CN103557535B - 一种电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法，包括以下步骤：（1）建立炉膛截面参考坐标系；（2）在炉膛截面的横向和纵向上分别布置温度测量装置；（3）获取各测量路径上的温度值；（4）作炉膛截面测量路径的温度与坐标之间的拟合曲线；（5）对炉膛截面进行网格划分；（6）建立炉膛截面的二维温度场；（7）计算炉膛截面的二维温度场的中心坐标；（8）采用PID控制器对炉膛温度场进行控制修正量计算；（9）计算锅炉四个角喷口燃料风风门开度的控制修正量；（10）温度场平衡控制方法在分散控制系统DCS中的实现；本发明的优点是保证锅炉燃烧时煤粉充分燃尽，火焰中心处于炉膛中央，炉膛温度场均匀分布，提高炉膛燃烧的效率和稳定性。

Description

一种电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法

技术领域

本发明涉及电站锅炉炉膛温度场控制方法，尤其是涉及一种电站锅炉炉膛温度场平衡控制方法，适用于四角切圆燃煤机组，属于自动控制技术领域。

背景技术

火电机组的燃烧优化是电站锅炉控制中的难点问题，当前电站锅炉的运行面临降低运行成本与降低氮氧化物排放的双重压力，高效低污染的锅炉燃烧优化技术日益引起人们的关注，其目标是在一定的锅炉负荷条件下，通过调整锅炉配风、给煤等运行参数而使锅炉处于高效率、低污染排放以及更安全的经济运行状态。锅炉燃烧是一个极其复杂的非线性过程，锅炉效率和氮氧化物排放受到氧量、配风方式、负荷、风粉分配均匀性等燃烧控制参数的影响，并且各个因素之间还具有强耦合关系。一般而言，煤粉高效燃烧与低氮氧化物排放是互为矛盾的，降低氮氧化物生成的关键在于控制燃烧区域煤粉高浓度和高温不同时存在，但是他们不同时存在又会影响煤粉燃烧效率，为达到最优的炉膛燃烧效果，就要求对煤粉燃烧全过程加以优化控制，采用既保证煤粉着火稳定，同时具有较低的燃烧温度，而且在此温度下又能保证煤粉燃尽的锅炉燃烧优化技术。为达到上述目标，调整炉膛火焰中心位于炉膛的几何中心是关键因素之一，这样还可以避免炉膛局部结焦、结渣甚至过热器爆管。但是长期以来由于缺乏炉膛内部的监测手段，对炉膛火焰中心的控制一直是个空白。

锅炉燃烧优化技术研究的热点是采用数据挖掘或者是人工智能的方法。数据挖掘方法就是在大量过去不同负荷下的实际运行数据中，通过应用机器学习的方法，挖掘出锅炉燃烧目标和运行参数间的最佳关系模型，再利用智能优化的算法结合挖掘出的关系模型进行锅炉的在线燃烧优化。人工智能方法是从电厂分散控制系统中提取数据或者是根据锅炉燃烧调整优化试验的数据建立燃烧系统的输入、输出模型，然后利用智能优化算法对锅炉效率和污染物排放进行优化，进而得到污染物排放和锅炉效率综合最优的锅炉运行控制参数，从而指导电厂的安全经济运行。但是由于锅炉设备的特性会随着使用时间的增长会有所改变，而且燃用的煤种有时也会发生变化，同时由于这些采用人工智能方法的优化过程计算成本往往较大，在线实时计算运行比较困难，因此如何保证模型能够快速、高效地更新以适应新的情况成为了这类方法的瓶颈问题。

