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  • 锅炉优化系统

    锅炉性能优化系统是一个基于现代控制理论的过程优化软件系统,结合国内发电设备情况和客观条件,进行适应性改进后研制开发的锅炉性能优化分析系统软件。

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    概述/锅炉优化系统 编辑

    锅炉优化系统 锅炉优化系统

    锅炉性能优化系统基于先进的人工神经网络技术和专家系统,增加了锅炉运行关键中间 参数-炉膛出口烟温(FEGT)在线监测,通过试验设计和专家系统创造数据,为锅炉系统创造边界参数并挖掘系统冗余空间。根据用户需求进行发电设备全面优化,同一台锅炉可以根据不同的侧重点,制定出提高锅炉效率、降低供电煤耗、稳定过热、再热汽温,减小与额定汽温的偏差;预防或治理结焦结渣以及降低污染物(氮氧化物等)排放,提高锅炉运行的安全性和稳定性等多种可操作性的多目标优化方案和指导。

    公司专业技术人员前期对国内河北、山东、山西、贵州、江西、河南、广西、云南、宁夏等地的火电厂进行了设备运行状况和存在问题专项调研,并现场采集了大量运行数据和相关资料。调研情况表明,目前国内火电厂锅炉不同程度的存在下列问题:

    1. 锅炉热效率和供电煤耗方面的问题;

    锅炉优化系统 锅炉优化系统

    2. 煤质变化造成燃烧不稳定,灭火问题; 3. 锅炉结焦结渣问题;

    4. 受热面表面腐蚀低温、高温和刷蚀磨损问题(水冷壁、过热器、省煤器);

    5. 氮氧化物排放超标问题;

    6. 飞灰可燃物和大渣可燃物量偏高问题;

    7. 过氧量偏高;

    8. 过热器、再热器超温问题;

    9. 吹灰程序、次数和合理性问题;

    10.省煤器等设备的磨损问题;

    11.维修费用和生产成本偏高

    以上问题不同程度的影响设备运行的安全性、经济性和可靠性指标。因此,当前火电厂需要解决的问题是锅炉整体性能的优化,而不仅仅是燃烧优化或耗差分析.我们的技术专家在现场实地考察和采集运行和维修相关数据后,与电厂专业技术人员系统的全面的分析设备问题的关键,全面了解用户的需求,为用户提供量化各项技术指标的锅炉性能优化技术方案。在技术方案中将针对上述问题提出解决办法和并预测可能的优化空间。

    根据市场情况调研和现场得到的数据,目前国内外从事燃烧优化和锅炉改造的知名厂家所做的各种类型优化和改造,供电煤耗优化效果平均为2克左右,最多达到原锅炉设计水准。锅炉性能优化系统采用的创新理念,充分挖掘系统冗余空间,优化效果可以突破设计限制。应用锅炉性能优化软件的某用户,在降低排烟热损失和降低过热器壁温的情况下,同时降低了飞灰可燃物、锅炉辅机厂用电,优化结果超乎一般常规的想象。

    锅炉性能优化软件的应用不但给用户带来直接的经济效益,而且引进了新的系统理念和分析技术.帮助我们突破传统的运行模式,规范操作,全面提升运行管理水平的目的和更好的经济效益。

    应用介绍/锅炉优化系统 编辑

    2.1. 引进锅炉性能优化系统必要性分析

    锅炉燃烧过程是一个复杂的物理、化学过程,牵涉到的输入和输出变量多达160多个。依靠专业技术人员的经验和传统热力学的计算分析方法,仅能对单个输入变量和在有限范围内解决个别输出目标值的问题。随着计算机技术和应用数学方法进入工业领域,使得解决比较棘手的多输入和多输出变量之间关系的难题变得容易了许多。随着技术进步,进年来不断推出的现代化的仪表和监测技术手段,可以弥补锅炉原设计高温区域测量监控信息不足的缺陷.为整个锅炉系统的过程优化控制提供了更多的运行状态信息,为控制逻辑增加了重要的控制点和调控依据. 锅炉运行的多目标参数间存在着诸多矛盾,譬如燃烧效率与氮氧化物排放;低氧燃烧与还原性气体腐蚀等等.需要用系统的观念,全面考虑和协调多目标之间的关系,借助先进的数学和计算机手段.利用人工智能神经网络解决了多变量非线性关系的问题,开辟解决锅炉优化控制的新途径。锅炉系统的各种仪表数据,可以提供反映运行状况的信息。锅炉专家在对系统深刻理解的基础上,把各种运行数据信息与锅炉的经济、安全和可靠等性能指标之间的关系量化。利用统计学非线性回归和人工智能神经网络技术,可以将运行参数与锅炉性能指标之间关系用数学模型的方式表达出来。在此基础上,可以实现系统各部分之间和运行参数间的协调,达到综合指标全面改善的目的。从而使锅炉系统在节能和降低污染物排放的控制方面,能够比传统热力试验(如耗差分析)的方法和依靠运行人员的经验做的更好。

