CN102425807A - 一种煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法 - Google Patents

Abstract

一种煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，用于实现风与煤全工况全燃烧过程的动态精确配比。其技术方案是：它依据燃烧调整实验数据或运行人员经验确定前馈信号、依据锅炉热力学特性和规律确定反馈信号，在不同工况下自动精确调节锅炉各个燃烧器的煤量配比、各台磨煤机一次风量配比、各台磨煤机出口温度、各个燃烧器二次风量及燃烬风量配比，使锅炉燃烧效率和NO_X排放量处于最佳状态。本发明充分发挥了大型煤粉锅炉多个独立调节手段共存的优势以及前馈控制动态响应速度快、反馈校正控制静态精度高的优点，保证煤粉锅炉在各种工况下都能处于最佳状态附近，大大提高了锅炉的燃烧效率、降低了NO_X的排放量。

Description

一种煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种针对大型煤粉锅炉燃烧过程的优化控制方法，属控制技术领域。

背景技术

燃烧优化控制是提高锅炉燃烧效率、降低污染物特别是NO_X排放量的有效措施之一。依据其目的不同可分为：燃烧控制系统优化、燃烧经济性与安全性优化、燃烧过程NO_X排放优化几个类型。燃烧控制系统优化主要目的在于提高现有燃烧系统的控制品质，是较低层次的优化；燃烧经济性与安全性优化主要目的在于提高锅炉效率并减少锅炉受热面结焦、爆管等故障；燃烧过程NO_X排放优化主要目的在于保证锅炉运行基本经济性和安全性的前提下降低NO_X排放量，是高低层次的优化。

大型煤粉锅炉燃烧控制系统多采用“带氧量校正的燃料-空气系统”方案，其基本特点是：机炉协调控制系统锅炉主控制器输出指令直接下达到给煤量控制系统，保证锅炉总给煤量跟随锅炉主控制器输出指令变化，同时锅炉主控制器输出指令乘以一个风煤比系数，再除以氧量校正信号后下达到风量控制系统，保证锅炉总风量跟随锅炉主控制器输出指令变化。风量采用比例控制加校正控制的方法，一方面能够发挥比例控制动态响应速度快的优点，保证风、煤同时动作维持其动态配比的准确性；同时也能够发挥校正控制静态准确度好的优点，能够消除给煤量扰动、煤发热量变化因素影响，保证风煤总量静态配比准确性。

大型煤粉锅炉布置多层燃烧器。以600MW机组配套1800t/h直吹式制粉系统锅炉为例：采用旋流燃烧器前后墙对冲燃烧方式的锅炉，炉膛内布置6层燃烧器，前后墙各3层，一台磨煤机对应一层燃烧器，一次风和煤粉混合物由燃烧器送入，二次风大部分从旋流燃烧器二次风喷口送入，小部分从位于最顶层燃烧器上部的两个燃烬风喷口送入；采用直流燃烧器四角切圆燃烧方式的锅炉，在炉膛四角布置四组燃烧器，每一组燃烧器包含6个一次风粉混合物喷口和8个二次风喷口，一台磨煤机对应四个角上的同一层燃烧器。无论是前后墙对冲燃烧锅炉还是四角切圆燃烧锅炉，风量和煤量都具有各自独立的调节手段。可以通过调节进入各台磨煤机的给煤量控制各层燃烧器的负荷；可以调节进入各台磨煤机的一次风量改变各层燃烧器一次风煤比；可以调节冷热一次风量配比改变各层燃烧器一次风粉温度；可以通过调节各层燃烧器以及燃烬风的二次风挡板开度改变各层燃烧器二次风量以及燃烬风量。这样锅炉具有6个煤量的独立调节手段和8个二次风量的独立调节手段，进一步考虑进入各台磨煤机的一次风量和磨煤机出口一次风粉混合物温度，还具有6个一次风量和6个磨出口一次风粉混合物温度独立调节手段。

