基于遗传算法的燃煤锅炉热效率优化

1、 本文由ponyfuture贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 卷 第 期 年 月 文 章 编 号 ： ） （ 中 国 电 机 工 程 学 报 基于遗传算法 的燃煤锅炉 热效率优化 周 昊，朱洪波 ，曾庭华 ，廖宏楷 ，岑可法 （ 能源清洁利用和环境工程教育部重点实验室，浙江大学热能工程研 究所，浙江 杭州 ； 广 东省 电力 集 团公 司 ，广 东 广 州 ） ， ， ， ， （ ， ， ； ， ， ） ， ， ： ， 引言 锅 炉 的热 效 率 受 到 多 种 热 损 失 的 影 响 ，但 比 较 而 言 ， 以机 械 不 完 全

2、 燃 烧 损 失 受锅 炉 燃 烧 状 况 影 响 最 为 复 杂 ， 飞 灰含 碳 量 受 锅 炉 煤 种 和 运 行 参 数 影 响 很 大 ，相 互 关系 很 难 以常 规 的计 算 公 式 表 达 ，因 此采 用 了人 工 神 经 网络 对 锅 炉 的飞 灰 含 碳 量特 性 进 行 了建 模 ， 并利 用 实 炉 测 试 试 验 数 据 对 模 型进 行 了校 验 ，结 果 表 明 ，人 工 神 经 网 络 能 很好 反 映 大 型 电厂 锅 炉 各 运 行 参 数 与 飞 灰 含 碳 量 特 性 之 间 的 关系 。采 用 锅 炉 负 荷 、省 煤 器 出 口氧 量 、各 二 次风

3、 挡 板 开 度 、燃 尽 风 挡 板 开 度 、燃 料 风 挡 板 开度 、煤 种 特 性 ，各 磨 煤 机 给 煤 量 、炉 膛 与风 箱 差 压 、一 次 风 总 风 压 、燃 烧 器 摆 角作 为 神 经 网络 的输 入 矢 量 ，飞 灰 含碳 量 作 为 神经 网络 的 输 出 ，利用 层 网络 建模 是 比较 合适 的。 目前锅 炉运 行 往 往 根 据 试 验 调试 人 员针 对 锅 ， ? ， ， ， ： ； ； 摘 要 ： 在 对 锅 炉 飞 灰 含 碳 量 进 行 人 工 神 经 网络 建 模 的 基 础 上 ，确 定 了各种运 行参数和煤种对 锅炉 飞灰 含碳 量的影 响

4、 关系 。由于锅炉煤种 的多变性 ，针对 某个煤种进 行实炉调 整所获得 的最佳工况往 往与 目前燃用 煤种所 需的最佳 工况 偏离 。文 中结合 遗传 算 法和 人工 神经 网 络技 术 ，对某 台 四角切 圆燃煤 电厂锅 炉热效率的优化进行 了研究 ， 为大 型 电厂锅 炉 通过 燃烧 调整 提 高锅 炉效 率提 供 有效 手 段。 炉 的常 用 煤 种 进 行 燃 烧 调 整 ， 以 获得 最 佳 的各 种 锅 炉 运 行 参 数 供运 行 人 员参 考 ， 从而 实 现 锅 炉 的 最大热效率 。但这 种方法会带来如下 问题 ： 由 于 锅 炉 燃 煤 的 多变 性 ，针 对 某 一

5、煤 种 进 行 调 整 试 验 获 得 的 最佳 操 作 工 况可 能 与 目前 燃 用 煤 种 的 所 需 的 最佳 工 况 偏 离 ； 由于 调 试 试 验 进 行 的 工 况 有 限 ，试验 获 得 的最 佳工 况 可 能并 非全 局 最优 值 ， 即可 能存在 比试 验最 佳值 更好 的运 行工 况 。 本 文在 对某 四角切 圆燃 烧锅 炉进 行 实 关键词 ：锅炉 ；锅炉热效率 ；遗传算法 中图分类号 ： 文献标识码： 基金 项 目： 国家重 点基础 研 究专 项经 费项 目 （ 。 ） （ ） 炉 工 况 测 试 并 利 用 人 工 神 经 网 络 技 术 实现 飞 灰 含 中

