马俊龙
华电新疆五彩湾北一发电有限公司
摘要：煤制油分公司动力站共有10台煤粉锅炉，其中1～4号锅炉为带再热系统的600t/h锅炉，5～10号锅炉为不带再热640t/h锅炉，均为母管制运行，管网压力为11.75MPa，各锅炉未能实现负荷自动协调，给煤控制、送风控制均为手动操作，当燃料热值发生变化时，尤其是掺烧燃料气时，均靠人工经验调整，加之脱硫脱硝大部分为手动控制，无法适应复杂的工况变化，导致NOX浓度及SO2浓度控制效果不佳，环保压力大。基于以上情况，公司引入了先进控制系统（RASO），分别对锅炉、脱硫脱硝系统等进行优化改造。通过煤粉炉燃烧优化系统，实现了锅炉给煤自动控制，以及风煤比优化运行，达到提高自控率、降低吨蒸汽煤耗、满足环保考核要求等目的。
关键词：煤粉锅炉；负荷控制；燃烧优化技术；应用
1RASO总体框架及功能
Raso优化控制系统是北京和龙优化技术有限公司流程工业优化控制系统平台的简称。，为本项目开发的大型主管锅炉群控及蒸汽管网系统是由公司八项核心技术和多种成熟产品集成而成。控制系统的主要功能如下：（1）采用煤粉锅炉燃烧优化技术，实现单台锅炉的燃烧优化，为适应不同燃料热值的变化，降低吨蒸汽煤耗；（2）采用环保岛智能协调技术，实现智能卡的边缘控制，满足排放要求；（3）蒸汽管网协调控制技术实现锅炉负荷的智能分配，快速响应用热负荷的变化，保持主管压力的稳定。本文主要研究了煤粉锅炉的负荷控制和燃烧优化技术。为此，本文阐述了煤粉锅炉的先进控制和燃烧优化技术。
2煤粉锅炉负荷控制策略
单炉燃烧系统控制与优化的难点主要在于给煤量的控制和燃烧优化。操作人员可根据锅炉的运行情况，选择单台锅炉的控制方式作为给煤控制系统的控制方式。模式1：压力控制为主控模式，负荷补偿为辅控模式，网络负荷协调为辅控模式；模式2：单台锅炉负荷控制为主，汽包压力前馈抑制外部扰动为辅，管网负荷SP增量为可选前馈。上述两种模式分别通过混合燃气的软测量模型和煤质修正模型来适应燃料热值的变化，以满足不同工况下的稳定燃烧。快速上下负荷功能能满足蒸汽管网异常波动时负荷快速变化的要求。
控制器的总出煤量按跟踪平均分配法分配给四台给煤机，即当自动模式未投入运行时，给煤机控制器输出跟踪给煤机的手动操作命令。自动模式投入后，控制系统将增加或减少的给煤量平均分配给四台给煤机，控制器自动输出控制命令，在燃烧优化系统的控制下，实现了给煤机控制的手动/自动无扰切换和控制。
在单台给煤机的控制中，操作员可根据设备情况选择可投入自动控制的给煤机，Raso系统根据各给煤机的手动/自动状态识别自动给煤机，实现供煤总量的自动分配和调整，非自动给煤机由操作人员手动操作。
3变量燃烧优化算法研究
在Raso系统中，燃烧优化技术是基于自寻优算法，结合多变量非线性拟合原理，实现煤量、风量和各种重要运行参数的同步优化技术。同时，对最佳含氧量、送风量、一次风压力、二次风阀、排风阀等优化参数的优化边界进行了限制，采用不同燃烧负荷条件下可调动态边界对边界参数进行优化，在稳定条件下采用小规模稳定调整，在可变条件下采用快速安全调整，保证了整个优化过程的稳定性和快速性。
其中的关键技术包括多变量自寻优算法和锅炉效率计算模型，优化目标的确定也是本文的主要内容。
3.1多变量自寻优算法
算法里面还涉及到一些细节处理，如优化陷阱的避免、快速优化与稳定性的协调、测量坏值的自动处理等。
3.2锅炉效率在线计算
采用基于简化的反平衡锅炉效率计算模型，结合飞灰软测量模型，实现了锅炉效率的在线计算功能，已知锅炉反平衡计算公式如式（1）所示：
