一种燃煤锅炉不同层燃烧器之间燃料量分配的优化方法
技术领域
本发明属于锅炉燃烧优化控制技术领域，具体涉及一种燃煤锅炉不同层燃烧器之间燃料量分配的优化方法。
背景技术
燃烧器的运行方式指燃烧器负荷分配及其投停方式。其中，燃烧器负荷分配是指煤粉燃料在各层燃烧器喷口、各角或各只喷口的分配；燃烧器的投停方式是指投、停燃烧器的只数与位置。燃烧器的运行方式决定了炉膛燃烧过程的好坏，尤其是燃料量分配的合理性决定了锅炉燃烧效率的高低。在保证锅炉稳定燃烧的前提下，如何实现不同层燃烧器燃料量的合理分配，并保持较高的锅炉燃烧效率，是我们亟待解决的问题。
许多学者针对锅炉燃料量的分配进行了研究，方彦军等通过改进的PSO算法计算了磨煤机出力组合对磨煤机的节能贡献，该方法虽然提高了磨煤机效率且降低了机组的厂用电耗，但是此燃煤分配方案未考虑炉膛燃烧状况对锅炉发电效率的影响。李静等通过分析总煤量-功率关系图，发现机组在同一负荷下平均煤耗量变化范围较大，锅炉效率出现波动，于是将锅炉运行效率分为高效区和低效区，然后通过实验验证锅炉运行在高效区时，不同层燃烧器给煤量的比例关系对提高燃烧效率的贡献，该方案仅总结了总燃料量随机组负荷变化时不同层燃烧器的分配趋势，但是无法给出不同层燃烧器燃料量的具体分配比例。王福珍设计了通流面积可调燃烧器及双向双分级燃烧技术，利用分隔板把燃烧器内部分隔为2～4个分隔通道，实现了A～E层燃烧器适应锅炉负荷的投运方式，尤其是超低负荷工况下稳燃、低NOx的运行，但是此类方案需要对燃烧器硬件进行改造，由于硬件改造工程量较大，且需要多次启、停机对硬件性能不断调试，因此此类方案适用性较差。
总结已有方法，暂未发现随负荷、气温变化精准调节不同层燃烧器之间燃料量分配的方法。因此，基于机组历史运行数据，挖掘潜在提升机组锅炉经济性的煤粉分配方式，发展一种燃煤锅炉不同层燃烧器之间燃料量分配的优化方法具有实际的科学意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺点和不足，提供一种燃煤锅炉不同层燃烧器之间燃料量分配的优化方法，其利用锅炉随负荷、气温分布的优化控制规律，分析平均煤质下各层燃烧器燃料量分配占比，计算得出随负荷、气温变化的不同层燃烧器之间燃料量按比例分配的优化控制规律。将计算结果匹配对应负荷、气温下的DCS控制指令，最终根据偏差做出比例修正，实现不同层燃烧器之间燃料量的合理分配。
特别说明一下，本发明仅仅以DCS记录的各层给煤机转速表示各层燃烧器燃料量、各层给煤机转速之和表示全部燃烧器总燃料量，没有考虑煤质变化的影响，得到的结果将是在实际煤质波动条件下的平均煤质下的经济性和排放水平的相对变化，并不是追求绝对准确的经济性评价指标。
本发明解决技术问题的技术方案是：一种燃煤锅炉不同层燃烧器之间燃料量分配的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)建立按负荷、气温分布的优于优化目标的控制规律
①获取机组历史运行数据
a确定从DCS历史数据库中提取的参数类型xk，参数类型包括：实际负荷、总燃料量、各层给煤机燃料量、各层磨煤机一次风量、二次风总量、各层二次风门开度、各层给煤机转速、总风量、给水流量、主蒸汽压力、调节级压力、烟气含氧量、送风机入口风温、NOx浓度和过热器壁温，其中参数类别以k划分，k＝1，2，…，K个；
b设定数据的时间间隔值；
c根据步骤a中列出的参数和步骤b设定的数据时间间隔值，以同一时刻所述参数的数据单元作为数据包，提取燃煤机组过去一年DCS历史运行数据；
②按负荷、气温划分二维区间，将历史数据按二维区间进行分类