6、国 电 机 工 程 学 报 第 卷 碳 量 与 煤 种 和 运 行 参 数 关 系 的建 模 工 作基 础 上 ， 结 合 遗 传 算 法 这 一 全 局 寻优 技术 ，对 锅 炉 热 效 率 最优 化 运行 技术进 行 了研 究 ，并在现 场得 到 应用 。 锅炉实时热效率 。将排烟氧量和煤 种特 性等影响 锅 炉排 烟 热 损 失 的参 数 按 热 效率 计 算 ，标 准化 为 计算 公式 代 入 式 （ ） ，而 影 响 的各 参 数采 用 人 工 神 经 网络 模 型代 入 式 （ ） ，其 中 炉 渣 含碳 量 对 热 效 率 影 响 由人 工 测 试 后 输 入 。 具 体 计 算

7、 公式 可参 见锅 炉 热效 率计 算标 准 。 由 以上 步 骤 建 立 了锅 炉 热 效 率 和 锅 炉 各 运 行 参 数 及 煤 种 的 函数 关 系 ，即锅 炉 热 效 率 作 为 因变 量 ，而 锅 炉 的各 操 作参 数 和煤 质特 性 作 为 自变 量 ， 这 样 就 可 以利 用 遗传 算法 进 行 寻优 计算 ，获 得 最 遗传 算 法和神经 网络 结合 的锅 炉热 效率 寻 优 算 法 利 用 一个 个输 入节 点 ，个输 出节 点 ， 个隐节 点的 网络 来模 拟锅 炉 飞灰含碳 量 与锅炉 运行 参 数 和 燃 用 煤 种 之 间 的关 系 ， 获得 了 良好 的 效

8、 果 ，并 证 明 了采 用 人 工 神 经 网络 对锅 炉这 种 黑 箱 对象 建 模 的有 效性【。人工 神经 网络 的输入 采用 ” 佳 的锅炉 运行 条件 ，实 现锅 炉热 效率 的最 大化 。 火 电厂 锅 炉 运 行 中 ， 为考 虑 到 习惯 运 行 方 式 和 各 种 安 全 因 素 的 影 响 ，对 各种 可 调 因 素 的选 择 区 域 都 有 一 定 的 范 围 限 制 ，寻优 范 围 必须 控 制 在 这 些范 围 以内 ，这些 限制 构成 了 自变 量 的 定义 域 。 锅 炉 负 荷 、省煤 器 出 口氧 量 、各 二 次风 挡板 开 度 、 燃 尽风 挡 板 开度

9、 、燃 料 风 挡 板 开 度 、 各 磨煤 机给 煤 量 、炉 膛 与风 箱 差 压 、一 次 风 总 风 压 、燃 烧 器 摆 角和 煤 种特 性 ， 除煤 种 特 性 这 一 不 可 调 节 因 素 外 ，基本 上包 括 了运行人 员可 以通 过 进 行调 至 此 ，完 成 了锅 炉 热 效 率 最优 化 燃 烧 的 结合 神 经 网络 的遗 传算 法优 化过 程 ，具体 程序 流程 见 图 。 开始神经网络学习 读入 样本， 归一化 否一 整 的所 有 影 响锅 炉燃 烧 的所有 参数 。 遗 传 算 法 是 受 生 物 进 化 学 说和 遗传 学说 启发 而 发展 起 来 的基 于

10、适 者 生 存 思 想 的 一 种较 通 用 的 问题 求 解 方法 【 】 ，作 为 一 种 随机 优 化 技 术 在解 优 化 难 题 中显 示 了优 于 传 统 优 化 算法 的性 能 。遗 传 算法 目前 在 优 化 领 域 得 到 了广泛 的 应 用 ，显 示 了 其 在优 化 方面 的 巨大 能力 【。遗传 算法 的一个 显著 优 势 是不 需要 目标 函数 明确 的 数 学 方程 和 导 数 表 达 式 ， 同 时又 是 一 种 全 局 寻优 算法 ， 不会 象 某 些 传 统 算 法 易于 陷入 局 部 最 优解 。遗 传 算 法 寻 优 的 效 率较 高 ，搜 索速 度快 。

11、 根 据 锅 炉 的 反平 衡 计 算 公式 ，锅 炉 热效 率 订 可 由下 式求得 ： 一（ ） ） （ （） 采用动量附加法的 学 习方 法 训 练 网络 对神经 网络 训练完成 对神经 网络进行 校验 遗传算法优化开始 根据神经 网络模 型 计算 目标函数输 出 式 中 为排 烟 热损 失 ， 为 可燃 气 体 不完 全 燃 为 锅 炉 获得 优 化 结 果 烧 热损 失 ， 为 固体 不 完 全燃 烧 损 失 ， 散热 损 失 ， 为 其他 热损 失 。 根据 遗传 算法 的要 求 ，确定 锅炉 热效 率 叩 遗 为 传算 法 的 目标 函数 ，用式 （ ）计算 。对该 锅炉 ，利

