煤粉炉智能燃烧和节能优化控制技术研究与应用
北京和隆优化科技股份有限公司
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
该技术产品主要用于该产品主要用于电力、热电、热力行业以及其他行业的煤粉炉的燃烧优化控制、除氧器群智能控制尤其是在煤质变化大、负荷变化大、多台锅炉母管制运行的现场实现煤粉炉智能控制。通过研发的燃烧状态预测模型、母管制锅炉负荷精确调节控制方法、除氧器群液位协调控制方法，实现单台锅炉、炉群和除氧器群的全智能生产运行，降低操作人员的劳动强度，实现锅炉稳定运行、安全运行、经济运行，实现锅炉节能降耗。
主要达到的技术指标：
1.长期自控率大于90%以上；极大的降低了操作人员的劳动强度，减少了操作人员数量，提高了控制品质，减少了设备非计划停车的次数。
2.炉群整体吨汽煤耗降低0.5%-1.5%以上（与锅炉炉设计负荷、投产时间有关）；每年产生的经济效益非常巨大，按照全国10亿吨燃煤消耗将节省500-1500万吨煤炭，同时还会减少客观的CO2、SO2、NOX的排放。
3.锅炉运行参数控制品质明显优于原操作方式，稳定锅炉运行，提高安全控制水平。主要控制点实现如下目标：（90%时间）
汽包水位控制精度：R±20mm；
主汽温度控制精度：R±5℃；
炉膛负压控制精度：R±50Pa；
母管压力控制精度：R±3%R；
除氧器液位控制精度：R±20mm；
因优化燃烧，燃料更加充分燃烧，排放的未燃物大大地减少，同时，因锅炉运行控制更平稳，对脱硫脱硝的稳定运行十分有利，在一定程度上解决烟囱冒黑烟的环保问题。从已验收的报告看，实现煤粉炉长期自控率均在90%以上、节能率在1.1%以上，获得用户好评，产业化前景可期。
2.主要创新点概述
创新点1：随机森林机器学习在煤粉炉燃烧优化上的应用
针对锅炉燃烧纯滞后大、缺少在线分析仪表、负荷变化、煤质变化频繁等特点，首次提出采用随机森林机器学习和KNN分类算法在煤粉炉上进行燃烧状态模型预测、动态校正，并进行分类决策适应不同的工况变化，实现了不同工况下的多目标寻优和调整，使锅炉时刻保持在的最佳燃烧和最佳环保排放的状态下。
采用随机森林机器学习算法构建锅炉燃烧状态预测模型，通过能量平衡对于燃烧状态预测模型进行校正，利用随机森林对多参数、大数据量进行决策，获得当前燃烧状态。
利用KNN分类算法将随机森林的决策结果进行分类，并在每一类中获得该类下的最优结果。采用燃烧状态分类算法对锅炉运行状态进行分析，获取当前工况下的最优可调状态参数，指导锅炉进行燃烧调整，以达到多目标优化下的燃烧状态自寻优功能，使锅炉实现闭环优化与控制。
创新点2：母管制炉群、管网智能协调控制
针对母管制蒸汽管网上的产汽装置、用汽装置、不同压力等级之
间互相影响，耦合严重造成的蒸汽母管压力的波动大不稳定的问题，将母管制整个管网的负荷变化、压力变化、母管压力变化、本炉压力变化以及压力变化的趋势统一考虑，并结合每台锅炉的特性、煤质好坏等得出每台锅炉为了应对当前负荷变化各自要承担的煤量，以使整个锅炉群的总耗煤量最小。
创新点3：除氧器单体控制和整体协调有机结合
针对母管制除氧器个体之间的耦合严重的问题，提出了采用单体控制和整体协调相结合的方式，将除氧器群看作一个整体，从整体上保证除氧器的供水能力，又充分考虑单台除氧器自身的实际液位情况进行平衡，从而保证每一台除氧器的液位稳定且统一。
3.技术实现路径及方法
（1）技术原理
基于热平衡、物料平衡原理，实现锅炉燃料燃烧释放热量到水吸收热量变成合格蒸汽的转换以及除氧器补水和锅炉用水之间的平衡；利用先进控制理论、软测量技术、解耦技术、自寻优技术、安全控制技术、机器深度学习、大数据分析等技术和方法解决煤粉炉经济燃烧，多台锅炉母管制运行之间的负荷合理分配和精确控制，并对辅助设备除氧器群的液位实现协调控制，保证锅炉的安全用水；从而保证煤粉炉的安全运行、稳定运行、经济运行，为生产企业创造更大的经济效益。
（2）关键技术、工艺流程
①随机森林机器学习的燃烧状态预测优化控制技术
1）采用随机森林机器学习算法与模型更新功能，构建锅炉燃烧状态预测模型，解决了当前燃烧状态不可知，下一步燃烧状态如何变化不可知的问题，就像给控制系统安装了一个可以观察锅炉运行状态的高性能照相机并带有分析功能，为优化燃烧提供了调整依据。
