BCS 技術(shù)在煤粉爐上的應(yīng)用
高瑞峰 于現(xiàn)軍
( 北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司)
摘要 BCS 是應(yīng)用于燃燒過程的通用優(yōu)化控制技術(shù)，已成功應(yīng)用于鏈條爐、CFB 鍋爐、高爐熱風(fēng)爐、軋鋼加熱爐等多種爐型。在此基礎(chǔ)上，BCS 首次在某熱電廠3 臺(tái)65t /h 煤粉爐上得到應(yīng)用，并取得了良好的運(yùn)行效果。
關(guān)鍵詞 BCS；優(yōu)化；煤粉爐；控制
煤粉爐是火力發(fā)電廠的主力機(jī)組設(shè)備，他的發(fā)電量占火力發(fā)電總量的90% 左右，煤粉爐運(yùn)行狀況會(huì)直接影響火力發(fā)電行業(yè)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，因此，對提高煤粉爐控制應(yīng)用水平的研究一直是國、內(nèi)外鍋爐制造商、相關(guān)科研單位和工程公司重點(diǎn)研究的課題。國外公司( 包括美國Ultramax公司、Pegasus 公司以及西屋公司等) 做了大量的研究和實(shí)際應(yīng)用，其中Ultramax 公司的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)采用了貝葉斯統(tǒng)計(jì)和加權(quán)非線性回歸分析相結(jié)合的建模方法，可快速精確地辨識(shí)出鍋爐的運(yùn)行特性，并在最優(yōu)化原理指導(dǎo)下快速找到最佳的控制量組合; Pegasus 公司的NeuSIGHT和Power Perfecter 系統(tǒng)利用DCS 本身具有的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在線分析，迅速得出運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)值，然后輸出到DCS，DCS 系統(tǒng)通過控制偏移量實(shí)現(xiàn)NeuSIGHT對鍋爐燃燒的優(yōu)化控制。這些優(yōu)化控制技術(shù)產(chǎn)品都取得了不錯(cuò)的節(jié)能減排效果。此外，國內(nèi)還有清華大學(xué)、西安熱工院等機(jī)構(gòu)，也開展了對煤粉爐燃燒控制的應(yīng)用研究，但一般是給出指導(dǎo)性的操作方向，較少實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制［1］。
現(xiàn)有國內(nèi)、外的燃燒優(yōu)化技術(shù)一般都是基于變參數(shù)實(shí)驗(yàn)取得大量數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模取得原始模型，該項(xiàng)工作花費(fèi)時(shí)間較長( 2 ～ 4周) 。然而入爐煤種的不穩(wěn)定，再加上鍋爐檢修、積灰、結(jié)渣等因素的影響，使得在性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立的鍋爐模型經(jīng)過一段時(shí)間后出現(xiàn)模型失配的問題，造成優(yōu)化效果降低甚至失效。同時(shí)，現(xiàn)有的燃燒優(yōu)化技術(shù)需要配置大量性能可靠的分析儀表，對于目前我國大多數(shù)企業(yè)來說是承受不起的，也無法保證這類儀表運(yùn)行的可靠性。所以，研究一種基于中國國情、簡單易用、長期高可靠性的智能燃燒優(yōu)化技術(shù)，以降低燃煤消耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度是非常必要和迫切的［2］。
1 BCS 技術(shù)介紹
1. 1 BCS 技術(shù)概述
BCS 是“通用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)”( 以下簡稱BCS) 的英文縮寫。BCS 是基于國內(nèi)絕大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場普遍存在的、最基本的測控儀表配置及其性能狀況，采用先進(jìn)的燃燒效果軟測量技術(shù)、最佳運(yùn)行工況的自尋優(yōu)及滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)、多爐多機(jī)大系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)、故障診斷與容錯(cuò)的安全控制技術(shù)、先進(jìn)的軟件接口技術(shù)及科學(xué)的運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘、處理與統(tǒng)計(jì)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)燃燒過程的全自動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，從而達(dá)到其安全運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的所有目標(biāo)［3］。
1. 2 BCS 技術(shù)的理論根據(jù)
BCS 技術(shù)立足于各種燃燒裝置現(xiàn)有的工藝、設(shè)備、操作條件下，通過實(shí)施優(yōu)化控制來使其熱效率η 最大。
固體燃料的熱平衡方程式如下:
Qr = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6
式中: Qr為燃料帶入鍋爐的熱量，kJ /kg; Q1為鍋爐有效利用熱量，kJ /kg; Q2為排出煙氣所帶走的熱，kJ /kg; Q3為氣體不完全燃燒熱損失，kJ /kg; Q4為固體不完全燃燒熱損失，kJ /kg;Q5為鍋爐的散熱損失，kJ /kg; Q6為灰渣帶走的物理熱量，kJ /kg。
固體燃料的熱效率如下:
