018燃煤锅炉经济燃烧控制策略综述

1、燃煤锅炉经济燃烧控制策略综述哈尔滨工业大学市政环境工程学院 王培培 王昭俊 姜永成 方修睦 赵加宁摘要 煤炭是中国最主要的能源资源，工业锅炉是主要的煤炭用户，但很多工业锅炉效率偏低。本 文分析了燃煤锅炉效率的影响因素，指出风煤比是影响锅炉效率的重要因素。分析了锅炉运行效率的经 济区、高效区。针对风煤比与锅炉效率在燃烧过程中所表现出的变化特点，综述及评价了燃煤锅炉经济 燃烧控制策略的研究现状，并给出了未来研究发展的方向性的指导，指出应考虑热计量后我国集中供热 系统的变化特点来研究与之相适应的燃煤锅炉经济运行控制策略。关键词 燃煤锅炉；运行效率；风煤比；最优控制；经济燃烧0引言目前，全球能源h益紧

2、张，节约能源刻不容缓。煤炭是我国最主要的能源资源，在全国所有的化 石燃料的储量中占95%。在我国北方，采暖锅炉应用广泛，类型繁多，且用能量巨人。现今我国五十 多力台工业锅炉装机总量屮绝人部分都是燃煤锅炉，每年消耗燃煤将近全国总煤耗的30%。然而，我国 的t业锅炉能源效率仅相当于西方发达国家的80%，这是我国能源消耗强度（能耗/1000美元gdp）居高 不下、环境污染严重的重要原因之一，特别是用于供热的工业锅炉效率很低。由于锅炉自身质量不佳、炉体配风不合理、控制水平低、缺乏完善的测量控制手段、还有负荷变 化人、煤质的不稳定、运行人员操作水平不高等原因，导致燃煤锅炉的实际运行效率普遍低于设计工况

3、下的效率，燃煤锅炉的平均运行效率仅为60%70%。为了冇效地利用能源，必须提高采暖锅炉的运行 效率。锅炉是一个复杂的调节对彖，它存在较大的不确定性、复杂性、不稳定性，以及较大的滞后性。 锅炉燃烧控制系统的目标是稳定锅炉出水温度、保持经济燃烧、维持炉膛负压在一定范围内。其中，燃 烧过程的被控量主要是给煤量、送风量和引风量。在影响燃煤锅炉效率的诸多因素中，空气与煤量的比 例（风煤比）是否合适，即“风煤比”授优化问题，则是影响燃烧效率的关键因素。因此，研究燃煤锅 炉经济燃烧控制方法具有1-分垂要的意义。1燃煤锅炉效率的影响因素由锅炉燃烧理论可知，燃煤锅炉热效率的反平衡计算中，对热效率影响较人、且可变

4、的热损失主要 有排烟热损失卬，机械不完全燃烧热损失q2,和化学不完全燃烧热损失。与卬、q2、q：,密切相关且可 控的因素是过量空气系数a （实际供应的空气量与理论空气量之比）。为了充分燃烧，烟气中应该含有 一定的过量空气，u同燃烧效率的关系如图1所示。在某一工况下，通过调节a,使得各项热损失之 和为最小，此时锅炉热效率达到最高。一般认为，当q落在s的附近的一个区域内（。厂02）时，为 最佳燃烧区，对于一燉的工业锅炉，a控制在1.3-1.5较为理想。不同工况卜的最佳过量空气系数a 是不同的。负荷较大时，最佳过量空气系数a相对较小；负荷较小时，最佳过量空气系数a相对较大。排烟损失最佳燃烧区工况1工

5、况2图1过剩空气系数a与热效率n、热损失关系2燃煤锅炉经济燃烧控制策略为了保证锅炉高效运行，目前国内外学者根据燃煤锅炉燃烧特点，采用了各种控制方案，如直接 的热效率自寻优、风煤比自寻优或间接的炉膛温度自寻优、烟气含氧景自寻优及相结合的方式等等,并 采用鼓风机、引风机变频调速来实现风量调节。2.1自寻优模型及寻优指标的确定2. 1. 1比值调节方式日前被广泛使用的-种简单易行的方法是风煤比固定的比值调节方式，即燃料最随负荷变化，而 空气流量通过风煤比按一定的比例跟随燃料量变化。这种方法要求准确的测量燃料量、燃料屮的可燃物 和风量，且不具备判断实际风煤比是否合理的能力，更不能随着锅炉负荷以及煤质等