12、用 与厂 内 网 的接 口按 每 下 图 建 模 和 优 化 过程 载 各 运 行参 数 ，包 括 排 烟 氧 量 、 排 烟温 度 、锅 炉 负荷 、各二 次风 挡 板 开 度 、燃尽 风挡 板 开度 、燃 料 风 挡 板 开 度 、各 磨 煤 机 给煤 量 、炉 膛 与风 箱 差 压 、一 次 风 总 风 压 、 燃烧 器 摆 角 等 。锅 炉 飞 灰 含 碳 量 可 由飞 灰 含 碳 量 监测 仪在 线 监 测 或 人 工 取 样 分 析 ，燃 用 煤 种 由人 工输 入 。这 样 锅 炉 的各 项 损 失 即可 在 线 获得 ， 并进 而计 算 出各运 行 工 况 下 的 燃煤锅炉热效

13、率的优化效果 在 电厂 锅 炉 运 行 中 ，运 行 人 员 调 节 最 为 频 繁 的参 数 主 要 是各 种 配 风 方 式 ，包 括 各 二 次风 、燃 尽 风 、 由送 引风 机 配 合 所 确 定 的 氧 量 等 ，其 余 影 响锅 炉 燃 烧 的 因素 ，如 负 荷 和 煤 种 ，对 于运 行 人 员 而 言 在 某 一 工 况 下 是 不 可调 节 因 素 ，燃 烧 器 的 摆 角 出 于汽 温 调 节 的需 要 ，往 往 也 不 会 对其 调 整 第 期 周 昊等： 基于遗传算法的 燃煤锅炉热效率优化 ！ 以 实现 低 的 飞灰 含 碳 量 。作 为 示 例 ，我 们 对 影

14、响 燃 烧 的部分 参数 的寻优过 程进 行 了模拟 和验 证 。 率为 ，迭代次数 次，可调参数 个，计 算 获得 优 化 后 的各 风 门开 度 、氧 量 及 锅 炉 效 率 和 飞 灰含 碳量 值 ，优 化 后 的各 值 如表 所 示 。 图 某 个 实际 运行 工 况 如表 所 示 ，除 煤种 特 性 为 事 先取 样 分 析 人 工 输 入 外 ，其 余 参 数 均 由集 散 控 制 系 统 （ ）下 载 。考 虑 对 锅 炉 的排 烟 氧 量 和 各 二 次风 门开度 及 燃 尽 风 门 开度 进 行 寻 优 ，其 余 参 数 维 持 该 工 况 ，利 用 软 件 寻优 ，遗 传

15、算 法 选 示 出 了 不 同迭 代 次数 下 的遗 传 算 法 计 算 得 到 的飞 灰含 碳 量值 和 锅 炉热 效 率 ， 图 中 曲线 表 示锅 炉 效 率 ， 曲线 表 示 省煤器 后氧 量 ， 曲线 表 示 飞 灰含 碳量 ，可 见遗传 算法 的收敛速 度 很快 。 对 图 的 寻优 过 程进 行 分 析 ，发 现 飞 灰 含碳 择 的参 数种 群规模 为 ，交换 概率 为 ，突 变概 表 某 实 际运 行 工 况 涸 篾 ， 煤 黼性 ， ， 燃 烧 器 一 次风总 排 烟 摆角 压 温 度 ? ） （ 斛 较量 唪 量 曲线 具有 震 荡 ，这 是 因为 氧 量 同时 影 响到

16、 排 烟 热 损 失和 飞灰 含 碳 量 ，优 化 过 程 初 期氧 量 较 高 ， 交换 概率 为 ，突变概 率 为 的计 算参 数 。计 算 表 明这 几 种 参 数 下 寻 优 过 程 均 能 成 功 收 敛 ，但 飞 灰 含碳 量 相 应 可 以搜 索 到 较 低 值 ，但 由于 排 烟 热损 失 比机 械 不 完 全 燃 烧 损 失 数 值 更 大 ，迫 使优 化 过 程 向氧 量 较 低 的方 向寻优 ， 而氧 量 较 低 又 导 致 飞 灰含 碳 量 有 所 增 加 ，这 种 相 互 反 作用 的机 理 使 飞灰 含 碳 量 曲线 呈 现 震 荡性 ，这 种 震 荡 性 也 是