2）在获得连续的锅炉运行状态下，通过能量平衡对于燃烧状态预测模型进行校正，采用燃烧状态分类算法对锅炉运行状态进行分析，获取当前工况下的最优可调状态参数，指导锅炉进行燃烧调整，以达到多目标优化下的燃烧状态自寻优功能，使锅炉实现闭环优化与控制。
上图为采用随机森林机器学习算法与模型在线更新功能，构建锅炉燃烧状态预测模型以及采用燃烧状态分类算法，获取当前工况下的最优可调状态参数寻优功能的整体框图；这一技术解决了单台煤粉锅炉实现最优燃烧的问题。
②母管制煤粉炉负荷快速精确控制技术
母管蒸汽压力是母管制机组运行中的关键运行参数，直接影响机组的安全、稳定和经济运行。由于母管蒸汽具有较强的蓄热能力，使得母管压力对象存在较大时滞特性，而且多台锅炉共用同一母管，并列运行锅炉之间的关联性较强，因此锅炉母管压力自动调节控制存在较大困难。母管压力波动反映了母管中蒸汽流量的平衡情况，母管制锅炉应在满足外界用汽总量时兼顾锅炉之间负荷的合理分配，以使整个锅炉群的总耗煤量最小。
1）在母管压力波动较大时，母管压力控制器根据母管压力设定值和母管压力测量值的偏差进行输出，其输出对各锅炉负荷进行调整；
2）在母管压力趋于稳定时，通过负荷扰动观测器对负荷变化幅度、变化快慢进行输出，其输出对各锅炉负荷进行调整；
3）在母管蒸汽流量和压力趋于稳定时，各锅炉根据自身负荷变化速率、当前锅炉负荷、锅炉最优负荷和锅炉负荷分配函数输出一起起作用，其输出对各锅炉负荷进行调整。
③除氧器群液位智能控制技术
将除氧器群看作一个整体，即看成是一台除氧器；将除氧器群的平均液位作为表征这个整体除氧器的液位；根据各除氧器液位与除氧器群平均液位的偏差情况，协调各除氧器间液位的平衡。即通过除氧器整体液位的控制，实现除氧器群的整体出力与外界需求达到平衡；通过单台除氧器基于液位偏差的调节，协调各除氧器的液位的均衡。
1）整体除氧器水位调节
在锅炉的给水系统中，除氧器水位控制是非常关键的环节。但因除氧器结构特殊，存在容积滞后及耦合性强等问题，传统的控制方式难以实现对水位的稳定调节。
该回路采用先进的预测控制、超前控制预测水位的变化趋势，来实现对水位的精确调节。通过控制水位调节阀来保证除氧器水位的稳定。
该控制的主调节控制除氧器液位，主要通过一组多个除氧器的平均液位进行控制，副调节主要通过物料平衡原理进行有效的补水。
2）除氧器协调控制
通过统计出水阀门的开度变化和各台除氧器进汽、进水的关系，进行数据分析，外供变化时，采用预测控制智能分配调节各台除氧器，来实现除氧器群的协调控制。
主要通过单台液位的偏差率与实际平均液位的偏差率控制除氧器的补水阀门动作，保证除氧器间液位的均衡。
4.应用情况及可推广前景简述
目前，已在河北、山东、陕西、内蒙古、广西等地推广了30余套煤粉炉智能燃烧优化控制技术，涉及企业有国家能源集团宁夏煤制油分公司、中煤鄂尔多斯能源化工有限公司、唐山三友化工股份有限公司热电分公司、山东南山铝业股份有限公司南山热电厂、万华化学（烟台）氯碱热电有限公司等，锅炉负荷已经涵盖65t/h至1025t/h的区间。从已验收的报告看，实现煤粉炉长期自控率均在90%以上、节能率在1.1%以上，获得用户好评，每年可节约标煤约12万吨，减排二氧化碳30余万吨，可产生节能效益超1亿元。大幅提高了热电行业大数据在流程优化控制的应用水平，在热电行业具有很好的示范效应。
①国内外技术对比：
煤粉炉智能优化控制系统填补了国内煤粉炉燃烧优化控制领域的空白，尤其在母管制负荷变化快速精确分配、锅炉运行状态采用大数据分析、机器学习的方法进行自动寻优、母管制除氧器群智能控制方面填补了国际空白。
国外已有采用模型法优化技术及反平衡算法计算煤粉炉热效率，这类技术对测控仪表的精度有较高的要求，所需配置的仪表必须齐全，现场仪表投资比较大，国内企业很难达到技术实施的条件；同时，模型法优化技术需要经过一段时间（约半年）进行模型重新测试，维护起来比较困难，实用性差。简而言之，国外的优化控制技术价格昂贵，对测量设备的高精确度依赖性强，难以适应我国工业现场普遍存在的现状。
目前国内优化控制方面主要是高校、研究院和个别控制系统生产厂家在研究和推广，虽然采用的各种技术有所区别，但是对现场设备精确度的依赖性依然很高，而且对工艺流程现场工况要求苛刻，难以适应现场多变的环境，再加上燃料多种、压力多变，无法实现全自动的优化控制，在工业锅炉燃烧优化方面也有零星应用，尤其是在电力行业的煤粉炉上，但在煤粉炉上的研究还没有见到实际应用的业绩和相关报道，国外技术一般也是针对大型单元机组的煤粉炉进行了研究，很少有对锅炉炉群协调、负荷分配方面的技术。
