國(guó)家能源集團(tuán)榆次熱電有限公司 劉曉鵬

電廠是一套構(gòu)成繁雜的系統(tǒng)類型，在主客觀多種因素的作用下，機(jī)組負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)不同程度的改變，傳統(tǒng)人工干預(yù)很難使機(jī)組在整個(gè)生命周期內(nèi)狀態(tài)均能實(shí)現(xiàn)最佳，鍋爐燃燒控制、管理是這方面最顯著的問(wèn)題之一。燃料成本在電廠總發(fā)電成本中占比較高，煙氣是電廠的主要污染物類型，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量這一指標(biāo)連貫、嫻熟的調(diào)控，使風(fēng)箱與爐膛壓差變量實(shí)現(xiàn)一致，均能被調(diào)整到最佳狀態(tài)，對(duì)從業(yè)人員的技能水平提出較高要求，需要運(yùn)行的作業(yè)量也是極大的。

鍋爐運(yùn)行效率在數(shù)理上處于極為復(fù)雜的曲線，對(duì)其形成的影響的因素不是唯一的，并且部分因素是動(dòng)態(tài)的，伴隨時(shí)間改變而變化，僅利用人工方法很難快速、精確的探查到曲面最高點(diǎn)。DCS 系統(tǒng)內(nèi)存有者海量數(shù)據(jù)，其中一部分用于系統(tǒng)控制，另一部分提供給運(yùn)行人員進(jìn)行機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視，其作用并未得到最大限度發(fā)揮。PC 微機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，如果用其把上位機(jī)取而代之，使能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的軟件集成在PC 微機(jī)中并規(guī)范運(yùn)行并加大集成式平臺(tái)的設(shè)計(jì)研發(fā)力度，對(duì)盡早實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制均具有很大現(xiàn)實(shí)意義。

1 電廠鍋爐燃燒優(yōu)化研究現(xiàn)狀

1.1 基于燃燒調(diào)整試驗(yàn)的優(yōu)化

燃燒調(diào)整試驗(yàn)面對(duì)的對(duì)象主要是新投產(chǎn)機(jī)組，或正處于鍋爐改造狀態(tài)中的機(jī)組，也能較有效的對(duì)應(yīng)鍋爐裝置運(yùn)轉(zhuǎn)階段出現(xiàn)的部分問(wèn)題，如水冷壁高溫引起的腐蝕、爐膛出口煙溫形成較大偏差、飛灰含碳量相對(duì)較高等，合理應(yīng)用部分燃燒理論知識(shí)，基于系列化的變氧量、變配風(fēng)形式、變煤粉細(xì)度、變一次風(fēng)率等試驗(yàn)過(guò)程，探究煤種、負(fù)荷、爐膛氧量、煤粉細(xì)度等因素對(duì)鍋爐燃燒效率及NOx 等污染物排放特征形成的影響，探析其存在的規(guī)律，進(jìn)而獲得電廠鍋爐設(shè)備的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，協(xié)助其實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行的基礎(chǔ)上將NOx 排放量降至最低。既往有人員為處理某300MW 鍋爐燃燒器區(qū)的高溫性腐蝕與結(jié)渣、鍋爐排煙熱損過(guò)大及滿負(fù)荷燃燒工況下鍋爐氧量供應(yīng)不足等問(wèn)題，開(kāi)展了燃燒調(diào)整試驗(yàn),作出優(yōu)化鍋爐中氧量分布狀態(tài)的建議，并提出幾點(diǎn)可行方法措施如增設(shè)空氣預(yù)熱器自密封裝備、降低三次風(fēng)量等。

1.2 基于數(shù)值模擬進(jìn)行的優(yōu)化

鍋爐中煤粉燃燒是一個(gè)繁雜的多相流物化改變過(guò)程，提升對(duì)煤粉燃燒過(guò)程的認(rèn)識(shí)水平，對(duì)提升電廠鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)效率及減少NOx 燃燒及排出量均有很大現(xiàn)實(shí)意義。而掌握大批量的鍋爐燃燒數(shù)據(jù)信息能協(xié)助相關(guān)人員對(duì)煤粉燃燒過(guò)程有更全面的認(rèn)識(shí)，既往習(xí)慣利用鍋爐試驗(yàn)方法去獲得。但在燃燒工況復(fù)雜、氣候環(huán)境等多種因素的影響下，獲取到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)量偏差，且會(huì)耗用掉大量的人力、財(cái)力。

