燃烧优化控制系统原理分析 本文关键词：控制系统，燃烧，原理，优化，分析
燃烧优化控制系统原理分析 本文简介：摘要：近年来，我国的火电装机容量持续攀升，机组负荷率普遍下降，在发、售电市场竞争局面日趋严峻的情况下，发电企业如何提高燃烧效率，减少污染物排放，降低发电成本已成为重点问题。本文以照金电厂为例，应用“基于声波测温系统的燃烧优化系统”，对于上述问题的解决，已取得初步成效。关键词：声波测温；燃烧优化；火电
燃烧优化控制系统原理分析 本文内容：
摘要：近年来，我国的火电装机容量持续攀升，机组负荷率普遍下降，在发、售电市场竞争局面日趋严峻的情况下，发电企业如何提高燃烧效率，减少污染物排放，降低发电成本已成为重点问题。本文以照金电厂为例，应用“基于声波测温系统的燃烧优化系统”，对于上述问题的解决，已取得初步成效。
关键词：声波测温；燃烧优化；火电装机容量
一、研究背景
在国家能源局《燃煤电厂综合升级改造节能降耗技术、产品推荐目录》燃煤电厂综合升级改造主要参考技术部分中锅炉系统改造部分，其中锅炉燃烧优化控制系统是一项成熟的技术，并能实现节能0.3-1.0%，属于大力推广应用的节能改造技术；锅炉运行优化调整技术成熟，在役各级容量机组可普遍采用，可减降低煤耗0.5-1.5g/kWh。锅炉的运行效率和烟气NOx排放与锅炉配风、配煤燃烧运行方式密切相关。尽管国内单元火电机组的自动控制水平有了很大提高，但还没有实现根据锅炉负荷和煤种的变化自动调整配风、配煤燃烧运行参数（如各燃烧器负荷分配调整、总风量调整、一、二次风量风速及其分配调整等），没有达到锅炉燃烧系统真正的优化运行。“基于声波测温系统的燃烧优化系统”利用火电机组已有DCS控制系统的数据，利用历史数据和当前运行数据，通过智能方法（人工免疫系统原理），进行智能化建模。根据智能燃烧软件设定的多个优化目标，在当前的机组负荷、磨的组合结构和煤质等扰动下，进行在线学习建模，同时模型能够随锅炉运行特性的变化而在线更新，对锅炉内扰和外扰具有高效的适应能力。根据各二次风门挡板、各燃尽风门挡板影响炉膛出口声波测温数据、炉膛出口NOx含量的规律，建立不同约束条件下的局部模型、全局模型以及混合模型。燃烧优化系统利用在线运行数据，根据所建的模型对当前运行工况进行优化，实时计算，分析锅炉当前的运行状态的各二次风门和燃尽风门的理想状态，将优化结果输出到操作员指导画面和DCS的控制逻辑，实现当前运行工况的开环燃烧调整指导和闭环燃烧优化控制，达到节约能源、降低污染物排放，提高机组运行安全性的目的。
二、基于声波测温系统的燃烧优化系统原理
（一）等温线测温系统
等温线测温系统的基本原理是建立在气体中的声速是按照一个温度的函数那样变化的事实之上，并且进一步的受到沿着声路的气体成分的影响。这些关系可描述为以下等式。c=d/t=sqrt[rRT/M]*式中：c=气体里的声速（m/s）,d=声波传播的距离（m）,t=声波传播的时间（s）r=气体比热，在常压下气体的比热是一个常数,R=气体常数（8.314J/mol）T=绝对温度（k）,M=气体摩尔重量（Kg/mol）把一个声源（发射器）安装在炉子或锅炉的一边，把麦克（接收器）安装在对边，一个声音信号就能够被发射器发送，接收器探测(如图一所示)。因为在发射器和接收器之间的距离是已知并固定的，通过测量声音信号的传播时间就可以计算出发射器和接收器之间的路径的气体平均温度。经过应用从绝对温度向华氏温度的折算，可以获得一个气体温度（℉）与传播时间、传播距离、气体成分的关系表达式。TF=(d/Bt)2×106-460*式中：TF=气体温度（℉），d=传播距离（ft），B=声波常数=sqrt[rR/M]，t=传播时间(ms)应用下面的等式，温度也可以用摄氏来表达。TC=(d/Bt)2×106－273.16一个完整的等温线测温系统由四个主要的硬件和两个软件组成：这些装置被安装在锅炉上，测量产生的声音信号（声波发射器），并且把声音信号转变为电信号（声波接收器），用于绘制空间温度分布图。放大器箱用于放大声波发射接收器产生的信号，并传送PCU进行处理。PCU是一个电子集成，包括一个微计算机、内存、和接口/控制电路，进行信号处理与通过算法重建二维温度场。计算机用于显示和储存测量的温度信息。等温线测温系统集成了声波温度测量系统管理软件和绘图软件，提供了等温线测温系统需要设置和维护必需的设施和用户界面，同时绘图软件控制着产生、示范、温度信息的档案，包括等温图。
（二）燃烧优化系统