    锅炉运行目前采用的热工控制系统(DCS),建立在分散控制,分散风险的基础上.控制功能只有燃烧控制、给水控制等有限的几个分散控制单元。例如某一个输出目标参数的控制,该控制单元最多只能同时输入三个相关变量,无法顾及对其有影响的众多输入参数;对于多目标和多变量的问题,由于DCS系统没有锅炉系统整体控制的中枢和集中控制能力,不能解决多变量之间的相关关系的协调问题,锅炉系统的运行无法达到整体协调控制.实际上DCS只能保证锅炉系统的稳定运行,无法改善锅炉系统的运行水平和技术指标。锅炉性能优化系统具有全面协调系统的功能,可以直接给出优化运行方案或直接参与运行优化控制,弥补了DCS系统的不足.

    锅炉性能优化系统的人工神经网络模块具有很强的适应复杂环境和多目标控制要求的能力,人工智能神经网络通过在线实时输入的入炉煤参数等大量现场仪表数据,不断进行学习和训练,对优化运行模型进行调整,实现对被控系统变化因素(如煤质变化;炉膛漏风变化等等)的自适应,使锅炉系统趋于最佳的运行状态。

    锅炉性能优化系统的人工智能神经网络的功能特性,解决了多变数非线性关系的技术难题,通过有效数据的训练,可以建立锅炉优化运行数学模型;通过软件的计算,得到满足不同需求条件下的最佳运行参数组合。

    2.2. 锅炉性能优化系统概述

    锅炉性能优化是基于人工神经网络技术和专家系统,增加了锅炉运行关键中间参数炉膛出口烟温在线监测系统,通过试验设计和专家系统创造数据,得到锅炉系统各部分能量的交换信息,全面分析并调整锅炉系统的可调参数,改善并协调各部分的能量交换,达到最佳运行参数组合方式.锅炉系统燃烧产生的热能按照性能优化的需求进行交换,将能量损失最小化,达到多目标全面优化的目的,实现在线开环指导锅炉优化运行或闭环控制锅炉优化运行。

    锅炉性能优化系统是国外先进的优化软件融合国内优化特点研制开发的锅炉性能优化系统软件,基于先进的人工神经网络技术,引入国外成功的优化经验,建立包含锅炉多目标快速收敛的数学模型,为锅炉运行人员提供一个涵盖提升优化性能、补强薄弱环节和指导操作控制的分析平台。

    锅炉性能优化系统以锅炉专家丰富的专业经验和系统观念为基础,并针对锅炉的具体特点进行多目标优化设计。利用计算机技术和优化控制逻辑,解决多输入变量和多目标之间协调的难题;用科学的方法解决了传统的认识误区,突破了传统运行模式。

    锅炉性能优化系统技术方案突破了当前常见优化方案的传统理念和方法,立足于全面优化思想和技术路线。在锅炉基本信息前期调查、企业需求分析和优化目标确定、试验设计、增加关键中间参数控制、试验数据采集、数据验证、训练人工神经网络、确定优化结果和建立锅炉性能优化分析系统数学模型等方面都有创新和独到之处。

    同一台锅炉可以根据不同的优化侧重点,制定出提高锅炉热效率、降低供电煤耗、降低飞灰含碳量、减小与额定汽温的偏差、降低污染物排放、提高锅炉运行的安全性和稳定性等多种可操作性的优化方案。

    2.3.锅炉性能优化的原理

    上世纪70年代,美国已经开始尝试解决多重约束条件下的过程优化问题。限于当时的计算机水平和数学工具的匮乏,没有取得有效的结果。近十年来,计算机技术的高速发展,提供了良好的技术基础。燃煤电厂锅炉性能优化就是解决多重约束条件下的热力过程优化问题。优化系统的目标是建立一个分析平台,在平台上对锅炉系统的多目标进行分析,找出锅炉性能提升的优化潜力和薄弱环节,针对提升性能潜力、补偿薄弱环节的具体方法和策略。

    很多电厂多年来尝试通过各种方法提高锅炉效率,但一直没有取得突破.到目前为止,采用传统的热力试验和耗差分析的方法,最好的优化结果仅能达到锅炉的设计水平。锅炉性能优化系统以集中解决降低供电煤耗和NOx排放等综合性指标为锅炉性能优化目标,目前可以达到减少NOx排放、 改善锅炉效率(反映到供电煤耗为2g/kwh以上),优化结果明显。

    锅炉原始设计数据包含煤种、出力、排放和效率,各部件性能随着时间恶化。理想的目标是当运行状态改变,锅炉的参数随之进行相应的调整,使其保持较高燃烧效率。牵涉到锅炉运行需要调整的技术参数多达数十个,其中包括:

    (1) 燃烧器内的风粉比平衡;

    (2) 良好的燃烧(过氧量、一氧化碳、飞灰含碳量和 NOx的最佳组合);

    (3) 均匀的烟气分布;

    (4) 准确的吹灰控制;

    (5) 稳定的系统负荷运行;

    (6) 预期的磨煤机的输出和煤粉的细度;

    (7) 在设计范围内的炉膛出口烟气温度和排烟温度;

    (8) 适当的设备和仪表校正;

    (9) 关键参数在设计值内运行(系统内各部分运行参数的协调)。

    技术人员可以依靠安装、设置大量的在线监测仪表,实现以上各项参数的有效控制,但所需费用极为庞大。如果能够采用信息技术和相关分析的方法,完全可以通过现有的仪表实现锅炉各输入量和目标参数的控制。

    锅炉系统设计中为了保证安全, 所属设备和参数都有较大的设计余量和安全系数(称系统冗余).有些方面设计得相当保守,使得设备能够容忍一些运行上的偏差,保护锅炉安全运行。实际运行中所有最恶劣的运行工况不可能同时发生,在某些区域系统有相当可观的调整余量,可以在确保安全的情况下减少这些余量,达到比原设计更好的性能。在某些情况下,为达到更为理想的优化目标,对某些参数进行调整,甚至使其偏离设计值,就需要对调整方案进行正确地评估和谨慎操作。

    锅炉性能优化系统就是分析这些优化潜力的分析平台,在量化这些技术指标潜在的保守内容的同时,提供改善系统性能的方法。

    达到多目标优化的技术思路,除了减少系统“冗余”,还可以通过交换限制条件来达到多目标改善。从锅炉燃烧方面深刻了解这些目标与限制条件的物理意义,化简约束关系实际上就是大幅度简化燃烧优化的数学结构。以目前的计算机发展水平,要想在不简化锅炉模型和计算工作量而进行优化是不可能的,如何简化锅炉模型就是制约性能优化成功与否的关键内容。通过相关性分析和相关度计算,可以有效简化优化运行数学模型的结构和减少计算量,使优化方法能够易于被现场技术人员接受.

    近年来,锅炉性能优化计算机软件应用在工业领域增长很快,成为解决系统多输入、多输出变量等多重约束条件的强大工具,典型应用如图2所示的控制输入和输出参数。

    输入参数 优化模块 输出参数

    图2.锅炉性能优化逻辑

    2.4.优化参数

    2.4.1对每一个性能目标建立起相对的输出变数的限制条件与优化指数;

     选择过程内的中间参数及其限制条件;

     建立输入参数与其运行范围;

     执行参数试验来收集数据以及挖掘性能改善的潜力;

     使用优化软件来获得输出参数的优化值与输入参数的运行数据。

    在选择输入参数、过程输入和输出参数的控制如图2所示。

    输出参数-代表电厂的效率、费用、排放、可靠性、安全性和出力等目标。选择可靠性和安全性等运行参数所代表的功能目标,以数学的方式进行优化计算,可以是直接的、间接的(计算出来的)或模糊(观察)得到的。

    过程中间参数-是定位于输入和输出参数之间的参数。燃煤电厂的控制系统主要集中于输出控制,从锅炉可靠性考虑,这种控制方式不够理想,必须用控制输入和过程中间变量的方法避免输出变化。

    输入参数-定义为可以被运行人员控制或调整的参数。输入参数的选择基于与输出参数的关系,为了减少数据计算和数据采集量,只有选择主要与关键性的运行参数才能选出输入参数,一个输入参数可以影响多个目标,并有相互矛盾的影响。输出参数可以受到多输入参数影响。

    2.5.数据采集和参数测试

    数据质量-所有的技术处理都是基于数据,数据质量源于校正完好的仪器仪表,决定着优化系统的成败。为了解决仪器数据问题,数据验证功能模块可以忽略或按估计值取代失真数据。

    选择数据-根据设计参数、运行情况及适量的试验,参考现有大量的性能优化记录和经验,分析并得到关键的、多重的、敏感的范围输入、中间输入和输出参数。

    试验设计-做出独特的试验方案和数据采集、分析的计划,以很精练的方案获取宽泛的边界范围和参数,通过统计学计算和相关性分析输入参数、过程输入和输出参数的数量最小化,以避免大量的测试、潜在的计算难度和错误,而后从大量的参数中筛选适量的关键参数,这些参数将是未来系统优化的核心参数。

    分析数据-从历史纪录、现场测试或未来运行中得到的数据,通过参数变化测试来决定性能优化的潜力,得到必要的数据来建立数学模型,以得到最快的优化结果。并将飞灰含碳量测量数据和NOx在线监测数据作为反馈信号引入锅炉性能优化系统中,作为在线优化基础参数。如果系统的一些关键性运行参数改变,有可能需要重新调试,以确定变化后的数学模型。

    实时数据-对于要求闭环在线直接控制DCS进行优化运行的机组,由于优化系统在线运行,需要及时提供设备运行输入变量的前馈和输出变量的反馈信息,需用户额外增加必要的在线监测仪器和设备.如煤质在线分析;氮氧化物在线监测;飞灰可燃物在线监测等.以上实时数据作为优化控制系统的计算依据,需要非常可靠和准确.