在科學(xué)技術(shù)日新月異的背景下，數(shù)值模擬技術(shù)被開(kāi)發(fā)及用于煤粉燃燒過(guò)程的研究領(lǐng)域中，成為一種重要的輔助工具，其原理是仿真模擬鍋爐內(nèi)復(fù)雜的空氣流動(dòng)、煤粉流動(dòng)與燃燒、污染物形成、爐膛結(jié)渣與結(jié)焦等諸多過(guò)程，因?yàn)槟茉谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)便利地調(diào)整機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)參與條件，故而有操作流程簡(jiǎn)潔、時(shí)間成本少等優(yōu)勢(shì)，能為廣大運(yùn)維及操作人員提供更全面的信息，一方面拓展了對(duì)鍋爐內(nèi)燃料燃燒過(guò)程的認(rèn)知水平，另一方面也獲得海量爐膛燃燒數(shù)據(jù),進(jìn)而為更客觀的探析爐膛煤粉燃燒過(guò)程及完善鍋爐設(shè)計(jì)水平提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。既往國(guó)內(nèi)有人員為處理煙溫偏差較大的問(wèn)題，對(duì)一大體量四角切向燃煤鍋爐進(jìn)行了數(shù)據(jù)模擬研究，探尋到造成煙溫偏差的具體原因，依照不同工況下?tīng)t膛截面溫度、速度分布測(cè)算結(jié)果，作出降低煙溫、汽溫偏差的提議。

1.3 基于數(shù)據(jù)挖掘的優(yōu)化

數(shù)據(jù)挖掘（DM）是數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)探查中的重要一環(huán)，具體是利用算法檢索并獲得隱匿在大量數(shù)據(jù)內(nèi)的知識(shí)與信息?；痣姍C(jī)組不同運(yùn)行設(shè)備間存在密切關(guān)系，傳統(tǒng)分析方法很難及時(shí)探查與歸納出這些數(shù)據(jù)內(nèi)隱藏的知識(shí)規(guī)律。和其他工業(yè)過(guò)程相比不確定因素對(duì)火力發(fā)電過(guò)程形成的干擾偏小，機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出較明顯的規(guī)律，故而通過(guò)對(duì)機(jī)組數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的既往運(yùn)轉(zhuǎn)工況有針對(duì)性的進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，探查不同數(shù)據(jù)間存在的關(guān)聯(lián)規(guī)律，進(jìn)而能更快速的確定機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo),得到其高率與低污染物的最佳運(yùn)行方式及相關(guān)控制參數(shù)值，為后期生產(chǎn)作業(yè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐裝置燃燒情況的有效控制，應(yīng)在提供充足熱量的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理途徑提升燃燒過(guò)程的安穩(wěn)性及降低資金投入。為達(dá)成以上目標(biāo)，燃燒過(guò)控制需落實(shí)如下幾項(xiàng)工作內(nèi)容：一是確保主氣壓指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范要求，在此基礎(chǔ)上提高設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量；二是將空燃比這一指標(biāo)調(diào)控在最佳范圍中，這是降低燃燒成本的有效方法之一；三是確保爐膛內(nèi)負(fù)壓量充足，進(jìn)而使燃燒活動(dòng)更安全、穩(wěn)定推進(jìn)。規(guī)劃設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)應(yīng)由如下幾點(diǎn)構(gòu)成：燃料量控制單元；磨煤機(jī)控制單元；風(fēng)量控制單元；爐膛負(fù)壓控制單元（圖1）[1]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2，預(yù)測(cè)控制執(zhí)行階段，在RBF的協(xié)助下建設(shè)出完成的預(yù)測(cè)模型是首個(gè)步驟。在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)，輸入、輸出變量是影響輸入、輸出維數(shù)高低的主要因素之一。關(guān)于單輸入、輸出系統(tǒng)的主要構(gòu)成，可以在NARMAX 輔助下作出更合理的闡釋：y(k)=f[y(k-1),y(k-2)...y(k-ny),u(k-1),u(k-2)...u(k-nu)]+e(k)，式中，y(k)表示輸出；u(k)表示輸入；e(k)表示誤差，如噪聲等；ny表示輸出量階數(shù)；nu表示輸入量階數(shù)[2]。

