基于智能技术的煤粉锅炉燃烧系统建模与优化运行的研究.pdf

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1、中南大学硕士学位论文基于智能技术的煤粉锅炉燃烧系统建模与优化运行的研究姓名：周永强申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：刘玉长20070530摘要在火电发电成本中，燃料费用占有很大比例，在我国，由于管理水平和煤质变动等方面的原因，造成锅炉机组煤耗较高，增加了生产成本。而提高锅炉系统的运行水平，促进机组的节能降耗，是降低运行成本，提高电厂竞争能力的重要途径。本文针对煤粉锅炉操作人员在燃烧调整过程中缺少及时调整的依据的问题，做了如下主要工作：(1)在试验数据的基础上，利用人工神经网络技术把锅炉诸多运行参数(负荷，配风方式和煤质特性等)与锅炉的排烟温度、飞灰含碳量和炉渣含碳量关联起来，并结合锅炉

2、反平衡效率计算方法，建立了预测锅炉燃烧效率的混合模型。(2)在建模中，采用了B P 神经网络，比较了两种提高神经网络的泛化性能的方法：采用归一化均方误差函数；B a g g i n g 神经网络集成。实验结果表明，由7 个独立B P 网络组成的神经网络集成，在验证集上，排烟温度、飞灰含碳量和炉渣含碳量的最大相对误差分别为3 9 2，4 8 和4 9 3，比采用归一化均方误差函数的单个神经网络具有更好的泛化性能。(3)在建立锅炉效率预测模型的基础上，针对简单遗传算法的缺点，采用基于实数编码的自适应遗传算法进行寻优。寻优结果表明，在试验工况上，效率平均提升幅度约为1，而且各操作参数的优化值与试验数

3、据分析也较为吻合。本文利用人工智能技术对锅炉燃烧系统的优化操作进行了研究。重点考虑建模时模型的泛化性能，采用了神经网络集成技术，并获得了良好的效果。关键词煤粉锅炉，神经网络，建模，遗传算法，优化操作A B S T R A C TT h ef u e lc o s tt a k e sg r e a tp r o p o r t i o ni nt h ec o s to ft h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n I nd o m e s t i cs i t u a t i o n,b e c a u s eo f t h ep r o b l e

4、mo fm a n a g e，c o a lq u a l i t ya n dS Of o m l，t h ec o a lc o n s u m p t i o no f b o i l e r si sh i g h，r e s u l t i n gi nt h ei n c r e a s e dp r o d u c t i v ec o s t A n 正i ti si m p o r t a n tm e a n st oi m p r o v et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo fp o w e rp l a n tb ye

5、n h a n c i n gt h er u n n i n gl e v e lo fb o i l e r s,s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o n T h i sp a p e ra i m sa tt h ep r o b l e mt h a tt h et i m e l ya d j u s t m e n tb a s i si sl a c k e df o ro p e r a t o r so fb o i l e rd u r i n gc o m b u s t i o na

6、d j u s t m e n t T h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s：(1)B a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a，t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k st e c h n i q u eW a su s e dt oc o r r e l a t em a n yo p e r a t i o np a r a m e t e r s(b o i l e rl o a d,a i rd i s t r i b u t i o nm o

7、 d e，c o a lc h a r a c t e r i s t i e sa n dS Of o r t h)w i t ht e m p e r a t u r eo ff l u eg a s，c a r b o nc o n t e n ti nf l ya s ha n dc l i n k e r,a n dt h eh y b r i dm o d e lt op r e d i c tt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo fb o i l e rh a sb e e ne s t a b l i s h e du t i

8、 l i z i n gc o u n t e r-b a l a n c ec a l c u l a t i n gm e t h o do f b o i l e re f f i c i e n c y(2)I nt h em o d e l i n g，B Pn e u r a ln e t w o r kh a sb e e na d o p t e dt oc o m p a r et h ef o l l o w i n gt w om e t h o d sf o ra d v a n c i n gt h eg e n e r a l i z a t i o np e r

9、f o r m a n c eo f n e u r a ln e t w o r k：n o r m a l i z a t i o nm e a n-s q u a r ee r r o rf u n c t i o na n dB a g g i n gn e u r a ln e t w o r ke n s e m b l e T h er e s u l to fe x p e r i m e n tr e v e a l st h a tt h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o r so fn e u r a ln e t w o r ke

