CN114135898B - 一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法，属于自动控制技术领域，本发明方法的核心思想为优化氧量PID调节器的输出量纲为风量，可以直接与煤量对应的风量叠加而得到锅炉风量指令；优化使用机组发电负荷经过f(x)折线函数插值而得出全负荷工况氧量目标值，运行人员可以适当手动修改偏置值进行叠加修正；优化设置氧量PID调节器的高限引脚参数，能够有效防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸并且具有氧量PID调节器输出增大方向的抗积分饱和功能；优化设置氧量PID调节器的低限引脚参数，能够有效防止锅炉总风量低低保护动作并且具有氧量PID调节器输出减小方向的抗积分饱和功能。

Description

一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法，具体地说是在机组DCS中优化锅炉氧量的控制策略和调节参数，实现锅炉氧量的优化控制。

背景技术

锅炉氧量是燃煤电厂送风控制系统的重要调节参数，对保证锅炉的安全、经济运行起着非常重要的作用。若送风量相对于燃料量太少、氧量太低，可能导致锅炉熄火事故；若送风量过多、氧量过高也不经济。因此，研究一种全负荷工况下锅炉氧量自动控制方法具有重要意义。

近些年有众多学者对燃煤锅炉氧量控制系统和方法进行了分析研究。例如公告号为CN101063872B的专利：锅炉氧量优化系统，该发明运用高级优化、建模和控制技术来优化控制矿物燃料机组的锅炉氧量。该发明并未具体指出氧量控制策略和热工DCS调节逻辑。又如公告号为CN105674325B的专利：燃煤发电机组的氧量控制方法及系统，该方法包括：获取当前时刻之前预设时段内燃煤发电机组的过程控制数据，并根据所述过程控制数据计算出符合预设指标的燃煤发电机组各个负载点对应的氧量定值；根据计算出的各个负载点对应的氧量定值，修正氧量定值的分段线性函数；根据修正后的分段线性函数计算燃煤发电机组当前负荷点对应的氧量定值；根据计算出的当前负荷点对应的氧量定值进行氧量控制。该专利未提供具体的热工控制方法。又如公告号为CN105485714B的专利：一种确定锅炉运行氧量的方法、装置及自动控制系统，该方法包括：获得预定工况点的脱硝入口烟气中的CO浓度以及NOx浓度；确定当所述脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NOx浓度的曲线斜率；根据所述曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量值确定所述锅炉运行氧量。又如公告号为CN106196162B的专利：一种W型火焰锅炉省煤器出口氧量控制方法，该方法步骤为：第一步：在锅炉运行氧量、燃烧煤种、磨运行方式、配风方式等不变的情况下，实际测量省煤器出口氧量，分析氧量偏差情况；第二步：分析造成氧量偏差的原因。第三步：一次风热态调平。第四步：配风方式调整。第五步：粉量偏差调整。又如公开号为CN111340283A的专利申请：一种燃煤锅炉经济运行氧量预测控制方法、系统及设备，该方法包括以下步骤：计算入炉煤种对经济运行氧量的影响因子、热值对经济运行氧量的影响因子、磨煤机运行方式对经济运行氧量的影响因子、锅炉燃烧不均匀程度对经济运行氧量的影响因子以及负荷对锅炉经济运行氧量影响曲线f(load)；对燃煤锅炉经济运行氧量进行预测，得到经济运行氧量预测值；对锅炉的氧量进行控制。又如公开号为CN111443594A的专利申请：一种基于估算模型的锅炉氧量跟踪控制方法，该方法采用基于氧量偏差的动态特征，以及锅炉所处工况下的送风量需求，通过估算模型控制器确定送风机执行器的预估快速动作量和动作的最佳时机，解决氧量在外在因素扰动状况下，快速改变送风量使得氧量快速恢复对于工况下的设定值附近，并结合PID闭环控制，抑制氧量偏差恶化情况。该专利申请氧量PID控制器量纲为一个数值为1左右的修正系数，使用乘法计算块进行修正锅炉送风量指令，该控制策略逻辑不利于氧量的精确调节，况且未指出氧量PID调节器的防积分饱和处理方法，氧量PID控制器使用修正系数相乘的控制思想也不便于运行人员操作和理解。又如公开号为CN111538355A的专利申请：一种基于GA-IGPC的锅炉烟气含氧量控制方法和系统，本发明采用隐式广义预测控制，使用遗传算法对目标函数进行滚动在线优化，不必求解丢番图方程和逆矩阵，使得计算量大大减少。又如《云南电力技术》的《1000MW超临界锅炉氧量控制及配风优化》介绍了某厂2×1 000 MW超超临界机组投产后通过对传统的氧量控制及二次配风方式进行优化，大幅度降低了炉膛出口NOx排放量和风烟系统电耗。同时，还将试验所得的优化参数以函数曲线的形式应用于DCS中，实现了锅炉配风的精细化控制。又如《发电设备》的《1000MW机组锅炉氧量自适应预测控制模型研究》对锅炉氧量的优化控制进行研究，通过外挂控制系统，与SIS系统和配煤掺烧系统进行连接，开发多煤种条件下的氧量自适应控制系统，实现多目标的闭环寻优控制。