锅炉燃烧状况的最直观的反映。之前由于缺乏有效的炉膛温度测量手段，直接影响了燃烧优化结果的准确性。近年来，随着测量技术的发展，国内外出现了越来越多且有效的炉膛温度测量方法，比如基于图像处理的测温技术、声波测温技术以及激光光谱测温技术等，有效解决了炉膛温度测量的问题，为燃烧过程中炉膛温度场这一重要参数的在线测量和控制提供了可能。在电站锅炉实际生产过程中，如果通过能精确地得到炉膛温度场这一优势，针对具体的负荷指令、具体的锅炉和燃用煤种的情况，运行人员便可以根据经验或者导航判断当前的锅炉燃烧情况，调节燃烧器的出口一、二、三次风风速、风率，各燃烧器之间的负荷分配和运行方式，以及炉膛风量、燃料量和煤粉细度等参数，从而保证正常稳定的汽压、汽温和蒸发量，这一过程也可以由控制系统自动实现，从而保证着火稳定、燃烧完全，火焰均匀充满炉膛，不结渣，不烧坏燃烧器和水冷壁，过热器不超温；使机组保持最高的运行经济性，减少燃烧污染物的排放。

目前，大容量锅炉的燃烧器主要分为直流燃烧器和旋流燃烧器两种形式，而在我国，直流式煤粉燃烧器占据了很大的比重，而且大部分采用四角切圆燃烧方式。四角切圆燃烧锅炉是将直流式燃烧器布置在四角，出口气流几何轴线在炉膛中央相交形成燃烧切圆，造成气流在炉内强烈旋转，并呈现螺旋式上升。由于四角射流着火相交后强烈旋转，相互点燃，湍流的热量、质量和动量交换十分强烈，火焰在炉内充满系数高，因此具有煤粉着火稳定性好，煤粉燃尽程度高，炉内热负荷分配均匀和煤种适应性强的特点。四角切圆锅炉燃烧时的切圆大小与炉膛火焰位置主要是由燃烧器喷口的二次风(主要是燃料风)和一次风(输送煤粉)进行控制的，四角风粉分配均匀才能保证锅炉安全稳定的运行。但是，由于各燃烧器配风不当或者个别燃烧器工作不正常，会造成火焰中心偏向一侧，整个炉膛温度场也会随之偏移，造成离火焰中心近的水冷壁过热或者结焦，局部地区管壁温度升高，热应力高而造成爆管，而远离火焰中心的水冷壁管则加热不足，水循环减慢，造成整个锅炉水循环失去平衡；同时，由于温度场的不均匀还会造成炉内燃烧工况恶化，低温处煤粉得不到充分燃烧，煤粉在炉膛内燃尽率降低，会把未燃尽煤粉带入尾部受热面，造成过热器、省煤器的磨损，降低了锅炉的使用寿命。

对于四角切圆燃烧锅炉来讲，炉膛火焰中心的位置是由锅炉四个角的燃烧器射流动量决定的，射流动量大小取决于燃料风风门的开度，炉膛燃烧火焰是由锅炉四角射流动量间的相互作用而形成的，既取决于每个角射流动量的大小，又取决于各角射流的作用点，当炉膛火焰中心发生偏斜时，通过合理地改变锅炉四个角的燃料风风门开度，进而改变锅炉四角的射流动量，便可以控制火焰中心位置，实现温度场的平衡控制。因此为了解决上述难题，需要一种电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法，确保炉膛火焰中心位于炉膛中央，炉膛温度场均匀分布，煤粉得到充分燃烧，使电站锅炉在保证高效率的情况下安全稳定的运行。

经现有学术及技术文献的检索，未发现专门针对炉膛火焰中心均衡控制问题的研究。而对于燃烧优化控制问题的研究多集中在对各种先进优化控制算法的尝试和仿真对比上，却很难在工业控制系统中实现，实用价值不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服采用四角切圆燃烧方式的大型电站锅炉由于火焰中心偏斜而导致的炉膛温度场不均匀的问题，提供一种简单、便捷、安全、有效，且贴近实际运行情况、实用性强的电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明采用的步骤如下：

步骤一、建立炉膛截面参考坐标系：

取炉膛截面的几何中心作为参考坐标系的原点，以过原点沿炉膛截面横向的直线作为参考坐标系的X轴，以过原点沿炉膛截面纵向的直线作为参考坐标系的Y轴；

步骤二、在炉膛截面的横向和纵向上分别布置温度传感器：

在炉膛截面上与Y轴平行方向均匀设置M条直线，形成M条温度测量路径，从左到右依次为LX₁、LX₂、…、LX_n、…、LX_M，在M条测量路径上分别布置温度测量装置，各测量路径对应的X轴坐标依次为x_L1、x_L2、…、x_Lm、…、x_LM；其中m的取值范围为1～M；所述温度测量路径的数目M大于等于2；

