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电站燃煤锅炉智能燃烧控制系统

一、研发背景

1政策需要

     节能减排:国家十三五期间节能减排目标:到2020年,全国万元国内生产总值能耗比2015年下降15%,能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内。

     人工智能:十九大报告提出,创新驱动发展战略须大力实施,推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。

2、企业生存需要

  煤价成本高居不下,火电行业大面积亏损;新能源份额不断提高,火电发电小时数不断下降。

3、技术进步需要

   火电燃煤锅炉燃烧还处于经验调整阶段,没有实现燃烧的全自动,没有最大限度的发挥锅炉的效率水平

针对以上需要情况,南京归图科技发展有限公司通过多年的开发,成功研制了具有自主知识产权的电站燃煤锅炉智能燃烧控制系统,该系统采用大数据分析、最小二乘向量机、预测控制等人工智能技术,对复杂的燃煤锅炉对象建立数学模型,实现锅炉燃烧的闭环全自动控制,有效提高燃煤锅炉效率,降低氮氧化物排放。
产品概述
    COP1.0是南京归图科技经过多年的研究研制开发的电站燃煤锅炉燃烧优化专家系统产品,该产品采用先进的人工智能神经网络技术,实现了复杂的非线性燃烧优化建模,同时采用了遗传算法、模式识别、专家系统等多项先进技术,能根据锅炉的实时运行工况,对锅炉燃烧器负荷分配、一次风风速风率、烟气氧量、二次风分配、过燃风量等锅炉的配风、配煤燃烧运行参数进行在线优化,达到提高锅炉运行效率,同时降低烟气NOx排放目的,实现锅炉的经济环保运行。

二、总体技术方案 

1、针对燃煤锅炉对象(以600MW机组对冲锅炉为例),提出总体技术方案如1-1所示:


1-1锅炉燃烧优化及控制技术路线简图

图中,在每个控制周期,首先根据负荷和其他输入参数计算当前时刻锅炉效率和NOx的预测值,并与实测值进行比较,进而根据预测偏差的大小判断模型的精度是否满足要求。如果不满足要求则启动在线更新策略对模型进行更新;之后通过反馈校正环节对模型进行进一步校准;最后送入非线性滚动优化环节,通过在线求解约束非线性优化问题,得到氧量定值、燃烬风门开度、二次风门开度和煤量需求偏置等相应的控制变量并输出。

 

2、归一化支持向量机建立锅炉燃烧系统动态模型的结构如1-2所示:


1-2锅炉燃烧动态建模输入输出结构图

    建立各操作变量(如:氧量定值偏置、OFA风门开度、二次风门开度、煤量需求偏置等)到各优化变量(如:飞灰含碳量、空预器出口温度、SCR入口NOx浓度、CO浓度、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度、省煤器出口烟温等)的非线性动态模型;采用多目标预测控制方法,直接对经济性指标(锅炉效率)、NOx排放,以及动态性能指标(过热汽温偏差、再热汽温偏差)进行优化,同时考虑机组负荷和主汽压力等可测扰动、煤质变化等不可测扰动,最终获得控制量,实现闭环、动态燃烧优化。

三、基于最小二乘支持向量机的锅炉燃烧优化

1、基于历史运行数据的初步燃烧优化 利用历史运行数据对历史最佳运行方式进行筛选,获取稳态运行工冴下, 兼顾锅炉效率和NOx的最佳的二次风门开度、SOFA风门开度和烟气含氧量, 实现初步燃烧优化。


2、基于经济预测控制的多目标燃烧优化 在初步优化给出的指令基础上,一定区间范围内,进一步利用经济预测控制技术进行在线二次优化,以实现闭环的动态燃烧优化,以更好地克服煤种变化等不确定因素的影响。

 

式中,,是对未来N个时刻锅炉效率的预测值,由所建立的锅炉效率非线性模型获得,N为预测步数,N应选择足够大使之能够覆盖从控制量变化到输出变量过渡过程结束的整个时段;MV代表氧量定值、燃烬风门开度、二次风门开度和煤量需求偏置等控制变量;式(3-2)和式(3-3)是对各控制变量的上下限约束和变化速率约束;式(3-4)是对NOx排放的约束,是对未来N个时刻NOx的预测值,由所建立的NOx非线性模型获得,NOx排放上限,可由运行人员根据机组负荷进行设置和修改;式(3-5)是对再热汽温的约束,是对未来N个时刻再热汽温的预测值,由所建立的再热汽温非线性模型获得,是再热汽温上限,是再热汽温下限,可由运行人员根据机组负荷进行设置和修改。

四、燃烧优化控制软件结构及实现方法

为了保证软件运行的可靠性,将燃烧优化控制软件按照其功能分为四个模块:系统计算模块、系统监视模块、系统通信模块及系统界面模块。各模块之间的相互独立,但是又通过数据连接在一起。本项目所设计的燃烧优化控制软件的主要结构如图4-1所示。


4-1燃烧优化控制软件结构

各模块的功能及程序流程如下所示:


4-2系统监视模块程序流程

2、系统计算模块

系统计算模块的作用是计算出炉膛各层二次风、燃烬风、给煤量偏置和氧量定值等优化量,同时,若当建模误差较大时,对在线支持向量机模型进行更新。系统计算模块是燃烧优化控制软件的技术核心。在每个控制周期,系统计算模块需要判断当前优化系统是否投入,若是,按照流程计算输出控制量,否则,跟踪原先控制系统的输出控制量。系统计算模块的程序流程如图4-3所示。


4-3系统计算模块程序流程

3、系统通信模块

系统通信模块主要实现燃烧优化软件与DCS系统之间的数据通信,包括读取数据及写入数据两部分。读取部分将DCS系统的数据写入共享内存,便于其他系统模块使用,写入部分则是将共享内存的数据传递给DCS系统。系统通信模块的程序流程如图4-4所示。


4-4系统通信模块程序流程

4、用户界面模块

系统界面模块的功能为实时地显示相关数据,方便运行人员了解系统的运行状态,同时,允许工作人员进行相关的参数修改及调整,实现燃烧优化软件的可视化操作。系统界面模块的程序流程如图4-5所示。


4- 5系统界面模块程序流程


五、智能燃烧优化系统应用效果
1. 提高锅炉效率0.2%以上,降低煤耗1g以上;

2. 降低烟气NOx排放量10%左右;

3. 提高再热汽温、过热汽温的运行水平

4. 减少燃烧调整的随意性,降低运行人员的劳动强度,提高锅炉燃烧系统整体自动化运行水平。

 

 

 
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