大量理论研究和实验证明，风与煤全燃烧过程、全锅炉运行工况、动态精确配比对于提高煤粉锅炉效率和降低NO_X排放具有非常重要的作用。例如：过量空气系数能在很大程度上影响锅炉效率和NO_X的生成量，过量空气系数增加将导致排烟损失和NO_X的生成量增加，但未完全燃烧损失减小，锅炉存在一个最优的过量空气系数；二次风分段送入可以有效降低NO_X的生成量，但可能导致未完全燃烧损失增加，因此煤粉燃烧过程中分段配风比例需要精确调整；二次风配风如“塔形”、“桶形”、“腰形”等配风形状能够影响锅炉飞灰含碳量；一次风量和一次风温能够影响煤粉气流着火速度和火焰长度；改变燃烧器负荷分配可以调整火焰中心进而影响炉膛出口烟温等等。在某一确定工况下，存在一组风、煤控制机构最佳的输出，能够使锅炉燃烧状态达到最优。这一最佳输出随锅炉负荷、煤质、燃烧器投入层数等运行工况不同而不同。同时大型发电机组参与电网调峰和一次调频，锅炉负荷变化频繁，其风量、煤量也经常处于动态变化过程中，保证风、煤动态精准配比十分重要。

现有锅炉燃烧控制系统只能保证风煤总量配比的准确性，不能发挥多个独立调节手段共存的优势保证燃烧过程中不同燃烧阶段的风煤最佳配比、最优火焰中心和最优配风形状等影响锅炉效率和NO_X排放量的关键参数。大型锅炉建造完成后，需要进行燃烧调整实验：在几个常见锅炉运行工况下，调整锅炉煤量、一次风量、二次风量的控制机构并监测锅炉运行状态参数，寻找并记录使锅炉运行状态达到最优的控制机构输出位置，为今后锅炉运行提供参考。另外，实际锅炉运行过程中，运行人员也会监视锅炉运行状态并根据实际情况优化调整各个控制机构输出，维持锅炉燃烧处于最佳状态，长期工作积累丰富的燃烧调整经验。但目前锅炉自动控制系统尚不能把这些实验数据和运行经验加以归纳整理，实现燃烧过程的自动优化控制。遇有责任心较差或缺乏经验的运行人员，难以保证各种工况下燃烧都处于最佳状态附近。

煤粉锅炉燃烧过程是一复杂的被控对象，存在多变量强耦合、非线性、时变性等多种复杂特征。一些燃烧优化方法采用神经网络模拟对象特性，通过训练学习使得系统能够模拟运行人员操作优化调整燃烧状态。这类方法实用效果主要取决于训练样本的准确性和丰富性，存在调试维护困难、缺乏明确物理意义运行人员认同性差的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，实现风与煤全工况全燃烧过程的动态精确配比。

本发明所述问题是下述技术方案实现的：

一种煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，它依据燃烧调整实验数据或运行人员经验确定前馈信号、依据锅炉热力学特性和规律确定反馈信号，在不同工况下自动精确调节锅炉各个燃烧器的煤量配比、各台磨煤机一次风量配比、各台磨煤机出口温度、各个燃烧器二次风量及燃烬风量配比，使锅炉燃烧效率和NO_X排放量处于最佳状态，具体步骤如下：

a．锅炉运行工况划分

依据处于运行状态的磨煤机台数、锅炉主蒸汽流量、总给煤量划分锅炉运行工况，首先列出锅炉在不投油助燃最低负荷到额定负荷范围内所有合法的磨煤机投运情况的排列组合，在每一种磨组合情况下，再依据锅炉主蒸汽流量的大小划分出高、低两种情况，然后依据总给煤量的大小进一步划分出高、低两种情况；

上述合法的磨煤机投运情况是指：锅炉处于运行状态的磨煤机所对应的燃烧器，采用前后墙对冲燃烧方式不出现隔层燃烧或前后墙两层及以上燃烧器同侧单墙燃烧的情况，对于四角切圆燃烧方式不出现两层及以上隔层燃烧情况，锅炉实际运行过程中不允许出现非法的磨煤机投运情况，

b．前馈控制信号插值计算

通过燃烧调整实验或运行人员经验获得每一个合法运行工况下使锅炉燃烧状态达到最优的燃烧优化控制信号输出值，包括一次风煤比修正值、过量空气系数修正值、一次风压偏置值、二次风压偏置值、各台给煤机给煤量偏置值、各台磨煤机出口温度偏置值、各台磨煤机一次风量偏置值、各层燃烧器二次风量偏置值、各层燃烬风量偏置值，然后将这些数值保存到一个二维前馈控制插值表中，在某一磨煤机投运情况下的任何锅炉主蒸汽流量、总给煤量下的燃烧优化控制前馈信号输出值，根据此二维前馈控制插值表通过插值计算得到；