    2.6. 锅炉性能优化系统技术核心

    2.6.1 系统观念全面分析: 现场采集运行数据和了解用户需求,基于系统观念突破专业局限,全面分析锅炉系统运行中存在的内在问题和产生问题的原因,在优化燃烧的同时,全面考虑能量交换的均衡和来自各方面的影响因素。

    2.6.2 挖掘设计保守系数: 在锅炉设计的过程中,对设备和参数都有较大的设计余量和安全系数,以保护锅炉安全运行。实际运行中所有最恶劣的运行工况不可能同时发生,在某些区域系统有调整余量,可以在确保安全运行的前提下挖掘这些余量(系统冗余),来达到或超过原设计性能指标。锅炉性能优化系统其中一项工作就是分析并挖掘这些潜在的优化空间,在量化潜在的优化空间的同时,提出具体改善锅炉性能的方法和优化指标。

    2.6.3 采集关键数据,全面协调运行参数:人工智能神经网络经过数据采集、建模、在线或离线调整(校正)等过程对机组的各种运行工况获得丰富的"知识",然后利用统计学、非线性回归分析等数学工具对当前运行目标参数进行协调和优化,得出最佳运行参数组合。例如,过量空气系数问题,在一定范围内当过量空气系数增大时,炉内燃料燃烧就越充分,不完全燃烧损失就越小;但过量空气系数增大的同时也造成了锅炉排烟热损失的增加和其它不利影响。人工神经网络的任务就是要在这两者之间找到一个最佳的平衡点,使得热效率达到最优的水平。锅炉是一个多输入变量和多输出目标参数的系统,输入参数之间;输入与输出参数之间;输出与输出参数之间都存在着相关关系和诸多矛盾,协调解决多变量的非线性关系问题,超过了现场技术人员的能力,也不是依靠经验和一般的经验和简单的热力试验可以解决的,锅炉性能优化锅炉性能优化系统为用户提供了全面解决这些问题的理想方案。

    2.7. 锅炉性能优化系统特点

    2.7.1 锅炉性能优化系统以锅炉专家丰富的专业经验和系统观念为基础,充分了解锅炉存在的问题和用户的需求,并针对锅炉的具体特点进行多目标优化设计,直接指导优化试验.利用计算机技术和优化控制逻辑,解决多输入变量和多目标之间优化组合的难题,用科学的方法解决传统的认识误区,突破传统运行模式。

    2.7.2 在线开环指导或闭环控制运行,直接完成优化燃烧运行,并可以根据用户不同需求,完成不同燃烧形式组态,实现全面或单项性能指标(不损害其它性能指标)优化。锅炉性能优化系统技术方案突破了普通优化方案的传统理念和方法,立足于全面优化思想和技术路线。在锅炉基本信息前期调查、企业需求分析和优化目标确定、试验设计、增加关键中间参数控制、试验数据采集、数据验证、训练人工神经网络、确定优化结果和建立锅炉性能优化分析系统数学模型等方面都有创新和独到之处。

    2.7.3 优化系统安装调试和优化过程占用时间短,30天左右即可完成并见到效果。锅炉性能优化分析是一个极为复杂的过程,对过程进行合理简化并建立简化的数学模型是锅炉性能优化系统成功训练人工神经网络的关键。边界条件的确定、中间变量的引入、筛选高品质数据和创造数据的方法、丰富的锅炉运行经验和成功建立数学模型是多变量非线性函数多度空间快速收敛的基础。

    2.7.4 效果显著:优化系统指导下,供电煤耗至少可降低2g/kwh,系统设计综合考虑机组调峰运行和燃烧质量不同的低价格煤种,通过改变调节参数改善氮氧化物排放、减少减温水流量、降低厂用电、飞灰含碳、提高热效率等,保护汽机滑压运行、增强机组可靠性和可用率、延长停机间隔时间和缩减停机时间等多重目标进行全面优化。在市场经济环境下,发电企业追求的是机组经济性、可靠性、安全性及排放物的有效控制,理想目标是锅炉能够长期安全稳定、高效率、低排放的运行。虽然达到这一理想目标比较困难,但通过增加监测装置控制与性能优化等新技术,制定不同时期的优化方案和多重目标,从相对单一的运行目标向多目标优化过渡,可以改善设备的运行水平,提高锅炉的可靠性、稳定性及经济性。