10、 n s e m b l ec o n s t i t u t e db y7i n d i v i d u a lB Pn e u r a ln e t w o r ka r ei n d i v i d u a l l y3 9 2，4 8 a n d4 9 3 f o ra s p e c t so ft e m p e r a t u r eo ff l u eg a s，u n b u r n e dc o a li nf l ya s ha n dc a r b o nc o n t e n to ft h ec l i n k e ri nt h ev a l i d a t i

11、 o nc o l l e c t i o n A n di th a sb e t t e rg e n e r a l i z a t i o np e r f o r m a n c et h a nt h en e u r a ln e t w o r ku s i n gn o r m a l i z a t i o nm e a n-s q u a r ee r r o rf u n c t i o n 1(3)O nt h ef o u n d a t i o no fp r e d i c t i v em o d e lo fb o i l e re f f i c i e

12、n c y，a d a p t i v er e a l c o d e dg e n e t i ca l g o r i t h mw a sa d o p t e dt oo p t i m i z ec o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g eo fs i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m T h eo p t i m i z a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ea v e r a g ee f f i c i e n c ye

13、n h a n c e db y1 a p p r o x i m a t e l yo nw o r kc o n d i t i o n s M o r e o v e r，e a c ho p t i m i z e dv a l u eo fo p e r a t i o np a r a m e t e r sv a l u et a l l yw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n td a t aa n a l y s i s T h eo p t i m i z a t i o n a lo p e r a t i o no fb o i l

14、e rc o m b o s t i o ns y s t e mW a ss t u d i e db ya r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y G e n e r a l i z a t i o np e r f o r m a n c eo fm o d e l i n gw a se m p h a s e s e d，n e u r a ln e t w o r ke n s e m b l et e c h n o l o g yw a su t i l i z e d，a c h i e v i

15、n ge x c e l l e n te f f e c t K E YW O R D S：p u l v e r i z e d-c o a lb o i l e r,n e u r a ln e t w o r k,m o d e l i n g，g e n e t i ca l g o d t h m,o p t i m i z a t i o n a lo p e r a t i o nl l I原创性声明本人声明，所呈交的学士论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含

16、为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在此论文中作了明确的说明。作者签名：西毖日期：皿兰月丝日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关规定送交学位论文。中南大学硕士学位论文第一章绪论1 1 锅炉简介第一章绪论热力发电厂中，将煤、石油、天然气等燃料或其它热源释放出来的热量，通过金属受热面传递给经净化的水，将其加热到一定压力和温度的水或蒸汽的换热设备称为锅炉。

17、锅炉包括锅和炉两大部分，锅是指热烟气加热金属受热面的那部分受压容器，炉则是燃料燃烧的场所。通常把燃料燃烧、放热、排渣、出灰等称为炉内过程，而把受热面内工质水的流动、传热、汽化、过热及热化学等统称为锅内过程。图1 1 为锅炉工作流程图。e图1-1 煤粉锅炉工作示意图a 一炉膛；b-R 热器,嘲煤器：卜空气预热器；e _ 锅筒；f 一下降管；r-水冷壁锅炉的工作过程：(1)烟气流程。炉膛中的高温燃烧产物释放出来的热量被水冷壁吸收。而燃烧产生的烟气则进入过热嚣(再热器)，省煤器及空气预热器进行热交换。烟气经充分冷却后，再经除尘装置(烟气净化装置)清除其中飞灰等有害物质，最后由引风机送往烟囱排入大气。

18、(2)汽水流程。锅炉用水由给水泵送入省煤器，加热后进入锅筒，在锅筒内，水从下部引入下降管，然后分别进中南大学硕士学位论文第一章绪论入水冷壁下部进口集箱，水冷壁管内，锅炉给水吸收炉膛辐射热，蒸发形成汽水混合物，并上升进入锅筒上部，锅筒内汽水混合物经汽水分离装置，水又回流入下降管，而汽则从锅筒顶部引出送入过热器。饱和蒸汽在过热器内不断被加热达到额定汽温后，再送往汽轮机中。在大型热力发电厂中。锅炉机组包括一个庞大的建筑和一套热交换，转动机械和处理的设备，工况十分复杂，其中某个部位产生故障，就会使整台机组停运，造成国民经济的重大损失。因此，锅炉设备的安全可靠运行，除配备有高度自动化的控制设备外，还要求