在炉膛截面上与X轴平行方向均匀设置N条直线，形成N条温度测量路径，从下到上依次为LY₁、LY₂、…、LY_n、…、LY_N，在N条测量路径上分别布置温度测量装置，各测量路径对应的Y轴坐标依次为y_L1、y_L2、…、y_Ln、…、y_LN；其中n的取值范围为1～N；所述温度测量路径的数目N大于等于2；

步骤三、获取各测量路径上的温度值：

测量得到炉膛截面各测量路径LX_m上的温度值TX₁、TX₂、…、TX_m、…、TX_M，以及各测量路径LY_n上的温度值TY₁、TY₂、…、TY_n、…、TY_N；

步骤四、作炉膛截面测量路径的温度与坐标之间的拟合曲线：

步骤三测量得到的(M+N)个温度值实际上是各测量路径上的温度平均值。

将步骤三测得的各测量路径LX_m上的温度值与炉膛截面上对应的X轴坐标采用样条拟合的方式进行温度曲线拟合，得到炉膛截面中与Y轴相平行方向上M条路径的M个温度值的拟合曲线的公式(1)如下：

TX_m＝f_x(x_Lm)(1)

将步骤三测得的各测量路径LY_n上的温度值与炉膛截面上对应的Y轴坐标采用样条拟合的方式进行温度曲线拟合，得到炉膛截面中与X轴相平行方向上N条路径的N个温度值的拟合曲线的公式(2)如下：

TY_n＝f_y(y_Ln)(2)

步骤五、为建立炉膛截面的二维温度场，对炉膛截面进行网格划分：

将炉膛截面均匀划分为(I+1)×(J+1)个网格，得到炉膛截面范围内划分后的X轴坐标依次为x₁、x₂、…、x_i、…、x_I，以及划分后的Y轴坐标依次为y₁、y₂、…、y_j、…、y_J；其中i的取值范围为1～I，j的取值范围为1～J；I的取值范围为(10～20)M；J的取值范围为(10～20)N；

步骤六、建立炉膛截面的二维温度场：

利用步骤四得到的炉膛截面上的各测量路径的温度拟合曲线的公式(1)～(2)，代入划分后的X轴坐标和Y轴坐标，得到f_x(x_i)和f_y(y_j)，根据如下公式(3)得到炉膛截面上经步骤五划分的网格交汇节点处的温度值，完成炉膛截面二维温度场的建立：

$T(x_i,y_j)=\frac{f_x\left(x_i\right)+f_y\left(y_j\right)}{2}---\left(3\right)$

其中，T(x_i,y_j)为划分网格交汇节点(x_i,y_j)处的温度值；

步骤七、计算炉膛截面的二维温度场的中心坐标：

首先，利用步骤六得到的划分网格交汇节点(x_i,y_j)处的温度值T(x_i,y_j)，根据如下公式(4)～(5)计算得到二维温度场的中心的横、纵坐标(x_T0，y_T0)：

$x_{T0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{x}_i\·T(x_i,y_j)}{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}T(x_i,y_j)}---\left(4\right)$

$y_{T0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{y}_j\·T(x_i,y_j)}{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}T(x_i,y_j)}---\left(5\right)$

炉膛截面的二维温度场中心是炉膛燃烧火焰中心位置通过参考坐标系在数学上最直观的表示；

步骤八、采用PID控制器对炉膛温度场进行控制修正量计算：

采用2个PID控制器PID_x和PID_y，将上述步骤七中计算得到的炉膛截面的二维温度场中心的横、纵坐标(x_T0，y_T0)作为控制器PID_x和PID_y的测量值输入，将炉膛截面的几何中心，即(0,0)作为控制器PID_x和PID_y的目标设定值输入，通过控制器PID_x和PID_y的计算，输出X方向和Y方向上对炉膛截面的二维温度场中心的控制修正量u_x和u_y；

