CN106594794B - 一种混合智能锅炉效率燃烧优化模型更新方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种混合智能锅炉效率燃烧优化模型更新方法，目前锅炉效率在线实时优化一直是困扰行业研究人员的一个难题，因为煤种的变化和燃烧规律的时变性会导致模型预测误差增大，进而导致锅炉燃烧优化失效。本发明方法具体是构造了一个可以判别模型是否需要更新，切更新时先修正在进行重新建模的模型更新方法，其可以有效及时的更新模型，从而提高模型的预测精度。本发明方法既可以在线优化也可以离线优化。

Description

一种混合智能锅炉效率燃烧优化模型更新方法

技术领域

本发明属于信息与控制技术领域，涉及到自动化技术，特别是涉及一种一种混合智能锅炉效率燃烧优化方法。

背景技术

锅炉的燃烧优化是节能减排的重要技术手段，其目标是在一定的锅炉负荷条件下，通过调整锅炉配风、给煤等运行参数而获得高效率运行状态。锅炉的配风、给煤等运行参数的搭配对锅炉燃烧状态有直接的影响，不同的配风、给煤及氧量等操作参数的配置会直接导致不同的锅炉效率情况。对于给定的锅炉，在一定的负荷条件下，针对燃烧效率，存在一种最优的操作参数配置方案，能够使燃烧效率最优化，但是，锅炉的操作参数间有着非常复杂的耦合关系，要找到最优的操作参数的配置并不容易。尤其是对于锅炉效率来说，有一些计算需要的数据还无法实时在线获得，更使得对锅炉效率进行在线实时优化困难很大。随着科学技术的不断进步，锅炉运行自动化程度不断提高，但是锅炉燃烧优化问题一直没有很好的得到解决。

实际中锅炉的燃烧优化主要是靠调试人员进行不同工况的实验，针对具体的锅炉和煤种情况通过大量的实验来寻找好的运行参数配置，以提供给运行人员作参照，此种方法费时、费力而且能够实验的参数组合有限，因此通过调试实验找到的最优参数配置还存在较大的提升空间，而且这种方法还不能实现根据锅炉的实时变化情况进行在线的优化。

通过锅炉燃烧的专业知识和实验分析，构建一个与锅炉效率正相关且计算简单，能够实现在线实时计算的指标，进而以其为目标进行燃烧参数优化，从而可以达到对锅炉效率的在线燃烧优化目标。通过数据挖掘，在大量不同的运行参数组合中，应用机器学习的方法，挖掘出运行参数与构造指标间的关系模型，再结合优化算法对进行锅炉的燃烧优化是非常有潜力的方法。但是，锅炉燃烧有时变性，有时煤质参数的变化也会是模型预测误差增大，导致预测不准，优化失效。如何进行模型的更新，使模型随时能够达到锅炉生产实际的要求，是困扰工程技术人员的难题，主要难题包括，如何判断模型的更新时机，如何判别模型的预测误差增大是由煤质参数变化导致还是有燃烧规律的时变性导致，使之达到及时有效进行模型更新的目的。

发明内容

本发明的目的是针对锅炉燃烧效率优化中的难题，构造了一个简单实用的与锅炉效率正相关指标，提出一种混合智能锅炉效率燃烧优化模型更新方法。

本发明的技术方案是通过锅炉的超出允许预测误差范围的数据采集，针对锅炉燃烧效率的指标进行修正或新建立模型等手段，确立了一种锅炉燃烧效率优化的模型更新方法，利用该方法可有效及时提高锅炉燃烧优化模型的准确性。本发明的具体步骤是：