c．反馈控制定值制插计算

通过燃烧调整实验获得每一个运行工况下燃烧状态达到最优时的控制指标，包括烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、排烟损失的记录值或计算值，保存到一组二维反馈控制定值插值表中，在确定的磨煤机投运情况下的任何锅炉主蒸汽流量、总给煤量下的燃烧优化控制反馈控制定值，根据此反馈控制定值插值表通过插值计算得到；

d．外回路反馈值计算

测量烟气NO_X浓度、飞灰含碳量，并根据排烟温度、煤质化学分析数据、空气预热器前后氧量、总风量、总给煤量计算锅炉排烟损失；

e．反馈控制规则计算

将烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、锅炉排烟损失的反馈控制定值与外回路反馈值相减得到三个信号的差值，由这三个信号的差值和反馈控制规则表计算煤粉中心高度、二次风中心高度、炉膛出口温度、过量空气系数、一次风煤比、一次风粉温度这六个信号反馈测量值所迭加的偏置值，计算过程是每一个输入信号的差值分别乘以六个反馈控制规则表中系数后得到六个输出，三个信号的输出对应项分别加权平均得到六个偏置值，再分别迭加对应的反馈测量值后，构成六个输出信号的内回路控制定值；

上述反馈控制规则表中系数设置规则是：烟气NO_X浓度差值负向增加时，降低煤粉中心高度、提高二次风中心高度、降低炉膛出口温度、降低过量空气系数、降低一次风煤比、降低一次风粉温度；当飞灰含碳量差值负向增加时，降低煤粉中心高度、降低二次风中心高度、提高炉膛出口温度、提高过量空气系数、提高一次风煤比、提高一次风粉温度；当排烟损失差值负向增加时，降低煤粉中心高度、降低二次风中心高度、降低炉膛出口温度、降低过量空气系数、提高一次风煤比、提高一次风粉温度，实际加权系数需要经过现场调试，

f．内回路反馈值计算

在线计算或测量煤粉中心高度H _c、二次风中心高度H _a、炉膛出口温度θ、过量空气系数α、一次风煤比ε _fc、一次风粉温度t _fc六个信号的实时值，得到内回路反馈值；

g．将煤粉中心高度、二次风中心高度、炉膛出口温度、过量空气系数、一次风煤比、一次风粉温度这六个信号内回路控制定值同内回路反馈值的差分别输入六个内回路比例积分控制组，比例积分系数需要现场调试；

h．反馈控制信号计算

由六个内回路比例积分控制器输出信号和反馈控制输出表计算反馈控制输出信号，包括：一次风煤比修正值、过量空气系数修正值、各一次风压偏置值、各二次风压偏置值、各给煤量偏置值、各磨出口温度偏置值、各一次风量偏置值、各二次风量偏置值、各燃烬风量偏置值，计算过程是每一个内回路比例积分控制器输出信号分别乘以多个反馈控制输出系数后得到多个反馈控制的修正值或偏置值输出，最后的各个修正值或偏置值输出分别由六个对应的输出求和得到；

上述反馈控制输出表中反馈控制输出系数的设置规则是：提高煤粉中心高度则增加上层燃烧器对应磨煤机给煤量偏置值，减小下层燃烧器对应磨煤机给煤量偏置值，其它不变；提高二次风中心高度则增加上层燃烧器二次风量和燃烬风量偏置值，减小下层燃烧器二次风量偏置值，其它不变；提高炉膛出口温度则增加上层燃烧器对应磨煤机给煤量、一次风量偏置值，减小下层燃烧器对应磨煤机给煤量和一次风量偏置值，其它不变；增加过量空气系数则增加过量空气系数修正值和二次风压偏置值，其它不变；增加一次风煤比则增加一次风煤比修正值和一次风压偏置值，其它不变；提高一次风粉温度则增加磨出口温度偏置值，其它不变，

i．执行机构的前馈控制信号同反馈控制信号对应求和后得到燃烧优化控制信号，该信号经限幅滤波处理后，通过信号接口逻辑引入原分散控制系统，

上述煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，煤粉中心高度H _c、二次风中心高度H _a、炉膛出口温度θ、过量空气系数α、一次风煤比ε _fc和一次风粉温度t _fc的计算方法如下：