以上专利和论文所公开的锅炉氧量控制方法并没有指出具体的氧量控制策略和自动调节逻辑，未能解决氧量PID调节器的防积分饱和功能等问题。

因此，有必要设计一种氧量PID调节器的输出量纲易于理解、运行人员便于操作、具有抗积分饱和功能的全负荷工况锅炉氧量自动控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法，该控制方法简便实用，易于理解和组态应用。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：组态送风调节逻辑，包含氧量PID调节器和风量PID调节器；

第二步：对氧量PID调节器的设定值SP进行全负荷工况自动设定优化处理；

第三步：对氧量PID调节器的高限引脚参数进行抗积分饱和功能优化处理；

第四步：对氧量PID调节器的低限引脚参数进行抗积分饱和功能优化处理；

第五步：根据入炉煤质情况、锅炉氧量调节和送风机出力特性，整定控制参数。

进一步的，风量PID调节器的输出作为送风机执行机构的指令，风量PID调节器的高限值为执行机构指令最大值（调节阀对应最大开度指令100），低限值为执行机构指令最小值（调节阀对应最小开度指令0）。氧量PID调节器的输出作为送风量调节回路的闭环修正指令值，与锅炉煤量经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量相加运算形成入炉的总风量指令，从而保证锅炉氧量的无差调节。常规的氧量调节逻辑中，氧量PID调节器的输出为一个0.8～1.2之间的系数，然后与锅炉煤量经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量相乘形成入炉的总风量指令，该控制方法不便于运行人员操作和理解氧量PID调节器的修正作用强弱，因为另一个乘数是锅炉煤量经过f(x)折线函数对应的动态变化值。而本优化控制方法将氧量PID调节器的输出直接定义为风量，可以直观地看出氧量PID调节回路对入炉总风量的贡献修正值，便于运行人员理解与操作，且有利于氧量PID调节器的比例和积分控制参数的整定，有利于锅炉氧量的快速调节与稳定。

进一步的，氧量调节的定值是整个氧量和风量控制系统的核心，根据机组发电负荷不同，氧量定值随之反方向随动。氧量定值为机组发电负荷经过f(x)折线函数插值而得出全负荷工况氧量目标值，运行人员可以适当手动修改偏置值进行叠加修正。

进一步的，为了防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸，必须对送风指令进行大值限制，所以氧量PID调节器的高限引脚参数不应该设置为某一固定常数定值，必须是锅炉风量最大允许出力值减去锅炉煤量经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量的实时动态差值。否则，任何固定的常数值作为氧量PID调节器的高限定值都不能同时兼顾避免送风机过电流保护和氧量PID调节器输出增大方向的抗积分饱和功能。

