[發明專利]基于數值優化極值搜索的無模型鍋爐燃燒優化控制方法

有效

• 申請號: 201610173955.6
• 申請日: 2016-03-24
• 公開（公告）號: CN105823080B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 沈奇;李益國;沈炯;劉西陲;吳嘯
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: F23N5/00
• 分類號: F23N5/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 肖明芳

技術領域

本發明屬于能源系統領域，具體涉及基于數值優化極值搜索的無模型鍋爐燃燒優化控制方法。

背景技術

隨著對改善大氣環境質量，保護生態環境的重視，國家對電站鍋爐污染物排放的標準越來越嚴格。比如我國最新排放標準要求燃煤電廠的氮氧化物NOx排放濃度應低于100mg/Nm³。

目前，控制氮氧化物NOx排放的措施大致分為兩類，第一類是在燃燒過程中減少新生成的氮氧化物NOx，包括各種低氮燃燒技術，如低氮燃燒器、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒等；第二類是在燃燒后脫除已生成的氮氧化物NOx，如選擇性非催化還原技術(SNCR-Selective Non-Catalytic Reduction)和選擇性催化還原技術(SCR-Selective Catalytic Reduction)。由于低氮燃燒技術能夠大幅降低爐膛出口的氮氧化物NOx排放濃度，同時大幅降低煙氣脫硝的運行成本，因此在我國現役火電機組中獲得了普遍應用。對于采用低氮燃燒技術的鍋爐來講，當負荷和煤質都比較穩定時，通過一定的燃燒調整手段改變運行參數，容易獲得較高的鍋爐效率和較低的氮氧化物NOx排放；然而由于目前火電機組參與調峰和調頻，其負荷變化比較頻繁，加上煤質多變，很容易偏離低氮燃燒的設計工況，其結果是不但不能很好地兼顧鍋爐的經濟性和排放，反而會造成爐膛結焦、燃燒器區域水冷壁高溫腐蝕、灰渣含碳量高等問題，所以采用常規動態優化控制算法控制很難達到預期效果。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是針對現有技術領域的空白，提供基于數值優化極值搜索的無模型鍋爐燃燒優化控制方法。包括如下步驟：

步驟1，采集數據：采集鍋爐燃燒系統k-n至k時刻一個時間窗口內各個時刻的鍋爐效率η(j)和氮氧化物NO_X排放值NO_x(j)并設置容許誤差ε，ε影響最終最優操作量的精度，若ε取值較小，最終最優操作量精度高，尋優過程所花費時間較長，相反，若ε較大尋優過程加快，但會造成優化結果不夠準確沒有實用意義，j＝k-n…k，其中n為前n個時刻；一般n取值范圍為5～10。

步驟2，對采集到的數據進行處理：計算k-n至k時刻一個時間窗口內的鍋爐效率的平均值η和氮氧化物NOX排放值的平均值NO_x，將η和NO_x分別作為當前k時刻的鍋爐效率和氮氧化物NO_X排放值；

步驟3，燃燒優化的實質是在降低NOx排放的基礎上提高鍋爐熱效率，是一個多目標優化問題。在此采用加權因子，將多目標優化問題轉化為單目標問題，進而通過權值的不同組合，獲得不同的優化解，為優化決策提供支持：將當前k時刻鍋爐效率η和氮氧化物NOX排放值NO_x歸一化，計算單目標函數J(k)；

步驟4，計算性能指標隨鍋爐各層操作量的變化梯度g_k：g_k＝(g₁,g₂,g_i…)，鍋爐各層操作量一般包括：二次風閥門開度、燃盡風閥門開度等。采用如下公式計算g_i：

其中，i代表第i層，i取值為自然數，若||gk||≤ε，終止后續步驟，ui(k)即為各層最優操作量，否則繼續步驟5；

步驟5，計算搜索方向d_k；

步驟6，計算步長因子α_k；

步驟7，計算下一時刻待優化的操作量u_i(k+1)；

步驟8，重復步驟2～步驟7，直至算法收斂，得到最優操作量。

其中，步驟2中，為增強優化算法的魯棒性，使控制作用更加平穩，需要對采集到的數據進行處理。在線測量計算鍋爐效率和NO_X排放值并非取當前k時刻值，而是利用k-n至k時刻一個時間窗口內的NO_X和鍋爐效率的平均值進行性能指標的計算，避免了噪聲、測量誤差等其他情況對測量信號的影響，最后將處理過后數據送到性能指標計算模塊進行性能指標的計算。數據處理具體如下：采用如下公式計算k-n至k時刻一個時間窗口內的鍋爐效率的平均值η和氮氧化物NO_X排放值的平均值NO_x：

步驟3中，通過如下公式計算單目標函數J(k)：

minJ＝-a×[η]+b×[NO_X]+A