             （1）

其中：F _ci为第i层燃烧器的燃料量（kg/s）；L _ci为第i层燃烧器的实际高度（m）；L _c0为煤粉中心计算基准高度（m）；

             （2）

其中：F _ai为第i层燃烧器的二次风流量或燃烬风流量（Nm³/s）；L _ai为第i层燃烧器二次风口或燃烬风口的实际高度（m）；L _a0为二次风中心计算基准高度（m）；

           （3）

其中：T _a为理论燃烧温度（K）；M为火焰中心高度系数；a ₁为炉膛黑度系数；ψ _pj为水冷壁有效系数；q _H为锅炉辐射受热面热负荷（kW/m²）；

                 （4）

其中：O ₂为锅炉省煤器出口烟气氧量（%）；

                  （5）

                （6）

其中t _fci为第i台磨煤机出口风粉混合物温度（℃）。

上述煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，为了克服干扰，对烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、锅炉排烟损失、煤粉中心高度、二次风中心高度、炉膛出口温度、过量空气系数、一次风煤比、一次风粉温度信号进行测量或计算时，每种信号的实时值应使用二阶低通滤波器进行滤波处理。

上述煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，所述燃烧优化控制信号输出值在接入原有燃烧控制系统前经过滤波和限幅处理，其中，一次风煤比修正值和过量空气系数修正值限制在0.9至1.1之间，一次风压偏置值、二次风压偏置值、给煤量偏置值、磨出口温度偏置值、一次风量偏置值、二次风量偏置值和燃烬风量偏置值限制在该信号额定负荷下数值的-30%至30%之间。

上述煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，反馈控制规则计算模块的计算周期应大于其它计算模块计算周期20倍以上，实现断续控制的效果。

本发明依据煤粉锅炉燃烧调整实验数据以及锅炉热力学特性和规律，采用前馈控制信号与反馈控制信号相结合的方法对大型煤粉锅炉的燃烧过程进行自动优化控制，充分发挥了大型煤粉锅炉多个独立调节手段共存的优势以及前馈控制动态响应速度快、反馈校正控制静态精度高的优点，保证煤粉锅炉在各种工况下都能处于最佳状态附近，大大提高了锅炉的燃烧效率、降低了污染物的排放量。

本发明适用于频繁参与电网调峰调频的大型火力发电机组配套之煤粉锅炉。在电网用电侧负荷随机性大、风力发电等新型发电方式大量并网导致发电侧负荷随机性大的情况下，本发明的优势更为明显。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制系统逻辑功能图。

文中各符号为：H _c、煤粉中心高度；H _a、二次风中心高度；θ、炉膛出口温度；α、过量空气系数；ε _fc、一次风煤比；t _fc、一次风粉温度；F _ci、第i层燃烧器的燃料量（kg/s）；L _ci 、第i层燃烧器的实际高度（m）；L _c0、煤粉中心计算基准高度（m）；F _ai 、第i层燃烧器的二次风流量或燃烬风流量（Nm³/s）；L _ai 、第i层燃烧器二次风口的实际高度（m）；L _a0 、二次风中心计算基准高度（m）；T _a 、理论燃烧温度（K）；M 、火焰中心高度系数；a ₁ 、炉膛黑度系数；ψ _pj 、水冷壁有效系数；q _H 、锅炉辐射受热面热负荷（kW/m²）；O ₂ 、锅炉省煤器出口烟气氧量（%）；t _fci 、第i台磨煤机出口风粉混合物温度（℃）。

具体实施方式

下面结合附图1并以一600MW火电机组为例说明锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制系统整体技术方案，优化控制系统包括以下逻辑功能模块：

（1）锅炉运行工况划分模块。依据磨煤机运行状态6个开关量信号和锅炉主蒸汽流量、总给煤量2个模拟量信号划分锅炉运行工况。在50%-100%负荷范围内，磨煤机可能运行3、4、5、6台，考虑到锅炉运行规程前后墙对冲燃烧方式不出现隔层燃烧或前后墙两层及以上燃烧器同侧单墙燃烧的情况、四角切圆燃烧方式不出现两层及以上隔层燃烧情况的要求，分别有8、8、6、1共计23种合法的磨运行组合。在每一种磨组合情况下，锅炉主蒸汽流量可划分为高、低2种情况，总给煤量也可以划分为高、低2种情况，这样最大有23′2′2共计92种工况，考虑锅炉最大出力和最小不投油工况限制，实际锅炉有65种常见运行工况。