式中：η—锅炉热效率%；q2—排烟热损失百分率%；q3—可燃气体未完全燃烧热损失百分率%；q4—固体未完全燃烧热损失百分率%；q5—锅炉散热损失百分率%；q6—灰渣物理热损失百分率%。
简化过程如下：
(1）原公式中所需的煤质信息，由常用煤质信息代替，且考虑掺烧燃气热值的影响；
(2）其他离线化验数据，如大渣含碳量、飞灰含碳量等，均采用以往试验数据分析相关性，通过模型简化，得到氧量与各自的对应关系式，以#2锅炉为例，取样26组数据。
通过线性拟合后，得到氧量-飞灰含碳量关系如式（2）所示，其中0<y1<5:
通过线性拟合后，得到氧量-灰渣含碳量关系如式（3）所示，其中0<y2<3:
将（2）、（3）关系式带入至锅炉效率计算公式（1）中，不仅弥补了离线化验数据的滞后性，同时，又能满足燃烧特性的正确相关性，达到锅炉效率计算的精度要求。
(3）其他参数基本来自于DCS运行数据，如环境温度、排烟温度、烟气氧量、实际蒸发量、空预器进口风温等。
通过以上方式处理，计算得到的锅炉效率可作为燃烧优化的基本目标之一。
3.3燃烧优化目标函数确定
当煤量控制能满足负荷、压力，以及燃料热值变化时，风量的合理跟随则是燃烧优化的基本要求，选择合适的燃烧优化目标，是衡量煤粉锅炉送风控制及配风优化的关键环节。在建立目标函数时，主要从锅炉的高效率、氮氧化物的低排放、兼顾考虑锅炉的高效率和氮氧化物的低排放量这三个方面考虑，设计优化目标公式如式（4）所示：
式中：为目标函数；a为权重，，取决于对锅炉效率和排放物的关注程度；eff为归一化后的锅炉效率；NOx为归一化后的氮氧化物。
将此优化目标函数带入4.1节多变量自寻优算法中，作为最终的优化目标，以实现长期稳定的燃烧优化调整。
4运行效果分析
在动力站的两种炉型中，分别使用和隆优化的RASO系统后，可以自控率达到90%以上的准无人优化运行，母管蒸汽的波动范围大幅度减小，氧量、NOX、SO2小时均值等参数控制也更加稳定，达到了预期的控制要求，以#3锅炉为例。
以#2锅炉为例，分别在DCS和RASO系统状态下，采样数据为考核期间任意8小时运行对比值。改造后的总体效果如下：(1）实现煤粉锅炉长期全自动优化运行，投运率大于98%;(2）八台运行锅炉脱硫脱硝控制回路均能投入自动，且NOX小时均值均达到R±3mg/Nm3以内，SO2小时均值达到R±4mg/Nm3;(3）在考虑煤质的情况下，#2锅炉节能率为2.3%,#6锅炉节能率为1.5%。
结论
随着工业规模的迅速扩大和行业竞争的日益激烈，大型化工企业的电站对设备安全的要求越来越高，这就要求主控机组的火电厂对供汽质量有更高的保证，北京和龙优化控制系统简单地依靠运行管理人员频繁地手动调节蒸汽负荷，解决了多炉多机系统的耦合问题，解决了锅炉之间的相互干扰，快速响应锅炉汽轮机和用户负荷的变化，稳定蒸汽母管压力，提高供热质量，解决了多年来母管机组存在的问题，带来了经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]黄新平.煤粉锅炉燃烧初调整试验和自动定值设置优化分析[J].通讯世界,2020,27(02):168-169.
[2]袁来运.超临界煤粉锅炉变负荷燃烧的数值模拟及配风优化[D].东南大学,2019.
[3]潘鑫鑫,张广科.煤粉锅炉低氮燃烧系统优化燃烧探讨[J].有色金属设计,2019,46(01):76-77+90.
[4]杨晋芳.工业燃煤锅炉燃烧优化关键技术探析[J].煤质技术,2019,34(01):61-64.