块135-7M/A手自动切换模块、限幅模块等一系列模块后作为送风A、B的控制信号来控制A、B挡板开度。
氧量控制：
氧量控制是一个串级控制。
由A侧、B侧空预器入口烟气含氧量、锅炉主控指令控制氧量调整指令。
A侧、B侧空预器入口烟气含氧量经过运算作为PID的实际值PV信号，锅炉主控指令经过函数转换等送入模块138-5PID作为其设定值SP，然后经过限幅等一系列动作输出作为氧量校正控制。
图6二次风压控制SAMA图
图7氧量校正控制SAMA图
3MFT燃料跳闸控制
MFT（主燃料跳闸）：
MFT一般指的是锅炉运行当中对设备的自动保护措施：
当发生异常突发事故时或报警，或自动停止设备运行。
保留送，引风机运行进行吹扫。
缺陷或故障消除后需启动设备时，必须先将MFT复位方可启动设备，否则电机设备无法启动。
FT动作后会有以下的连锁动作：
给粉机全停，油枪全停；燃油进油电磁阀关闭；制粉系统全停；前后平衡风挡板回到设定值；汽机跳闸，发电机解列；高低旁自动开启（两级旁路）。
膛压力的计算非常近似于下式：
PV=MRT
P-绝对压力；V—炉膛容；M一炉膛烟气质量；R—烟气常数；T一绝对温度
于容积是固定的,R是常数,故压力P与MT成正比关系。
因此，在主燃料跳闸后因炉膛内烟气量减少和温度降低将造成压力急剧下降。
基于上述原因，可以设计超驰控制回路，用是防止主燃料跳闸（MFT动作）时，引起炉膛灭火而产生锅炉内爆的事故。
当MFT动作时，控制系统强制前馈信号为0，关小引风机导叶开度，以减少引风机出力，使炉膛负压不至太低。
二、燃烧控制优化
1前言
锅炉和锅炉配套系统均存在一定的煤种适应范围（即燃用规定范围内的煤种,应该达到设计效率、保证低负荷稳燃、以及符合安全性和NOx排放等参数的要求），但对于我国的大部分火力发电厂，由于煤种变化大，燃用煤质普遍较差，再加之锅炉实际运行中，设备改造、变负荷运行、热力试验间隔时间长等原因，存在锅炉燃烧达不到最佳的现象，因此迫切需要通过优化运行，在一定范围内提高机组经济性、安全性和环保性能。
在这方面，对锅炉燃烧进行优化调整是最有效最直接的手段，所以研究电站锅炉燃烧优化技术早已成为一项重要的课题。
锅炉燃烧优化是通过对锅炉燃料供给和配风参数的调整，以及对其控制方式的改变等，保证送入锅炉炉膛内的燃料及时、完全、稳定和连续地燃烧，并在满足机组负荷变动需要的前提下，获得最佳燃烧工况的工作。
进行燃烧优化调节的目的是：
在满足外界电负荷需要的蒸汽数量和合格的蒸汽品质的基础上，保证锅炉的安全性和经济性。
具体可归纳为
（1）保证正常稳定的汽压、汽温和蒸发量；
（2）着火稳定、燃烧安全，火焰均匀充满炉膛，不结渣，不烧损燃烧器和水冷壁、过热器不超温；
（3）使机组运行保持最高的经济性；
（4）减少燃烧污染物排放。
2电站锅炉燃烧优化技术研究现状
从锅炉燃烧优化技术角度看，锅炉燃烧优化技术可以分为三类：
第一类通过在线检测锅炉燃烧的重要参数，指导运行人员调节锅炉燃烧，这类燃烧优化技术目前在国内占据着主导地位。
第二类燃烧优化技术是在的基础上，作为锅炉运行的监督控制系统，通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术，实现锅炉的燃烧优化。
随着先进控制和人工智能技术的逐步成熟和在工业上成功的应用，这类燃烧优化技术发展迅猛。
第三类燃烧优化技术在设备层面，通过对燃烧器、受热面等的改造实现锅炉的燃烧优化调整。
上述三类技术在实际中各有优点和应用。
但其中第二类技术不需要对锅炉设备进行任何改造，能够充分利用锅炉的运行数据，在控制的基础上，通过先进建模、优化、控制技术的应用，直接提高锅炉运行效率，降低NOx排放，具有投资少、风险小、效果明显的优点，因而成为很多电厂首选的燃烧优化技术。
2．1国内燃烧优化技术
锅炉烟气含氧量的优化控制技术
一般情况下，锅炉的效率与烟气含氧量成凸的二次曲线关系。
因此这些运行优化控制的研究都是采用这一关系曲线对锅炉的烟气含氧量进行在线的寻优控制，以保证锅炉的最佳燃烧效率。
由于锅炉效率不可在线测量，因此很多研究采用了烟气中含量与锅炉效率的关系作为间接寻优烟气氧量的依据。
这类控制系统简单、有效，但是比较粗糙，实际应用很少。
这主要是受早期锅炉可控性较差、各种分析测量仪表尚没有成熟的影响。
闭环均衡燃烧控制系统
图8均衡燃烧控制系统工作原理图
传统的燃烧控制系统的主要任务是保证进入锅炉炉膛的燃料总量与机组所需的燃料量相符，但这并不能确保燃料能平均分配至锅炉的每个燃烧器。