a根据全年负荷主要运行区段，确定负荷优化区间：设机组在主要运行区段内的最高运行负荷为Smax，最低运行负荷为Smin，则负荷优化区间为[Smin，Smax]；
b确定负荷区间数：设负荷划分间隔为LS，i代表划分的负荷区间数，i＝1，2，…，m个，则负荷区间数m通过公式(1)获得；
m＝(Smax-Smin)/LS (1)
c根据全年送风机入口风温变化，确定气温优化区间：设全年送风机入口最高风温为Tmax，最低风温为Tmin，则气温优化区间为[Tmin，Tmax]；
d确定气温区间数：设气温划分间隔为LT，j代表划分的气温区间数，j＝1，2，…，n个，则气温区间数n通过公式(2)获得：
n＝(Tmax-Tmin)/LT (2)
e由步骤a～d获得第i负荷段、第j气温段的二维区间为公式(3)
{[Smin+(i-1)×LS，Smin+i×LS]，[Tmin+(j-1)×LT，Tmin+j×LT]} (3)
③计算各二维区间的各类参数均值、锅炉效率均值和NOx排放均值
a将步骤①获取的机组历史运行数据的数据包按照步骤②划分的二维区间进行分类，超出负荷、气温二维区间的数据包予以舍弃；
b统计步骤a中各二维区间内数据包数量l，l＝1，2，…，Li，j个；则式(3)所表述的二维区间内的运行数据表示为：xi，j，k，l，所述二维区间的各类参数均值为公式(4)所示：
式中：
c定义锅炉效率均值＝实际负荷均值/总燃料量均值，锅炉效率均值为公式(5)所示：
式中：
d计算NOx排放均值
e二维区间的各类参数出现无效数据的处理；
④根据优化目标筛选二维区间内的数据包
在第i负荷段、第j气温段组成的二维区间内，通过优于锅炉效率均值
式中：xi，j，E，l和xi，j，NOx，l表示第i负荷段、第j气温段、第l个数据包的锅炉效率和NOx排放，其中
⑤各二维区间优于锅炉效率均值和NOx排放均值的数据包的处理
a符合优化目标的数据包经筛选后保存在原二维区间内，并统计符合优化目标的数据包数量l′，其中l′＝1，2，…，Li，j′，不符合优化目标的数据包予以淘汰；
b优选后的二维区间的数据包个数少于限定值的处理；
⑥从各二维区间优于优化目标的数据集合中计算该区间各类参数均值
对于符合优化目标的数据包再次计算该二维区间各类参数均值为公式(7)所示：
式中：
⑦二维区间内异常数据的处理
对于二维区间内的异常数据，依据相邻工况运行数据的渐变性，采用正则化矩阵对突变峰值进行均值滤波；
2)计算优化控制规律下A～H层燃烧器燃料量分配占比
①计算所有燃烧器总燃料量
定义A～H表示各层燃烧器标号，
式中：
②计算平均煤质下所有二维区间各层燃烧器燃料量分配占比
计算平均煤质下所有二维区间各层燃烧器燃料量分配占比为公式(9)所示：
式中：fi，j，A～fi，j，H为第i负荷段、第j气温段的A～H层燃烧器燃料量分配占比；
3)计算DCS实时信号下A～H层燃烧器燃料量分配占比
①计算DCS实时信号下A～H层燃烧器总燃料量
设DCS各类参数的实时控制信号为Sin，k，其中k为参数类别且k＝1，2，…，K，与对应负荷、气温下的优化控制规律的参数类别一一对应，则DCS实时信号下A～H层给煤机转速之和，即燃烧器总燃料量为公式(10)所示：
式中：Sin，A～Sin，H为DCS实时控制信号下A～H层给煤机转速，即各层燃烧器燃料量，且
②计算DCS实时控制信号下各层燃烧器之间燃料量分配占比
计算DCS实时控制信号下各层燃烧器之间燃料量分配占比为公式(11)所示：
式中：fin，A～fin，H为DCS实时控制信号下A～H层燃烧器燃料量分配占比；