（2）前馈控制插值计算模块。模块中保存有每一个实际运行工况下燃烧调整实验中使得锅炉燃烧状态达到最优的燃烧优化控制输出的数值。控制输出包括：1个一次风煤比修正值；1个过量空气系数修正值；1个一次风压偏置值、1个二次风压偏置值、6个给煤量偏置值、6个磨出口温度偏置值、6个一次风量偏置值、6个二次风量偏置值、2个燃烬风量偏置值。根据23种磨运行组合情况设计23个二维前馈控制插值表，表中记录根据锅炉主蒸汽流量和总给煤量的高低，共计4组最优工况点控制输出组的实验数据。高于锅炉最大出力和低于最小不投油工况下的数据可以采用相同的磨运行情况下合法工况的数据代替。这样，合法工况范围内的每一个前馈控制输出可以依据对应工况表中4个最优点的数据通过线性插值方式计算获得。

（3）反馈控制定值计算模块。模块中保存燃烧调整实验时每一工况下，燃烧状态达到最优时的控制指标，包括烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、排烟损失的记录值或计算值。根据23种磨运行组合情况设计23个二维反馈控制插值表，再依据锅炉主蒸汽流量和总给煤量的高低，填写有4组最优工况点控制指标组实验记录数值，高于锅炉最大出力和低于最小不投油工况下的数据可以采用相同的磨运行情况下合法工况的数据代替。这样，合法工况范围内的确定运行状态下的控制定值可以依据4个最优点的数据通过线性插值计算获得。

（4）外回路反馈值计算模块。测量烟气NO_X浓度、飞灰含碳量，锅炉排烟损失依据《电站锅炉性能试验规程》（GB10184—88）之规定采用排烟温度、煤质化学分析数据、空气预热器前后氧量、总风量、总给煤量等数据计算得到。3个信号的实时值经过一个二阶低通滤波器进行滤波以克服干扰。

（5）反馈控制规则计算模块。烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、锅炉排烟损失定值与反馈值相减得到3个信号的差值，每一差值乘以反馈控制规则表中对应的系数后得到6个输出信号，最后6个内回路控制信号的偏置值由3个对应输出加权平均得到，再分别迭加反馈测量值，构成6个输出信号的内回路控制定值。

对于设计煤种为烟煤的锅炉，反馈控制规则表中的系数可以取表1中的数值。

表1  反馈控制规则表

。

反馈控制规则计算模块的计算周期应大于其它计算模块20倍以上。例如，其它模块计算周期为2s，则反馈控制规则计算模块的计算周期至少应为40s。这样，反馈控制实质上采用断续控制，调节过程为“调调、等等、看看、再调调”，能够有效克服被控对象存在的非最小相位特性以及惯性和迟延对控制系统造成的不利影响。

（6）内回路反馈值计算模块。在线计算或测量煤粉中心高度、二次风中心高度、炉膛出口温度、烟气氧量、一次风煤比、一次风粉温度6个信号实时值。

煤粉中心高度H _c的计算方法为：

                 （7）

其中：F _ci为第i层燃烧器的燃料量（kg/s）；L _ci为第i层燃烧器的实际高度（m）；L _c0为煤粉中心计算基准高度（m）。

二次风中心高度H _a的计算方法为：

                 （8）

其中：F _ai为第i层燃烧器的二次风流量或燃烬风流量（Nm³/s）；L _ai为第i层燃烧器二次风口的实际高度（m）；L _a0为二次风中心计算基准高度（m）。

炉膛出口温度采用炉膛内传热相似理论解法计算，大容量锅炉炉膛出口温度θ计算公式为：

                （9）

其中：T _a为理论燃烧温度（K）；M为火焰中心高度系数；a ₁为炉膛黑度系数；ψ _pj为水冷壁有效系数；q _H为锅炉辐射受热面热负荷（kW/m²）。此计算公式在锅炉原理及计算类教科书中有介绍。