步骤(1)基于锅炉燃烧专业知识与实验研究，构造与锅炉燃烧效率正相关的标准指标其中ΔT＝T₁-T₂，T₁为炉膛表征温度，可通过非接触式温度测量仪测量获得，如通过红外非接触式温度测量仪，或通过锅炉燃烧的DCS系统获得，T₂为尾部烟道表征温度，可取空预器后温度或省煤器后温度，可从锅炉燃烧的DCS系统获得或直接测量获得；k*为电厂锅炉的设计煤种每吨燃煤产生烟气量系数，该系数与煤质有关，可据煤质元素分析数据计算获得，计算公式为成熟且在行业计算中广泛应用公式；也可据煤种和对应锅炉的实验回归获得，如精度要求不太高，也可据相应具体的经验公式获得；φ为单位时间燃煤量。

经申请者大量计算与实验，结果表明指标与锅炉燃烧效率正相关。因此可以通过优化指标进而实现优化锅炉燃烧效率的目标，指标计算简单，可以避开锅炉效率计算所需大量数据，尤其是那些目前还无法在线精确获得的数据，例如飞灰含碳和炉渣含碳等，指标所需的计算数据均可在线获得，所以可以实时在线优化，进而达到实时在线优化锅炉效率的目的。本专利所针对的模型更新也是基于指标的锅炉燃烧优化模型更新。

步骤(2)建立预测预测误差指标：其中为根据步骤(1)所计算的与锅炉效率正相关的指标真实值，为由基于建模算法所建立的运行参数与锅炉效率正相关指标的数据模型预测值。设定ρ≤α，其中α为人工设定的误差允许值。当ρ＞α时，为预测误差超出允许范围，将超出预测允许误差的工况数据输入超出允许预测误差数据库。根据采样间隔时间，当连续出现超过30次预测误差超出允许范围，则判定模型需要更新。

步骤(3)模型更新首先取修正系数将原模型预测值乘以修正系数后作为模型输出，即其中φ₂'为修正后的新模型输出值。再进行步骤(2)的判断，看修正后是否符合预测误差的允许范围。如果修正后ρ≤α，则完成模型更新，可以继续运行，同时说明误差超出允许范围是由煤质参数变化引起。如果修正后，还有连续30次预测误差超出允许范围，则进行数据模型修整。

步骤(4)采用数据建模算法建立数据模型，本专利中仅以支持向量机方法为例进行建模说明，也可采用神经网络算法。应用超出允许预测误差数据库中的最新60组数据，建立指标φ₂'与锅炉运行参数间的模型；所述的锅炉运行参数包括各层的一次风速、各层的二次风速、炉膛出口烟气含氧量及燃尽风速，具体建模方法如下：

用于建模样本的输入参数及表征指标φ₂'指标的输出参数表示为其中x_i表示第i组作为输入数据的锅炉运行参数向量，y_i表示第i组作为输出参数表征指标φ₂'，N为样本数量，以超出允许预测误差数据库中的最新60组数据为基础，建立锅炉运行参数与指标φ₂'间的模型。以下建模数学过程为成熟通用的支持向量机理论建模过程，其数学推导可见于一般的支持向量机理论书籍，在此仅作简要叙述。

支持向量机核函数选为径向基函数：

σ为径向基函数的宽度，该表示形式为标准形式；φ(x)为映射函数，设所求的目标函数为：f(x_i)＝w·φ(x_i)+b，f(x_i)为模型输出的锅炉燃烧状态的特征指标预测值，w为权重系数向量，b为截距。引入松弛因子ξ^* _i≥0和ξ_i≥0和允许拟合误差ε，并设样本点中有k(0≤k＜N)个点的误差超出允许拟合误差ε，模型可以通过在约束：

条件下，最小化：

获得，其中常数C>0为惩罚系数。该最小化问题为一个凸二次规划问题，引入拉格朗日函数：

其中：为拉格朗日乘数。

在鞍点处，函数L是关于w,b,ξ_i,ξ_i ^*的极小点，也是极大点，最小化问题转化为求其对偶问题的最大化问题。

拉格朗日函数L在鞍点处是关于w,b,ξ_i,ξ_i ^*极小点，得：

可得拉格朗日函数的对偶函数：

此时，

按照库恩-塔克(KKT)条件定理，在鞍点有下式成立：

由上式可见，α_i·α_i ^*＝0,α_i和α_i ^*都不会同时为非零，可得：

从上式可求出b，获得模型。

模型中罚因子C和径向基核函数参数σ的数值的确定，可以采用优化算法寻优获得，本专利中仅以遗传算为例，说明C和σ的寻优方法：

a.设定遗传算法的初始向量v的各维分量分别为C和σ，及C和σ的寻优区间；

b.设定遗传算法搜索目标、交叉概率设为0.25、变异概率0.25、选择概率设为0.25和迭代次数为100-1000次，搜索目标为最小化预测建模和检验数据的标准差；