进一步的，为了防止送风量过小引起锅炉总风量低低主保护动作而触发锅炉MFT，必须对送风指令进行小值限制，所以氧量PID调节器的低限引脚参数不应该设置为某一固定常数定值，必须是锅炉风量最小值（大于锅炉总风量低保护值，留有调节余量）减去锅炉煤量经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量的实时动态差值。否则，任何固定的常数值作为氧量PID调节器的低限定值都不能同时兼顾防止锅炉总风量低低保护动作和氧量PID调节器输出减小方向的抗积分饱和功能。

进一步的，根据入炉煤质情况、锅炉氧量调节和送风机出力特性，正确设置锅炉风量允许最大出力值、锅炉风量最小值、经由锅炉煤量对应的风量指令f(x)折线函数控制参数、经由机组发电负荷对应的氧量指令f(x)折线函数控制参数。锅炉风量最大允许出力值应该能够防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸，锅炉风量最小值应该防止送风量过小引起锅炉总风量低低主保护动作而触发锅炉MFT，锅炉煤量对应的风量指令f(x)折线函数控制参数应该能够满足氧量PID调节器的输出值尽可能长时间接近零值，机组发电负荷对应的氧量指令f(x)折线函数控制参数应该能够满足运行人员手动修正氧量偏置值尽可能长时间接近零值。

本发明的核心思想是优化氧量PID调节器的输出量纲为风量，可以直接与煤量对应的风量叠加而得到锅炉风量指令；优化使用机组发电负荷经过f(x)折线函数插值而得出全负荷工况氧量目标值，运行人员可以适当手动修改偏置值进行叠加修正；优化设置氧量PID调节器的高限引脚参数，能够有效防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸并且具有氧量PID调节器输出增大方向的抗积分饱和功能；优化设置氧量PID调节器的低限引脚参数，能够有效防止锅炉总风量低低保护动作并且具有氧量PID调节器输出减小方向的抗积分饱和功能。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

（1）氧量PID调节器的输出直接为修正风量值，便于运行人员理解和操作。

（2）实现了锅炉氧量的全负荷工况自动控制。

（3）DCS中氧量自动调节逻辑更加合理严谨，能够兼顾防止送风机过电流保护和氧量PID调节器输出增大方向的抗积分饱和功能、兼顾防止锅炉总风量低低保护动作和氧量PID调节器输出减小方向的抗积分饱和功能。

附图说明

图1是氧量优化控制逻辑图。

图2是常规的氧量控制逻辑图。

附图标记说明：

11-风量PID调节器；12-氧量PID调节器；13-高限引脚参数（OT）；14低限引脚参数（OB）；15-氧量指令偏置值（氧量PID调节器自动时运行人员可手动修改该偏置值）；16-加法器；17-减法器；18-机组发电负荷；20-锅炉煤量（通常使用锅炉主控代表的入炉煤量指令信号）；22-锅炉风量最大允许出力值；23-锅炉风量最小值；24-锅炉氧量测量值；25-锅炉总风量实测值；26-加法器；27-乘法器。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例中公开了一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法，该方法通过对氧量PID调节器的输出量纲优化，修正风量直接与煤量对应的风量相加形成锅炉总风量指令。此外，优化处理氧量PID调节器的设定值、高限值和低限值参数。具体的，一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法，依次包括以下步骤：

第一步：组态送风调节逻辑，包含氧量PID调节器12和风量PID调节器11；

风量PID调节器11的输出作为送风机执行机构的指令，风量PID调节器11的高限值为执行机构指令最大值（调节阀对应最大开度指令100），风量PID调节器11的低限值为执行机构指令最小值（调节阀对应最小开度指令0）。氧量PID调节器12的输出作为送风量调节回路的闭环修正指令值，与锅炉煤量20经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量相加运算形成入炉的总风量指令，从而保证锅炉氧量的无差调节。常规的氧量调节逻辑中（见图2），氧量PID调节器的输出为一个0.8～1.2之间的系数，然后与锅炉煤量经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量相乘形成入炉的总风量指令，该控制方法不便于运行人员操作和理解氧量PID调节器的修正作用强弱，因为另一个乘数是锅炉煤量经过f(x)折线函数对应的动态变化值。而本优化控制方法将氧量PID调节器12的输出直接定义为风量，可以直观地看出氧量PID调节回路对入炉总风量的贡献修正值，便于运行人员理解与操作，且有利于氧量PID调节器12的比例和积分控制参数的整定，有利于锅炉氧量的快速调节与稳定。