过量空气系数α的计算公式为：

                     （10）

其中：O ₂为锅炉省煤器出口烟气氧量（%）。

一次风煤比ε _fc采用以下公式计算：

                      （11）

一次风粉温度t _fc采用以下公式计算：

                    （12）

其中t _fci为第i台磨煤机出口风粉混合物温度（℃）。

以上计算信号通过一个二阶低通滤波器进行滤波以克服干扰。

（7）控制器组模块。内回路控制器接收反馈控制规则计算模块输出同内回路反馈值在线计算输出的差，共有6路。每一路控制器都采用比例积分控制，比例系数和积分系数都设置较小值以保证控制系统稳定。积分计算过程中进行限幅以防止发生积分饱和现象。

（8）控制输出计算模块。控制输出计算模块接收6个内回路控制器输出作为输入，结合反馈控制输出表计算30个反馈控制输出信号，表中大部分系数为1、0、-1，分别表示控制机构正向、保持、反向动作，一次风压、二次风压随一次风煤比和过量空气系数呈固定比例动作，模块输入信号分别与反馈控制输出表中对应系数相乘后得到输出信号，最终的30个反馈控制输出分别由6个对应的控制输出信号求和得到。

例如采用前后墙对冲燃烧方式锅炉，反馈控制输出表中系数可以取表2中的数值。

表2  反馈控制输出表

。

（9）限幅滤波模块。30个反馈控制输出信号同30个前馈控制信号对应相加，得到燃烧优化控制的30个燃烧优化控制系统输出的控制信号。分别对每一个信号进行限幅，防止执行机构动作超限，其中修正值限制在0.9至1.1之间，偏置值限制在该信号额定负荷下数值的-30%至30%之间；分别对每一个信号进行二阶低通滤波处理以克服干扰。

（10）信号接口模块。将30个控制系统输出信号引入原DCS（分散控制系统）燃烧控制逻辑中，对于修正值以乘积的形式引入原燃烧控制系统，对于偏置值以求和的形式引入原燃烧控制系统。

图1中各个模块之间的联接关系：锅炉运行工况划分模块依据锅炉磨煤机运行状态6个开关量信号和锅炉主蒸汽流量、总给煤量2个模拟量信号划分锅炉运行工况；前馈控制插值计算模块的输入为锅炉运行工况信号，结合各个工况下的燃烧调整实验数据，通过插值计算得到并输出30个燃烧优化控制输出变量的前馈控制信号；反馈控制定值计算模块的输入为锅炉运行工况信号，结合各个工况下的燃烧调整实验数据，通过插值计算得到并输出3个外回路反馈控制信号定值；外回路反馈值计算模块依据锅炉运行数据，计算并输出3个外回路反馈信号；3个外回路反馈控制信号定值同3个外回路反馈信号求差后得到3个外回路反馈信号差值；反馈控制规则计算模块的输入为3个外回路反馈信号差值，依据反馈规则表计算并输出6个内回路反馈信号定值；内回路反馈值计算模块依据锅炉运行数据，计算并输出6个内回路反馈信号；6个内回路反馈控制信号定值同6个内回路反馈信号求差后得到6个内回路反馈信号差值；控制器组输入6个内回路反馈信号差值，输出6个控制信号；控制输出计算模块输入6个控制信号，它依据控制输出表计算并输出30个燃烧优化的反馈控制信号；30个前馈控制信号同30个反馈控制信号对应求和后得到30个燃烧优化控制信号；经过限幅滤波模块处理后，通过信号接口模块引入原燃烧控制系统。

优化控制系统部分逻辑模块可以在机组DCS中外挂计算站方式实现，也可以在DCS中某一控制单元内组态实现；信号接口模块必须在DCS中对原燃烧控制系统控制逻辑加以简单改造后实现；优化控制的对象即整个锅炉燃烧过程。

本发明的实施步骤

（1）划分锅炉运行工况。依据锅炉磨煤机运行状态6个开关量信号和锅炉主蒸汽流量、总给煤量2个模拟量信号划分锅炉运行工况。在50%-100%负荷范围内，磨煤机可能运行3、4、5、6台，结合锅炉运行规程要求，分别有8、8、6、1共计23种磨运行组合。在每一种磨组合情况下，锅炉主蒸汽流量可划分为高、低2种情况，总给煤量也可以划分为高、低2种情况，这样最大有23′2′2共计92种工况，考虑锅炉最大出力和最小不投油负荷限制，实际锅炉有65种常见运行工况。