6、因素的变化而进行 动态修正，所以，不能始终保持锅炉燃烧的最佳和经济性。2.1.2基于烟气氧量校止的控制基于烟气氧量校止的控制方法在实际中应用较多。即利用锅炉燃烧效率与烟气含氧量0,或过量 空气系数a =21/ (21-02)的关系，在比值控制方式下的送风调节回路增加烟气含氧量反馈校止环节的 控制思想，也是实现高效燃烧的一种重要控制方法之一。然而，此种方法不够准确。其一，禽氧量测量 值只能代表烟道中的某一点的含氧暈，不代表平均含氧量；其二，在燃烧不充分时，烟气中会有大量的 c0,单靠氧含量不能准确判断工作点是否最佳;此外，测量含氧量会由于炉体、烟道等漏风产生较大波 动的测量误差，不利于反馈控制，

7、滞后时间长、维护成本高，因此，不能使锅炉的热效率始终保持在较 高水平。另外，传感器氧化佶价格昂贵，且容易烧坏，使用寿命短，需及时更换，否则锅炉燃烧控制便 失去意义。''吊国科学技术大学的算美盛筹提出了一种基于锅炉负荷调整烟气氧含量设定值，再进行风煤比寻 优的工业燃煤锅炉在线燃烧优化方案。即由蒸汽流量设定含氧量的设定值，由炉膛温度设定风煤比的 上下限、炉排转速的上限，根据含氧量偏差改变风煤比的设定值。该方案中还引入了炉膛温度作为判断 燃烧状态的参量。但是由于上述烟气含氧量反馈校正控制的种种缺陷，此种方法应用也存在一定的技术 困难。华北电力人学的孔徳奇等针对火电厂经济运行,提出了一

8、种基于软测量的锅炉在线燃烧优化控制 方法。把飲测量技术应用于尾部烟气氧含量的测量，主要通过机理分析建立了氧量软测量模型，仿真结 果表明，建立的氧量软测量模型能够较好地反映实际氧量的变化，同时提出了一种某于锅炉负荷调整烟 气氧含量设定值，再进行风煤比寻优的电站锅炉在线燃烧优化方案。此种方法只能解决上述基于烟气氧 量校止的控制方法的关于氧化错分析仪的可靠性的问题，对于此种控制方法其他的缺陷帮助有限；且需 要测量较多的物理量，包括风量、风压、风机电流、给煤量、煤质等，这都限制了此种方法在锅炉实际 运行中的应用。2.1.3各种形式的热效率寻优控制方法湖南大学的任国梁、王鉴光针对蒸汽锅炉，通过测量锅炉产

9、汽量和加煤量从而计算得到锅炉热 效率，实现热效率寻优。由于加煤量的在线准确测量较困难，故此种方法难于实现。华中理工大学的王耀青等皿在考虑了上述原因的情况下，利用在给煤量一定的情况下，燃烧效率 与汽压成正比的关系，依汽压对送风摄动的响应來判断实际过量空气系数是否合理，并以此为依据提出 了一种自寻优控制方案，以搜索最佳风煤比。但因送风至汽压通道有一个较人的纯滞后，使调节时间加 长，且汽压对较小送风摄动的响应也不很灵敏，控制系统在最佳工作点附近的收敛域不能充分小；同时, 负荷变化也是引起汽压变化的一个较为重要的因素，使得风煤比不能成为汽压的单一变量。故这种有效 地调整风煤比也只是相对而言的。之厉，他

10、们乂提出了一种以蒸汽为主调节量，炉膛总辐射能为反馈取代氧量反馈的燃烧控制系统 设计思想该方法中采用了炉膛断面辐射能量作为调节变量，是基于现代火焰监测及图像处理技术 的高速发展，需现场通过火焰检测系统测得。清华大学的董实现、徐向东等也设计了一套自寻优串级模糊控制系统。该系统引入炉腌辐射能 的概念，用此信号前馈來及时反映燃料量的变化。同时，采用了寻优参数模糊控制器來提高控制詁质。 利用实际现场数据对该方法进行了仿真验证，该系统具冇良好的控制效果，明显提高了锅炉燃烧系统的 控制效果。但是，由于这些装置价格昂贵，火焰检测缺少统一的判别标准而无法进行定量识别等原因，其h 前仅适用丁炉腫安全保护系统的应用

