李 文

(晉控電力塔山發(fā)電山西有限公司，大同 037000 )

0 引 言

燃燒狀態(tài)監(jiān)測對電站鍋爐的安全運行和燃燒調(diào)整起著重要作用 ?；痣姀S燃燒狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要包括安裝火災(zāi)觀測電視、熱電偶測溫點、煙氣成分測量裝置等。然而，隨著光纖、紅外傳感器、激光測量等非接觸式測量技術(shù)的發(fā)展，鍋爐燃燒狀態(tài)監(jiān)測將朝著多參數(shù)、高精度、實時性的新方向發(fā)展。在鍋爐燃燒狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析和處理，再結(jié)合預(yù)測模型和智能優(yōu)化算法，找出當(dāng)前條件下的一系列最佳運行參數(shù)，包括二次風(fēng)、過燃風(fēng)門調(diào)節(jié)等可調(diào)參數(shù)，旨在提高鍋爐燃燒效率，減少鍋爐氮氧化物排放。

本文在 LabVIEW 平臺上設(shè)計了鍋爐燃燒狀態(tài)監(jiān)測與優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 OPC 通信技術(shù)，實現(xiàn)了對鍋爐熱工參數(shù)的遠(yuǎn)程訪問和鍋爐燃燒狀態(tài)的實時監(jiān)測。同時，系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型實現(xiàn)了煙氣含氧量、飛灰含碳量、NOx 含量等重要參數(shù)的在線軟測量。重要的是，這個預(yù)測模型結(jié)合了差異進(jìn)化算法優(yōu)化算法來尋找鍋爐的最佳運行參數(shù)。該系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以精確地監(jiān)測鍋爐燃燒參數(shù)，提高鍋爐燃燒效率，減少 NOx 生成量。

1 LabVIEW 的開發(fā)優(yōu)勢

LabVIEW 可以與傳統(tǒng)的串口和并口儀器進(jìn)行通信，也支持與先進(jìn)的自動化設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。OPC 技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)控制與計算機(jī)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，占有較大的市場份額。NI 公司的數(shù)據(jù)日志和監(jiān)察(DSC)工具箱以 OPC 通信為核心技術(shù)，無縫連接到絕大多數(shù)工業(yè)控制設(shè)備，如各種類型的PLC，它可以通過建立I/O服務(wù)器訪問外部設(shè)備變量，實現(xiàn)對工業(yè)參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)跟蹤、事件和報警功能的實時監(jiān)控。

此外，LabVIEW 是一個虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，其最突出的特點是工業(yè)測量信號的采集和處理。虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由傳感器、信號調(diào)理器、采集卡和測量軟件組成。LabVIEW 作為測量軟件，具有信號分析與處理、數(shù)據(jù)存儲與顯示、人機(jī)交互顯示等功能。因此，LabVIEW 測量系統(tǒng)已經(jīng)成為硬件和軟件的結(jié)合體。用戶可以自定義 LabVIEW 模塊的各種屬性，編寫各種程序?qū)崿F(xiàn)不同的儀器測量功能。

最后，LabVIEW 使用圖形化編程語言，調(diào)用不同的函數(shù)，簡單如構(gòu)建塊，但它并沒有完全拋棄傳統(tǒng)編程語言的優(yōu)點，相反，LabVIEW 非常注重與腳本編程語言的集成。到目前為止，LabVIEW 提供了外部程序接口，包括 DLL、ActiveX 和.NET 等。Matlab 具有大量的數(shù)據(jù)處理和分析能力，廣泛應(yīng)用于高等數(shù)學(xué)、系統(tǒng)建模、信號處理等領(lǐng)域。LabVIEW 編程語言和 Matlab 語言都是從同一底層語言發(fā)展而來的，因此可以建立一個混合編程環(huán)節(jié)。LabVIEW 提供了一個 Matlab 腳本編程模塊，該模塊作為 LabVIEW 程序中的一個節(jié)點，可以用兩種編程語言實現(xiàn)變量值的轉(zhuǎn)換。LabVIEW 不僅提供了一個集成的項目開發(fā)環(huán)境，而且在硬件和軟件兩個層次上建立了高效的軟件體系結(jié)構(gòu)，此外，大量的通信選擇將促進(jìn)項目開發(fā)周期的縮短和開發(fā)成本的降低。因此，工程師可以很容易地在 LabVIEW 平臺上配置、創(chuàng)建和維護(hù)一個高性能、低成本的測量系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)過程設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

鍋爐燃燒狀態(tài)監(jiān)測與優(yōu)化系統(tǒng)是電廠分散控制系統(tǒng)(DCS)的插拔系統(tǒng)，總體設(shè)計過程中應(yīng)考慮以下需求分析:

(1)實時性：實時性要求系統(tǒng)根據(jù)燃燒狀態(tài)的變化快速響應(yīng)，通信方式應(yīng)具有傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點。

(2)穩(wěn)健性：魯棒性是指系統(tǒng)不能自我崩潰，參數(shù)的調(diào)整應(yīng)保持在安全范圍內(nèi)，具有速度限制的功能。

(3)精確度：精度特性主要指兩個方面，第一個方面是信號傳輸?shù)木?，第二個方面是預(yù)測模型的精度。

總體而言，該系統(tǒng)由控制站、狀態(tài)監(jiān)測站和燃燒優(yōu)化站三部分組成?？刂普景?DCS、測量裝置和 OPC 服務(wù)器，負(fù)責(zé)控制、測量和通信等功能。狀態(tài)監(jiān)測站主要負(fù)責(zé) OPC 客戶端傳輸?shù)膮?shù)分析和顯示功能。燃燒優(yōu)化站是系統(tǒng)的核心部分，利用智能優(yōu)化算法建立預(yù)測模型，計算當(dāng)前工況下的最優(yōu)輸入?yún)?shù)。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測站的設(shè)計

