一种等离子微油复合点火系统及其分层预测控制方法
阅读说明：本技术 一种等离子微油复合点火系统及其分层预测控制方法 (Plasma micro-oil composite ignition system and layered prediction control method thereof ) 是由 杨枫 施文 张泉水 朱富强 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种等离子微油复合点火系统及其分层预测控制方法,该系统包括等离子点火系统和微油点火系统,等离子点火系统和微油点火系统分别与分层预测控制模块连接,分层预测控制模块根据锅炉的实时状态信息以及设置的点火关系模型,分别输出对应于等离子点火系统和微油点火系统的点火参数；等离子点火系统和微油点火系统分别根据对应的点火参数进行点火启动操作。与现有技术相比,本发明采用分层预测控制方式,以实现锅炉的复合点火,具有优越的节油特点,应用安全可靠,既能保留等离子点火的优点,又能弥补其能量不足的缺点,提高了煤粉燃尽率及机组运行的安全性,同时增强了系统对煤种的适应性。(The invention relates to a plasma micro-oil composite ignition system and a layered prediction control method thereof, wherein the system comprises a plasma ignition system and a micro-oil ignition system, the plasma ignition system and the micro-oil ignition system are respectively connected with a layered prediction control module, and the layered prediction control module respectively outputs ignition parameters corresponding to the plasma ignition system and the micro-oil ignition system according to real-time state information of a boiler and a set ignition relation model; and the plasma ignition system and the micro-oil ignition system respectively perform ignition starting operation according to the corresponding ignition parameters. Compared with the prior art, the invention adopts a layered prediction control mode to realize the composite ignition of the boiler, has the advantages of superior fuel saving, safe and reliable application, can retain the advantages of plasma ignition, can make up for the defect of insufficient energy, improves the coal powder burn-off rate and the unit operation safety, and simultaneously enhances the adaptability of the system to coal types.)
技术领域
本发明涉及发电厂工业控制技术领域，尤其是涉及一种等离子微油复合点火系统及其分层预测控制方法。
背景技术
火力发电机组的启停及低负荷稳燃需要消耗大量的石油资源，随着我国火力发电设备装机总容量的增加，年耗油量越来越大。为贯彻国家节能减排政策，电力行业正积极推进多项节省点火和助燃用油的技术，目前在火力发电厂应用最为广泛的就是等离子点火和微油点火技术。