11、，而应用丁锅炉燃烧过程控制以提高燃烧效率的作用是很有限的。allen m. g.等研制了一个火焰图像神经网络燃烧控制系统，并将其应用于电站锅炉上问。该系统 通过电子照相机拍摄下火焰的实时图像和火焰中化洋排放物样式信息，再用神经网络来合成和分析获得 的影像。动态稳定性的测试用来优化控制器的成像过程、神经网络、逻辑控制规则。一系列的闭环控制 测试反映了系统对各种模拟的负荷的反应。通过来自图像传感器的空间信息，控制系统成功的对图像进 行了解释、指导和预测了负荷变化过程。哈尔滨工业大学的王岩、强文义皿同和哈尔滨理工大学的艾红等购以锅炉动态热平衡为基础，在 锅炉效率正平衡计算方法上，考虑到实际燃烧的煤粉

12、量无法在线准确测量，在实际控制中，用锅炉单位 时间内冇效利用的热量代替锅炉效率作为经济指标来寻优。其依据为单位时间内总的冇效利用热越高, 表示锅炉的热效率越高。考虑到燃料量准确测量的困难，该方法放弃了燃料量的测屋，在控制过程中保 持燃料量不变，这样最终供给的热量会比实际负荷大一些。哈尔滨工程人学的计金华也采用了效率为目标函数的口寻优方法叫但考虑到目前没有精确测量燃 煤暈这一技术，引入了 “热量信号”的概念，提出了一种i'可接测量炉膛燃烧发热量的方法來农示燃料的 消耗量。此种方法消除了因煤质（含水分、灰分、发热屋）的变化，炉排转速及煤层厚度不均匀等原因 对燃烧系统稳定性的影响。华北电力大

13、学的刘焕章等根据输入炉膛的燃料蕴含的化学能以及炉腫内的实际热量，得到锅炉风 煤配比控制的指导暈，应用于锅炉运行过程中进行风煤配比的优化控制问。其中，输入炉膛的燃料蕴 含的化学能采用了门捷列夫公式计算，炉膛内的实际热量是通过氧化错氧量传感器输出得到的排烟含氧 量和风量间接得到的，此外述涉及到一个因煤种不同而变化的煤质特征数字，収值不同存在一定的误差。 2.1.4炉膛温度作为寻优参量青海制药集团半物制药公司的杨英及大连交通大学的张春光等以炉膛温度作为优化过程的寻 优参量，提出了一种具有自适应性、可在线调节锅炉风煤比以达到最佳燃烧状况的方法。该寻优方法基于锅炉效率是炉温的单一函数的原则，提出了-种在

14、氧量反馈、传统pid控制的基 础上，以炉膛温度为被测量，以效率为忖标函数，通过自寻优控制器快速寻优及分段曲线拟合的方法, 在线调节风煤比使z达到不同工况、不同煤种下的经济燃烧。炉膛温度的测量简单、直接，但是测点的 布置需要认真考虑，这对于测量结果有很大的影响。大连交通大学的张丽芳、大庆石油学院的荣丽红'等均采用炉膛温度作为优化过程的寻优指标, 并且采用模糊口寻优原理寻找最佳风煤比，提高锅炉燃烧效率。天津科技人学的李若岩、白瑞祥也指出用炉膛温度来衡量锅炉的效率，并提出了i种在线计算 锅炉实时效率的方法，并在此基础上提出了一种具有口适应性的、可在线调节锅炉风煤比的方法，不仅 使锅炉处在最佳

15、的燃烧状态，而且实现了对锅炉热效率的实时在线监控，实现了锅炉的经济、环保运行。 炉膛温度作为寻优目标易测、町靠。他所提出的锅炉热效率的实时在线监测方法放弃传统的正、反平衡测效率的方法,根据燃料燃烧 的能量转换和导恒原理，用炉膛温度来表示燃料发热量和锅炉的实时热效率。根据燃料燃烧的能量转换 和守恒原理，由于锅炉炉膛主要靠热辐射传热，根据波尔兹曼定律，物体的辐射能量与它本身温度的四 次方成正比，并近似认为进入炉膛总热量就是辐射体发射的能量时，效率可用下式表达严_（心-g'_tts8tgout锅炉出水流量；c水的比热；£辐射率；6波尔兹曼常数。%、g 分别为锅炉的出水温度和冋水温度