    2.7.5 锅炉性能优化系统增加了炉膛出口温度监测系统,可以有效防止过热器、再热器等部件超温和高温腐蚀等问题产生,并可帮助用户预防和控制炉膛结焦结渣。

    锅炉性能优化系统的核心是设置关键中间运行参数,炉膛出口是锅炉辐射区和对流区的分界区域,是锅炉设计和运行的关键控制点。引进国外先进的航天遥感技术和装置,对该点进行实时在线监测,得到反映锅炉系统燃烧状态和换热过程中关键数据,从而也有效地解决人工神经网络训练快速收敛的问题。

    远红外辐射式烟气测温仪是远距离非接触式测量装置,可安装在任何观察口、检修口等炉壁开孔墙面外部。在锅炉性能优化系统安装之前,根据机组的特点,在相关技术人员的配合下,选定远红外烟气测温系统的安装位置。

    2.7.6 优化方法简便易行,易于现场掌握。提供现场培训和定期访问,保证优化系统稳定运行。锅炉性能优化系统与传统锅炉燃烧调整和耗差分析的不同之处,就是摆脱传统热力模型和理论计算的模式,利用运行数据信息直接指导锅炉性能优化。实现方法是根据欧美工业发达国家的成功经验,利用模糊数学理论和人工神经网络技术,找出多变量之间的非线性关系,计算得到运行参数的最佳组合,帮助技术人员全面系统的理解约束条件和系统潜力,从而挖掘出系统的最优性能或在多重约束条件下找出一个最佳方案。

    2.7.7 数据验证模块:借鉴航空航天领域成熟的数据验证数学模型编制的功能模块,实现仪表数据在线实时跟踪分析。对于异常数据和偏差情况及时发现并予以纠正。该方法处理数据快捷、分析准确,可以筛选掉不良数据,填补高品质数据,为技术人员分析运行状况,早期发现问题提供依据。

    2.7.8 锅炉性能优化系统具有良好的鲁棒性:锅炉性能优化系统的自学习功能,能在一定范围内适应锅炉燃烧过程中的众多不确定性因素,输入变量变动幅度在10%左右能实现自适应.如果变动的幅度过大,可根据具体变动情况,在离线情况下进行调试和建立几种与之相适应的优化运行模式.在实时监测数据的支持下,进行模式无缝切换或直接实时优化控制.优化运行的前提是保证锅炉系统的安全稳定运行。

    锅炉性能优化系统项目内容和实施程序及案例

    锅炉性能优化方案有三种:

    1、简化方案:不安装任何测点、运行优化软件的服务器系统和工作站,现场做锅炉性能优化试验并提供优化运行指导曲线。

    2、在线开环指导锅炉优化运行。

    3、在线闭环控制锅炉优化运行(由于国内煤质,设备等问题暂不推荐)。

    3.0.项目内容

     烟气测温系统仪器的安装、调试

     锅炉性能优化系统与DCS系统接口和单向通讯

     锅炉系统运行特性全面试验和数据采集

     数据筛选、验证;建立锅炉运行优化数学模型

     运行优化系统的调试和优化结果预测并验证

     运行优化控制系统的调整和投入优化运行指导或优化运行控制

    3.1.试验前提

    (1)要求试验期间入炉煤煤质、机组负荷保持相对稳定;

    (2)保持试验要求的磨煤机输出和煤粉细度;

    (3)适当的设备和仪表校正,保证关键仪表数据准确。

    3.2.试验内容

    锅炉系统运行参数在线分析和可调参数如下所示:

    (1)调节过氧量;

    (2)调节风门挡板;

    (3)调整给粉机转速;

    (4)调整燃烧器摆角;

    (5) 炉膛与风箱压差;

    (6) 调节控制炉膛出口烟温(过程参数);

    (7)有关的运行参数等(具体试验内容需要根据锅炉设备的实际情况制定)。

    3.3.项目实施程序

    项目开始前由工作组成员对锅炉运行参数和现状进行调研和分析,根据调研分析结果制定具体优化试验设计和调试方案,确定优化目标、优化范围和边界参数;根据所拟定的方案安排试验设计、确定性能优化基础数据采集清单;工作组成员根据试验设计,通过DCS系统和相关仪器仪表采集不同负荷工况下的基础数据;待基础数据采集工作完成后,利用统计回归分析对试验数据进行分析和筛选,筛选后得到的高质量试验数据用于指导软件工程师进行人工神经网络训练,最终确定锅炉系统优化数学模型,并将飞灰含碳量测量数据和NOx在线监测数据作为反馈信号引入锅炉性能优化系统中,作为在线优化依据。优化运行结果经过预测和验证,开环优化指导模式下,向锅炉运行人员实时发布优化运行提示,并给专业技术人员提供锅炉运行优化指导文件和优化运行曲线(不同负荷工况条件);闭环优化控制模式下,优化指令通过DCS直接输出优化运行指令。本文3.4节为实际优化过程案例,总过程大体分6个阶段。