19、高水平的运行维修人员精心操作、维护和保养。锅炉用途广泛，不同领域使用的锅炉都具有其特殊的结构特点、技术要求和管辖范围。按蒸汽参数分类的如表1 1 所示；按用途分类的锅炉有工业锅炉、船用锅炉、电站锅炉及余热锅炉等；按介质分类的有蒸汽、热水和导热油等。表1-!各类机组的参数8 包括次高压机组(P=5 4 卯a rt=4 8 5)；h 二次再热汽温热电站锅炉的参数、容量及燃料品种方面变化范围最大，运行方式也多样，其类别主要有以下几方面。1)按循环方式：自然循环锅炉；辅助循环锅炉：直流锅炉；复合循环锅炉。2)按运行方式：定压运行；变压运行；复合变压运行。3)按承担负荷方式：基本负荷机组；中间负荷机组；

20、尖峰负荷机组。4)按燃料性质；固体燃料锅炉；液体燃料锅炉；气体燃料锅炉；余热利用锅炉。5)按燃烧方式：层燃锅炉；室燃锅炉；沸腾燃烧锅炉。6)按炉内烟气压力：平衡通风锅炉：微正压锅炉；正压锅炉。7)按锅炉整体布置形式：倒U 型锅炉；箱式锅炉；塔式锅炉；D 型锅炉。2中南大学硕士学位论文第一章绪论1 2 研究背景及意义电力是国家经济发展的支柱，在各种发电设备中，热力发电量占总发电量的7 0，在我国占7 5 左右【1 1。据国家统计局统计，2 0 0 5 年我国生产原煤2 2 0 4 7 2 9万吨，占能源生产量的7 6 4，其中发电用煤的消耗量为1 0 3 0 9 8 5 万吨，占全年产煤量的4

21、6 8。因此，我国在今后很长的一段时间里，仍以煤作为热力发电主要燃料，发电设备仍以燃煤锅炉为主。随着国民经济的不断发展和能源问题的日益紧张，提高火力发电机组的运行效率越来越受到人们的重视。目前，我国的火电站锅炉以亚临界和超临界大容量锅炉为主，由于设备本身和操作管理等方面的原因，性能指标与发达国家相比有较大差距，主要表现在煤耗高或热效率低。2 0 0 5 年，我国的平均标准煤耗为3 7 4 r d k w h(g 标准煤克)，与发达国家相比，多消耗5 0 9 k W h【2 l。据国家统计局统计，2 0 0 5 年全国火力发电量为2 5 0 0 2 6 亿千瓦时，以此推算，全国一年发电就要多消耗

22、约1 2 亿吨标准煤。因此，提高燃煤电站锅炉的热效率，节约有限的煤炭资源，是我国能源实现可持续发展的关键。电站煤耗的影响因素是多方面的，包括锅炉、汽轮机和发电机等设备的结构和运行操作、自动化程度和生产管理水平等，其中主要因素是锅炉运行偏离最佳工况，使热效率降低。在国内，发电用煤的来源和种类是经常变化的，锅炉实际运行燃用的煤种往往与设计煤种有差别，使得锅炉运行偏离最佳工况。另外，当外界功率、负荷发生变动时，各种运行参数也应该随着变化，使锅炉能够运行在最佳状态下。当锅炉运行偏离最佳工况后，如何调整到最佳的运行方式，以保证锅炉的安全经济运行，是我们十分关心的问题。巴陵石油化工有限责任公司热电事业部拥

23、有四台W G z l 3 0 l O o-1 型号和一台H G 2 2 0 1 0 0 _ l 的锅炉，主要是为各事业部的化工生产过程提供蒸汽和电力。近年来，该厂运行锅炉燃用的煤种热值远低于设计值，锅炉负荷受公司热负荷和电负荷变化的影响，波动较大，司炉在燃烧调整过程中缺少及时调整的依据，仅凭经验运行，使得锅炉难以运行在最佳工况之下，造成锅炉热效率较为低下，增加了运行成本。随着我国电力行业改革的不断深入，“厂网分开，竞价上网”的运行机制已成为现实。对各电厂而言，保障机组的安全经济运行，努力降低发电成本，是参与竞争的必由之路。在火电发电成本中，燃料费用一般要占较大的比例，提高锅炉系统的运行水平可以

