煙臺龍源電力技術股份有限公司 高金玉 陳 龍

北京國電電力有限公司大連開發(fā)區(qū)熱電廠 孫 磊 鄭鴻志 趙樹龍

1 引言

氣候變化是人類面臨的全球性問題，隨著各國二氧化碳排放，溫室氣體猛增，對生命系統(tǒng)形成威脅。在這一背景下，世界各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，我國由此提出碳達峰和碳中和目標。“十四五”時期是實現(xiàn)碳達峰目標關鍵時間窗口，也是加快構建清潔低碳、安全高效能源體系的關鍵五年，在碳中和碳達峰的雙重目標引領下，火力發(fā)電企業(yè)也在緊鑼密鼓的提高鍋爐燃燒效率，通過對燃燒系統(tǒng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化機組的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

SOFA 風作為電站鍋爐燃燒末端補充的燃燒空氣起到幫助充分燃燒的作用，因此SOFA 風的有效調(diào)節(jié)與控制能降低NOx 排放[1]，減少爐膛出口煙溫偏差，降低飛灰，同時還能夠減少CO 生成。王潛等研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整二次風和SOFA 風風門開度,可以有效降低爐內(nèi)兩側(cè)的煙溫偏差,提高鍋爐運行的安全性[2]。吳乃新等采用冷態(tài)模擬實驗和數(shù)值模擬的研究了SOFA 配風在不同運行工況對煙氣側(cè)的煙氣偏差特性影響規(guī)律[3]，但是沒有實際的應用案例。劉基昌等提出了一種基于分離燃盡風風速度偏置的煙溫偏差控制方法，研究了SOFA 配風風速對爐膛出口煙溫的影響[4]。以上研究均說明SOFA 配風與爐膛出口煙溫有著很大的關聯(lián)性。

本文的研究對象為北京國電電力大連開發(fā)區(qū)熱電廠，該廠2×350MW-HG-1125/25.4-HM2鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主開發(fā)制造的超臨界褐煤鍋爐。為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴容式啟動系統(tǒng)的直流鍋爐，鍋爐采用單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構、π 型、半露天布置。采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配5臺MPS200HP-II磨煤機，4運1備；煤粉細度R90=35%。鍋爐采用新型切圓燃燒方式，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，每層4只噴口對應一臺磨煤機。SOFA 燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方水冷壁的四角，以實現(xiàn)分級燃燒，降低NOx 排放。當前鍋爐二次風系統(tǒng)，尤其是二次風小風門系統(tǒng)很難建立一種有效的閉環(huán)控制策略，其主要原因在于缺乏爐內(nèi)燃燒狀態(tài)的中間反饋狀態(tài)用于指導二次風控制。本研究借助該廠已經(jīng)布置安裝的聲波測溫系統(tǒng)獲得的爐內(nèi)燃燒的溫度場數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)SOFA 風門角操動頁開度，觀察溫度場的變換規(guī)律，進而獲得其與主汽溫變化的規(guī)律。

2 SOFA 風門角操激勵試驗

2.1 試驗目的

本次激勵試驗的重點是利用SOFA 風門的有規(guī)律的動作，觀察其它各項指標如溫度場、主汽溫、脫銷出口NOx 濃度的變化。最終希望能夠得到SOFA 風門開度與各項指標的良好模型，以采用SOFA 風門開度調(diào)節(jié)來微調(diào)溫度場、主汽溫兩側(cè)偏差等指標。

2.2 試驗原理

采用激勵辨識法作為模型辨識手段，對閉環(huán)數(shù)據(jù)首先進行一定的擾動處理，再將數(shù)據(jù)用于分析建模。激勵辨識法是一種能夠在閉環(huán)狀態(tài)下獲取動態(tài)過程模型的方法，其核心環(huán)節(jié)為激勵測試試驗。試驗通過在原控制系統(tǒng)輸入指令上疊加特定幅度的激勵信號，引起閉環(huán)控制系統(tǒng)有限幅度的擾動，一般來說這種擾動幅度為原控制指令自然波動幅度的5%-10%，不會對系統(tǒng)的控制品質(zhì)造成明顯影響。激勵信號與原控制系統(tǒng)接入方式如下圖所示。

圖1 激勵信號與原控制系統(tǒng)

激勵信號采用廣義二進制噪聲信號與小幅值白噪聲的疊加信號作為試驗信號，信號的采樣頻率要比控制器采樣頻率高很多，試驗模塊使用測試信號對生產(chǎn)過程進行激勵。用戶需給出工業(yè)過程的穩(wěn)態(tài)時間，試驗模塊據(jù)此自動生成試驗信號。

辨識模塊采用漸進性系統(tǒng)辨識方法（ASYM）來計算模型的參數(shù)，并選擇模型的階次，能夠計算局部線性模型的當前模型誤差上界和未來模型誤差上界，根據(jù)計算的局部線性模型的誤差上界用于劃分模型的品質(zhì)等級，調(diào)整正在進行的試驗和決定試驗的結(jié)束時間。