    现场试验和调试结束后,技术人员提供系统操作技术培训,指导锅炉专业技术人员全面掌握优化系统的使用和维护。

    锅炉性能优化实施程序如附图3所示。

    锅炉优化系统 锅炉优化系统

    附图3 锅炉性能优化流程图

    四.经济效益分析

    4.0优化系统设计目标:

    在机组安全运行的基础上,提高锅炉机组运行效率0.5-1%根据现场采集数据和综合分析,锅炉性能优化系统投入使用后,预期可以达到降低供电煤耗2g/kwh左右;降低氮氧化物排放量100mg/m3.

    4.1 降低供电煤耗(以300MW机组为例)

    锅炉性能优化系统在不增加灰中含碳量的前提下,确保锅炉热效率目标的基础上供电煤耗至少可以降低2g/kwh左右(根据目前已经取得的优化业绩,较好的情况可以降低8-12克/Kwh),锅炉年节约煤耗(按2g/kwh计算):

    (2×10-6)t/kwh×300MW×6000h×700元/t=252万

    按目前平均煤价700元/吨计算,通过锅炉性能优化节煤年直接经济效益至少在252万元人民币以上。

    4.2降低NOx排放

    2003年2月28日由国家发展改革委员会、财政部、国家环境保护总局、国家经济贸易委员会根据国务院令字第369号《排污费征收使用管理条例》,制定颁布了《排污费征收标准管理办法》规定从2004年7月1日起,NOx排放按实际排放污染当量收费,每污染当量NOx收费0.6元(每污染当量为0.95千克)。

    参照1004吨蒸发量锅炉参数测算:总排烟量1.3×106m3/h;按照年运行6000小时,以降低100mg/m3 估算(实际优化值需根据现场情况确定)。

    则年NOx排放节约费用为:

    1.3×106m3/h×100×10-6kg/m3×6000h×0.6元/0.95kg= 44.46万元

    直接经济效益合计:

    年总节约费用为252万元+44.46万元=296.36万元 以上

    4.3 间接经济效益分析

    增加关键点运行参数控制,实时在线监测炉膛出口烟温,预防和控制锅炉结焦问题;控制过热器与再热器的管壁温度,降低过热器和再热器的等效强制停机率, 延长锅炉部件使用寿命,有效的降低锅炉维修费用和可用率,间接经济效益非常可观。

    综上所述,通过锅炉性能优化系统的投入,除提高锅炉运行技术管理水平外,每年还为电厂带来296万元以上的直接效益。该系统投入正常运行后当年应可收回投资,具有较好的社会效益和企业经济效益。

    五.锅炉性能优化系统设计与构成

    5.0.软件系统设计原则

    5.0.1总体原则

    ① 锅炉性能优化系统所采用的技术符合并遵守国际标准,互连系统应遵守ISO(国际标准组织)的OSI(开放系统互连)标准,能满足企业未来一定时期发展和升级要求。

    ② 先进性 应用软件系统的先进性充分进行综合考虑。不仅对网络环境进行综合分析评价,而且还对应用软件系统开发所用的数据库系统及开发工具及所选择的开发方法、开发策略、开发规范、软件开发所贯穿的管理思想等诸方面做出详细的介绍。

    ③ 开放性 软件系统的开放性的主要目的是便于系统的扩展和未来的信息管理系统整合.涉及到计算机系统、网络和应用软件等诸多领域。保证系统的开放性,主要体现在数据结构、软件文档和数据库的开放。在软件开发过程中应执行一套行之有效的用以确保系统的一致性和完整性的标准和规范,并将有关标准、规范作为软件系统补充说明文件提交用户。

    ④ 实用性 所提供的应用软件产品以用户锅炉特性为基础,专业人员和运行人员使用系统时,应用程序做到界面友好,简单、易学、易用,较短时间可以使用该系统.应用软件系统模块化,各模块功能清晰明了,便于使用人员了解整个锅炉运行系统的优化控制过程。

    ⑤ 易维护性 软件维护的主要目标是适用性维护和改善性维护。为了提高软件的可维护性,应为用户提供软件说明书;软件系统维护手册并做到:

    (a)建立可维护性的开发环境。

    (b)建立质量保证体系。

    (c)将重用性作为软件开发的指导思想,设计易于重用的软件部份。

    (d)设计阶段就要考虑到软件的运行和维护。

    (e)适应未来可能的变化,采用“模块构件”的组件方式进行。

    ⑥ 安全性和可靠性

    系统必须具有很高的可靠性和安全性,这是必须具备的一个重要的条件,在数据库系统和网络系统的多层管理和安全体系控制下,对应用软件安全系统建立的方式,系统数据备份和容灾、容错等方面有完善的考虑。

