天津鷹麟節(jié)能科技發(fā)展有限公司研發(fā)的“鍋爐運行優(yōu)化系統(tǒng)”是基于現(xiàn)代控制理論研究開發(fā)的過程優(yōu)化控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)引進(jìn)歐美發(fā)電企業(yè)先進(jìn)的系統(tǒng)理念和思想，并結(jié)合國內(nèi)燃煤電廠實際情況進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。目前已經(jīng)通過了國內(nèi)多家電廠的各種類型鍋爐的試驗驗證。系統(tǒng)以專家系統(tǒng)為指導(dǎo)，增加了關(guān)鍵的中間參數(shù)，利用先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、統(tǒng)計學(xué)回歸分析和模糊數(shù)學(xué)等工具，為鍋爐系統(tǒng)多重的輸入和輸出運行參數(shù)之間建立起多維耦合關(guān)系（數(shù)學(xué)模型），在安全性和可靠性的多重限制條件下達(dá)到鍋爐系統(tǒng)全面優(yōu)化。
鍋爐運行過程中各輸入變量之間，輸入變量與指標(biāo)參數(shù)之間存在著復(fù)雜的相關(guān)性。任意一個調(diào)節(jié)參數(shù)的變化將可能引起多個反映參數(shù)的變化，但影響的程度不同。為了運行過程進(jìn)行合理簡化，需要去掉一些關(guān)聯(lián)度較小的或者冗余的變量，簡化優(yōu)化系統(tǒng)的難度，能夠達(dá)到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練快速收斂，保證達(dá)到較為滿意的優(yōu)化效果。
通過專家系統(tǒng)將優(yōu)化試驗過程中一些質(zhì)量不高的試驗數(shù)據(jù)剔除或挖掘替代數(shù)據(jù)，也是本優(yōu)化方案能夠快速完成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和建立優(yōu)化運行數(shù)學(xué)模型的技術(shù)關(guān)鍵。
鍋爐在使用過程中會產(chǎn)生包括經(jīng)濟(jì)性、安全性或可靠性等方面的各類問題，造成這些問題的原因一般是由于設(shè)計、運行以及維修等方面存在不足。
根據(jù)大量的統(tǒng)計資料表明，運行因素是對各類問題影響最大的因素，鍋爐設(shè)備所發(fā)生的問題，70%以上都可以在優(yōu)化運行方面得以解決。
以鍋爐爆管為例(根據(jù)美國50家電廠的統(tǒng)計數(shù)據(jù))，在造成鍋爐爆管的原因中，由于鍋爐運行控制不當(dāng),造成的問題最為嚴(yán)重。
典型的火力發(fā)電廠包含有下列的控制與監(jiān)測系統(tǒng)：
控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))建立安全與可靠運行；性
能監(jiān)測系統(tǒng)耗差分析；狀態(tài)檢修監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)均使用共同的運行參數(shù)，其中有些需求是相互矛盾的。最理想的情況是運行控制能同時達(dá)到性能優(yōu)化而不引起對設(shè)備的損害，但是以目前的習(xí)慣很難達(dá)到這種狀態(tài)，因為控制系統(tǒng)有它歷史演變的過程。分散控制的模式是基于經(jīng)典控制理論和當(dāng)時技術(shù)條件限制下的產(chǎn)物，沒有系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化控制功能。
DCS系統(tǒng)是基于經(jīng)典控制理論的分散式熱工控制系統(tǒng),邏輯控制單元只能對有限輸入?yún)?shù)與輸出目標(biāo)進(jìn)行分散控制。缺乏系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制功能,因此只能在某種程度上保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行,無法達(dá)到鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化(協(xié)調(diào))控制。目前鍋爐控制系統(tǒng)主要包括以下三種：
給水控制（汽包水位的控制）；燃燒控制；蒸汽溫度的控制（如減溫水的投放等控制）。
主要區(qū)別如下:1、工作范圍不同：常用機(jī)組性能監(jiān)測軟件只能做到通過數(shù)據(jù)采集提供一些實時的分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過和理想數(shù)據(jù)的比較來提供操作效果的變化趨勢，并不能給運行人員提供操作建議，更不用說提供自動優(yōu)化控制了。本系統(tǒng)通過有選擇的數(shù)據(jù)采集，通過模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和專家系統(tǒng)模塊計算出可收斂的、對鍋爐效率影響較大的數(shù)據(jù)，提供給運行人員進(jìn)行相應(yīng)的跟蹤調(diào)整，從而達(dá)到優(yōu)化鍋爐燃燒的目的。