2.3 試驗過程

本次SOFA 風門角操激勵試驗分別對#1、#2、#3、#4角操單獨做了激勵試驗，完成后又對#1-#3對角與#2-#4號對角、#1-#2同側(cè)角與#3-#4號同側(cè)角、#1-#4同側(cè)角與#2-#3號同側(cè)角分別進行了激勵試驗。具體試驗操作過程如下：

a.風門保持手動狀態(tài)穩(wěn)定運行，維持一定開度，然后切換至自動狀態(tài)；

b.邏輯內(nèi)開關量改為1，使指令切換到優(yōu)化服務器輸出上；

c.由#1角風門開始進行激勵測試，初始激勵幅度在±5%以內(nèi)，觀察一段時間后激勵幅度逐步增加到±10%左右；測試時間約1-2小時，測試結(jié)束后退出自動控制切手動，邏輯接口開關量改為0；

d.#2、#3、#4、角激勵試驗方式與#1角相同。

e.#1-#3對角與#2-#4號對角、#1-#2同側(cè)角與#3-#4號同側(cè)角、#1-#4同側(cè)角與#2-#3號同側(cè)角遵循單一變量法，保持同一組角操開度不變，另一組依然按照#1角操試驗的方式進行。

所有測試期間數(shù)據(jù)作為建模分析數(shù)據(jù)，建模完成后SOFA 層風門的控制策略為通過燃盡風角操開度量控制燃盡風率，對爐膛出口煙溫均值和主汽溫進行調(diào)節(jié)。

3 試驗數(shù)據(jù)處理與建模

所有的試驗數(shù)據(jù)全部通訊到裝有預測控制器的工控機上，預測控制器采用模型預測控制（MPC）技術，模型預測控制是一種基于模型的優(yōu)化控制策略，其算法的核心是：可預測未來的動態(tài)模型，在線反復優(yōu)化計算并滾動實施的控制作用和模型誤差的反饋校正。它的當前控制動作是在每一個采樣瞬間通過求解一個有限時域開環(huán)最優(yōu)控制問題而獲得。過程的當前狀態(tài)作為最優(yōu)控制問題的初始狀態(tài)，解得的最優(yōu)控制序列只實施第一個控制作用。

通過對數(shù)據(jù)的研究分析，選擇SOFA 風門的四個角操開度作為控制變量（MV），采用聲波測溫裝置獲取的鍋爐燃燒的溫度場坐標數(shù)據(jù)、主汽溫溫度作為被控變量（CV），選擇SCR 入口NOx 濃度作為干擾變量DV 進行模型辨識。預測控制器會根據(jù)試驗獲取的數(shù)據(jù)自動進行濾波處理，并且建立模型。

模型建立完成后，預測控制器會根據(jù)已建立好的模型以SOFA 風門的四個角操開度為調(diào)節(jié)手段，以鍋爐燃燒溫度場最高溫度坐標點為中間變量，以主汽溫兩側(cè)偏差為最終調(diào)節(jié)目的進行優(yōu)化控制調(diào)節(jié)。

4 SOFA 風角操開度的自動調(diào)節(jié)與效果

首先將SOFA 風的所有小風門層操、角操全部投自動，邏輯頁中的保護模塊置1，使得預測控制器接管SOFA 風的所有控制。預測控制器會根據(jù)先前建立好的模型規(guī)律，按照運行人員的設定要求對SOFA 風門進行自動控制，SOFA 風門角操會根據(jù)聲波測溫裝置測得的鍋爐折焰角附近的溫度場火焰中心位置反饋與運行人員設定的火焰中心位置進行不斷修正，SOFA 風門調(diào)節(jié)溫度場火焰中心示意圖（圖2）所示。使其過程值接近設定值，爐膛燃燒的火焰中心無限接近鍋爐的物理位置中心，這就使得爐膛出口兩側(cè)煙溫達到基本一致。

圖2 SOFA 風門調(diào)節(jié)溫度場火焰中心示意圖

SOFA 風門自動優(yōu)化控制系統(tǒng)投運一段時間后，經(jīng)過前后的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，主汽溫兩側(cè)汽溫偏差得到明顯的改善，同時發(fā)現(xiàn)主汽溫溫度相比調(diào)整前也有所提高，圖3為SOFA 配風優(yōu)化改造前后三個月的主汽溫兩側(cè)汽溫數(shù)值，每個數(shù)據(jù)節(jié)點是15天內(nèi)的主汽溫平均值，由圖可見SOFA 風門優(yōu)化投入后較投入前主汽溫兩側(cè)汽溫偏差明顯減小，且主汽溫整體溫度也有所提高。

SOFA 風門自動優(yōu)化的投入通過優(yōu)化SOFA 風門各角操之間的送風配比來調(diào)整爐膛燃燒火焰中心位置，進而達到調(diào)整主汽溫兩側(cè)的溫度偏差的目的，并沒有改變SOFA 風的總風量，因此并沒有影響到煤粉的二次燃燒，SOFA 風門自動優(yōu)化投入后，由于燃燒得到了更好的優(yōu)化配比，因此NOx 與飛灰的生成量也有所下降，由此證明本優(yōu)化方案沒有對環(huán)保參數(shù)產(chǎn)生任何影響。

5 結(jié)語

本文通過試驗與仿真測試得出SOFA 風門角操對爐膛火焰中心有著重要的作用，通過對SOFA 風門四個角操開度進行試驗，建立了SOFA 風量與爐膛燃燒火焰中心之間的控制策略，通過改變SOFA風門的配風量，可對爐膛火焰中心進行微調(diào)，使得爐膛兩側(cè)出口煙溫接近平衡，進而達到調(diào)節(jié)主熱蒸汽兩側(cè)溫度偏差大的問題，有效提高機組的安全性和經(jīng)濟性。本文從嘗試改變北京國電電力大連開發(fā)區(qū)熱電廠#1機組主汽溫兩側(cè)偏差的這一問題入手，總結(jié)出了一套通過調(diào)節(jié)SOFA 風門的不同配比調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫的方法，本方法可對具有同類問題的機組起到一定的指導作用。