c.当遗传算法完成迭代，即获得最优的C和σ参数值。

步骤(5).删除原有模型，采用步骤(4)所建新模型为锅炉工况热效率预测模型，继续进行锅炉的燃烧优化。步骤(4)所建模型与原模型在规律上存在不同，可能是由于锅炉燃烧规律的渐变性导致，非燃煤因素原因。模型更新后可保证预测误差在允许范围内，从而更好地进行锅炉燃烧优化。

锅炉效率在线实时优化一直是困扰行业研究人员的一个难题，因为煤种的变化和燃烧规律的时变性会导致模型预测误差增大，进而导致锅炉燃烧优化失效。本发明方法具体是构造了一个可以判别模型是否需要更新，切更新时先修正在进行重新建模的模型更新方法，其可以有效及时的更新模型，从而提高模型的预测精度。本发明方法既可以在线优化也可以离线优化。

具体实施方式

一种混合智能锅炉效率燃烧优化模型更新方法，具体是以下步骤：

(1)基于锅炉燃烧专业知识与实验研究，构造与锅炉燃烧效率正相关的标准指标其中ΔT＝T₁-T₂，T₁为炉膛表征温度，可通过非接触式温度测量仪测量获得，如通过红外非接触式温度测量仪，或通过锅炉燃烧的DCS系统获得，T₂为尾部烟道表征温度，可取空预器后温度或省煤器后温度，可从锅炉燃烧的DCS系统获得或直接测量获得；k*为电厂锅炉的设计煤种每吨燃煤产生烟气量系数，该系数与煤质有关，可据煤质元素分析数据计算获得，计算公式为成熟且在行业计算中广泛应用公式；也可据煤种和对应锅炉的实验回归获得，如精度要求不太高，也可据相应具体的经验公式获得；φ为单位时间燃煤量。

经申请者大量计算与实验，结果表明指标与锅炉燃烧效率正相关。因此可以通过优化指标进而实现优化锅炉燃烧效率的目标，指标计算简单，可以避开锅炉效率计算所需大量数据，尤其是那些目前还无法在线精确获得的数据，例如飞灰含碳和炉渣含碳等，指标所需的计算数据均可在线获得，所以可以实时在线优化，进而达到实时在线优化锅炉效率的目的。本专利所针对的模型更新也是基于指标的锅炉燃烧优化模型更新。

(2)建立预测预测误差指标：其中为根据步骤(1)所计算的与锅炉效率正相关的指标真实值，为由基于建模算法所建立的运行参数与锅炉效率正相关指标的数据模型预测值。设定ρ≤α，其中α为人工设定的误差允许值。当ρ＞α时，为预测误差超出允许范围，将超出预测允许误差的工况数据输入超出允许预测误差数据库。根据采样间隔时间，当连续出现超过30次预测误差超出允许范围，则判定模型需要更新。

(3)模型更新首先取修正系数将原模型预测值乘以修正系数后作为模型输出，即其中φ₂'为修正后的新模型输出值。再进行步骤(2)的判断，看修正后是否符合预测误差的允许范围。如果修正后ρ≤α，则完成模型更新，可以继续运行，同时说明误差超出允许范围是由煤质参数变化引起。如果修正后，还有连续30次预测误差超出允许范围，则进行数据模型修整。