（2）现场测量信号确认。本系统特别需要以下信号：能够测量NO_X浓度的烟气在线分析仪、飞灰含碳量在线测量装置。同时需要加强对以下测量信号测量仪表的校准及检验工作，包括：各给煤机给煤量、各磨煤机入口一次风量、各层燃烧器二次风量及燃烬风量、省煤器入口氧量。另外还需要加强入炉煤煤质分析和数据整理工作。

（3）燃烧调整实验。在65种常见工况的每一个工况点进行燃烧调整实验。实验过程是，调整锅炉运行状态至某一确定的实验工况，保持煤发热量、总给煤量、燃烧器投入层数稳定，二次风量控制投入自动，按照各态遍历的原则分别调整6台磨煤机给煤量偏置值、6台磨煤机一次风量偏置值、6台磨煤机出口温度偏置值、6层燃烧器二次风量和2层燃烬风量偏置值、一次风煤比定值、烟气氧量定值、一次风压力定值、二次风压力定值共30个控制变量，依据《电站锅炉性能试验规程》（GB10184—88）之规定记录并计算实验数据。按照工况划分信号、控制输出信号、被优化信号的顺序分不同工况归类整理记录各组实验数据，其中工况划分信号包括：6个磨煤机运行状态开关量信号、1个总燃料量、1个煤发热量；控制输出信号包括：1个一次风煤比修正值、1个过量空气系数修正值、1个一次风压偏置值、1个二次风压偏置值、6个给煤量偏置值、6个磨出口温度偏置值、6个一次风量偏置值、6个二次风量偏置值、2个燃烬风量偏置值，共计30个信号；被优化信号包括：烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、锅炉排烟损失，共3个信号。

如不能完整进行65种常见工况下的燃烧调整实验，至少应进行3、4、5台磨煤机运行情况下的典型工况实验。其余工况数据，可以在机组长期运行过程中，由运行人员调整各个执行机构状态，确认锅炉燃烧状态处于最优值附近后，计算整理相关运行数据后作为实验数据。

（4）以编程或组态方式实现优化控制系统。如采用在DCS中外挂计算站方式，则需要通过编程实现；如果在DCS的控制单元中则以组态方式实现。

（5）控制规则及参数调试。燃烧优化控制系统实现后，需要在锅炉运行过程中对反馈规则计算模块（5）中得到最后6个内回路控制信号偏置值过程中3个对应输出加权平均计算时的加权系数进行调试；另外需要对控制器组模块（7）中控制器比例积分系数进行整定。

Claims (5)

1.一种煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，其特征是，它依据燃烧调整实验数据或运行人员经验确定前馈信号、依据锅炉热力学特性和规律确定反馈信号，在不同工况下自动精确调节锅炉各个燃烧器的煤量配比、各台磨煤机一次风量配比、各台磨煤机出口温度、各个燃烧器二次风量及燃烬风量配比，使锅炉燃烧效率和NO_X排放量处于最佳状态，具体步骤如下：

a．锅炉运行工况划分

依据处于运行状态的磨煤机台数、锅炉主蒸汽流量、总给煤量划分锅炉运行工况，首先列出锅炉在不投油助燃最低负荷到额定负荷范围内所有合法的磨煤机投运情况的排列组合，在每一种磨组合情况下，再依据锅炉主蒸汽流量的大小划分出高、低两种情况，然后依据总给煤量的大小进一步划分出高、低两种情况；

b．前馈控制信号插值计算

通过燃烧调整实验或运行人员经验获得每一个合法运行工况下使锅炉燃烧状态达到最优的燃烧优化控制信号输出值，包括一次风煤比修正值、过量空气系数修正值、一次风压偏置值、二次风压偏置值、各台给煤机给煤量偏置值、各台磨煤机出口温度偏置值、各台磨煤机一次风量偏置值、各层燃烧器二次风量偏置值、各层燃烬风量偏置值，然后将这些数值保存到一个二维前馈控制插值表中，在某一磨煤机投运情况下的任何锅炉主蒸汽流量、总给煤量下的燃烧优化控制前馈信号输出值，根据此二维前馈控制插值表通过插值计算得到；

c．反馈控制定值插值计算

通过燃烧调整实验获得每一个运行工况下燃烧状态达到最优时的控制指标，包括烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、排烟损失的记录值或计算值，保存到一组二维反馈控制定值插值表中，在确定的磨煤机投运情况下的任何锅炉主蒸汽流量、总给煤量下的燃烧优化控制反馈控制定值，根据此反馈控制定值插值表通过插值计算得到；