η = Q1 /Qr =［Qr － ( Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6) ］/Qr× 100%可見，如果想使鍋爐熱效率最大，必須讓Q2、Q3、Q4、Q5、Q6五項(xiàng)損失最小。而Q2、Q3、Q4三項(xiàng)占了鍋爐熱損失的絕大部分，并與操作水平有著密不可分的直接關(guān)系，需要通過實(shí)施燃燒優(yōu)化策略來使其趨于最小，且空氣過量會(huì)使Q2增大，空氣欠量會(huì)使Q3 + Q4增大。
2 BCS 在煤粉鍋爐的應(yīng)用
2. 1 項(xiàng)目介紹
某廠現(xiàn)有3 臺(tái)65t /h 四角切圓噴燃式中儲(chǔ)式煤粉爐，已有DCS 控制系統(tǒng)，但是長期處于手動(dòng)控制狀態(tài)，以供熱為主發(fā)電為輔，由于受用戶使用蒸汽的波動(dòng)影響，負(fù)荷波動(dòng)較大，煤耗較高，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。故決定采用BCS技術(shù)對該鍋爐進(jìn)行優(yōu)化改造，以達(dá)到降低煤耗、控制指標(biāo)平穩(wěn)、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。
2. 2 BCS 與DCS 之間的通訊建立
BCS 與DCS 之間通過OPC 通訊協(xié)議建立連接，并由DCS 完成BCS 所需測點(diǎn)的傳送同時(shí)接收BCS 送回的控制指令，為了實(shí)現(xiàn)DCS 與BCS系統(tǒng)之間無擾的切換，需要對原DCS 系統(tǒng)組態(tài)稍作修改，切換框圖如圖1 所示。
2. 3 自動(dòng)和優(yōu)化功能的實(shí)現(xiàn)
鍋爐熱效率與煙氣含氧量有密不可分的關(guān)系，最佳燃燒效率下的煙氣含氧量與負(fù)荷、煤種有關(guān)，由于煤質(zhì)無法在線測量，為保證最佳鍋爐熱效率而尋找不同煤質(zhì)下負(fù)荷對應(yīng)的氧量就成為了優(yōu)化的目標(biāo)。BCS 優(yōu)化技術(shù)的特征是采用自尋優(yōu)來完成優(yōu)化，即采用華羅庚《優(yōu)選學(xué)》中的“瞎子爬山法”來尋找氧含量合理值，獲得鍋爐最佳熱效率，具體方法如圖2 所示。
其中，鍋爐實(shí)時(shí)等效熱效率采用正平衡法進(jìn)行計(jì)算，氧含量設(shè)定值為負(fù)荷－ 氧量設(shè)定器的輸出與氧含量優(yōu)化控制器的輸出之和。通過氧含量調(diào)節(jié)器輸出控制送風(fēng)閥，實(shí)現(xiàn)燃燒過程的優(yōu)化和閉環(huán)控制。
2. 4 項(xiàng)目投入的全自動(dòng)優(yōu)化控制回路及技術(shù)
基本控制回路。帶專家算法的汽包水位三沖量控制回路; 帶專家前饋算法的主汽溫度控制回路。
鍋爐燃燒優(yōu)化控制。給粉優(yōu)化控制回路; 送風(fēng)優(yōu)化控制回路; 爐膛負(fù)壓優(yōu)化控制回路。
安全控制技術(shù)。安全限幅、智能語音報(bào)警等。鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)技術(shù)。
3 運(yùn)行效果分析
3. 1 控制參數(shù)的波動(dòng)范圍明顯縮小
汽包水位控制范圍由原來的控制點(diǎn)± 50mm變?yōu)榭刂泣c(diǎn)± 10mm; 主汽溫度由原來的控制點(diǎn)± 10℃變?yōu)榭刂泣c(diǎn)± 5℃。
3. 2 運(yùn)行統(tǒng)計(jì)功能
將該功能與單位的考核結(jié)合起來( 比如超溫、超壓、超水位等考核參數(shù)根據(jù)實(shí)際進(jìn)行設(shè)置) ，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一方面對操作質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，給考核人員提供直接的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行曲線記錄; 另外一方面可以對上班的產(chǎn)汽量、用煤量等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，給本班的操作人員以借鑒。
3. 3 節(jié)能效果明顯
該項(xiàng)目于2011 年12 月投入全自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行，將運(yùn)行5 個(gè)月的數(shù)據(jù)與2011 年全年的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表1 所示，節(jié)能率為2. 4%。
按該廠每年消耗12 萬tce，節(jié)煤率2. 4% 計(jì)算，每年可節(jié)約2880tce，每噸標(biāo)煤價(jià)格800 元，則每年的節(jié)能效益可達(dá)230 多萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
4 結(jié)語
BCS 技術(shù)在該廠的實(shí)施，極大地減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使得鍋爐運(yùn)行參數(shù)得以提高，節(jié)煤率為2. 4%，年節(jié)能效益達(dá)230 多萬元，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
［1］ 于現(xiàn)軍等．自尋優(yōu)算法在高爐熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.世界自動(dòng)化與儀表，2003，7 ( 6) : 21－ 24.
［2］ 李濤． 中壓煤粉爐改燃高爐煤氣改造設(shè)計(jì)［J］．冶金能源，2012，31 ( 3) : 29 － 30.
［3］ 于現(xiàn)軍． 基于BCS的鏈條爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)［J］.氯堿工業(yè)，2005，( 4) : 39 － 43.