2、工作目標(biāo)不同：常用機(jī)組性能監(jiān)測軟件主要是針對目前電廠的要求，給出優(yōu)化調(diào)整的方向；本優(yōu)化系統(tǒng)能將電廠鍋爐的性能優(yōu)化指標(biāo)，量化為具體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制。
3、工作原理不同：“常用機(jī)組性能監(jiān)測軟件”只能做到通過數(shù)據(jù)采集提供一些實時的分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過和理想數(shù)據(jù)的比較來提供操作效果的變化趨勢。優(yōu)化系統(tǒng)的核心技術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程是自學(xué)習(xí)過程。開始時人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用測試獲得的數(shù)據(jù)或者是原有的歷史數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)并且建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)據(jù)相對較少，本系統(tǒng)對鍋爐運行認(rèn)識較少，隨著學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的增加，系統(tǒng)基于對過去的認(rèn)識，可利用已有的成熟模型對實際運行過程中新出現(xiàn)的運行工況自動“推斷”出最優(yōu)的運行參數(shù)（自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)過程）。
4、優(yōu)化依據(jù)不同:“常用機(jī)組性能監(jiān)測軟件”依據(jù)常規(guī)測點。優(yōu)化系統(tǒng)在引進(jìn)相關(guān)常規(guī)測點的同時引進(jìn)光譜在線測溫儀，并將其布置在鍋爐輻射區(qū)和對流區(qū)的分界區(qū)域。
改造效果：在原NOX排放水平上，降低5%－10%；供電煤耗降低1g/kWh以上；大幅度降低減溫水投放；通過實時在線監(jiān)測爐膛出口煙溫，控制過熱器與再熱器的管壁溫度，降低過熱器和再熱器的等效強(qiáng)制停機(jī)率，延長鍋爐部件使用壽命，有效降低鍋爐維修費用，同時為智能吹灰系統(tǒng)提供直接的煙氣參數(shù)。
經(jīng)濟(jì)效益分析：直接經(jīng)濟(jì)效益分析（600MW機(jī)組）。1.供電煤耗的降低按節(jié)約供電煤耗1.5g/kWh，機(jī)組年平均運行時間為6500小時，平均標(biāo)煤煤價800元/噸進(jìn)行計算，則鍋爐年節(jié)約供電煤耗費用為:(1.5×10-6)t/kW.h×6.0×105kW×6500h×800元/t＝468萬元。
2.NOx排放量減少帶來的經(jīng)濟(jì)效益按照國家
《排污費征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》中規(guī)定，按氮氧化物排放每一污染當(dāng)量0.6元收費，按照全年排放氮氧化物25000t估算，如果能降低10%的氮氧化物排放量，根據(jù)《排污費征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》中污染當(dāng)量計算公式，減少的污染當(dāng)量為2823600，可減少排放收費169.4萬元/年。因此，可以看出該項目執(zhí)行可以帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。
間接經(jīng)濟(jì)效益分析：減低NOx的排放量：目前，減少污染物排放是實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的一項重要舉措。環(huán)境污染和生態(tài)破壞已經(jīng)成為危害人民健康、制約經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一個重要因素。通過鍋爐運行優(yōu)化，可降低NOx的排放量，以適應(yīng)保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。
通過鍋爐運行優(yōu)化增加關(guān)鍵運行參數(shù)的控制，實時在線監(jiān)測爐膛出口煙溫,可預(yù)防和控制鍋爐結(jié)焦，降低高溫腐蝕對鍋爐的危害。
通過鍋爐運行優(yōu)化控制過熱器與再熱器的管壁溫度，可預(yù)防超溫爆管。
通過鍋爐運行優(yōu)化吹灰減輕受熱面沖刷腐蝕，延長鍋爐部件使用壽命，可有效降低鍋爐維修費用。