24、极大地促进机组的节能降耗，具有显著的经济效益。因此，本项目的研究，不仅有重要的理论意义，还有着广阔的应用前景和巨大的社会效益。3中南大学硕士学位论文第一章绪论1-3 锅炉燃烧系统优化运行研究动态寻找有效的锅炉燃烧优化运行技术，以实现锅炉稳定、高效而洁净的燃烧，一直是国内外热能工程领域专家学者的研究目标。目前国内外该领域的研究文献较多，大体分为火焰图像处理技术、燃烧理论建模技术、人工神经网络技术三大类别。1 3 1 基于火焰图像处理技术的研究动态近些年来，国内外对炉膛火焰检测和燃烧诊断进行了广泛和深入研究，日本的S h i m a d a 等入【3 l 利用燃烧区域火焰图像处理技术，对燃煤锅炉炉

25、膛出口未燃尽碳进行预测，得到了预测值与实际值较好的符合，可以用未燃尽碳作为优化目标，指导锅炉经济运行；美国电力研究院(E P R I)采用声学高温计和红外探头对电站锅炉炉膛进行了燃烧诊断及测温试验1 4 l；芬兰的I m a l r a n V o i m a o y 公司l，】、日本日立公司 6 1、三菱重i t 7 等都在运用可见光检测火焰方面进行了研究。国内，早些年，华中科技大学的周怀春等(1 9 9 5)提出了基于参考点测温的火焰温度测量的单色法i s l，即实测一个温度点作为参考点，图像上其它任一点的温度根据参考点获得。杨宏曼等人通过对炉膛火焰的图像采集，利用计算机数字图像处理技术及

26、人工神经网络模型分析方法，开发了炉膛火焰图像燃烧诊断系统为电站锅炉燃烧优化控制提供了新途径 9 1。电力部自动化研究所许可夫根据火焰辐射与其温度的关系利用数字图象处理技术进行电站锅炉炉膛动态温度分布的测试【1 0】。近些年来，黄思林，王飞等人以炉膛火焰图像处理技术为手段获取炉膛温度场。研究影响炉膛出口烟气中N o x 含量的因素，建立了针对煤粉锅炉炉膛出口N O x 含量的监测模型【1。上海交通大学余岳峰等采用三色波长光谱测量法和温度分段线性化的方法来计算煤粉火焰温度，得到了较准确的火焰温度分布结果1 1 2】，赵铁成等提出了基于火焰锋面动态检测的着火判据，并与国家电力公司合作开发了基于D S

27、 P 和数字视频技术的图象火焰检测系统，解决了复杂判据无法实时运行的困难，也是国内第一套基于D S P 的图象处理火检系统 1 3,1 4 。华中科技大学周怀春等人提出了一种针孔成像条件下的快速方法计算C C D 靶面接收的辐射能。成像像素接收到的系统网格单元的辐射能的份额的计算结果和辐射能图像计算结果均体现了成像过程的方向选择性和辐射能传递规律的作用。针对炉膛燃烧三维温度场重建的严重病态问题建立了一种基于T i k h o n o v 正则化的求解方法【1 5】。浙江大学的自卫东等通过对火焰图像进行分析，提取火焰亮度、火焰面积、质心偏移距离和圆形度等7 个特征量。然后基于主元分析技术，提出一

28、种对燃烧火焰稳定性进行监视和诊断的方法，采用H o t e l l i n g T 2 和Q 两个统计量对每一时刻的图像数据向量进行监测，检验是否超过各自的控制限，只要这两个统计量之4中南大学硕士学位论文第一章绪论一越限，则可判定燃烧出现异常。同时他们应用支持向量机方法分别对特征向量和原始图像数据进行识别分类，结果表明基于主元分析原理和支持向量机方法所得到的结果是一致的【峋。浙江大学热能工程研究所黄群星，严建华等人针对现有温度场重建算法无法满足实时在线监测的要求，提出了基于二元矩形插值公式的滤波反投影重建算法，通过对火焰图像中获取的投影数据进行插值后滤波反投度分布切片，校正后的比色法测温公式被

29、用来计算断面内各点的温度值，最后通过O p e n G L 技术将各断面的温度显示在三维坐标中。该算法降低了温度场重建的时间复杂度，从现场3 0 0 W M 电站锅炉的实际测试，达到了现场在线监测的要求【1 7 1。火焰图像处理技术指导锅炉燃烧优化运行虽然是一种新途径，但其大多用于火焰稳定性和燃烧安全性的监督。1 3 2 基于燃烧理论建模技术的研究动态国内一些学者对燃烧理论建模和求解方法进行了深入的研究，取得了可喜的研究成果。哈尔滨工业大学陈炳华【l q 等人为了达到锅炉的优化运行以保证煤粉气流及时着火和充分燃尽，采用I P S A 两相流动模型和煤粉燃烧综合模型，在不同的一次风率和煤粉细度的