步骤九、计算锅炉四个角喷口燃料风风门开度的控制修正量：

利用步骤八计算得到的X方向和Y方向上对炉膛截面二维温度场中心的控制修正量u_x和u_y，根据如下公式(6)～(9)分别计算锅炉四个角C₁～C₄的喷口燃料风风门开度的控制修正量Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄：

Δu₁＝-u_x-u_y(6)

Δu₂＝u_x-u_y(7)

Δu₃＝u_x+u_y(8)

Δu₄＝-u_x+u_y(9)

其中，Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄分别是四个角C₁～C₄的喷口燃料风风门开度的控制修正量，即Δu₁和Δu₃处于对角位置，Δu₂和Δu₄处于对角位置，处于对角位置的两个量的变化互为相反，即一个增加则另一个减少；

步骤十、温度场平衡控制方法在分散控制系统DCS中的实现：

利用步骤九中计算得到的锅炉四个角C₁～C₄的燃料风风门开度的控制修正量Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄来调整锅炉四个角燃料风风门实际的开度指令值，在几乎所有发电机组都采用的DCS中，根据如下公式(10)～(13)计算调整后的四个角C₁～C₄的燃料风风门开度指令值分别为：

u₁＝u_1,DCS+Δu₁(10)

u₂＝u_2,DCS+Δu₂(11)

u₃＝u_3,DCS+Δu₃(12)

u₄＝u_4,DCS+Δu₄(13)

其中，u_k,DCS(k＝1,2,3,4)分别为锅炉没有进行控制修正前，DCS中已有的控制系统计算的锅炉四个角燃料风风门开度指令值。

所述控制器PID_x和PID_y均采用比例积分控制，其控制律分别依据如下公式(14)～(15)：

$u_x=K_{px}(1+\frac{1}{T_{ix}s}+T_{dx}s)(r_x-x_{T0})---\left(14\right)$

$u_y=K_{py}(1+\frac{1}{T_{iy}s}+T_{dy}s)(r_y-y_{T0})---\left(15\right)$

其中，K_px和K_py分别为控制器PID_x和PID_y的比例增益系数；

T_ix和T_iy分别为控制器PID_x和PID_y的积分时间；

T_dx和T_dy分别为控制器PID_x和PID_y的微分时间；

s为拉氏变换的复变量；

r_x和r_y分别为炉膛温度场中心的坐标设定值，本方法中均设置为0，即炉膛的几何中心坐标；

x_T0，y_T0分别为建立的炉膛截面的二维温度场中心的横、纵坐标。

所述比例增益系数K_px和K_py的取值范围为1～50之间，所述积分时间T_ix和T_iy的取值范围为30～60之间，所述微分时间T_dx和T_dy的取值范围均为5～15之间。

所述步骤三中测量炉膛截面各测量路径LX_m上的温度值TX₁、TX₂、…、TX_m、…、TX_M以及各测量路径LY_n上的温度值TY₁、TY₂、…、TY_n、…、TY_N的技术为声波测温技术或激光光谱测温技术。

所述温度测量路径的数目M的取值范围为6～10，N的取值范围为6～10。

本发明产生的有益效果为：(1)用于解决采用四角切圆燃烧锅炉的机组在运行的全负荷内，由于燃烧组织不合理造成的四角燃烧不均、火焰中心偏斜、火焰刷墙等问题，保证燃烧火焰中心位于炉膛中央，火焰均匀地充满炉膛，减少因为燃烧不均匀而造成的炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火和炉膛爆炸等现象；

(2)通过对四角切圆燃烧锅炉炉膛截面安装温度测量装置，采用有效的测温技术完成温度测量，并做出各测量路径的温度值与对应坐标的拟合曲线，然后通过网格划分建立炉膛燃烧器截面的二维温度场，计算出温度场的中心横、纵坐标并结合PID控制器来完成对炉膛温度场中心位置的控制；既充分发挥PID控制快速无差调节的优点，又能够避免由于燃烧组织不合理造成的四角燃烧不均、火焰中心偏斜、火焰贴墙等问题，改变以前只能由运行人员根据相关信息推测而进行手动调节的状况，保证锅炉燃烧时煤粉充分燃尽，火焰中心处于炉膛中央，炉膛温度场均匀分布，大大提高炉膛燃烧的效率和稳定性，保证机组安全稳定的运行。

