多目标经济预测控制算法及其在锅炉低氮燃烧优化中的应用研究

摘要

随着社会经济的发展，国家不断推进电力改革。电网中新能源比例不断提高，调峰能力不足;重化工业用电增速放缓，火力发电设备利用小时数快速下降;环境污染问题得到普遍关注，氮氧化物排放标准日益严苛。作为承担电网主要发电任务的火电机组，面临的挑战主要概括为:
　　(1)必须具备较强的变负荷运行能力，参与电网深度调峰;
　　(2)必须提高机组运行效率，最大化企业经济效益;
　　(3)必须控制氮氧化物排放浓度，实现节能减排的双赢局面。
　　综合上述要求，火电机组必须通过技术进步提升自身灵活性，在参与电网深度调峰的过程中，实现负荷跟踪误差尽可能小、经济效益尽可能高和氮氧化物排放尽可能小等多个优化目标。
　　锅炉燃烧过程是火电机组负荷跟踪系统中，控制氮氧化物排放、提高运行经济性最关键的环节。然而，在当前的火电机组负荷跟踪控制系统中，并没有发挥锅炉燃烧优化调整的作用。其主要原因归结为:
　　(1)缺乏面向控制的，包含炉内燃烧调整动态描述的火电机组非线性动态建模方法和模型的研究;
　　(2)火电机组负荷跟踪系统是一个包含多个优化目标的被控过程，缺乏对将过程经济性与控制目标综合考虑的先进多目标优化控制算法的开发与应用研究。
　　为了解决上述问题，提升火电机组竞争力。本文提出构建面向锅炉经济性低氮燃烧优化的机炉负荷跟踪控制系统。为了实现这一控制系统设计目标，本文以直吹式汽包炉火电机组为研究对象，从建模和控制算法两方面进行基础研究，并最终通过仿真研究验证所构建的控制系统的有效性。本文的主要内容包括:
　　建模研究方面。
　　(1)分析锅炉系统主要动态特性及各子系统间的相互关联，并重点分析炉内燃烧过程的NO生成化学反应机理和烟气流动过程中的传热传质关系，确定了锅炉燃烧调整的主要操作变量。基于某固定负荷点，分别给出了用于炉内燃烧调整的各操作变量与锅炉效率和炉膛出口氮氧化物生成浓度之间的动态关系机理数学建模方法，以及适用于先进燃烧控制系统设计的锅炉系统灰箱非线性动态建模方法。
　　(2)充分利用现场运行数据，结合锅炉燃烧过程与其他子系统的动态关联关系，提出利用锅炉汽水侧可测参数实时估算炉内燃烧状态量的计算方法，建立了包含锅炉燃烧调整动态描述的火电机组非线性动态模型。
　　控制算法方面。
　　(1)以火电机组发电负荷跟踪过程为被控对象，指出当前广泛应用于机组负荷跟踪控制系统的多层控制结构，存在过程经济性非最优的问题，提出了将表征发电过程经济性的指标，直接加入闭环反馈控制回路进行优化计算的稳定多目标经济预测控制系统框架，文中通过理论推导和仿真研究验证其有效性。
　　(2)立足于解决多目标优化过程中目标优先级存在差异，相关控制调节参数与多目标优化结果之间关系不明确，需要通过试凑法确定调节参数的问题，提出了偏好可调的多目标预测控制算法，并通过理论推导和仿真实验证明了算法的有效性。
　　系统设计及仿真研究方面。
　　基于模型和控制算法研究基础，设计了面向锅炉经济性低氮燃烧优化的负荷跟踪控制系统。仿真结果显示，所设计的控制系统在改善机组变负荷运行性能、提高运行效率以及控制氮氧化物排放等方面均有较好的表现。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．2 火电机组锅炉燃烧过程控制系统研究综述

1．2．1 单元机组负荷控制系统及关键技术

1．2．2 锅炉低氮燃烧技术

1．3 火电机组动态建模研究现状及问题

1．3．1 火电机组整体动态建模研究

1．3．2 锅炉低氮燃烧过程建模研究

1．4 多目标经济预测控制研究综述

1．4．1 经济预测控制

1．4．2 多目标经济预测控制

1．5 本文研究内容

1．5．1 主要研究问题

1．5．2 论文架构及主要研究内容

第二章 锅炉低氮燃烧优化系统分析及建模

2．1 引言

2．2 锅炉系统特性分析及建模范畴

2．2．1 锅炉系统特性分析

2．2．2 锅炉系统建模范畴

2．3 锅炉系统数学模型

2．3．1 燃烧系统数学模型

2．3．2．汽水系统模型

2．3．3．在线锅炉效率计算模块

2．4．面向锅炉先进控制系统设计的模型改进

2．4．1 模型输入输出及状态变量选择

2．4．2 炉内燃烧过程灰箱建模

2．5 仿真研究和模型总结

2．5．1 仿真研究

2．5．2 炉内燃烧过程的灰箱模型辨识和验证

2．5．3 模型总结

2．6 本章小结

第三章 面向锅炉经济性低氮燃烧优化(ELNCO)机组协调控制的火电机组非线性动态模型研究

3．1 引言

3．2 数学模型

3．2．1 建模范畴及模型假设

3．2．2 锅炉燃烧系统动态模型

3．2．3 汽水系统建模

3．2．4 汽轮机动态特性

3．3 基于现场运行数据的模型参数辨识

3．3．1 现场数据处理及说明

3．3．2 模型参数辨识及公式拟合

3．3．3 模型总结

3．3．4 机炉模型动态特性仿真研究

3．4 本章小结

第四章 面向机炉协调控制系统设计的稳定多目标经济预测控制算法研究

4．1 引言

4．2 机炉协调控制框架结构

4．2．1 符号及参数定义

4．2．2 双层控制框架结构

4．2．3 稳定多目标经济预测控制框架结构

4．3 仿真研究

4．3．1 机炉运行动态特性描述

4．3．2 机炉系统的优化目标

4．3．3 仿真实验设计及结果分析

4．5 本章小结

第五章 偏好可调多目标非线性预测控制算法研究

5．1 引言

5．2 问题描述和参数定义

5．2．1 符号及参数定义

5．2．2 稳态多目标优化

5．2．3 偏好可调多目标优化

5．2．4 目标函数无量纲化

5．3 多目标非线性预测控制算法

5．3．2 偏好可调多目标预测控制算法(PA-MOMPC)

5．4 仿真应用研究

5．4．1 具有热流的绝热连续流动搅拌反应器(CSTR)过程

5．4．2 仿真实验

5．4．3 仿真结果及讨论

5．5 本章小结

第六章 面向锅炉经济性低氮燃烧优化的机炉负荷跟踪控制系统设计及仿真研究

6．1 引言

6．2 面向锅炉燃烧优化的火电机组负荷跟踪控制问题描述

6．2．1 锅炉炉膛经济性低氮燃烧优化问题描述

6．2．2 考虑锅炉经济性低氮燃烧优化的双经济性目标机组负荷跟踪控制问题描述

6．3 仿真研究

6．3．1 锅炉炉膛经济性低氮燃烧优化仿真研究

6．3．2 面向锅炉炉膛经济性低氮燃烧优化的机炉协调控制系统仿真研究

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究总结

7．2 进一步工作的建议与展望

参考文献

致谢

作者简介、在学期间发表的学术论文及研究成果