30、情况下，对l 台3 5 0 M W 锅炉煤粉燃烧过程进行了数值模拟，分析了一次风率和煤粉细度对煤粉着火燃烧和飞灰含碳量的影响规律j 并确定了一次风率和煤粉细度的优化运行参数值。华中理工大学徐明厚、胡泰来等人【1 9 1 以株洲电厂配1 2 5 M W 机组的4 2 0 t h 同心反切圆锅炉为研究对象，对不同工况下，锅炉炉内空气动力锅炉场、温度场煤粉颗粒轨迹等进行了数值计算，分析了该锅炉结渣的原因，提出了通过改变一次风、二次风的动量矩，改善该锅炉结渣和燃烧经济性的措施。但其只能进行离线计算，无法完成在线指导。华中科技大学郑楚光、赵海波建立了对实际锅炉煤粉燃尽率与飞灰含碳量预测的一维计算方法，将

31、煤的燃烧特性与锅炉结构特性相结合，进行实际锅炉中煤粉燃尽率与飞灰含碳量的预测【2 0】。武汉大学刘勇等人通过研究锅炉N O。生成机理，建立了简化的N o x 生成模拟模型，具有计算量小，计算速度快的优点，而且模拟计算预测值具有较高的精度。但是该模型还没有应用到实际中，其正确性与实用性有待求证【2 l】。尽管这些模型的侧重点不同，但它们大部份都有以下共同：计算过程复杂、耗时长，在有些燃烧机理不清楚的情况下，难以建立完善、精确的电站锅炉燃烧模。这些特点决定了这种技术多用于离线分析、研究和仿真，而不适用于在线进行操作指导。1 3 3 人工神经网络技术的研究动态神经网络的出现为非线性、多变量复杂系统的

32、研究提供了一条崭新的思路。5中南大学硕士学位论文第一章绪论人工神经网络是由大量的基本单元神经元互相连接而成的网络系统，典型的网络结构有多层前向网络、H o p f i e l d 反馈网络、K o h o n e n 自组织网络等。在工程上应用较多的是多层前向网络，已经证明三层或三层以上前向神经网络具有逼近任意非线性映射的能力 2 2,2 3 1。人工神经网络最显著的特征是具有学习能力，在一定规则下，通过调整神经元之间的连接权值，使输入、输出向量之间，满足隐含在训练样本中的特定映射关系。煤粉在电站锅炉中的燃烧是由燃料燃烧、传质、传热、流动等热工过程组成的，是一个十分复杂的物理、化学过程，是典型

33、的多输入、多输出非线性系统，参数之间耦合性强，至今，人们对电站锅炉燃烧过程的某些机理，尚不清楚，这就决定了用神经网络方法建立电站锅炉燃烧模型是非常适合的。该方法不必研究燃烧过程的机理，而用一个黑箱把其罩起来，利用从实际锅炉上采集的数据样本，来训练神经网络，使网络学会和掌握隐含在输入、输出数据间的锅炉燃烧过程的内在规律，反映出锅炉燃烧过程的特性。2 0 世纪9 0 年代，国内外不少学者将人工神经网络应用于锅炉燃烧系统优化运行，在这方面进行了广泛和深入的研究，取得了一些成果。K。ER e i n s c h m i d t 2 4(1 9 9 1，美国)采用神经网络方法对电站锅炉进行了仿真研究，同

34、时指出神经网络方法在电站锅炉控制中具有广阔的应用前景；QI r w i n 等t 2 5 1(1 9 9 5，英国)采用前馈神经网络方法建立了2 0 0 M W 燃油锅炉的非线性模型，并对之进行了离线控制，取得了良好的控制效果；M H u n t 等1 2 6 1(1 9 9 4，美国)采用人工智能方法，对一台6 5 0 M W 机组的热效率、污染物排放及维修状况进行了在线诊断，结果使锅炉的热效率得到提商N O x 的排放量得到降低：I 乙C B o o t h 等【2 7 1(1 9 9 8，美国)采用神经网l 络方法对一台4 0 0 M W 的锅炉进行了燃烧优化控制，结果锅炉热效率提高0