(4)采用数据建模算法建立数据模型，本专利中仅以支持向量机方法为例进行建模说明，也可采用神经网络算法。应用超出允许预测误差数据库中的最新60组数据，建立指标φ₂'与锅炉运行参数间的模型；所述的锅炉运行参数包括各层的一次风速、各层的二次风速、炉膛出口烟气含氧量及燃尽风速，具体建模方法如下：

用于建模样本的输入参数及表征指标φ₂'指标的输出参数表示为其中x_i表示第i组作为输入数据的锅炉运行参数向量，y_i表示第i组作为输出参数表征指标φ₂'，N为样本数量，以超出允许预测误差数据库中的最新60组数据为基础，建立锅炉运行参数与指标φ₂'间的模型。以下建模数学过程为成熟通用的支持向量机理论建模过程，其数学推导可见于一般的支持向量机理论书籍，在此仅作简要叙述。

支持向量机核函数选为径向基函数：

σ为径向基函数的宽度，该表示形式为标准形式；φ(x)为映射函数，

设所求的目标函数为：f(x_i)＝w·φ(x_i)+b，f(x_i)为模型输出的锅炉燃烧状态的特征指标预测值，w为权重系数向量，b为截距。引入松弛因子ξ^* _i≥0和ξ_i≥0和允许拟合误差ε，并设样本点中有k(0≤k＜N)个点的误差超出允许拟合误差ε，模型可以通过在约束：

条件下，最小化：

获得，其中常数C>0为惩罚系数。该最小化问题为一个凸二次规划问题，

引入拉格朗日函数：

其中：为拉格朗日乘数。

在鞍点处，函数L是关于w,b,ξ_i,ξ_i ^*的极小点，也是极大点，最小化问题转化为求其对偶问题的最大化问题。

拉格朗日函数L在鞍点处是关于w,b,ξ_i,ξ_i ^*极小点，得：

可得拉格朗日函数的对偶函数：

此时，

按照库恩-塔克(KKT)条件定理，在鞍点有下式成立：

由上式可见，α_i·α_i ^*＝0,α_i和α_i ^*都不会同时为非零，可得：

从上式可求出b，获得模型。

模型中罚因子C和径向基核函数参数σ的数值的确定，可以采用优化算法寻优获得，本专利中仅以遗传算为例，说明C和σ的寻优方法：

d.设定遗传算法的初始向量v的各维分量分别为C和σ，及C和σ的寻优区间；

e.设定遗传算法搜索目标、交叉概率设为0.25、变异概率0.25、选择概率设为0.25和迭代次数为100-1000次，搜索目标为最小化预测建模和检验数据的标准差；

f.当遗传算法完成迭代，即获得最优的C和σ参数值。

(5).删除原有模型，采用步骤(4)所建新模型为锅炉工况热效率预测模型，继续进行锅炉的燃烧优化。步骤(4)所建模型与原模型在规律上存在不同，可能是由于锅炉燃烧规律的渐变性导致，非燃煤因素原因。模型更新后可保证预测误差在允许范围内，从而更好地进行锅炉燃烧优化。

Claims (3)

1.一种混合智能锅炉效率燃烧优化模型更新方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

步骤(1)基于锅炉燃烧专业知识与实验研究，构造与锅炉燃烧效率正相关的标准指标其中ΔT＝T₁-T₂，T₁为炉膛表征温度，通过非接触式温度测量仪测量获得，T₂为尾部烟道表征温度，取空预器后温度或省煤器后温度，从锅炉燃烧的DCS系统获得或直接测量获得；k*为电厂锅炉的设计煤种每吨燃煤产生烟气量系数，φ为单位时间燃煤量；

指标与锅炉燃烧效率正相关；通过优化指标进而实现优化锅炉燃烧效率的目标，

步骤(2)建立预测误差指标：其中为根据步骤(1)所计算的与锅炉效率正相关的指标真实值，为由基于建模算法所建立的运行参数与锅炉效率正相关指标的数据模型预测值；设定ρ≤α，其中α为人工设定的误差允许值；当ρ＞α时，为预测误差超出允许范围，将超出预测允许误差的工况数据输入超出允许预测误差数据库；根据采样间隔时间，当连续出现超过30次预测误差超出允许范围，则判定模型需要更新；进入步骤(3)；