锅炉燃烧优化系统（SILO）利用机组已有的Ovation控制系统的历史数据和当前运行数据，通过优化方法，进行智能化建模。燃烧优化系统利用在线运行数据，根据所建的模型对当前运行工况进行优化和实时计算，分析锅炉当前的运行状态的各二次风门和燃尽风门的理想状态，将优化结果输出到操作员指导画面和DCS的控制逻辑，实现当前运行工况的闭环燃烧优化控制，达到节约能源、降低污染。由锅炉的原理得知，随着排烟温度的升高，在其他参数不变时，锅炉热效率几乎呈直线规律减小，600MW等级的锅炉热效率随温度变化的斜率为-0.0603，温度每提高15℃，锅炉热效率降低0.9%。优化后，一氧化碳平均降低10%，化学不完全燃烧损失q3降低，锅炉热效率提高0.3%。若机组负荷率为70%，机组年利用小时数为5000小时，机组发电标煤耗为315g/kWh，锅炉的年消耗燃料量为0.315kg/kWh*600MW*0.7*5000h=66.15万吨标准煤。仅考虑降低排烟温度和烟气一氧化碳含量两个参数对锅炉效率的影响，锅炉热效率提高0.3%，则节约66.15*10000*0.3%=1984.5t标准煤。一次非停后的机组启动成本：按机组全冷态启动模式，整个启动过程大于需要8.2小时，（未考虑长期停机影响，长期停机启动点火到机组冲转大约需要6小时，整个启动过程大约需12小时）。火力发电机组的启动成本主要由变动成本和固定成本构成。变动成本包括机组启动过程中消耗的燃料费用（包括燃油）、消耗的厂用费用、无盐水费用、给水加热及汽封汽耗等。固定成本指机组启动过程无形中所发生的员工工资、财务费用、折旧费等需要分摊的固定费用。
三、基于声波测温系统的燃烧优化系统的应用
以华能铜川照金电厂1号机组锅炉在线闭环燃烧优化系统（SILO）为例，华能铜川照金电厂于2011年在1号锅炉实施、安装了炉膛烟气声波测温系统，1号机组炉膛等温线接入DCS及燃烧优化改造项目主要是以原炉膛等温线测量系统为基础的燃烧进一步优化西安热工研究院有限公司负责对1号锅炉进行在线闭环燃烧优化系统投运前后的对比试验，现场测试工作于2016年10月9日开始，2016年10月15日结束。为了便于炉膛火焰中心的调整控制，在本机组停机检修期间，对二次风门原来控制方式进行了改造，由原来的同层操作，改成单个二次风门单独操作。当锅炉燃烧优化系统（SILO）投入运行后，操作变量主要有氧量设定值、二次风门开度、燃尽风摆角、燃烧器摆角、送风机动叶偏置等，优化输出的主要优化变量有折算减温喷水后的两侧末级过热蒸气温度及其气温偏差、折算减温喷水后的两侧高温再热蒸气温度及气温偏差、SCR入口两侧氮氧化物NOx及其偏差、两侧一氧化碳及其偏差、两侧排烟氧量偏差、等温线前后墙加权烟温的偏差、等温线左右墙加权烟温的偏差等。本次1号锅炉燃烧优化系统（SILO）投运前后对比试验在550MW和450MW两个负荷点下进行，试验的主要结论如下：（1）550MW和450MW两个负荷点下，燃烧优化系统（SILO）投运前，修正后的锅炉热效率分别为94.46%和93.87%；燃烧优化系统（SILO）投运后，修正后的锅炉热效率分别为94.78%和94.42%。与投运前相比，燃烧优化系统投运后的锅炉热效率分别提高了0.32和0.55个百分点。（2）550MW和450MW两个负荷点下，燃烧优化系统（SILO）投运前，脱硝系统入口NOX排放浓度（干基、6%O2）分别为272.9mg/m3和226.4mg/m3；燃烧优化系统（SILO）投运后，NOX排放浓度（干基、6%O2）分别为213.6mg/m3和185.3mg/m3。与投运前相比，燃烧优化系统投运后的NOX排放浓度（干基、6%O2）分别降低了59.3mg/m3和41.1mg/m3。（3）550MW和450MW两个负荷点下，燃烧优化系统（SILO）投运后，脱硝系统入口CO排放浓度（干基、6%O2）分别为232µL/L和45µL/L。（4）550MW和450MW两个负荷点下，燃烧优化系统（SILO）投运后，飞灰可燃物含量分别为0.49%和1.64%，飞灰可燃物含量均在2%以内。（5）550MW和450MW两个负荷点下，燃烧优化系统（SILO）投运后，主蒸气温度分别为541.8℃和544.0℃，再热蒸气温度分别为542.4℃和542.3℃，再热器减温水量为7.2t/h和3.3t/h。锅炉的主、再热器温度达到设计值，再热器减温水量控制在25t/h以内。（6）550MW和450MW两个负荷点下，燃烧优化系统（SILO）投运后，锅炉两侧空预器入口的烟温偏差分别为1.8℃和1.1℃，空预器入口烟温偏差均在10℃以内。（7）550MW和450MW两个负荷点下，燃烧优化系统（SILO）投运后，锅炉末级过热器出口两侧气温偏差分别为2.8℃和0.7℃，高温再热器出口两侧气温偏差分别为1.7℃和0.8℃，气温偏差均小于20℃。550MW和458.0MW两个负荷点下，气温燃烧优化系统（SILO）投运后，炉膛48米等温线测温断面的最高烟气温度分别为1393℃和1390℃，最高烟气温度均小于1400℃。
四、结论
基于上述实验结果，我们认为如果能应用基于声波测温系统的燃烧优化系统，根据锅炉的负荷和煤质工况对燃烧运行参数进行在线优化，指导锅炉燃烧运行调整，并最终实现锅炉燃烧控制系统优化运行，必然能提高锅炉运行效率，同时还可大大降低运行人员的劳动强度，提高锅炉燃烧控制系统的整体自动化运行水平。
作者：王恒亮 单位：陕西省环境保护公司
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