35、5，N O。的排放量降低2 0 2 5。国内，赵利敏等人采用B P 人工神经网络来预示锅炉燃烧特性，以煤元素分析成分、锅炉结构、锅炉运行参数等5 5 个参数作为网络输入参数，以煤粉气流着火温度、燃烧切园直径、无助燃油最低负荷、未燃碳热损失最为网络输出，通过B P 网络对燃烧的稳定性、结渣性、燃尽性进行预示，但其不能实现在线锅炉运行指导，离工程应用有一定差距网。浙江大学热能工程研究所周吴 2 9 1 等人采用B P 人工神经网络对某合3 0 0 M W锅炉飞灰含碳量特性进行建模，建立锅炉热效率和锅炉相关运行参数(一、二次风门开度、燃尽风门开度、煤质、负荷)之间的关系，设定锅炉熟效率为优化目标，利

36、用普通遗传算法进行寻优计算，实现燃烧优化，但未明确计算锅炉预测效率时所用到的排烟温度的计算。由于受到B P 神经网络自身的限制，即使经过改进，其训练速度还是较慢、易陷于局部最优，难以实现在线训练，为此没有实现6中南大学硕士学位论文第一章绪论在线训练建模。林波提出了遗传算法的P I D 参数整定寻优的方法，基于燃烧过程的复杂性，采用B P 神经网络来逼近锅炉燃烧过程的复杂的非线性关系，在实际训练中采用了改进的L M 算法来加快学习过程，分析了电站燃烧控制中风，煤比对锅炉效率和污染物排放的影响，为优化燃烧控制系统的设计和实现提供了一种较为新颖的途径刚。东南大学王培红等人借助锅炉优化燃烧特性试验数据

37、，建立了B P 神经网络模型与函数模型的混合模型，并利用十进制遗传算法，提出了电站锅炉高效低污染优化控制问题的一种解决方案，试验表明，模型的计算结果与基于机理的定性分析结论是一致的1 3 1 翊。清华大学张毅等人，借助正交实验获取锅炉燃烧系统相关数据，基于人工神经网络建立反映锅炉效率和N o x 排放特性的模型，通过引入成本系数，将N o x排放特性和反映锅炉效率的特征量统一起来，并应用基于实数编码的遗传算法对锅炉高效低N O x 运行进行寻优。理论分析和实验结果表明，该方法可获得锅炉的最佳运行参数 3 3 1。上海交通大学王强以锅炉燃烧系统为研究对象，利用三层B P 神经网络，构造了一个神经

38、网络自适应控制器，使用从电厂锅炉运行所获得的实际运行数据训练神经网络，经过训练网络建立了锅炉燃烧系统自适应控制器，仿真结果表明，该系统在负荷扰动和给定值变化情况下，都能正常工作，具有良好的调节品质州。东北大学李智等人构造了一种能够进行在线训练的R B F 神经网络，并结合实数编码遗传算法，开发了阜新电厂2 号机组锅炉的燃烧优化系统，提高锅炉效率1个百分点【3 卵。但是该优化系统没有考虑锅炉氮氧化物的排放，另外，某些训练数据需要定时人工测量并输入，无法实时在线测得，因此并没有实现真正意义上的在线建模。从上述国内外锅炉燃烧优化运行研究文献来看，神经网络具有很好的非线性特性，适于建立锅炉燃烧模型。但

39、这方面的大部份研究成果停留在研究阶段，离实际应用还有一段距离，因此本文拟在此方面做一些有益的研究和探索。1 4 本文的研究内容本文在研究影响锅炉效率诸多因素的基础上，利用人工神经网络技术构造基于神经网络集成与机理模型相结合的锅炉效率混合模型；在该模型的基础上，运用遗传优化算法对锅炉操作参数进行寻优，并建立一个锅炉燃烧优化操作指导系统，为锅炉操作人员提供指导。本文的主要研究内容如下：(1)根据现场试验数据，研究分析各运行因素对锅炉效率的影响，为神经网络建模和遗传算法寻优提供依据。7中南大学硕士学位论文第一章绪论(2)对B P 神经网络的特性与泛化性能进行研究，在实测数据的基础上，根据影响锅炉效率

40、的操作参数，构造一个基于B P 神经网络集成与机理模型相结合的锅炉效率预测模型，将锅炉的一些操作参数跟效率关联起来，为寻优操作提供条件。(3)对遗传算法的特性进行研究，在效率预测模型的基础上，采用基于实数编码的自适应遗传寻优算法，对锅炉操作参数进行寻优，为锅炉操作提供有效的指导。(4)研究锅炉效率的在线计算方法，根据实际情况，假设现场煤质在一段时间内没有变化或变化不大为前提，计算锅炉的效率。(5)利用M A T L A B 的神经网络工具箱和英国谢菲尔德大学的遗传算法工具箱，在M A T L A B 环境中开发锅炉燃烧优化操作软件，并仿真验证计算结果。S中南大学硕士学位论文第二章锅炉燃烧性能试