第二步：对氧量PID调节器12的设定值SP进行全负荷工况自动设定优化处理；

氧量调节的定值是整个氧量和风量控制系统的核心，根据机组发电负荷不同，氧量定值随之反方向随动。氧量定值为机组发电负荷18经过f(x)折线函数插值而得出全负荷工况氧量目标值，运行人员可以适当手动修改氧量指令偏置值15进行叠加修正。

第三步：对氧量PID调节器12的高限引脚参数13进行抗积分饱和功能优化处理；

为了防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸，必须对送风指令进行大值限制，所以氧量PID调节器12的高限引脚参数13不应该设置为某一固定常数定值，必须是锅炉风量最大允许出力值22减去锅炉煤量20经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量的实时动态差值。否则，任何固定的常数值作为氧量PID调节器12的高限引脚参数13都不能同时兼顾避免送风机过电流保护和氧量PID调节器12输出增大方向的抗积分饱和功能。

第四步：对氧量PID调节器12的低限引脚参数14进行抗积分饱和功能优化处理；

为了防止送风量过小引起锅炉总风量低低主保护动作而触发锅炉MFT，必须对送风指令进行小值限制，所以氧量PID调节器12的低限引脚参数14不应该设置为某一固定常数定值，必须是锅炉风量最小值23（大于锅炉总风量低保护值，留有调节余量）减去锅炉煤量20经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量的实时动态差值。否则，任何固定的常数值作为氧量PID调节器12的低限引脚参数14都不能同时兼顾防止锅炉总风量低低保护动作和氧量PID调节器12输出减小方向的抗积分饱和功能。

第五步：根据入炉煤质情况、锅炉氧量调节和送风机出力特性，整定控制参数；

根据入炉煤质情况、锅炉氧量调节和送风机出力特性，正确设置锅炉风量允许最大出力值22、锅炉风量最小值23（适当高于锅炉总风量低保护值，留有调节余量）、经由锅炉煤量20对应的风量指令f(x)折线函数控制参数、经由机组发电负荷18对应的氧量指令f(x)折线函数控制参数。锅炉风量最大允许出力值22应该能够防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸，锅炉风量最小值23应该防止送风量过小引起锅炉总风量低低主保护动作而触发锅炉MFT，锅炉煤量20对应的风量指令f(x)折线函数控制参数应该能够满足氧量PID调节器12的输出值尽可能长时间接近零值，机组发电负荷18对应的氧量指令f(x)折线函数控制参数应该能够满足运行人员手动修正氧量指令偏置值15尽可能长时间接近零值。

本发明的核心思想是优化氧量PID调节器12的输出量纲为风量，可以直接与锅炉煤量20经过f(x)折线函数插值而得出的风量叠加而得到锅炉风量指令；优化使用机组发电负荷18经过f(x)折线函数插值而得出全负荷工况氧量目标值，运行人员可以适当手动修改氧量指令偏置值15进行叠加修正；优化设置氧量PID调节器12的高限引脚参数13，能够有效防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸并且具有氧量PID调节器12输出增大方向的抗积分饱和功能；优化设置氧量PID调节器12的低限引脚参数14，能够有效防止锅炉总风量低低保护动作并且具有氧量PID调节器12输出减小方向的抗积分饱和功能。

下面以国家电投大连甘井子热电厂300MW燃煤机组的“锅炉氧量优化控制方法”为应用实例，介绍该控制方法的实施步骤与控制参数整定。机组配置2台引风机、2台送风机、2台一次风机、5台磨煤机，锅炉风量低低MFT保护定值为370 t/h，送风机和一次风机最大出力时风量最大值为1350 t/h，额定负荷工况常用煤量为200 t/h，额定负荷工况常用氧量为3.5%。机组DCS系统采用北京国电智深控制技术有限公司的EDPF-NT控制系统，锅炉氧量和送风调节逻辑在DCS中优化设计与组态，控制逻辑见图1，具体实施步骤如下：