    5.0.2功能设计原则

    ① 锅炉性能优化控制系统能够全面的提高锅炉热效率;稳定过热、再热汽温,减小与额定汽温的偏差;降低污染物排放(如NOx);降低厂用电率;提高锅炉运行的安全性、经济性和可靠性。不影响DCS系统的安全可靠运行。

    ② 锅炉性能优化控制系统可以开环指导和闭环控制手段实现锅炉性能优化,系统与DCS采取单向通讯方式(闭环为双向通讯),即优化控制系统从DCS获取锅炉运行的实时数据,不返回到DCS。

    ③ 锅炉性能优化控制系统的硬件安全、可靠、先进。性能优化控制系统具有鲁棒性,能在一定范围内自适应锅炉输入参数的变化,自学习并自动控制相关的操作机构,达到自动优化的目的。

    ④ 锅炉性能优化控制系统具有易于使用、易于维护,控制的输入输出和优化控制目标都可以自由设定。

    ⑤ 锅炉性能优化控制系统具有完善的保护功能,使其具有高度的可靠性,系统发生任何故障都不影响DCS的正常工作,从而影响锅炉安全运行。

    ⑥锅炉性能优化控制系统装有网络防病毒软件,采取有效措施,以防止各类计算机病毒的侵害、人为的破坏。

    ⑦锅炉性能优化控制系统能达到全部功能要求。

    锅炉性能优化控制系统结合工艺系统和机组特点进行设计,是专用的性能优化控制系统。优化控制系统的平台和模块是通用的,但目前是一个半定值的软件,实施过程中要针对锅炉系统进行具体的试验、组态和定制。

    5.1 锅炉性能优化系统配置方案

    (1)远红外辐射式烟气测温仪

    该测温仪是引进国外先进的技术,对炉膛出口温度进行非接触性、实时在线监测,是锅炉性能优化系统的一个关键中间控制参数。

    炉膛出口点是对流区和辐射区的分界点,通常把这一特别控制点称为FEGT(炉膛出口烟气温度).炉膛出口烟温对锅炉运行控制非常重要,通过对FEGT这一关键参数的控制,可帮助锅炉运行人员及时发现运行状态的变化、及时反映优化软件对运行状态的调整效果.提供预防结焦和积灰控制、智能吹灰控制、过热蒸汽控制和低NOX 燃烧等优化调整的依据。

    远红外辐射式烟气测温仪是远距离非接触式测量装置,可安装在任何观察口、检修口等炉壁开孔墙面外部。与坚固的具有保护性冷却套和具有空气冷却、吹扫、过滤器的连接管路相配合,适用于恶劣的测试环境。安装使用简便,输出为4-20毫安标准信号,可直接接入DCS系统.系统的测量范围为120~1650℃(或300~1200℃),完全可以满足燃煤电厂锅炉的一般要求。

    ● 远红外测温仪特点

    远红外辐射式烟气测温系统。可沿着烟气的流程安装多个测点.实现锅炉热力交换系统的温度参数系统监测,实现锅炉系统能量交换的均衡和协调控制。

    (a)锅炉启动过程控制:锅炉启动过程中,必须对FEGT进行监测,控制过热器壁温不超过允许值。很多电厂采用带有冷却装置的热电偶类测量设备用以监测FEGT,限制其在规定的温度极限内。但当FEGT超过600℃时必须将其收回来,以免被烧毁,不能实现在线连续测量。远红外烟气测温仪是远距离非接触式测量装置,可以取代传统的伸缩式炉内测温探头。并进行锅炉启动阶段和运行全过程的FEGT监测,且体积小、造价低,使用方便、维护简单。

    (b)锅炉性能优化分析系统配套:远红外辐射式烟气测温仪,用于锅炉性能优化分析系统关键参数监测。锅炉性能优化需求分析、数据采集、人工神经网络建模、试验设计、试验验证、运行训练及操作指导等全过程中,把FEGT实时在线监测数据作为过程参数,配合配风、配煤、燃烧器摆角角度、减温水控制等燃烧参数,实现锅炉性能的多目标优化。

    (c)结焦与积灰控制:熔融的煤灰在蒸汽携带下撞击在水冷壁或管壁上,冷却凝固形成结焦。控制FETG低于煤灰的熔融、软化温度,可使干燥的煤灰不能粘附在换热管上,能明显的改善对流通道内的积灰问题;对流烟道的积灰减少,过热器和引风机的能耗将会降低,从而提高热负荷,防止吹灰器的腐蚀。