步骤(3)模型更新首先取修正系数将原模型预测值乘以修正系数后作为模型输出，即其中φ′₂为修正后的新模型输出值；返回步骤(2)的判断，看修正后是否符合预测误差的允许范围；如果修正后ρ≤α，则完成模型更新，继续运行，同时说明误差超出允许范围是由煤质参数变化引起；如果修正后，还有连续30次预测误差超出允许范围，则进行数据模型修正，进入步骤(4)；

步骤(4)采用数据建模算法建立数据模型，应用超出允许预测误差数据库中的最新60组数据，建立指标φ′₂与锅炉运行参数间的模型；所述的锅炉运行参数包括各层的一次风速、各层的二次风速、炉膛出口烟气含氧量及燃尽风速，具体建模方法如下：

用于建模样本的输入参数及表征指标φ′₂的输出参数表示为其中x_i表示第i组作为输入数据的锅炉运行参数向量，y_i表示第i组作为输出参数表征指标φ′₂，N为样本数量，以超出允许预测误差数据库中的最新60组数据为基础，建立锅炉运行参数与指标φ′₂间的模型；以下建模数学过程为成熟通用的支持向量机理论建模过程，其数学推导见于支持向量机理论书籍，在此仅作简要叙述；

支持向量机核函数选为径向基函数：

σ为径向基函数的宽度，该表示形式为标准形式；φ(x)为映射函数，设所求的目标函数为：f(x_i)＝w·φ(x_i)+b，f(x_i)为模型输出的锅炉燃烧状态的特征指标预测值，w为权重系数向量，b为截距；引入松弛因子ξ^* _i≥0和ξ_i≥0和允许拟合误差ε，并设样本点中有k(0≤k＜N)个点的误差超出允许拟合误差ε，模型通过在约束：

条件下，最小化：

获得，其中常数C>0为惩罚因子；该最小化问题为一个凸二次规划问题，引入拉格朗日函数：

其中：为拉格朗日乘数；

在鞍点处，函数L是关于w,b,ξ_i,ξ_i ^*的极小点，也是α_i,γ_i,极大点，最小化问题转化为求其对偶问题的最大化问题；

拉格朗日函数L在鞍点处是关于w,b,ξ_i,ξ_i ^*极小点，得：

可得拉格朗日函数的对偶函数：

此时，

按照库恩-塔克(KKT)条件定理，在鞍点有下式成立：

由上式可见，α_i·α_i ^*＝0,α_i和α_i ^*都不会同时为非零，可得：

从上式求出b，获得模型；

模型中惩罚因子C和径向基核函数的宽度σ的数值的确定，采用优化算法寻优获得；

步骤(5)、删除原有模型，采用步骤(4)所建新模型为锅炉工况热效率预测模型，继续进行锅炉的燃烧优化；步骤(4)所建模型与原模型在规律上存在不同，由于锅炉燃烧规律的渐变性导致，非燃煤因素原因；模型更新后保证预测误差在允许范围内，从而更好地进行锅炉燃烧优化。

2.根据权利要求1所述的一种混合智能锅炉效率燃烧优化模型更新方法，其特征在于：模型中惩罚因子C和径向基核函数的宽度σ的数值的确定方法，具体包括以下步骤：

a.设定遗传算法的初始向量v的各维分量分别为C和σ，及C和σ的寻优区间；

b.设定遗传算法搜索目标、交叉概率设为0.25、变异概率0.25、选择概率设为0.25和迭代次数为100-1000次，搜索目标为最小化预测建模和检验数据的标准差；

c.当遗传算法完成迭代，即获得最优的C和σ参数值。

3.根据权利要求1所述的一种混合智能锅炉效率燃烧优化模型更新方法，其特征在于：步骤(4)采用神经网络算法建立数据模型。