4)计算各层燃烧器燃料量的比例修正，输出分配比例
①设Δfk代表优化控制规律与DCS实时控制信号之间A～H层燃烧器燃料量分配占比的绝对差值，表述为公式(12)：
Δfk＝|fi，j，k-fin，k|，k＝A，B，…，H (12)
②若绝对差值Δfk在DCS实际控制信号各层燃烧器燃料量分配占比fin，k的设定幅度值以内，即Δfk/fin，k<设定幅度值，则各层燃烧器燃料量的分配比例修正为fi，j，k；若差值Δfk超出或等于DCS实际控制信号各层燃烧器燃料量分配占比fin，k的设定幅度值，即Δfk/fin，k≥设定幅度值，则各层燃烧器燃料量的分配比例修正为fin，k·(1±设定幅度值)。
对于步骤1)的①所述的设定数据的时间间隔值为1～3分钟。
对于步骤1)的③二维区间的各类参数出现无效数据的处理：在所划分的不同负荷、不同气温的工况下，并不能保证二维区间的各类参数全部都出现有效运行数据，此时，将采用同一负荷段内其他二维区间的同类参数的平均值予以替代。
对于步骤1)的⑤优选后的二维区间的数据包个数少于限定值的处理：在数据包个数少于限定值的情况，认定该二维区间所含有效数据量不全，淘汰该区间已优选的数据包，并采用同一负荷段内其他二维区间的同类参数的平均值予以替代。
所述步骤1)的⑤的限定值为500。
对于所述步骤1)的⑦二维区间内异常数据的处理，依据相邻工况运行数据的渐变性，采用正则化矩阵对突变峰值进行均值替代，具体如下：
a)利用步骤②中按负荷、气温分布的二维区间建立二维数组A，数组元素表示为Ai，j，
其中负荷段i＝1，2，…，m，气温段j＝1，2，…，n，按数组元素位于数组边界、四个顶角和内部等三种位置分类处理；
b)若区间位于数组边界，利用相邻三个区间的数据求均值为公式(13)所示：
A1，2＝(A1，1+A2，2+A1，3)/3 (13)
c)若区间位于数组顶角，利用相邻两个区间的数据求均值为公式(14)所示：
Am，n＝(Am-1，n+Am，n-1)/2 (14)
d)若区间位于数组内部，利用相邻四个区间的数据求均值为公式(15)所示：
Ai，j＝(Ai-1，j+Ai，j-1+Ai+1，j+Ai，j+1)/4 (15)
对于步骤4)的②所述的设定幅度值为5％。
本发明的一种燃煤锅炉不同层燃烧器之间燃料量分配的优化方法的优点体现在：
一是考虑气温(送风机入口风温)对锅炉优化控制的影响，将历史运行数据按负荷、气温进行精细划分，优化方案最大限度贴合实际运行工况，保证调控质量；
二是在精准调控的基础上，筛选二维区间内优于锅炉效率均值(实际负荷均值/总燃料量均值)和NOx排放均值的优化控制规律，以达到节能减排的目的；
三是优化方案安全可靠，调节幅度控制在原有DCS控制信号的±5％以内，保证机组稳定运行；
四是对于煤质波动较大的燃料具有很强的适用性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为总燃料量拟合系数；
图3为A层燃烧器燃料量(给煤机转速)的拟合系数；
图4为B层燃烧器燃料量(给煤机转速)的拟合系数；
图5为C层燃烧器燃料量(给煤机转速)的拟合系数；
图6为D层燃烧器燃料量(给煤机转速)的拟合系数；
图7为E层燃烧器燃料量(给煤机转速)的拟合系数；
图8为F层燃烧器燃料量(给煤机转速)的拟合系数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参见图1，实施例1，本实施例1一种燃煤锅炉不同层燃烧器之间燃料量分配的优化方法，包括以下步骤：
1)建立按负荷、气温分布的优于优化目标的优化控制规律
①获取机组历史运行数据