狀態(tài)監(jiān)測站的重點是 OPC 通信的設(shè)置。OPC 服務(wù)器位于 DCS 主機(jī)上，可以讀取采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，或者寫入控制系統(tǒng)的操作參數(shù)。OPC 客戶端位于狀態(tài)監(jiān)測站。OPC 服務(wù)器設(shè)置中最重要的步驟是建立參數(shù)標(biāo)記，每個標(biāo)記對應(yīng)一個參數(shù)，這個參數(shù)有自己的物理地址和數(shù)據(jù)類型。多維參數(shù)，如二次空氣和過燃空氣油門開放可以定義為一個陣列，以便方便地管理這個標(biāo)簽 。

2.3 燃燒優(yōu)化站設(shè)計

鍋爐燃燒優(yōu)化站的設(shè)計主要包括三個步驟:優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計、預(yù)測模型設(shè)計和優(yōu)化算法設(shè)計。當(dāng)前發(fā)電企業(yè)面臨著激烈的市場競爭，主要目標(biāo)是降低煤耗，提高鍋爐燃燒效率，同時，電廠也面臨著嚴(yán)格的大氣污染物排放限制政策，許多電廠都在試圖控制煤燃燒階段的氮氧化物排放量，這可以大大節(jié)省煙氣脫硝的成本。為此，提出了一個既考慮鍋爐燃燒效率又考慮氮氧化物生成量的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，并用一個加權(quán)因子來平衡兩個具體指標(biāo)。進(jìn)一步設(shè)計預(yù)測模型，鍋爐燃燒系統(tǒng)具有非線性、多參數(shù)、強(qiáng)耦合等特點，理論建模效果不理想。目前，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有很強(qiáng)的自適應(yīng)和非線性擬合能力，是電站鍋爐燃燒系統(tǒng)建模的理想工具。在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，影響燃燒狀況的輸入?yún)?shù)有兩類，一類是人工不可調(diào)參數(shù)，如鍋爐負(fù)荷、總風(fēng)量、總?cè)剂狭?、煤質(zhì)特性、燃燒器類型和燃燒方式等;另一類是人工可調(diào)參數(shù)，如二次風(fēng)、過燃空氣開口、各給煤機(jī)給煤量、過?？諝庀禂?shù)等。

本文選擇三層 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為預(yù)測模型，選取13個燃燒系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。用于評價鍋爐燃燒效率的輸出參數(shù)有鍋爐尾氣溫度、氧含量和飛灰含碳量三個，表征污染物排放量為脫硝前的氮氧化物含量。

2.4 人機(jī)界面設(shè)計

LabVIEW具有人機(jī)界面設(shè)計靈活的優(yōu)點。在人機(jī)界面設(shè)計過程中，考慮了軟件的機(jī)密性和權(quán)限，設(shè)計了用戶登錄和管理功能。只有當(dāng)用戶登錄到系統(tǒng)時，他或她才有權(quán)使用系統(tǒng)。四個功能接口:狀態(tài)監(jiān)測，燃燒優(yōu)化，圖表和指示幫助開發(fā)。

3 應(yīng)用結(jié)果及分析

應(yīng)用實例是一臺600 MW 超臨界燃煤鍋爐，該鍋爐為單爐型，ii 型布置，全懸浮結(jié)構(gòu)，鍋爐燃燒系統(tǒng)由6層低氮燃燒器和2層過燃空氣燃燒器組成，這種燃燒器布置在爐膛的四個角落。四角切圓燃煤鍋爐具有空氣與煤粉混合強(qiáng)、點火迅速、燃燒路徑延長等優(yōu)點，但也存在著火焰中心偏移、煙溫偏差、NOx 濃度過高等問題。針對上述問題，我們在該鍋爐上實現(xiàn)了該系統(tǒng)，并在以下兩個部分給出了應(yīng)用結(jié)果。

首先，將鍋爐尾部煙道鎳鉻鎳硅熱電偶煙溫點、管式氧化鋯氧濃度測量點、煙道碳含量和氮氧化物濃度分析儀測量點的測量數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)測站，并利用 LabVIEW 波形圖實時顯示鍋爐燃燒狀況的重要參數(shù)。

其次，對于燃燒優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行分析能夠得出，鍋爐在40% 負(fù)荷下進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整后，采用寶塔式布風(fēng)方式，其優(yōu)點是提高了煤粉的截留能力，改善了煤粉的著火性能，同時適當(dāng)增加過燃空氣量有助于NOx的燃燒和降低排放。雖然氧含量增加了0.4%，但煙氣溫度、飛灰含碳量和NOx含量分別下降了31.5 ℃、0.31%和51 mg/m3。當(dāng)鍋爐接近滿負(fù)荷運行時，六層燃燒器全部投入運行，二次風(fēng)門開度由77%降至29%，兩層過燃風(fēng)門開度分別增加9%和12%。在此期間，鍋爐尾煙溫下降了43.8 ℃，飛灰含碳量下降了0.77%，NOx含量下降了71 mg/m3。

4 結(jié)束語

綜上，本文設(shè)計了一個基于LabVIEW開發(fā)平臺的燃燒狀態(tài)監(jiān)測與優(yōu)化系統(tǒng)。LabVIEW具有許多工程開發(fā)的優(yōu)點，極大地提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率，節(jié)省了系統(tǒng)測試和維護(hù)的時間。從某600 MW機(jī)組的應(yīng)用結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對重要參數(shù)的燃燒狀態(tài)監(jiān)測，通過優(yōu)化二次風(fēng)和過燃空氣分布，有效地控制了鍋爐尾煙溫度、氧含量、飛灰含碳量和NOx排放。