鍋爐運行優(yōu)化系統(tǒng)是一套對鍋爐系統(tǒng)性能進(jìn)行多目標(biāo)全面優(yōu)化的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過建立鍋爐系統(tǒng)運行參數(shù)間的關(guān)系和系統(tǒng)的特性，進(jìn)行全面優(yōu)化和靈活選擇優(yōu)化目標(biāo)。可針對不同電廠存在的問題，通過試驗設(shè)計來選擇關(guān)鍵性的運行參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，以達(dá)到多方位的優(yōu)化目標(biāo)。可解決的問題有：熱效率、煤耗、減溫水量與排煙溫度的改進(jìn)，控制過熱器與再熱器超溫和受熱面結(jié)焦結(jié)渣，NOx、CO、飛灰含碳量等的減低。其關(guān)鍵是優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制并挖掘了鍋爐系統(tǒng)的冗余空間。
鍋爐的控制系統(tǒng)DCS控制邏輯與控制方式過于簡單，無法實現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制，鍋爐運行的安全主要依靠DCS中的保護(hù)系統(tǒng)。鍋
爐廠商產(chǎn)品運行手冊提供的運行指導(dǎo)，來自鍋爐設(shè)計和傳統(tǒng)的熱力試驗，僅僅能夠保證鍋爐系統(tǒng)某種程度的穩(wěn)定運行，不能做到優(yōu)化（經(jīng)濟(jì)）運行。例如：氧量、一二三次風(fēng)率、配煤的組合方式以及輻射熱與對流熱合理分配等。依靠運行人員的經(jīng)驗和智慧無法解決鍋爐系統(tǒng)的多輸入變量與多目標(biāo)參數(shù)之間的協(xié)調(diào)控制與運行參數(shù)優(yōu)化組合的問題。
傳統(tǒng)的設(shè)計途徑是依靠微分方程獲得。在設(shè)計，制造，安裝，控制，運行各個環(huán)節(jié)中，包含許多未知數(shù)。在設(shè)計過程中加入了大量放大的安全系統(tǒng)來涵蓋這些未知情況，導(dǎo)致實際的運行狀況與設(shè)計的情況有相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｒ虼耍仩t熱力系統(tǒng)具有可以挖掘的冗余空間。傳統(tǒng)的熱力試驗方法存在片面性和局限性。
基于系統(tǒng)優(yōu)化的理念，全面優(yōu)化鍋爐系統(tǒng)的運行方式；
引進(jìn)現(xiàn)代控制理論、信息技術(shù)和先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)作為優(yōu)化工具；
采用應(yīng)用數(shù)學(xué)方法挖掘鍋爐系統(tǒng)的冗余空間和強(qiáng)迫人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速完成訓(xùn)練；
依靠高品質(zhì)的數(shù)據(jù),對系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，確定問題的真正原因；
利用專家系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)篩選、創(chuàng)造數(shù)據(jù)以及優(yōu)化結(jié)果預(yù)測與驗證；
利用統(tǒng)計學(xué)與回歸分析的方法和相關(guān)性分析，精簡優(yōu)化過程的可調(diào)變量；
優(yōu)化的簡單過程如下：拓展鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化邊界范圍，利用實驗設(shè)計方法；
集合創(chuàng)造反映系統(tǒng)特性的數(shù)據(jù)－篩選并優(yōu)化數(shù)據(jù)－強(qiáng)迫人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)；
完成建立鍋爐系統(tǒng)可調(diào)變量與輸出目標(biāo)參數(shù)間協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型－計算優(yōu)化；
運行最佳組合模式-專家系統(tǒng)預(yù)測/驗證優(yōu)化結(jié)果-發(fā)布優(yōu)化運行模式。
本優(yōu)化方案用到的數(shù)學(xué)和計算機(jī)技術(shù)如下：多變數(shù)非線性回歸分析；人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)；應(yīng)用數(shù)學(xué)-統(tǒng)計學(xué)（實驗設(shè)計）。
鍋爐運行優(yōu)化系統(tǒng)引入了關(guān)鍵的中間過程參數(shù)光譜在線測溫儀。爐膛出口煙溫通過在線實時監(jiān)測獲得。該參數(shù)的引入使鍋爐運行優(yōu)化系統(tǒng)在控制對流受熱面管壁溫度和減溫水投放、輻射受熱面積灰結(jié)焦和智能吹灰、NOx排放等方面起到了良好的效果。
用戶即可選擇優(yōu)化系統(tǒng)對鍋爐運行進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，也可針對電廠自身的需求選擇著重優(yōu)化對象。此時將圍繞著重優(yōu)化的某些目標(biāo)，制訂試驗方案，提高相關(guān)因素的權(quán)重，達(dá)到著重優(yōu)化的目的。