16、。在给煤量不变的情况下，改变风煤比，故存在一个最佳风煤比使燃料充分燃烧，使锅炉的热损失 达到最小。这样便可以在不增加给煤量的情况下增加辎射能、提高锅炉的热效率，达到经济燃烧的目的。 2. 2寻优方法由图1过量空气系数a与热效率a关系曲线可知，热效率曲线是一条具有极人值的非线性曲线。 根据寻优理论，上述寻找最佳过量空气系数a的问题属于非线性规划的寻优问题。寻优的方法有很多， 1=1前常用的有以下儿种：对于一个一维的单峰值曲线，用黄金分割法（即0.618法）实现非常简单，且收敛速度快。但是, 黄金分割法只适用于静态寻优呦o八 步'进嚴口寻优法人。此方金，不需建立被控对象的数学模型，也不需事

17、先整定控制系统给定值, 在系统参数变化或周|;|环境改变时，能在新的条件下寻找新的优化值。根据某点梯度的符号确定搜索方 向，根据梯度大小，确尬a的增减量，即按照某种规则制处出变步长的搜索方案。文献za中均提出用模糊控制技术确定步长的大小，采用变步长的模糊白寻优控制方案。遗传算法（genetic algorithms,简称ga） 23,是根据自然界的“物竞天择，适者生存”现象而 提出來的一种随机搜索算法，此算法将优化问题看作是自然界的进化过程，通过模拟人自然中生物进化 过程屮的遗传规律，来达到寻优的1=1的。通过遗传算法求解函数极值问题，放宽了对于连续、可导等高 等数学中求极值的条件。湖南人学的

18、任国梁等提出一种找最佳a的简化的外推内插法。先用外推法求出最优点存在区间, 然后用内插法求出极值点，以此为新的起点，逐次迭代直至达到给定的精度。指出实际应用中，只要外 推的步长取得适当，收敛速度很快，一般进行两次迭代过程就可满足工程应用要求。李若岩等使用了最大步进法搜索与黄金分割法搜索相结合的方法凹。3结语综上所述，目前燃煤锅炉经济燃烧控制策略主要采用了如下的控制方案：简单的比值控制方式、 基于烟气氧含量校止的控制方式、各种形式的热效率口寻优的控制方式、间接的炉膛温度口寻优控制方 式及和结合的方式等等。由于考虑到目前燃料量的准确测量上存在的困难，引入了诸如“炉膛断面辐射 能”、“热量倍号”等概

19、念，使锅炉的效率得以间接体现。对以说在理论研究上已经取得了很大的进展, 比较丿戍熟。但忌上述控制方式在实际应用中却存在着不足。例如测量设备存在寿命短、价格高的问题，如传感 器氧化皓、现代火焰监测及图像处理的装置筹，这就限制了控制策略在实际中的应用。此外，测试手段 也存在问题，导致燃煤量、含氧量测试误差大、测试时间滞后等。因此，作者认为今后我国在燃煤锅炉经济燃烧控制的研究上，应该着重于理论在实践中的应用。首 先，寻优参量宜选择控制对彖屮反映迅速、实际屮容易测量、能真实反映燃烧状况的物理暈；其次，同 时对于测量t具的选择要考虑到我国的基本国情，宜本着经济、实用的原则；另外，测量的准确性和系 统的完

20、善有着密不对分的关系，这涉及口控设备的安装和实时监测、煤量在线准确测量装置的研制、锅 炉木体的密闭性等；优化计算亦要选择收敛速度快的寻优方法；随着近儿年热计量系统在我国的人量应 用，必须考虑与z相适应的新的控制方法。在热计量系统中，用户处的调节导致系统流量随吋可能发生 变化，作为热源的锅炉要时刻控制供热量与需热量相一致，系统运行参数可能随时在变化过秤中，此时, 需要研究一种简便且准确的在线的动态寻优方法。4致谢本文受到“十一五”国家科技支撑计划课题重大项日“建筑节能关键技术研究与示范”之课题四 “供热系统节能关键技术研究与示范”(编号2006baj01a04)资助。5参考文献: 1毛健雄，杨奇

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