在該模型內(nèi)，輸出量和某時(shí)間點(diǎn)和前期的部分輸出、控制量間形成的關(guān)系也是需重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一，可認(rèn)定其之間形成了單步預(yù)測(cè)關(guān)系，利用yR(k+1)=fR(X)作出簡(jiǎn)單表示，式中輸出可表達(dá)為：yR(k+1)=f[y(k)y(k-1)...y(k-ny+1),u(k)u(k-1)...u(k-nu+1)]，函數(shù)的映射關(guān)系為：

式中，h 表示隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；i=1,2,...；m，n 表示輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)；ηij表示j 節(jié)點(diǎn)和i 節(jié)點(diǎn)權(quán)重；cj表示隱含層節(jié)點(diǎn)的中心值；ρi表示待學(xué)習(xí)權(quán)值。

X(k+1)=[y(k)y(k-1)...y(k-nR+1),u(k)u(k-1)...u(k-nu+1)]，在單變量系統(tǒng)中輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)等于1，可表示為還可表示為yR(k+1)=fR[X(k+1)]。針對(duì)踱步預(yù)測(cè)模型而言，僅需將之前的模型改寫(xiě)為yR(k+j)=fR[X(k+j)]，該式中X(k+j)=[y(k+j-1)y(k+j-2)...y(k+j-ny),u(k+j-1)u(k+j-2)...u(k+j-nu)]；j=1,2,...；P 表示預(yù)測(cè)步數(shù)。

2.2 優(yōu)化計(jì)算

由于模型為非線性，所以優(yōu)化求解同樣為非線性問(wèn)題，將系統(tǒng)預(yù)測(cè)步數(shù)記作P，則預(yù)測(cè)值可表示為：如果預(yù)測(cè)步數(shù)大于0，則y(k+P)都是未知值，表示為yR(k+P)；如果預(yù)測(cè)步數(shù)大于等于0，則u(k+P)為未知量。若k 時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸出值表示為y(k)，則可以構(gòu)成以yR(k)為反饋量的閉環(huán)系統(tǒng)，其誤差可表示為[5]e(k)=y(k)-yR(k)=y(k)-fR[X(k)]，閉環(huán)輸出可得預(yù)測(cè)值(j=1,2,...,P)，如控制域的長(zhǎng)度表示為L(zhǎng)(L ≤P)，則有u(k+i)=u(k+L-1)。

若系統(tǒng)將s 作為輸出的給定值，則參數(shù)軌跡可表示為yd(k+j)=Cjy(k)+(1-c)s， 其中(1≤j ≤P,0

式中，U＊表示允許控制域，可表示為U＊=[umin,umax]。如果L 為1，則U 將從矢量變?yōu)闃?biāo)量、即u(k)，此時(shí)的優(yōu)化計(jì)算實(shí)質(zhì)上就是求解最小值。如果求導(dǎo)的難度較大則可借助直接尋優(yōu)算法，如常用的黃金分割法[4]。

第一步：將初始域確定為[α1,β1]=[umin,umax]，精度ε為足夠小值，大于0，求取測(cè)試域λ1與λ′1，即λ1=α1+(1-0.618)(β1-α1)，同時(shí)對(duì)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，使k為1；第二步：當(dāng)βk-αk<ε時(shí)，可得尋優(yōu)值為u(k)=(βk+αk<ε)/2，此時(shí)，如果J(λk)>J(λ′k)則進(jìn)入下一步驟；而如果J(λk)≤J(λ′k)則進(jìn)入第四步；第三步：令αk+1=λk,βk+1=βk,λk+1=λ′k，對(duì)λ′k+1=αk+1+0.618(βk+1-αk+1)進(jìn)行求解；第四步：令αk+1=λk,βk+1=βk,λk+1=λ′k，對(duì)λk+1=αk+1+0.618 (βk+1-αk+1)進(jìn)行求解，同時(shí)對(duì)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算；第五步：令k=k+1，回到第二步。