燃料分配的非均衡性造成了燃烧的不稳定、炉膛火焰中心的偏移以及水冷壁的结焦等现象。
均衡燃烧控制系统能在风粉浓度在线监测系统基础上，通过对每个给粉机转速进行控制，较好地解决上述问题。
若锅炉以四角切圆方式进行燃烧，均衡燃烧控制系统能保证流经同层的每个燃烧器的煤粉浓度相等，并能够控制各个工况下总的煤粉量以最优的比例分配给各层燃烧器。
均衡燃烧控制系统已经在多家电厂得到应用，起到了燃烧优化控制的效果，提高了锅炉燃烧的效率和安全性。
但由于该系统以燃烧器煤粉浓度测量为基础。
而这一测量技术的研究目前进展很慢，只是在热风送粉的锅炉中得到实际应用，并且可靠性也不是很高，严重影响了均衡燃烧控制系统的实际使用效果和广泛推广。
电站锅炉燃烧优化控制软件OCP3
清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室经过多年的研究和开发，研制了具有自主知识产权的电站锅炉燃烧优化控制软件OCP3。
与国外燃烧优化控制软件相比，该软件包是专门针对我国电站锅炉机组的运行特点而研究的，具有很好的适应性。
在软件包的研究、开发和应用过程中，着重针对我国电站锅炉的燃烧特点进行了研究，并解决了下述问题：
（1）锅炉燃烧煤质的自动辨识问题。
煤质多变是我国电站锅炉的特点，不同的煤质下锅炉表现出不同的燃烧特性，必须首先辨识出不同的煤质，进而进行相应的优化控制。
（2）锅炉运行特性的非线性动态建模问题，并研究了模型的自适应更新问题。
锅炉燃烧是一个非线性的动态过程，如果只是建立线性模型或者稳态模型，往往不能进行很好的燃烧优化控制。
并且模型自适应也是成功进行燃烧优化控制的关键。
（3）基于多目标优化的锅炉运行优化控制问题。
针对我国目前电力市场特点，研究了多种优化目标下的优化控制算法。
燃烧优化目标包括锅炉效率最佳，NOx排放最低，锅炉运行成本最低等。
（4）锅炉机组负荷大范围快速变化中的燃烧优化实现算法。
由于电力市场的原因，使得很多燃煤机组参与调峰，因此仅仅考虑锅炉燃烧的稳态优化是不够的，一个能够长期投运有效的燃烧优化控制软件必须能够实现机组动态变化过程中的燃烧优化控制。
目前该软件包已经在国产20万机组和进口35万机组上得到应用。
初步测试表明，采用该软件包能够使锅炉运行效率提高0.5%左右，NOx排放降低10%~20%左右。
2．2国外燃烧优化技术
UltraMax公司的燃烧优化技术
图9Ultramax系统工作原理图
美国俄亥俄州Ultramax公司开发的UltraMax系统又称为先进过程管理系统，是一个对生产操作进行日常管理的系统，能应用于各种生产过程。
其中的燃烧优化系统是将一系列代表锅炉燃烧工况的参数，比如烟气、氧量、排烟温度、烟气排放物等，作为系统的输入数据，当系统取得这些样本数据后，建立锅炉燃烧特性模型，并经过软件分析，给运行人员一个优化燃烧的操作指导，运行人员根据这些操作指导进行手动操作，或将操作指导纳入到自动控制系统中进行优化调整。
UltraMax燃烧优化系统实现的核心就在于运用了贝叶斯统计的建模方法。
该系统的优化实际上是一个在模型实时更新基础上的稳态优化。
我国邹县电厂有其应用。
Pegasus公司的燃烧优化技术
图10NeuSIGHT系统工作原理图
NeuSIGHT系统为应用人工智能神经网络技术设计的燃煤电厂燃烧优化控制系统，其主要功能是以提高锅炉热效率和降低NOx排放为目标的稳态优化。
NeuSIGHT系统利用本身具有的数据库的数据作为数据分析的基础，经过神经网络模型在线分析，迅速得出运行参数的最优值,然后输出到，系统通过控制偏移量，进而实现对锅炉燃烧的优化控制。
但是，这种燃烧优化控制技术并没有考虑机组运行的动态特性和过程，所以这种优化也只是稳态优化。
NeuSIGHT系统在美国市场的占有率为40%。
沙角B电厂曾有意引进该套系统。
PowerPerfecter系统是美国Pegasus公司另一个锅炉运行优化控制软件，国外也称它为DeltaE3系统。
它基于与NeuSIGHT系统类似的神经网络技术，并增加了模型预测控制（MPC）技术和离线仿真功能，能通过建立多目标的动态优化控制器，动态调整设定参数与偏置，实现锅炉燃烧优化动态闭环控制。
该系统在已应用于我国山东省的华电莱城电厂1号锅炉和华能天津杨柳青电厂5号锅炉（300机组）上，测试报告表明应用效果良好。
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