李飛舟

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325600）

0 引言

鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)通常被分為三個關(guān)鍵子控制系統(tǒng)，分別是燃料控制系統(tǒng)、送風(fēng)控制系統(tǒng)和引風(fēng)控制系統(tǒng)。每個子控制系統(tǒng)都在鍋爐的正常運行中扮演著至關(guān)重要的角色，以確保主蒸汽壓力的穩(wěn)定以及整個鍋爐系統(tǒng)的高效運行。

燃料控制系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入爐膛的燃料量，以維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。這一系統(tǒng)的關(guān)鍵作用在于控制燃料的供應(yīng)，以滿足當(dāng)前負(fù)荷需求，通過精確地調(diào)整燃料量，確保主蒸汽壓力在合適的范圍內(nèi)小幅波動，從而保障鍋爐系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。此外，燃料控制系統(tǒng)還能夠影響鍋爐的燃燒效率，有助于減少能源浪費，降低運行成本。

送風(fēng)控制系統(tǒng)能夠通過調(diào)節(jié)進(jìn)入爐膛的送風(fēng)量，確保燃料燃燒所需的適量氧氣，同時保持燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。這個系統(tǒng)的關(guān)鍵作用在于維持理想的空燃比，以提高燃燒效率和降低污染物排放，通過智能調(diào)整送風(fēng)量，確保鍋爐在不同負(fù)荷下都能保持高效燃燒，減少過多的空氣流入爐膛，降低熱損失，提高能源利用率。

引風(fēng)控制系統(tǒng)能夠通過調(diào)整引風(fēng)量，確保送風(fēng)量和引風(fēng)量之間的平衡，維持爐膛壓力的穩(wěn)定。這一系統(tǒng)的作用在于保持鍋爐內(nèi)部氣壓平衡，防止過多的空氣進(jìn)入或排出爐膛，從而維護(hù)鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性。引風(fēng)控制系統(tǒng)的精確調(diào)節(jié)也有助于減少氣流湍動和振蕩，降低設(shè)備的損耗，延長鍋爐的壽命。

綜上，通過協(xié)調(diào)這三個子控制系統(tǒng)，特別是通過調(diào)節(jié)燃料控制系統(tǒng)以維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定，對整個鍋爐系統(tǒng)的正常運行具有關(guān)鍵性作用。保持主蒸汽壓力的穩(wěn)定性不僅關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量，還有助于提高能源利用率，減少環(huán)境污染。因此，主蒸汽壓力的穩(wěn)定控制在工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中具有不容忽視的重要意義。

1 問題概述

超臨界機(jī)組鍋爐具有大慣性和時滯性的特點，這也為機(jī)組正常一次調(diào)頻、二次調(diào)頻增加了困擾，影響了機(jī)組正常運行以及電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。因此，超臨界機(jī)組的汽壓響應(yīng)特性與超前控制策略成為研究熱點。目前研究人員提出了包括解耦的協(xié)調(diào)控制、變結(jié)構(gòu)控制、動態(tài)前饋控制等，取得了相應(yīng)的效果[1]。預(yù)測控制可以充分利用影響因素在時間上的先驗信息，實現(xiàn)控制效果的超前性，適用于具有多因素、大慣性的系統(tǒng)預(yù)測。

大型高參數(shù)機(jī)組的高主蒸汽溫度和壓力對機(jī)組的燃燒系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)格的要求。主蒸汽壓力過高可能導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備受損，而過低的壓力則無法保障機(jī)組正常運行，主蒸汽壓力的不穩(wěn)定性不僅會對機(jī)組設(shè)備和整個發(fā)電過程產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響，還會給企業(yè)帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。盡管不同機(jī)組的負(fù)荷特性因其用途而異，但機(jī)組控制的關(guān)鍵目標(biāo)之一都是克服各種干擾因素，以確保主汽壓力在規(guī)定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，從而保障機(jī)組的安全運行。

通常情況下，火電機(jī)組采用調(diào)整燃料供應(yīng)和風(fēng)量的方式來調(diào)節(jié)鍋爐主蒸汽壓力。然而，從燃料供應(yīng)到主蒸汽壓力的傳遞通道具有較大的滯后和慣性時間常數(shù)。主汽壓力波動的原因多種多樣，但本質(zhì)上都是機(jī)組熱量的不平衡變化引起的。而機(jī)組熱量不平衡的主要影響因素包括鍋爐燃燒的波動和蒸汽側(cè)的波動。

影響主汽壓力波動的主要因素是內(nèi)部干擾，即燃料供應(yīng)的變化，這種干擾對主汽壓力的影響最為顯著。同時，蒸汽側(cè)的波動也會對主汽壓力產(chǎn)生一定影響，可以看作是外部干擾因素。為確保機(jī)組的主蒸汽壓力維持在適當(dāng)范圍內(nèi)，必須確保鍋爐中燃燒的煤粉所產(chǎn)生的熱量能夠跟隨蒸汽側(cè)熱量波動的變化，以盡可能維持機(jī)組的熱量平衡。這一過程對于機(jī)組的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