17、由遗传 算法 的 寻优本 质所 决定 的 。 以曲线 为最 佳 ， 说 明交换 概 率 和 突变概 率 的选 取 存 在最 佳 值 。增 加 迭 代 次 数 和 种 群 规模 ， 最 终 结 果 基 本无 变 化 ，证 明 目前 的 迭 代 次 数 和 种 群规 模 已基 本满 足要 求 。 耋 咖 谨 抽 迭 代次 数 图 遗传算法不同计算参数 比较 图 遗 传 算 法 的 寻 优 过 程 由于 遗 传 算 法 可 以对 多 个 自变 量 同 时 进 行 寻 优 ，如果 有 需 要 ，可 以对 任 何 需 要 的 参 数进 行 寻 优 ，甚 至 对 所 有 影 响 因 素 进 行 寻 优 ，

18、在 软件 编 程 上 实 现 也 很 方 便 ，这 为 遗 传 算法 在锅 炉 优 化 运 行 中的应用 提供 了便 利 。 图 对 采用 不 同的遗 传 算法 计 算参 数 进行 了 比较 ，其 中 曲线 采用 了交 换概 率为 ，突 变概 率 为 的计 算参 数 ； 曲线 采 用 了交换 概率 为 ，突 变 概 率 为 的 计 算 参数 ； 曲线 采 用 了 中 国 电 机 工 程 学 报 第 卷 对锅炉在 中等负荷下 的热效率优化过程也进 行 了试验 ，表 示 出 了某 种 中等 负荷 条 件 下锅 炉 实 际运 行工 况 。表 为 中等 负荷 下遗 传 计 算 获得 的 优 化 结 果

19、 。现 场 验 证 表 明 ，按 优 化 结 果推 荐 的 配风 方式 进行 调节 ，工 况调 节后 由 下载 数据 而且挥发分和热值均较 高，所 以飞灰含碳量都较 低 ，机 械 不 完 全 燃烧 损 失 也较 小 ，对 锅 炉热 效 率 的 影 响 也较 小 。 因此 各 工 况 下 预报 的锅 炉热 效 率 值 与实测 误差 很 小 ，一 般在 以 内。 针 对 现 场 实 炉 测 试 样 本 数 据 难 以大 量 获 得 的 问题 ，可 采用 数据 采 集方法 解 决 ，获得稳 定 计 算 得 到 的 锅 炉 效 率 与优 化 算 法 预 测 的锅 炉 效 率 基 本 相 当 。 多 个

20、试 验 结果 表 明 高 负荷 下 的飞 灰 含 工 况 下 的输 入 输 出参 数 保 存 ，利 用 这 些 样 本 来 训 练 神 经 网络 ，这 样 既可 获 得 大 量 的样 本 数 据 ，而 且样 本 数 据 可 不 断更 新 ， 从而 使 神 经 网络 模 型 能 代 表锅 炉 的最新 特 性 。 碳量的预测 和实测基本相 当，而 中等负荷下 的飞 灰 含 碳 量 预测 略有 偏 低 ，这 可 能与 神 经 网络 建 模 时 中等 负 荷 下 的样 本 数量 偏 少有 一 定 关 系 。但 由 于 本 文 研 究 的 锅 炉燃 烧 状 况 较 好 ，燃 料 的灰 分 低 表 某 中

21、等 负荷 下 的 实 际 运 行 工 况 ， 霎 性 、 ? ） （ 温 对 于 燃 用燃 尽 性 能 差和 高灰 分 煤 的锅 炉 ，机 锅 炉 提 高 热 效 率 的优 化 运 行 方 法 进 行 了研 究 并经 械 不 完 全 燃 烧 损 失 占到 锅 炉 效 率 损 失 的 很 大 部 分 ， 由于 排 烟 热 损 失 的 优 化 比较 简 单 ，而 本 文 主 要 针 对 机 械 不 完 全 燃烧 损 失进 行 优 化 ， 因此 对 于 燃 用 劣 质 煤 锅 炉 采取 此 优 化 方 法 具 有 更 好 的应 用 前 景 ，能够确 定 锅炉最 佳氧 量和 各风 门开度 。 对 锅 炉 热 效 率 优 化 另 一 种 方 法 也 进 行 了