然而在实际应用中，等离子点火方式在运行时容易发生断弧、燃烧器内结焦、阴极使用寿命短、磨煤机振动、初期燃尽率低、积灰、易自燃等问题，此外，等离子受到点火功率的限制，对煤种的适应能力有限。目前，国内等离子发生器的最大功率为300kw，相当于24kg/h轻柴油的热功率，在燃烧难着火煤种时，不能可靠点燃煤粉气流，当煤种多变时，也不易点燃煤粉气流。等离子对于收到基挥发分处于18％以下的煤种，点火比较困难，对于贫煤、无烟煤目前尚不能点燃；对烟煤来说，即使灰分高达30％也能点燃。
微油枪点火则会发生油枪堵塞、漏油、运行中熄火、燃烧器内结焦、磨煤机振动、初期燃尽率低、积灰、易自燃等问题。微油枪由于出力选择范围较大，煤种适应能力理论上要强于等离子点火，但煤质越差，需要点燃煤粉的燃油量就越大。同时由于微油枪燃油必须消耗氧气，对于贫煤，增大油枪出力达150kg/h以上时，一次风率只有10％～15％，煤、油抢风影响点燃的问题就非常突出。如果对小油枪加大配风，着火后由于气流的热膨胀，燃烧器内的流速就会上升到远高于火焰传播速度的程度，燃烧器的阻力比正常燃烧上升3～4倍，这必然会严重影响微油枪的点火效果和节油效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种等离子微油复合点火系统及其分层预测控制方法，以解决现有点火方式在点火过程中能量不足、耗油量大的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种等离子微油复合点火系统，包括等离子点火系统和微油点火系统，所述等离子点火系统和微油点火系统分别与分层预测控制模块连接，所述分层预测控制模块根据锅炉的实时状态信息以及设置的点火关系模型，分别输出对应于等离子点火系统和微油点火系统的点火参数；所述等离子点火系统和微油点火系统分别根据对应的点火参数进行点火启动操作。
进一步地，所述等离子点火系统包括依次连接的PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)和DCS(Distributed Control System，分散控制系统)，所述PLC与分层预测控制模块连接，以接收等离子点火系统对应的点火参数，并输出对应的控制信息给DCS，所述DCS用于监测风粉以及对风机和水泵进行控制。
进一步地，所述PLC连接有多个整流柜，所述整流柜对应连接至等离子点火器。
进一步地，所述整流柜通过隔离变压器进行整流操作。
进一步地，所述DCS包括风粉监测单元、风机控制柜和冷却水泵控制柜，所述风机控制柜与风机连接，所述冷却水泵控制柜与水泵连接。
进一步地，所述微油点火系统包括热工控制子系统、油燃烧子系统和冷炉制粉子系统，所述热工控制子系统分别与冷炉制粉子系统、油燃烧子系统连接，用于分别控制冷炉制粉子系统和油燃烧子系统的工作状态，所述冷炉制粉子系统通过一次风管连接至煤粉燃烧器，以将制成的煤粉输送至煤粉燃烧器，所述煤粉燃烧器与热工控制子系统连接，由热工控制子系统控制煤粉燃烧器的工作状态。
进一步地，所述热工控制子系统设置有用于测量煤粉浓度的第一传感器以及用于测量一次风速的第二传感器，所述第一传感器和第二传感器分别与冷炉制粉子系统连接，所述热工控制子系统还设置有用于检测火焰的第三传感器、用于检测煤粉燃烧器壁温的第四传感器以及用于采集煤粉燃烧器状态图像的监视器。
一种用于等离子微油复合点火系统的分层预测控制方法，包括以下步骤：
S1、根据历史数据，分别构建电厂锅炉控制变量与等离子点火关系模型、电厂锅炉控制变量与微油点火关系模型；
S2、基于步骤S1构建的关系模型，结合当前锅炉的状态信息，分别在预设的等离子点火层采样时间、微油点火层采样时间内计算得到等离子点火系统和微油点火系统对应的点火参数。
进一步地，所述电厂锅炉控制变量与等离子点火关系模型具体为：
s.t.Lh(tf,qh)≥LM-ε1
|f(x(tf),u,Lh(tf,qh))|≤ε2
h(x(t))≤0,iTh≤t≤tf
其中，Lh为等离子点火参数，qh为等离子点火优化参数向量，tf为等离子点火启动的最终时间，LM为满负载，i∈N为用于定义等离子层采样时间的索引，Th为等离子点火层的采样时间，iTh为等离子点火层的第i个采样时间，ε1和ε2是等离子点火约束的紧缩项，f(x(tf),u,Lh(tf,qh))为锅炉对应于等离子点火的状态信息，x(tf)为等离子点火启动最终时间对应的状态变量，u为等离子点火相关输入量，Lh(tf,qh)为等离子点火启动最终时间对应的等离子点火参数，h(x(t))为状态变量x(t)对应的设备变量，t为时间变量。
进一步地，所述电厂锅炉控制变量与微油点火关系模型具体为：
Th＝kTl(k∈N,k≥1)
s.t.h(x(t))≤0,t∈[jTl,(j+Np)Tl]
Tc≥Np*Tl