超前預(yù)測控制是采用數(shù)據(jù)建模的方式判斷系統(tǒng)觀測量的超前變化趨勢，進(jìn)而可以提前計算控制量，使得執(zhí)行器提前動作，其能夠有效改善復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性和不可控性，適用于主汽壓力控制。超前預(yù)測在超臨界機(jī)組的應(yīng)用很廣泛，主要包括機(jī)組的蒸汽品質(zhì)控制、風(fēng)煙控制、煙氣污染物控制等[2]。

2 主蒸汽壓力波動因素分析

主蒸汽壓力作為鍋爐燃燒控制的另一項主參數(shù)，過高會使各承壓部件應(yīng)力增加，設(shè)備損壞風(fēng)險升高，汽輪機(jī)末幾級葉片蒸汽濕度增大，影響葉片壽命；過低除機(jī)組經(jīng)濟(jì)性無法保證外，為維持負(fù)荷還需增大蒸汽流量，導(dǎo)致汽輪機(jī)組軸向位移增加，動靜碰摩的可能性增大。

為了最大程度降低主蒸汽壓力的波動，需要綜合考慮內(nèi)外部因素，并采取相應(yīng)的控制措施，以提高鍋爐系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和效率。

1）燃燒過程不穩(wěn)定：鍋爐燃燒的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致主蒸汽壓力波動。這包括燃料供給不均勻、燃燒空氣不足或過量等情況。

2）負(fù)荷變化：工業(yè)鍋爐通常用于供熱或發(fā)電，負(fù)荷的變化會導(dǎo)致主蒸汽壓力波動。例如，突然的負(fù)荷增加可能會導(dǎo)致主蒸汽壓力下降，反之亦然。

3）鍋爐燃燒設(shè)計因素：鍋爐本身的設(shè)計方案，如管道、閥門、燃燒室等部件的不合理設(shè)計，可能會引起主蒸汽壓力的波動。

4）燃料質(zhì)量波動：燃料的質(zhì)量和成分波動可能會影響燃燒過程，導(dǎo)致主蒸汽壓力波動。

3 主蒸汽壓力預(yù)測控制方法

基于LSTM（長短時記憶網(wǎng)絡(luò)）的主汽壓力預(yù)測控制可以用于提前預(yù)測主汽壓力的變化趨勢，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果來實施控制策略，以維持鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1）數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理：收集歷史主汽壓力數(shù)據(jù)，包括采樣時間和主汽壓力值、負(fù)荷指令、給水主控、燃料主控、閥門狀態(tài)等。對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如去除異常值、歸一化處理等，以準(zhǔn)備用于LSTM模型的訓(xùn)練和測試。

2）數(shù)據(jù)劃分：將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集、驗證集和測試集。通常，訓(xùn)練集用于訓(xùn)練LSTM模型，驗證集用于調(diào)整模型參數(shù)，測試集用于評估模型性能。

3）LSTM模型建立：使用Keras深度學(xué)習(xí)框架建立LSTM模型。模型結(jié)構(gòu)為[1，50，50，50，1]，其中前面為帶有Dropout的LSTM層，最后一個全連接層用于輸出主汽壓力的預(yù)測結(jié)果。

4）模型訓(xùn)練與預(yù)測：使用訓(xùn)練集對LSTM模型進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中需要定義損失函數(shù)和優(yōu)化器，并監(jiān)測模型在驗證集上的性能。

實驗采集了某350 MW超臨界機(jī)組的主汽壓力值、負(fù)荷指令、給水主控、燃料主控、閥門狀態(tài)數(shù)據(jù)，采樣間隔10 s，共30 000個數(shù)據(jù)點，部分原始數(shù)據(jù)趨勢如圖1所示。

圖1 負(fù)荷指令、燃料主控與主蒸汽壓力趨勢（預(yù)處理后）

LSTM預(yù)測結(jié)果與真實數(shù)據(jù)的對比如圖2 所示，本實驗采集了30 000個測點數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)以2:8的比例劃分為訓(xùn)練集、測試集，圖2展示了其中主蒸汽壓力波動較為明顯的一段數(shù)據(jù)，可見預(yù)測結(jié)果可以跟隨變化趨勢，在設(shè)置迭代次數(shù)為100時，損失函數(shù)為均方差，最終算法最小化偏差的結(jié)果為0.073 2。

圖2 LSTM預(yù)測結(jié)果與原數(shù)據(jù)對比

圖3為預(yù)測控制仿真實驗結(jié)果圖，在原鍋爐主控增加預(yù)測值前饋后，對比主汽壓控制效果，可見控制品質(zhì)有明顯改善，其穩(wěn)定性、精確性都有了明顯的提升。新的控制策略和算法的實施使得主汽壓力響應(yīng)外部擾動更加快速，減小了系統(tǒng)的波動性。這對于保護(hù)機(jī)組設(shè)備免受高主汽壓力或低主汽壓力可能造成的損害至關(guān)重要。

圖3 優(yōu)化前后仿真實驗結(jié)果

4 結(jié)論

引入LSTM預(yù)測技術(shù)后，鍋爐系統(tǒng)對主蒸汽壓力的控制得到了顯著改進(jìn)。通過LSTM模型的預(yù)測，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測汽壓變化趨勢，改善控制裕度，使得鍋爐系統(tǒng)能夠更及時、更精確地作出反應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)對主蒸汽壓力更為穩(wěn)定和高效的控制。