41、验研究第二章锅炉燃烧性能试验研究锅炉运行的经济性很大程度上决定了整个电厂运行的经济性。现代火电机组中，锅炉效率提高l，整个发电机组的效率可提高O 3 o 4 左右，标准煤耗可下降3 4 9 帖w h)左右【1 1，因此，锅炉运行经济性的改变主要体现在锅炉效率大小的变化上。锅炉效率与燃烧煤种、炉膛及燃烧器结构、燃烧运行工况等多种因素密切相关。当燃烧煤种和锅炉结构参数确定后，锅炉效率就主要决定于锅炉的运行工况，因此，要提高锅炉效率，就必须对各工况下的运行参数进行优化，以指导锅炉的运行。锅炉的热态试验是了解锅炉燃烧性能和运行特性的必要手段，可分为正平衡法和反平衡法两种。由于反平衡法能够求出锅炉各项热

42、损失的具体数值，从而可以了解锅炉的工作情况并找出提高锅炉效率的措施，所以对于容量较大的锅炉，主要采用反平衡法来确定锅炉的热效率。本章通过分析一台1 3 0 t h 锅炉的现场试验数据，研究锅炉各运行因素对该燃烧性能的影响，为以后章节中的建模和寻优结果的验证做准备。2 1 锅炉热效率分析所谓反平衡效率计算，就是通过反平衡试验测定出锅炉的各项热损失：排烟损失q：()、气体未完全燃烧损失9 3()、固体未完全燃烧损失鼋4 惭)、散热损失吼惭)、灰渣物理热损失9 6(呦，然后按下式计算出锅炉机组的效率：1 7=1 0 0-(吼+q 3+吼+吼+鼋6)(2。1)在反平衡锅炉效率计算中，受运行状况和燃料特

43、性影响较大的损失项目包括烟气损失、固体未完全燃烧损失和气体未完全燃烧损失，其中气体未完全燃烧损失一般很小，对于本文研究对象，只占总输入热量的O 0 4。其中，烟气损失取决于排烟温度和烟气含氧量；固体未完全燃烧损失主要取决于飞灰含碳量和炉渣含碳量。下面具体分析各主要运行参数对锅炉运行经济性的影响及其调整方法。2 1 1 过量空气系数的影响及调整方法锅炉运行中一般用氧量信号来监督过量空气系数。过量空气系数直接影响炉内燃烧的好坏和排烟热损失的大小。在一定范围内，当过量空气系数增加时，煤粉燃烧较为充分，气体不完全燃烧热损失和固体不完全热损失降低，但由于烟气量增大，排烟热损失也随着增大。同时，也将使送、

44、引风机的电耗增加。当炉膛9中南大学硕士学位论文第二章锅炉燃烧性能试验研究过量空气系数超过一定限度，大量的空气会使炉温下降，并迫使煤粉在炉内的停留时间缩短，从而使得固体未完全燃烧损失增加。过量空气系数的选取原则是：在满足燃烧正常、充分的条件下，过量空气系数应尽可能少。通常，在高负荷运行时，由于炉膛温度高，燃料的着火与混合条件好，燃烧稳定。为提高锅炉效率，可根据燃料性质，适当降低过量空气系数，使排烟热损失减少。低负荷运行时，因炉膛温度较低，火焰充满度差，燃料着火与混合条件差，使不完全燃烧热损失较高，经济性差，为提高锅炉运行效率，可适当增大过量空气系数，减少不完全燃烧热损失。2 1 2 一次风的影响

45、及调整方法一次风速选取太低，不篚完成输送煤粉的任务，造成一次风管堵塞，不但运行人员需要付出艰苦的体力劳动吹管疏通，而且造成煤粉缺角给粉不均现象，很多一次风管严重堵塞，甚至造成因煤粉浓度太低而灭火的事故，严重威胁安全生产。若一次风速选取过高，不但使煤粉浓度偏低，影响燃烧稳定性，同时也会使得煤粉着火推迟，不完全燃烧损失增加。另外，一次风速过高时，给粉机下部垂直管段至一次风管中闻产生正压而造成托粉现象，使得给粉机失控，即使开大给粉机，煤粉也无法下落至一次风管，让一次风送进炉膛，造成给粉不均现象，从而影响了的稳定性，固体未完全燃烧也随之增加。从上面分析可知，一次风速过高或者过低都会造成灰渣含碳量增大，