a确定从DCS历史数据库中提取的参数类型xk，参数类型包括：实际负荷、总燃料量、各层给煤机燃料量、各层磨煤机一次风量、二次风总量、各层二次风门开度、各层给煤机转速、总风量、给水流量、主蒸汽压力、调节级压力、烟气含氧量、送风机入口风温、NOx浓度和过热器壁温，其中参数类别以k划分，k＝1，2，…，K个；
b设定数据的时间间隔值为1分钟；
c根据步骤a中列出的参数和步骤b设定的数据时间间隔值，以同一时刻所述参数的数据单元作为数据包，提取燃煤机组过去一年DCS历史运行数据；
②按负荷、气温划分二维区间，将历史数据按二维区间进行分类
a根据全年负荷主要运行区段，确定负荷优化区间：设机组在主要运行区段内的最高运行负荷为Smax，最低运行负荷为Smin，则负荷优化区间为[Smin，Smax]；
b确定负荷区间数：设负荷划分间隔为LS，i代表划分的负荷区间数，i＝1，2，...，m个，则负荷区间数m通过公式(1)获得；
m＝(Smax-Smin)/LS (1)
c根据全年送风机入口风温变化，确定气温优化区间：设全年送风机入口最高风温为Tmax，最低风温为Tmin，则气温优化区间为[Tmin，Tmax]；
d确定气温区间数：设气温划分间隔为LT，j代表划分的气温区间数，j＝1，2，…，n个，则气温区间数n通过公式(2)获得：
n＝(Tmax-Tmin)/LT (2)
e由步骤a～d获得第i负荷段、第j气温段的二维区间为公式(3)
{[Smin+(i-1)×LS，Smin+i×LS]，[Tmin+(j-1)×LT，Tmin+j×LT]} (3)
③计算各二维区间的各类参数均值、锅炉效率均值和NOx排放均值
a将步骤①获取的机组历史运行数据的数据包按照步骤②划分的二维区间进行分类，超出负荷、气温二维区间的数据包予以舍弃；
b统计步骤a中各二维区间内数据包数量l，l＝1，2，…，Li，j个；则式(3)所表述的二维区间内的运行数据表示为：xi，j，k，l，所述二维区间的各类参数均值为公式(4)所示：
式中：
c定义锅炉效率均值＝实际负荷均值/总燃料量均值，锅炉效率均值为公式(5)所示：
式中：
d计算NOx排放均值
e二维区间的各类参数出现无效数据的处理
在所划分的不同负荷、不同气温的工况下，并不能保证二维区间的各类参数全部出现有效运行数据，此时，将采用同一负荷段内其他二维区间的同类参数的平均值予以替代。
④根据优化目标筛选二维区间内的数据包
在第i负荷段、第j气温段组成的二维区间内，通过优于锅炉效率均值
式中：xi，j，E，l和xi，j，NOx，l表示第i负荷段、第j气温段、第l个数据包的锅炉效率和NOx排放，其中
⑤各二维区间优于锅炉效率均值和NOx排放均值的数据包的处理
a符合优化目标的数据包经筛选后保存在原二维区间内，并统计符合优化目标的数据包数量l′，其中l′＝1，2，…，Li，j′，不符合优化目标的数据包予以淘汰；
b优选后的二维区间的数据包个数少于限定值的处理
对于数据包个数少于限定值为500的情况，认定该二维区间所含有效数据量不全，淘汰该区间已优选的数据包，并采用同一负荷段内其他二维区间的同类参数的平均值予以替代。
⑥从各二维区间优于优化目标的数据集合中计算该区间各类参数均值
对于符合优化目标的数据包再次计算该二维区间各类参数均值为公式(7)所示：
式中：
⑦二维区间内异常数据的处理
对于二维区间内的异常数据，依据相邻工况运行数据的渐变性，采用正则化矩阵对突变峰值进行均值滤波；
2)计算优化控制规律下A～H层燃烧器燃料量分配占比
①计算所有燃烧器总燃料量
定义A～H表示各层燃烧器标号，
式中：