附图说明

图1是炉膛截面的参考坐标系及温度测量装置布置示意图。

具体实施方式

本发明的实施例采用如下步骤：

步骤一、建立炉膛截面参考坐标系：

取炉膛截面的几何中心作为参考坐标系的原点，以过原点沿炉膛截面横向的直线作为参考坐标系的X轴，以过原点沿炉膛截面纵向的直线作为参考坐标系的Y轴；

步骤二、在炉膛截面的横向和纵向上分别布置温度传感器：

在炉膛截面上与Y轴平行方向均匀设置6条直线，形成6条温度测量路径，从左到右依次为LX₁、LX₂、…、LX_n、…、LX₆，在6条测量路径上分别布置温度测量装置，各测量路径对应的X轴坐标依次为x_L1、x_L2、…、x_Lm、…、x_L6；其中m的取值范围为1～6；

在炉膛截面上与X轴平行方向均匀设置6条直线，形成6条温度测量路径，从下到上依次为LY₁、LY₂、…、LY_n、…、LY₆，在6条测量路径上分别布置温度测量装置，各测量路径对应的Y轴坐标依次为y_L1、y_L2、…、y_Ln、…、y_L6；其中n的取值范围为1～6；

步骤三、获取各测量路径上的温度值：

基于激光测量装置测量得到炉膛截面各测量路径LX_m上的温度值TX₁、TX₂、…、TX_m、…、TX₆，以及各测量路径LY_n上的温度值TY₁、TY₂、…、TY_n、…、TY₆；

步骤四、作炉膛截面测量路径的温度与坐标之间的拟合曲线：

步骤三测量得到的(6+6)个温度值实际上是各测量路径上的温度平均值。

将步骤三测得的各测量路径LX_m上的温度值与炉膛截面上对应的X轴坐标采用样条拟合的方式进行温度曲线拟合，得到炉膛截面中与Y轴相平行方向上6条路径的6个温度值的拟合曲线的公式(1)如下：

TX_m＝f_x(x_Lm)(1)

将步骤三测得的各测量路径LY_n上的温度值与炉膛截面上对应的Y轴坐标采用样条拟合的方式进行温度曲线拟合，得到炉膛截面中与X轴相平行方向上N条路径的N个温度值的拟合曲线的公式(2)如下：

TY_n＝f_y(y_Ln)(2)

步骤五、为建立炉膛截面的二维温度场，对炉膛截面进行网格划分：

将炉膛截面均匀划分为(90+1)×(90+1)个网格，得到炉膛截面范围内划分后的X轴坐标依次为x₁、x₂、…、x_i、…、x₉₀，以及划分后的Y轴坐标依次为y₁、y₂、…、y_j、…、y₉₀；其中i的取值范围为1～90，j的取值范围为1～90；

步骤六、建立炉膛截面的二维温度场：

利用步骤四得到的炉膛截面上的各测量路径的温度拟合曲线的公式(1)～(2)，代入划分后的X轴坐标和Y轴坐标，得到f_x(x_i)和f_y(y_j)，根据如下公式(3)得到炉膛截面上经步骤五划分的网格交汇节点处的温度值，完成炉膛截面二维温度场的建立：

$T(x_i,y_j)=\frac{f_x\left(x_i\right)+f_y\left(y_j\right)}{2}---\left(3\right)$

其中，T(x_i,y_j)为划分网格交汇节点(x_i,y_j)处的温度值；

步骤七、计算炉膛截面的二维温度场的中心坐标：

首先，利用步骤六得到的划分网格交汇节点(x_i,y_j)处的温度值T(x_i,y_j)，根据如下公式(4)～(5)计算得到二维温度场的中心的横、纵坐标(x_T0，y_T0)：

$x_{T0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{x}_i\·T(x_i,y_j)}{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}T(x_i,y_j)}---\left(4\right)$

$y_{T0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{y}_j\·T(x,y_j)}{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}T(x_i,y_j)}---\left(5\right)$