d．外回路反馈值计算

测量烟气NO_X浓度、飞灰含碳量，并根据排烟温度、煤质化学分析数据、空气预热器前后氧量、总风量、总给煤量计算锅炉排烟损失；

e．反馈控制规则计算

将烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、锅炉排烟损失的反馈控制定值与外回路反馈值相减得到三个信号的差值，由这三个信号的差值和反馈控制规则表计算煤粉中心高度、二次风中心高度、炉膛出口温度、过量空气系数、一次风煤比、一次风粉温度这六个信号反馈测量值所迭加的偏置值，计算过程是每一个输入信号的差值分别乘以六个反馈控制规则表中系数后得到六个输出，三个信号的输出对应项分别加权平均得到六个偏置值，再分别迭加对应的反馈测量值后，构成六个输出信号的内回路控制定值；

f．内回路反馈值计算

在线计算或测量煤粉中心高度H _c、二次风中心高度H _a、炉膛出口温度θ、过量空气系数α、一次风煤比ε _fc、一次风粉温度t _fc六个信号的实时值，得到内回路反馈值；

g．将煤粉中心高度、二次风中心高度、炉膛出口温度、过量空气系数、一次风煤比、一次风粉温度这六个信号内回路控制定值同内回路反馈值的差分别输入六个内回路比例积分控制组；

h．反馈控制信号计算

由六个内回路比例积分控制器输出信号和反馈控制输出表计算反馈控制输出信号，包括：一次风煤比修正值、过量空气系数修正值、各一次风压偏置值、各二次风压偏置值、各给煤量偏置值、各磨出口温度偏置值、各一次风量偏置值、各二次风量偏置值、各燃烬风量偏置值，计算过程是每一个内回路比例积分控制器输出信号分别乘以多个反馈控制输出系数后得到多个反馈控制的修正值或偏置值输出，最后的各个修正值或偏置值输出分别由六个对应的输出求和得到；

i．执行机构的前馈控制信号同反馈控制信号对应求和后得到执行机构优化控制信号，该信号经限幅滤波处理后，通过信号接口模块引入原分散控制系统。

2.根据权利要求1所述煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，其特征是，煤粉中心高度H _c、二次风中心高度H _a、炉膛出口温度θ、过量空气系数α、一次风煤比ε _fc和一次风粉温度t _fc的计算方法如下：

              ，          

其中：F _ci为第i层燃烧器的燃料量（kg/s）；L _ci为第i层燃烧器的实际高度m；L _c0为煤粉中心计算基准高度m；

       ，                 

其中：F _ai为第i层燃烧器的二次风流量或燃烬风流量，单位为Nm³/s；L _ai为第i层燃烧器二次风口的实际高度m；L _a0为二次风中心计算基准高度m；

   ，                 

其中：T _a为理论燃烧温度K；M为火焰中心高度系数；a ₁为炉膛黑度系数；ψ _pj为水冷壁有效系数；q _H为锅炉辐射受热面热负荷，单位为kW/m²；

，                                

其中：O ₂为锅炉省煤器出口烟气氧量（%）；

  ，                        

，                              

其中t _fci为第i台磨煤机出口风粉混合物温度℃。

3.根据权利要求1或2所述煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，其特征是，在对烟气NO_X浓度、飞灰含碳量、锅炉排烟损失、煤粉中心高度、二次风中心高度、炉膛出口温度、过量空气系数、一次风煤比、一次风粉温度信号进行测量或计算时，每种信号的实时值应使用二阶低通滤波器进行滤波处理。

4.根据权利要求3所述煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，其特征是，所述燃烧优化控制信号输出值在接入原有燃烧控制系统前经过滤波和限幅处理，其中，一次风煤比修正值和过量空气系数修正值限制在0.9至1.1之间，一次风压偏置值、二次风压偏置值、给煤量偏置值、磨出口温度偏置值、一次风量偏置值、二次风量偏置值和燃烬风量偏置值限制在该信号额定负荷下数值的-30%至30%之间。

5.根据权利要求4所述煤粉锅炉燃烧前馈反馈复合优化控制方法，其特征是，反馈控制规则计算模块的计算周期应大于其它计算模块计算周期20倍以上。