②计算平均煤质下所有二维区间各层燃烧器燃料量分配占比
计算平均煤质下所有二维区间各层燃烧器燃料量分配占比为公式(9)所示：
式中：fi，j，A～fi，j，H为第i负荷段、第j气温段的A～H层燃烧器燃料量分配占比；
3)计算DCS实时信号下A～H层燃烧器燃料量分配占比
①计算DCS实时信号下A～H层燃烧器总燃料量
设DCS各类参数的实时控制信号为Sin，k，其中k为参数类别且k＝1，2，…，K，与对应负荷、气温下的优化控制规律的参数类别一一对应，则DCS实时信号下A～H层给煤机转速之和，即燃烧器总燃料量为公式(10)所示：
式中：Sin，A～Sin，H为DCS实时控制信号下A～H层给煤机转速，即各层燃烧器燃料量，且
②计算DCS实时控制信号下各层燃烧器之间燃料量分配占比
计算DCS实时控制信号下各层燃烧器之间燃料量分配占比为公式(11)所示：
式中：fin，A～fin，H为DCS实时控制信号下A～H层燃烧器燃料量分配占比；
4)计算各层燃烧器燃料量的比例修正，输出分配比例
①设Δfk代表优化控制规律与DCS实时控制信号之间A～H层燃烧器燃料量分配占比的绝对差值，表述为公式(12)所示：
Δfk＝|fi，j，k-fin，k|，k＝A，B，…，H (12)
②若绝对差值Δfk在DCS实际控制信号各层燃烧器燃料量分配占比fin，k的5％以内，即Δfk/fin，k<5％，则各层燃烧器燃料量的分配比例修正为fi，j，k；若差值Δfk超出或等于DCS实际控制信号各层燃烧器燃料量分配占比fin，k的5％，即Δfk/fin，k≥5％，则各层燃烧器燃料量的分配比例修正为fin，k·(1±5％)；
对于二维区间内的异常数据，依据相邻工况运行数据的渐变性，采用正则化矩阵对突变峰值进行均值滤波，具体如下：
a)利用步骤②中按负荷、气温分布的二维区间建立二维数组A，数组元素表示为Ai，j，其中负荷段i＝1，2，…，m，气温段j＝1，2，...，n，按数组元素位于数组边界、四个顶角和内部等三种位置分类处理；
b)若区间位于数组边界，利用相邻三个区间的数据求均值为公式(13)所示：
A1，2＝(A1，1+A2，2+A1，3)/3 (13)
c)若区间位于数组顶角，利用相邻两个区间的数据求均值为公式(14)所示：
Am，n＝(Am-1，n+Am，n-1)/2 (14)
d)若如区间位于数组内部，利用相邻四个区间的数据求均值为公式(15)所示：
Ai，j＝(Ai-1，j+Ai，j-1+Ai+1，j+Ai，j+1)/4 (15)
参见图1-图8，实施例2，本实施例以我国南方某电厂6号600MW燃煤发电机组为研究对象，首先确定提取的参数类型如表1所示，其中包括：实际负荷、总燃料量、各层给煤机给煤量、各层磨煤机一次风量、二次风总量、各层二次风门开度、各层给煤机转速、总风量、给水流量、主蒸汽压力、调节级压力、烟气含氧量、送风机入口风温、NOx浓度、过热器壁温等58类参数，即K＝58，数据包的提取时间间隔设置为1分钟；
表1提取DCS参数列表
根据以上设置规则，提取DCS历史数据，分析A～F层燃烧器燃料量(给煤机转速)，并计算A～F层燃烧器燃料量(给煤机转速)之和即总燃料量
从图2可以看出拟合系数为负值，即减少总燃料量可提高锅炉效率，但是总燃料量的减少不代表A～F层给煤机转速全部降低或同比例降低，通过分析图3～8，可依据相应负荷下A～F层给煤机拟合系数的正负决定给煤机转速的增减方向；最后根据相应负荷、气温下的各层燃烧器燃料量的比例修正，决定给煤机转速的修正比例。
本发明的实施例并非穷举，本领域技术人员不经过创造性劳动的简单复制和改进，仍属于本发明权利保护的范围。