炉膛截面的二维温度场中心是炉膛燃烧火焰中心位置通过参考坐标系在数学上最直观的表示；

步骤八、采用PID控制器对炉膛温度场进行控制修正量计算：

采用2个PID控制器PID_x和PID_y，将上述步骤七中计算得到的炉膛截面的二维温度场中心的横、纵坐标(x_T0，y_T0)作为控制器PID_x和PID_y的测量值输入，将炉膛截面的几何中心，即(0,0)作为控制器PID_x和PID_y的目标设定值输入，通过控制器PID_x和PID_y的计算，输出X方向和Y方向上对炉膛截面的二维温度场中心的控制修正量u_x和u_y；

步骤九、计算锅炉四个角喷口燃料风风门开度的控制修正量：

利用步骤八计算得到的X方向和Y方向上对炉膛截面二维温度场中心的控制修正量u_x和u_y，根据如下公式(6)～(9)分别计算锅炉四个角C₁～C₄的喷口燃料风风门开度的控制修正量Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄：

Δu₁＝-u_x-u_y(6)

Δu₂＝u_x-u_y(7)

Δu₃＝u_x+u_y(8)

Δu₄＝-u_x+u_y(9)

其中，Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄分别是四个角C₁～C₄的喷口燃料风风门开度的控制修正量，即Δu₁和Δu₃处于对角位置，Δu₂和Δu₄处于对角位置，处于对角位置的两个量的变化互为相反，即一个增加则另一个减少；

步骤十、温度场平衡控制方法在分散控制系统DCS中的实现：

利用步骤九中计算得到的锅炉四个角C₁～C₄的燃料风风门开度的控制修正量Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄来调整锅炉四个角燃料风风门实际的开度指令值，在几乎所有发电机组都采用的DCS中，根据如下公式(10)～(13)计算调整后的四个角C₁～C₄的燃料风风门开度指令值分别为：

u₁＝u_1,DCS+Δu₁(10)

u₂＝u_2,DCS+Δu₂(11)

u₃＝u_3,DCS+Δu₃(12)

u₄＝u_4,DCS+Δu₄(13)

其中，u_k,DCS(k＝1,2,3,4)分别为锅炉没有进行控制修正前，DCS中已有的控制系统计算的锅炉四个角燃料风风门开度指令值。

所述控制器PID_x和PID_y均采用比例积分控制，其控制律分别依据如下公式(14)～(15)：

$u_x=K_{px}(1+\frac{1}{T_{ix}s}+T_{dx}s)(r_x-x_{T0})---\left(14\right)$

$u_y=K_{py}(1+\frac{1}{T_{iy}s}+T_{dy}s)(r_y-y_{T0})---\left(15\right)$

其中，K_px和K_py分别为控制器PID_x和PID_y的比例增益系数；

T_ix和T_iy分别为控制器PID_x和PID_y的积分时间；

T_dx和T_dy分别为控制器PID_x和PID_y的微分时间；

s为拉氏变换的复变量；

r_x和r_y分别为炉膛温度场中心的坐标设定值，本方法中均设置为0，即炉膛的几何中心坐标；

x_T0，y_T0分别为建立的炉膛截面的二维温度场中心的横、纵坐标。

比例增益系数K_px和K_py的取值范围为1～50之间，所述积分时间T_ix和T_iy的取值范围为30～60之间，所述微分时间T_dx和T_dy的取值范围均为5～15之间，通过边界稳定法结合衰减曲线法，针对具体机组人工整定出控制器PID_x和PID_y的比例增益、积分时间和微分时间。