第一步：组态送风调节逻辑，包含氧量PID调节器12和风量PID调节器11；

第二步：对氧量PID调节器12的设定值SP进行全负荷工况自动设定优化处理；

第三步：对氧量PID调节器12的高限引脚参数13进行抗积分饱和功能优化处理；

第四步：对氧量PID调节器12的低限引脚参数14进行抗积分饱和功能优化处理；

第五步：随着氧量和风量调节系统投入实际运行，根据入炉煤质情况、锅炉氧量调节和送风机出力特性，调整确定控制方法的调节参数和定值。

经过多种工况调整试验，得出最佳的调节参数和定值，参数及数值见表1、表2和表3：

表1 定值常数

参数名称	锅炉风量最大值（t/h）	锅炉风量最小值（t/h）
			数值	MaxAir= 1350	MinAir = 500

表2 不同负荷指令的折线函数参数值

负荷指令（MW）	100	150	180	210	240	270	300
								fx函数输出值（%）	6.55	5.88	5.38	4.90	4.44	3.97	3.50

表3 不同锅炉煤量的折线函参数值

锅炉煤量（t/h）	60	85	110	135	150	175	200
								fx函数输出值（t/h）	495	650	820	950	1100	1220	1350

本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：组态送风调节逻辑，包含氧量PID调节器和风量PID调节器；

第二步：对氧量PID调节器的设定值SP进行全负荷工况自动设定优化处理；

第三步：对氧量PID调节器的高限引脚参数进行抗积分饱和功能优化处理；

第四步：对氧量PID调节器的低限引脚参数进行抗积分饱和功能优化处理；

第五步：根据入炉煤质情况、锅炉氧量调节和送风机出力特性，整定控制参数；

第一步中，风量PID调节器的输出作为送风机执行机构的指令，风量PID调节器的高限值为执行机构指令最大值，风量PID调节器的低限值为执行机构指令最小值；氧量PID调节器的输出作为送风量调节回路的闭环修正指令值，与锅炉煤量经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量相加运算形成入炉的总风量指令，从而保证锅炉氧量的无差调节；

第二步中，氧量调节的定值是整个氧量和风量控制系统的核心，根据机组发电负荷不同，氧量定值随之反方向随动；氧量定值为机组发电负荷经过f(x)折线函数插值而得出全负荷工况氧量目标值，运行人员适当手动修改偏置值进行叠加修正；

第三步中，为了防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸，对送风指令进行大值限制，氧量PID调节器的高限引脚参数不设置为某一固定常数定值，而是锅炉风量最大允许出力值减去锅炉煤量经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量的实时动态差值；

第四步中，为了防止送风量过小引起锅炉总风量低，主保护动作而触发锅炉MFT，对送风指令进行小值限制，氧量PID调节器的低限引脚参数不设置为某一固定常数定值，而是锅炉风量最小值减去锅炉煤量经过f(x)折线函数计算得到的粗调风量的实时动态差值；

第五步中，根据入炉煤质情况、锅炉氧量调节和送风机出力特性，正确设置锅炉风量允许最大出力值、锅炉风量最小值、经由锅炉煤量对应的风量指令f(x)折线函数控制参数、经由机组发电负荷对应的氧量指令f(x)折线函数控制参数。

2.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉氧量优化控制方法，其特征在于：第五步中，锅炉风量最大允许出力值能够防止送风量过大而引起送风机过电流保护跳闸，锅炉风量最小值能够防止送风量过小引起锅炉总风量低，主保护动作而触发锅炉MFT，锅炉煤量对应的风量指令f(x)折线函数控制参数能够满足氧量PID调节器的输出值长时间接近零值，机组发电负荷对应的氧量指令f(x)折线函数控制参数能够满足运行人员手动修正氧量偏置值长时间接近零值。

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