優(yōu)化系統(tǒng)可將采集的用于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)保存到SQLSEVER2000。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的結(jié)果保存到BCB6.0自帶的Paradox數(shù)據(jù)庫中。如果產(chǎn)生數(shù)據(jù)量過大，則將Paradox數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)保存到SQLSEVER2000中作為歷史數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)發(fā)布模塊：優(yōu)化系統(tǒng)采用OLEDB技術(shù)連接SQLSERVER數(shù)據(jù)庫，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作員選擇的被調(diào)節(jié)參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)，動態(tài)生成被調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)參數(shù)及目標(biāo)和優(yōu)化表格，并可發(fā)布到電廠MIS網(wǎng)絡(luò)各客戶端。
試驗選定在高中低三種工況下進(jìn)行，對所有與鍋爐運行有關(guān)的可調(diào)參數(shù)進(jìn)行全面調(diào)整,其中包括：1.安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性關(guān)系權(quán)衡與界定；2.各次風(fēng)量、風(fēng)速的協(xié)調(diào)配置調(diào)整；3.運行參數(shù)全面協(xié)調(diào)；4.過程參數(shù)監(jiān)控。
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1.貴州大方發(fā)電廠1#機(jī)組（300MW）鍋爐性能優(yōu)化（已完成）；
2.牡丹江第二發(fā)電廠8#機(jī)組（300MW）鍋爐性能優(yōu)化（已完成）；
3.牡丹江第二發(fā)電廠9#機(jī)組（300MW）鍋爐性能優(yōu)化（已完成）；4.云南鎮(zhèn)雄電廠1#、2#機(jī)組（600MW超臨界）鍋爐性能優(yōu)化（執(zhí)行中）；
5.四川珙縣電廠1#機(jī)組
（600MW超臨界）鍋爐性能優(yōu)化系統(tǒng)（執(zhí)行中）；
6.貴州畢節(jié)頭步電廠1#、2#機(jī)組（150MWCFB鍋爐）鍋爐性能優(yōu)化(執(zhí)行中）。
硬件配置：1、遠(yuǎn)紅外爐膛測溫儀：該測溫儀可對爐膛出口煙氣進(jìn)行非接觸性、實時在線監(jiān)測，是優(yōu)化系統(tǒng)的一個關(guān)鍵中間控制點。該儀器是引進(jìn)國外先進(jìn)的航天遙感技術(shù)的裝置。
2、系統(tǒng)服務(wù)器：用于采集并保存試驗數(shù)據(jù)、建立優(yōu)化平臺、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練及建模。3、工程師工作站：發(fā)布優(yōu)化運行模式，監(jiān)測運行能耗變化。
軟件配置：鍋爐性能優(yōu)化分析系統(tǒng)主要有四個模塊組成：數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)驗證模塊，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊，數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)模塊，數(shù)據(jù)發(fā)布模塊。
用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言VC開發(fā)一個獨立的軟件平臺，由軟件系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)庫模塊、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊。為方便運行人員操作優(yōu)化系統(tǒng)，軟件在制作過程中盡可能追求人機(jī)交戶界面全面、友好和簡潔。
數(shù)據(jù)采集模塊:可從PI庫中按指定時間或指定指標(biāo)提取出優(yōu)化訓(xùn)練所需數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)存在Excel數(shù)據(jù)表中，并對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選和有效性分析。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊:可設(shè)置鍋爐性能優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練規(guī)則，設(shè)置不同算法和不同參數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，找出較滿意的結(jié)果并提供鍋爐性能優(yōu)化操作方案供參考。