针对现代大型四角燃烧锅炉在运行过程中，由于四角风粉分配不均匀导致炉内火球中心偏移，进而影响煤粉燃尽甚至导致水冷壁超温爆管的问题，采用PID控制策略完成对炉膛温度场的平衡控制。首先对燃烧器喷口处的炉膛水平截面建立坐标系，选取截面的几何中心作为坐标原点，结合目前先进的测温技术完成此水平截面二维温度场的重建，计算出重建温度场的中心，将计算出的温度场中心作为PID控制器的测量输入值，截面的几何中心作为PID控制器的设定值，根据温度场中心与截面几何中心的偏差(温度场中心偏离炉膛中心的程度)，进而得到PID控制器控制锅炉四角喷口燃料风风门开度的输出修正值，将得到的输出量叠加到当前DCS中四角的燃料风风门开度指令上，这样便可以通过分散控制系统DCS利用燃料风风门开度来调节炉膛燃烧时火焰中心位置，通过改变燃料风大小来改变锅炉四角燃料风射流动量，进而改变锅炉四角燃烧器射流动量间的相互作用，保证火焰中心位于炉膛中央，火焰均匀充满炉膛。需要强调的是由于炉膛呈现对称结构，因此在对炉膛四个角燃烧器喷口的燃料风大小进行控制时，需要考虑相对角喷口的协同作用。本发明的目的是针对现有技术的不足而提出的一种炉膛燃烧温度场平衡控制方法，该控制方法结构简单，贴近实际运行情况、易于工程实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、建立炉膛截面参考坐标系：

取炉膛截面的几何中心作为参考坐标系的原点，以过原点沿炉膛截面横向的直线作为参考坐标系的X轴，以过原点沿炉膛截面纵向的直线作为参考坐标系的Y轴；

步骤二、在炉膛截面的横向和纵向上分别布置温度测量装置：

在炉膛截面上与Y轴平行方向均匀设置M条直线，形成M条温度测量路径，从左到右依次为LX₁、LX₂、…、LX_m、…、LX_M，在M条测量路径上分别布置温度测量装置，各测量路径对应的X轴坐标依次为x_L1、x_L2、…、x_Lm、…、x_LM；其中m的取值范围为1～M；所述温度测量路径的数目M大于等于2；

在炉膛截面上与X轴平行方向均匀设置N条直线，形成N条温度测量路径，从下到上依次为LY₁、LY₂、…、LY_n、…、LY_N，在N条测量路径上分别布置温度测量装置，各测量路径对应的Y轴坐标依次为y_L1、y_L2、…、y_Ln、…、y_LN；其中n的取值范围为1～N；所述温度测量路径的数目N大于等于2；

步骤三、获取各测量路径上的温度值：

测量得到炉膛截面各测量路径LX_m上的温度值TX₁、TX₂、…、TX_m、…、TX_M，以及各测量路径LY_n上的温度值TY₁、TY₂、…、TY_n、…、TY_N；

由于炉膛结构的特殊性，测量各点的温度是相当困难的，该步测量得到的(M+N)个温度值实际上是各测量路径上的温度平均值；

步骤四、作炉膛截面测量路径的温度与坐标之间的拟合曲线：

将步骤三测得的各测量路径LX_m上的温度值与炉膛截面上对应的X轴坐标采用样条拟合的方式进行温度曲线拟合，得到炉膛截面中与Y轴相平行方向上M条路径的M个温度值的拟合曲线的公式(1)如下：

TX_m＝f_x(x_Lm)(1)

将步骤三测得的各测量路径LY_n上的温度值与炉膛截面上对应的Y轴坐标采用样条拟合的方式进行温度曲线拟合，得到炉膛截面中与X轴相平行方向上N条路径的N个温度值的拟合曲线的公式(2)如下：

TY_n＝f_y(y_Ln)(2)

步骤五、为建立炉膛截面的二维温度场，对炉膛截面进行网格划分：

将炉膛截面均匀划分为(I+1)×(J+1)个网格，得到炉膛截面范围内划分后的X轴坐标依次为x₁、x₂、…、x_i、…、x_I，以及划分后的Y轴坐标依次为y₁、y₂、…、y_j、…、y_J；其中i的取值范围为1～I，j的取值范围为1～J；I的取值范围为10M～20M；J的取值范围为10N～20N；

步骤六、建立炉膛截面的二维温度场：

利用步骤四得到的炉膛截面上的各测量路径的温度拟合曲线的公式(1)～(2)，代入划分后的X轴坐标和Y轴坐标，得到f_x(x_i)和f_y(y_j)，根据如下公式(3)得到炉膛截面上经步骤五划分的网格交汇节点处的温度值，完成炉膛截面二维温度场的建立：