我公司基于现场已有的仪表及测控条件，在不影响现场运行前提下，采用多项先进技术，提升优化控制适应现场条件和异常工况的能力；采用先进的软测量技术实现对生产关键参数的在线数学模型计算；采用大数据分析、机器学习的方法对于锅炉运行状态进行预测并动态改变最佳运行效果，实现燃烧装置最少燃料、最佳风量的优化控制，在保证锅炉安全运行的母管制除氧器群的水位智能控制方面采用了化零为整的方式进行协调控制，对现场最小的改动，不影响生产的前提下，最大化的节约了能耗，相对其他企业设备改造的成本大幅度降低。
与国内同类产品的比较：
②市场前景：
中国煤粉炉数量众多，以火电、热电为主的燃煤锅炉全国约有5000台以上，大型火电约3500台、CFB锅炉500台，余下为热电300MW机组以下煤粉炉约1000台。假设每年40亿标准煤中20亿为燃烧消耗，假设其中煤粉炉消耗量10亿吨，节煤率按照1%计算，全国每年可节约标准煤10*1%=1000万吨，创造节能效益100亿元（按1000元/t标煤）。另外，相当于减少二氧化碳排放2620万吨，减少二氧化硫（每吨标煤按排放8.5Kg）排放8.5万吨，减少氮氧化物(每吨标煤按排放7.4Kg)排放7.4万吨，市场潜力巨大，为用户创造的经济效益和社会效益十分可观。本技术高度集成和标准化，具备大规模推广，市场前景广阔。
5.经济效益及社会效益情况
（1）经济效益：
以国家能源集团“大型煤化工装置动力站及公用工程控制系统优化研究服务项目”为例，该项目涉及10台煤粉炉的优化改造，应用该技术后，10台煤粉炉平均节煤率达到1.6%，锅炉负荷按照80%计算，煤炭碳排放系数2.66tCO2/tce计算，每吨标煤按照800元计算，以则每年可产生如下效益：
①每年节约标煤量：
[（6*640）+（4*600）]*80%*0.1*1.6%*24（h）*365（d）=69967.87（t）
②每年可减少二氧化碳排放量：
69967.87（t）*2.66=186114.54（t)
③每年节煤量可产生经济效益：
69967.87（t）*800≈5597.43（万元）
④投资回收期：
1060/（5597.43/12）≈2.3（月）
（2）社会效益：
本项目在不改变现场工艺和设备的前提下，通过大数据机器学习、先进控制技术、信息化技术、优化控制技术，实现煤粉炉燃烧过程的节能降耗、降低操作人员的劳动强度、提高企业的数字化水平。
该项目针对煤粉炉的燃烧过程，打破了煤粉炉长期以来基本上处于人工操作的局面，提高了燃烧的稳定性，设备运行的安全性，并在一定程度上抑制了污染物的排放，实现1.0～3%的能源节约。
本项目可以使得煤粉炉的运行具有经济性、节能性、高效性、安全稳定性，是一种集多种学术的先进技术于一体的优化控制技术，其优势如下：
①优化控制系统在自动化行业开创了一种全新的研发、工程实施与售后服务的高效模式，明显区别于对行业传统服务方式和观念，对促进行业的发展起到良好的示范作用；
②对更好维护先进控制与优化控制项目的运转，有极大的帮助，有效减轻企业一般技术人员对先进控制、优化控制项目的维护压力；
③优化控制技术实现企业生产装置的自动运行、安全运行、稳定运行和优化运行，提升企业的管理水平和生产效益。
6.项目案例获专利及奖励情况：
（1）项目案例获发明专利2项：
一种母管制锅炉负荷精确调节控制方法，CN103512021B
一种除氧器群液位协调控制方法及系统，CN113883495B
（2）科技成果鉴定1项
《煤粉炉智能生产和节能优化控制技术研发与产业化》，评价单位：中国高科技产业化研究会，技术水平：国际领先
（3）2022年12月获北京市新技术新产品1项
（4）发表论文2篇
2023年8月在《自动化博览》2023年第8期发表论文1篇
2024年4月在《山西化工》2024年第4期发表论文1篇
（5）获得各项荣誉奖励5项：
①2022年12月30日获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖三等奖
②2024年10月31日获得2023年度“中国好技术”称号
③2024年北京社会企业质量协会质量技术创新奖成果奖二等奖
④2024年10月11日，获得创客北京2024企业组优秀奖
⑤2025年4月入围河北省绿色低碳新技术（产品）推荐目录（2024年度）
京公网安备 11011502004515号 