    (d)智能吹灰控制:保证烟气的正常流动和换热器正常工作,吹灰是清除煤灰的有效手段。运行人员可根据FEGT值进行包括吹灰时间、吹灰顺序设置的吹灰器投停自动控制,也可用于提醒运行人员进行手动吹灰操作。利用时间、温度历史曲线的记录,对吹灰器的运行时间进行控制。在吹扫时监测锅炉的温度变化,用以改善炉管的传热性能,并防止吹灰不足造成结焦的情况发生。监测锅炉烟气温度并与蒸汽的出口温度相比较,由此来确定吹灰器的最佳运行时机。

    (e)低NOX燃烧控制:缺氧燃烧被广泛应用于低NOX燃烧中,炉膛区域的严重缺氧,形成还原性气氛,加剧了向火侧水冷壁管的腐蚀。燃料的燃烧焰炬加长或二次燃烧,使FEGT升高,造成过热器和再热器换热管的超温过热,运行人员的职责主要是维持FEGT在设计值限度内,尽量忽略其它因素的影响。必要时,需要采取折衷方案或多目标优化控制系统。

    (f)高温报警:监测锅炉最佳运行条件下的烟气最高允许温度,用以防止水冷壁管,再热器与过热器的超温和由此造成的爆管。

    (g)炉膛一次风监测:监测炉膛中具有分割墙的锅炉中各个分割区内的烟气温度,并保持温度的均匀分布。

    烟气侧参数控制的意义

    维持锅炉的合理运行需要正确的烟气侧参数的控制,FEGT这个特别点对于锅炉的安全稳定运行有重大意义,该系统提供了广泛的烟气温度测量范围,FEGT的实时在线监测,为锅炉系统优化运行提供过程控制关键参数和优化调整的依据。见3.4.6项目实施结果-炉膛出口烟温控制对锅炉性能的影响.

    (2)系统服务器和操作员站

    用于采集并保存基础试验数据、建立优化分析平台、对试验数据进行人工神经网络训练、对优化结果和预测结果的发布。

    (3)硬件配置系统结构

    锅炉优化系统 锅炉优化系统

    锅炉性能优化系统硬件网络结构图如图4:

    图4 系统硬件配置网络结构图

    i. 服务器-戴尔或研华服务器 (配置从略)

    ii. 操作员站-戴尔PC机 (配置从略)

    iii. 硬件接口-PLC可编程控制器或与用户DCS通讯适配的硬件

    5.2 锅炉性能优化系统软件结构和数据接口

    软件系统主要由下列模块组成:

    1、数据处理模块:该模块实现机组实时运行数据的处理和分析功能。

    2、数据通讯模块:该模块实现与DCS及系统主机的实时数据单向通讯功能。

    3、锅炉燃烧模型建模平台(应用人工神经网络技术):该模块可以构建基于人工神经网络技术的,针对锅炉综合性能的优化运行模型。

    4、数据校验模块:该模块实现对数据流程中各个环节实时数据的实时检查功能。

    5、离线预测模块:该模块实现优化曲线的预测功能。

    6、图形用户界面:该模块实现用户图形界面的组建功能。

    锅炉性能优化系统从电厂现有的DCS数据库中提取所需运行参数,通过人工智能神经网络建立优化模型指导锅炉运行,达到锅炉性能优化的目的。

    锅炉性能优化系统在线开环指导或闭环控制优化运行,需要与DCS或SIS系统接口,进行数据交换和发布优化运行提示和控制指令,具体接口方案与热控技术人员或DCS厂家确认,需要根据DCS厂商的接口规定和用户单位专业技术人员的要求,全面规划后提供。

    锅炉性能优化系统包括系统软件和优化软件两大部分;系统软件为正版操作系统和数据库;优化软件内有数据处理和人工神经网络优化两个模块。其软件结构(如下图5)。

    锅炉性能优化系统与电厂现有的DCS数据库交换数据,只需要根据具体DCS系统的通讯方式和I/O接口规定,以DCS-数据库系统-锅炉性能优化系统方式建立通信。开环系统,只需从DCS系统采集数据,优化结果不进入DCS系统,比较简单;闭环控制系统,需要通过PLC可编程控制器硬件系统隔离或软件接口程序方式与DCS数据库或者其他数据库(PI或者MIS)交换数据,设计上已给予充分考虑,对电厂现有的数据库不会造成任何安全上的问题,发布的优化控制指令与DCS控制逻辑不会发生冲突。

    锅炉优化系统 锅炉优化系统

    图5锅炉性能优化系统软件结构示意图

    以上方案简述了锅炉性能优化系统的硬件、软件和系统构成和优化过程.系统组态和具体设计方案,需要根据DCS厂商的接口规定和用户单位专业技术人员的要求,全面规划后提供。

    天津鹰麟节能科技发展有限公司

    技术部:王帅 刘泽源

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