其中，Np为预测范围，Tc为可调谐时间常数，用于定义由等离子层计算的远期燃机负载，Ll(t,ql)为微油点火参数化函数，ql为微油点火优化参数向量，Tl为微油点火层的采样时间，j∈N为用于定义微油层采样时间的索引，jTl为微油点火层的第j个采样时间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明将通过设置分别与分层预测控制模块连接的等离子点火系统和微油点火系统，利用分层预测控制模块根据锅炉的实时状态信息以及设置的点火关系模型，分别输出对应于等离子点火系统和微油点火系统的点火参数，以分别对应控制等离子点火和微油点火的启动，以实现一种锅炉的复合点火方式，既能保留等离子点火的优势，提高节油效果，同时能够解决等离子点火能量不足的问题，增强对煤种的适用性。
二、本发明通过在微油点火系统设置热工控制子系统，利用热工控制子系统通过测量煤粉浓度、测量一次风速，以控制冷炉制粉子系统的工作状态，利用热工控制子系统通过检测火焰以及检测煤粉燃烧器壁温，以分别控制油燃烧子系统和煤粉燃烧器的工作状态，由此有效提高煤粉燃尽率、进一步减少耗油量。
三、本发明采用分层预测控制的方式，通过构建电厂锅炉控制变量与等离子点火关系模型、电厂锅炉控制变量与微油点火关系模型，利用等离子点火层的优化参考信号解决微油点火层的模型预测控制问题，由此实现对等离子点火和微油点火的复合控制，能够充分优化锅炉点火时间。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为实施例中等离子点火系统的结构示意图；
图3为实施例中微油点火系统的结构示意图；
图4为本发明的方法流程示意图；
图5为本发明中分层预测控制的控制逻辑示意图；
图6为本发明中分层预测控制算法的示意图；
图中标记说明：1、等离子点火系统，2、微油点火系统，3、分层预测控制模块，4、锅炉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种等离子微油复合点火系统，包括等离子点火系统1和微油点火系统2，等离子点火系统1和微油点火系统2分别与分层预测控制模块3连接，分层预测控制模块3根据锅炉4的实时状态信息以及设置的点火关系模型，分别输出对应于等离子点火系统1和微油点火系统2的点火参数；等离子点火系统1和微油点火系统2分别根据对应的点火参数进行点火启动操作。
具体的，如图2所示，等离子点火系统包括依次连接的PLC和DCS，其中，PLC与分层预测控制模块连接，以接收等离子点火系统对应的点火参数，并输出对应的控制信息给DCS，DCS用于监测风粉以及对风机和水泵进行控制，PLC连接有多个整流柜，整流柜对应连接至等离子点火器，本实施例中，设置有1～4号整流柜，1～4号整流柜由PLC进行编程控制，每个整流柜通过隔离变压器进行整流，最终实现等离子点火。
其中，DCS包括风粉监测单元、风机控制柜和冷却水泵控制柜，风机控制柜与风机连接，冷却水泵控制柜与水泵连接。
如图3所示，微油点火系统包括热工控制子系统、油燃烧子系统和冷炉制粉子系统，热工控制子系统分别与冷炉制粉子系统、油燃烧子系统连接，用于分别控制冷炉制粉子系统和油燃烧子系统的工作状态，油燃烧子系统包括少油燃烧器，少油燃烧器由油枪和助燃风管路组成，油枪则由油管路和压缩空气管路组成，冷炉制粉子系统通过一次风管连接至煤粉燃烧器，以将制成的煤粉输送至煤粉燃烧器进行燃烧，煤粉燃烧器与热工控制子系统连接，由热工控制子系统控制煤粉燃烧器的工作状态。
其中，热工控制子系统设置有用于测量煤粉浓度的第一传感器以及用于测量一次风速的第二传感器，第一传感器和第二传感器分别与冷炉制粉子系统连接，热工控制子系统还设置有用于检测火焰的第三传感器、用于检测煤粉燃烧器壁温的第四传感器以及用于采集煤粉燃烧器状态图像的监视器，因此，热工控制子系统实际是基于煤粉浓度测量和一次风测速来控制冷炉制粉系统；基于火焰检测系统控制少油燃烧器、进而基于图像监视以及壁温监测一起控制煤粉燃烧器。
综上所述，本实施例中，PLC用于给DCS编程，从而实现对等离子点火系统的控制；DCS由风粉在线监视、风机控制柜和冷却水泵控制柜组成，分别实现对风粉的在线监视和对风机和冷却水泵的控制；1～4号整流柜由可编程控制器PLC进行编程控制，每个整流柜通过隔离变压器进行整流，最终实现等离子点火；对于微油点火系统，其中的热工控制子系统包括煤粉浓度测量、一次风测速、火焰检测、图像监视以及壁温监测，油燃烧子系统包括少油燃烧器，少油燃烧器由油枪和助燃风管路组成，而油枪又由油管路和压缩空气管路组成，冷炉制粉系统通过一次风管将制成的煤粉输送至煤粉燃烧器进行燃烧，煤粉浓度测量和一次风测速控制冷炉制粉系统，火焰检测系统控制少油燃烧器进而和图像监视系统以及壁温监测系统一起控制煤粉燃烧器。