其中，T(x_i，y_j)为划分网格交汇节点(x_i，y_j)处的温度值；

步骤七、计算炉膛截面的二维温度场的中心坐标：

首先，利用步骤六得到的划分网格交汇节点(x_i，y_j)处的温度值T(x_i，y_j)，根据如下公式(4)～(5)计算得到二维温度场的中心的横、纵坐标(x_T0，y_T0)：

炉膛截面的二维温度场中心是炉膛燃烧火焰中心位置通过参考坐标系在数学上最直观的表示；

步骤八、采用PID控制器对炉膛温度场进行控制修正量计算：

采用2个PID控制器PID_x和PID_y，将上述步骤七中计算得到的炉膛截面的二维温度场中心的横、纵坐标(x_T0，y_T0)作为控制器PID_x和PID_y的测量值输入，将炉膛截面的几何中心，即(0,0)作为控制器PID_x和PID_y的目标设定值输入，通过控制器PID_x和PID_y的计算，输出X方向和Y方向上对炉膛截面的二维温度场中心的控制修正量u_x和u_y；

步骤九、计算锅炉四个角喷口燃料风风门开度的控制修正量：

利用步骤八计算得到的X方向和Y方向上对炉膛截面二维温度场中心的控制修正量u_x和u_y，根据如下公式(6)～(9)分别计算锅炉四个角C₁～C₄的喷口燃料风风门开度的控制修正量Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄：

Δu₁＝-u_x-u_y(6)

Δu₂＝u_x-u_y(7)

Δu₃＝u_x+u_y(8)

Δu₄＝-u_x+u_y(9)

其中，Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄分别是四个角C₁～C₄的喷口燃料风风门开度的控制修正量，即Δu₁和Δu₃处于对角位置，Δu₂和Δu₄处于对角位置，处于对角位置的两个量的变化互为相反，即一个增加则另一个减少；

步骤十、温度场平衡控制方法在分散控制系统DCS中的实现：

利用步骤九中计算得到的锅炉四个角C₁～C₄的燃料风风门开度的控制修正量Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄来调整锅炉四个角燃料风风门实际的开度指令值，在发电机组分散控制系统DCS中，根据如下公式(10)～(13)计算调整后的四个角C₁～C₄的燃料风风门开度指令值分别为：

u₁＝u_1，DCS+Δu₁(10)

u₂＝u_2，DCS+Δu₂(11)

u₃＝u_3，DCS+Δu₃(12)

u₄＝u_4，DCS+Δu₄(13)

其中，u_k,DCS(k＝1,2,3,4)分别为锅炉没有进行控制修正前，分散控制系统DCS中已有的控制系统计算的锅炉四个角燃料风风门开度指令值。

2.根据权利要求1所述电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法，其特征在于：所述控制器PID_x和PID_y均采用比例积分控制，其控制律分别依据如下公式(14)～(15)：

其中，K_px和K_py分别为控制器PID_x和PID_y的比例增益系数；

T_ix和T_iy分别为控制器PID_x和PID_y的积分时间；

T_dx和T_dy分别为控制器PID_x和PID_y的微分时间；

s为拉氏变换的复变量；

r_x和r_y分别为炉膛温度场中心的坐标设定值，本方法中均设置为0，即炉膛的几何中心坐标；

x_T0，y_T0分别为建立的炉膛截面的二维温度场中心的横、纵坐标。

3.根据权利要求2所述电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法，其特征在于：所述比例增益系数K_px和K_py的取值范围为1～50之间，所述积分时间T_ix和T_iy的取值范围为30～60之间，所述微分时间T_dx和T_dy的取值范围均为5～15之间。

4.根据权利要求1或2或3所述电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法，其特征在于：所述步骤三中测量炉膛截面各测量路径LX_m上的温度值TX₁、TX₂、…、TX_m、…、TX_M以及各测量路径LY_n上的温度值TY₁、TY₂、…、TY_n、…、TY_N的技术为声波测温技术或激光光谱测温技术。

5.根据权利要求1所述电站锅炉炉膛温度场的平衡控制方法，其特征在于：所述温度测量路径的数目M的取值范围为6～10；所述温度测量路径的数目N的取值范围为6～10。