3 鍋爐控制對(duì)RBF 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

這一應(yīng)用的總體思想為：將鍋爐燃燒效率與節(jié)約下的燃料成本作為憑據(jù)，降低污染物的現(xiàn)實(shí)排量、更好地保護(hù)環(huán)境及獲得更多經(jīng)濟(jì)效益等設(shè)定為基礎(chǔ)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)加強(qiáng)理論分析等過(guò)程，運(yùn)用相配套的數(shù)理函數(shù)。將燃燒過(guò)程屬性的模型、品質(zhì)指標(biāo)及裝置運(yùn)行負(fù)荷看成是優(yōu)化控制措施，合理應(yīng)用鍋爐參數(shù)，在專業(yè)分析軟件的協(xié)助下優(yōu)化分析與處理數(shù)據(jù)，這樣方能為工作人員實(shí)踐生產(chǎn)階段提供準(zhǔn)確度更高的操控命令，并將其設(shè)定成控制回路去運(yùn)行預(yù)定值，進(jìn)而達(dá)成最根本的優(yōu)化目標(biāo)。

核心控制是本模型運(yùn)行階段依托的主要控制算法類型，其基于滾動(dòng)化形成實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化調(diào)制，線上數(shù)次執(zhí)行優(yōu)化分析與測(cè)算過(guò)程，及時(shí)、有效地彌補(bǔ)畸變與擾亂狀況，強(qiáng)化自身的動(dòng)態(tài)化控制水平。逼近性是網(wǎng)絡(luò)的主要特征之 一，其能清晰、完整的闡述大部分非線性問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)輸出量和權(quán)值之間存在著明確的線性相關(guān)性，通過(guò)科學(xué)使用某些科學(xué)算法能快速辨別出參數(shù)，加速收斂過(guò)程，規(guī)避既往步入局部極小點(diǎn)位等不良情況。在離線式辨識(shí)法的輔助下能較順利地探查到中心向量，在這種工況中合理運(yùn)用最小二乘算法能在線訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，以上是應(yīng)對(duì)模型自校正相關(guān)問(wèn)題的有效方法。從宏觀上，該網(wǎng)絡(luò)是基于輸入+隱含+輸出層的聯(lián)合式結(jié)構(gòu)運(yùn)行的，輸入層內(nèi)囊括了對(duì)鍋爐燃燒效率形成影響的任何因素，如氧氣工作點(diǎn)、一次及二次風(fēng)量等；輸出量最大的作用是測(cè)評(píng)可燃燒效率，其內(nèi)存在著送風(fēng)量、排煙溫度等諸多指標(biāo)[5]。

在線控制單元被設(shè)計(jì)安裝在控制模塊接口處，對(duì)其進(jìn)行了冗余備份處理。若控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程突發(fā)故障異?；蛞虮罎⒍＿\(yùn)，那么可通過(guò)啟用應(yīng)急式系統(tǒng)去管理系統(tǒng)的后續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，使鍋爐運(yùn)行過(guò)程可靠性得到增加，更好地滿足用戶對(duì)系統(tǒng)控制提出的差異化需要（圖3）。

圖3 在線優(yōu)化控制

4 結(jié)語(yǔ)

這一系統(tǒng)目前已正式用于電廠生產(chǎn)，投用實(shí)踐中后明顯削弱與規(guī)避人為因素形成的負(fù)面影響，不僅能顯著提升鍋爐裝置的運(yùn)行效率，還降低了燃料的耗用量、減少污染物的排放量，對(duì)我國(guó)環(huán)保工作開(kāi)展過(guò)程有一定助益。對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察分析，不難發(fā)現(xiàn)其安全性、可靠性較高，這是電廠鍋爐燃燒控制逐漸實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的前提條件，明顯減輕了作業(yè)人員的工作壓力，提升勞務(wù)資源的利用效率，規(guī)避了電廠生產(chǎn)事故，安全生產(chǎn)率處于較高水平。綜上，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)有較高推廣價(jià)值，在電廠鍋爐技術(shù)整改領(lǐng)域中發(fā)揮十分重要的作用。