将上述系统应用于实际，以实现一种用于等离子微油复合点火系统的分层预测控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1、根据历史数据，分别构建电厂锅炉控制变量与等离子点火关系模型、电厂锅炉控制变量与微油点火关系模型，其中，电厂锅炉控制变量与等离子点火关系模型具体为：
s.t.Lh(tf,qh)≥LM-ε1
|f(x(tf),u,Lh(tf,qh))|≤ε2
h(x(t))≤0,iTh≤t≤tf
式中，Lh为等离子点火参数，qh为等离子点火优化参数向量，tf为等离子点火启动的最终时间，LM为满负载，i∈N为用于定义等离子层采样时间的索引，Th为等离子点火层的采样时间，iTh为等离子点火层的第i个采样时间，ε1和ε2是等离子点火约束的紧缩项，f(x(tf),u,Lh(tf,qh))为锅炉对应于等离子点火的状态信息，x(tf)为等离子点火启动最终时间对应的状态变量，u为等离子点火相关输入量，Lh(tf,qh)为等离子点火启动最终时间对应的等离子点火参数，h(x(t))为状态变量x(t)对应的设备变量，t为时间变量；
电厂锅炉控制变量与微油点火关系模型具体为：
Th＝kTl(k∈N,k≥1)
s.t.h(x(t)0≤0,t∈[jTl,(j+Np)Tl]
Tc≥Np*Tl
式中，Np为预测范围，Tc为可调谐时间常数，用于定义由等离子层计算的远期燃机负载，Ll(t,ql)为微油点火参数化函数，ql为微油点火优化参数向量，Tl为微油点火层的采样时间，j∈N为用于定义微油层采样时间的索引，jTl为微油点火层的第j个采样时间；
S2、基于步骤S1构建的关系模型，结合当前锅炉的状态信息，分别在预设的等离子点火层采样时间、微油点火层采样时间内计算得到等离子点火系统和微油点火系统对应的点火参数。
本实施例根据历史数据分别建立电厂锅炉控制变量与等离子、微油点火层的关系模型，如图5所示，点火用油量是控制变量，电厂锅炉模型以两种动态显式的形式给出，分别对应于每个级别：
等离子点火层：
微油点火层：
其中，x(t)表示状态变量，u是优化程序中一组不相关的输入(如减温器，旁通阀的进料流量)，Lh(t)是与等离子点火层相关的点火参数，而Ll(t)则是对应于微油点火层的点火参数。
本技术方案在分层预测控制过程中，设置优化层和模型预测控制器层，将优化层应用于等离子点火系统，将模型预测控制器层应用于微油点火系统，最终实现锅炉的复合点火。
假设每一层的点火参数均由参数化函数Lh(t,qh)、Ll(t,ql)来描述，其中qh和ql为通过优化得出的参数向量。在分层模型预测控制算法中，为每个层定义了不同的采样时间，Th和Tl分别代表等离子点火层和微油点火层的采样时间，为了简化起见，Th和Tl的关系如下：
Th＝kTl(k∈N,k≥1)
在每一层都有不同的视野，长的预测水平对应于等离子层，而微油层则考虑较短的预测水平。
对分层预测控制算法作进一步详细的描述，如图6所示，根据满足电厂点火启动的指标优化范围，由关系模型获取等离子层与微油层的协同优化模型。在每个等离子层的采样时间iTh，通过使用以下最小时间问题的解来计算控制曲线Lh(t,qh)：
限制条件：
Lh(tf,qh)≥LM-ε1
|f(x(tf),u,Lh(tf,qh))|≤ε2
h(x(t))≤0,iTh≤t≤tf
其中tf表示启动的最终时间，LM是满负载，i∈N是用于定义等离子层采样时间的索引，ε1和ε2是约束的紧缩项(理想情况下为零)，并且包括相应的约束条件，以确保在最后一次系统达到满负荷时，误差由ε1指定，而在稳态条件下，误差由ε2指定。h(x(t))和t的约束条件以一般形式表示在点火启动过程中施加在设备变量上的所有约束条件，特别是应力水平。
通过采用后退水平范式，通过最小化固定有限视界上的二次函数，可以在每个微油层采样时间内得出控制变量曲线，可正式表示为：
限制条件：
h(x(t))≤0,t∈[jTl,(j+Np)Tl]
其中Np是预测范围，j∈N是用于定义微油层采样时间的索引，而Tc是可调谐时间常数，用于定义由等离子层计算的远期燃机负载，该条件由Tc≥Np*Tl决定。根据后退水平范式，仅将针对t∈[jTl,(j+1)Tl]计算的最佳曲线应用于系统，并在新的采样周期重复整个过程。来自等离子层的参考在[jTl,(j+1)Tl]内是连续的，从而促进两层之间的通讯。
本技术方案提出一种基于分层预测控制的等离子微油复合点火系统，通过使用分层预测控制算法分别对等离子点火系统和微油点火系统进行复合控制，具有能量足、煤粉燃尽率高、用油量小以及耗时短的特点，同时既能保留等离子点火和微油点火的优点，又能提高机组运行的安全性，增强系统对煤种的适应性。