46、增加锅炉的固体未完全燃烧损失。对于四角布置直流式喷燃器，根据不同煤种应采用不同的一次风速度，具体见表2-1。但表中提供的只是参考值，具体的一次风速度应该根据现场的具体情况作相应的调整。表2-1 一次风速推荐值2 1 3 二次风的影响及调整方法二次风是锅炉燃烧的主要风源，其影响锅炉经济运行的主要原因有：(1)风速太低、风量不足造成缺氧，增加固体未完全燃烧损失；风速过高、风量过大造成炉温下降，同时使得过量空气系数过大，增加排烟损失。(2)下二次风速太低，刚性不足，无法托住煤粉，大量未燃尽煤粉落入渣斗，炉渣含碳量增大，造成固体未完全燃烧损失增大。(3)同一层的二次风速四角调配不均，火焰中心偏斜，不但

47、严重威胁锅炉安全运行，影响锅炉寿命，同时影响二次风与煤粉的混合，增加不完全燃烧损失。二次风的调整是锅炉运行人员经常操作的项目之一，具体应按如下原则进行操作：(1)各层二次风速四角调整应均匀；(2)下二次风要有足够的风速，保持1 0中南大学硕士学位论文第二章锅炉燃烧性能试验研究一定的刚性，托住整个动力场；(3)通过调节二次风，保持最佳的过量空气系数。(4)保证二次风能够跟一次风充分混合。2 1 4 三次风的影响及调整方法中间储仓式燃煤锅炉制粉系统的乏气直接排向炉膛燃烧称为三次风。三次风的喷口一般安装在四角的最上部。三次风有如下特点：(1)风温低，燃烧烟煤的炉子，三次风温一般小于等于7 0，燃烧无

48、烟煤的炉子一般也控制在1 0 0 以下；(2)风速高，一般运行中，排粉风机排出的风速若没有采用再循环的运行方式，其风速高达7 0 n d s 以上；(3)燃烧低挥发分煤种的锅炉，其煤粉要求制备得比较细，加上煤质比较硬，难磨，制粉系统运行时间比较长、要求通风出力较大，所以三次风率占有较大的比例。三次风温低，风速高，风率大是影响燃烧低挥发分煤种锅炉对燃烧稳定和经济运行的三大因素。在运行中可做如下调节：(1)尽量降低三次风率，可采用三次风再循环调节，在一般情况下，禁止使用开启冷风门调整磨煤机出口温度和利用三次风门调节对角三次风均匀的方法；(2)提高磨煤机入口温度，消除给煤机及磨煤机入口处漏风，提高制

49、粉系统干燥出力；(3)单炉单磨的炉子，当停制粉系统时，适当加大上二次风，补足过量空气系数。若一台锅炉配备两套制粉系统，当某套制粉系统停投时，其对应角上二次风应适当加大，保持火焰中心在炉膛中心位置；(4)启停制粉系统时应缓慢，非特殊情况下不能紧急启动和紧急停止运行。2 1 5 煤粉细度的影响及控制对于中间储仓式燃烧低挥发分煤种的锅炉，煤粉制备的粗细对经济运行的影响非常明显。煤粉太粗，飞灰含碳量增大，也容易造成煤粉分离，使固体未完全燃烧损失增大；但煤粉也不是越细越好，煤粉制备过程需要消耗电力，制粉过细，制粉耗电也过大，从而影响了总体经济性。煤粉的经济细度一般都是根据燃煤挥发分来确定的。但实际应用上

50、，应兼顾考虑制粉耗电率，耗电率的大小包含许多影响因素：磨煤机的钢球装载量是否适当；粗粉分离器挡板开度大小(包括粗粉分离器分离效率)；磨煤机入口温度高低；煤质好坏(包括可磨系数高低和水分)；给煤量均衡性；制粉系统通风量。要求运行中煤粉制备达到经济细度，首先要求这六个因素运行在最佳工况下，使制粉系统的干燥出力、破碎出力、通风出力都达到最佳，才能降低制粉电耗，控制煤粉经济细度。2 1 6 给粉均匀性的影响与解决方法粉煤量调整得均匀，不但能够保证参数稳定，机组安全运行，而且对经济运行也有密切的关系。影响给粉均匀性的因素如下：(1)给粉机给粉特性不一致，中南大学硕士学位论文第二章锅炉燃烧性能试验研究每台