本发明涉及锅炉燃烧控制技术，具体地涉及一种锅炉燃烧控制系统和方法。
背景技术：
随着对改善大气环境质量，保护生态环境的重视，国家对电站锅炉污染物排放的标准越来越严格。比如我国最新排放标准要求燃煤电厂的氮氧化物(nox)排放浓度应低于100mg/nm3。
目前，控制nox排放的措施大致分为两类：第一类是在燃烧过程中减少新生成的nox的措施，包括各种低氮燃烧技术，如低氮燃烧器、空气分级燃烧、燃料分级燃烧等；第二类是在燃烧后脱除已生成的nox，如选择性非催化还原技术(sncr-selectivenon-catalyticreduction)和选择性催化还原技术(scr-selectivecatalyticreduction)。由于低氮燃烧技术能够大幅降低炉膛出口的nox排放浓度，同时大幅降低烟气脱硝的运行成本，因此在我国现役火电机组中获得了普遍应用。对于采用低氮燃烧技术的锅炉来讲，当负荷和煤质都比较稳定时，通过一定的燃烧调整手段改变运行参数，容易获得较高的燃烧效率和较低的nox排放；然而由于目前火电机组参与调峰和调频，其负荷变化比较频繁，加上煤质多变，很容易偏离低氮燃烧的设计工况，其结果是不但不能很好地兼顾锅炉的经济性和排放，反而会造成炉膛结焦、燃烧器区域水冷壁高温腐蚀、灰渣含碳量高等问题，所以采用常规动态优化控制算法控制很难达到预期效果。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种锅炉燃烧控制系统和方法，用于解决自动有效地控制锅炉燃烧的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种锅炉燃烧控制系统，该系统包括：接收模块，用于在每一个时刻接收当前时刻的所述锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量；处理模块，用于根据所述当前时刻的所述燃烧效率和所述氮氧化物含量通过极值搜索算法得到所述锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值；以及控制模块，用于根据所述当前时刻的开度值来控制所述锅炉的每层二次风门的开度。
可选地，所述处理模块包括：目标函数计算模块，用于将所述燃烧效率和所述氮氧化物含量转化为单目标的目标函数，并在每一个时刻根据所述当前时刻的所述燃烧效率和所述氮氧化物含量计算得到所述当前时刻的目标函数值；以及极值搜索模块，用于在每一个时刻根据所述当前时刻的目标函数值利用极值搜索算法计算得到所述锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值。
可选地，所述极值搜索模块包括：性能指标误差计算单元，用于在每一个时刻根据上一时刻的性能指标误差及当前时刻和上一时刻的目标函数值来计算当前时刻的性能指标误差；控制量估计单元，用于在每一个时刻针对每层二次风门根据上两个时刻的估计值和当前时刻的性能指标误差得到每层二次风门的当前时刻的估计值；以及开度值计算单元，用于根据每层二次风门的当前时刻的估计值得到每层二次风门的当前时刻的开度值。
可选地，所述控制模块还用于：根据所述当前时刻的开度值估计所述锅炉的二次风门的开度在所述当前时刻的开度值下所述锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量，得到燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值；将所述燃烧效率估计值和所述氮氧化物含量估计值分别与预先设定的燃烧效率目标值和氮氧化物含量目标值进行比较，分别计算燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比；若所述燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比均在预定误差阈值以内，则根据所述当前时刻的开度值来控制所述锅炉的每层二次风门的开度；以及若所述燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比中至少一者不在预定误差阈值以内，则将所述燃烧效率估计值和所述氮氧化物含量估计值作为更新后的当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量并将所接收的当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量作为更新后的上一时刻的燃烧效率和氮氧化物含量，再次计算所述锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值，直至所述燃烧效率误差百分比和所述氮氧化物含量误差百分比均在预定误差阈值以内。
可选地，所述目标函数计算模块还用于将所述燃烧效率和所述氮氧化物含量进行归一化，将归一化后的燃烧效率和所述氮氧化物含量转化为单目标的目标函数。
相应地，本发明还提供了一种锅炉燃烧控制方法，该方法包括：在每一个时刻接收当前时刻的所述锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量；根据所述当前时刻的所述燃烧效率和所述氮氧化物含量通过极值搜索算法得到所述锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值；以及根据所述当前时刻的开度值来控制所述锅炉的每层二次风门的开度。
可选地，所述根据所述当前时刻的所述燃烧效率和所述氮氧化物含量通过极值搜索算法得到所述锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值包括：将所述燃烧效率和所述氮氧化物含量转化为单目标的目标函数，并在每一个时刻根据所述当前时刻的所述燃烧效率和所述氮氧化物含量计算得到所述当前时刻的目标函数值；以及在每一个时刻根据所述当前时刻的目标函数值利用极值搜索算法计算得到所述锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值。
可选地，所述在每一个时刻根据所述当前时刻的目标函数值利用极值搜索算法计算得到所述锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值包括：在每一个时刻根据上一时刻的性能指标误差及当前时刻和上一时刻的目标函数值来计算当前时刻的性能指标误差；在每一个时刻针对每层二次风门根据上两个时刻的估计值和当前时刻的性能指标误差得到每层二次风门的当前时刻的估计值；以及根据每层二次风门的当前时刻的估计值得到每层二次风门的当前时刻的开度值。
可选地，所述根据所述当前时刻的开度值来控制所述锅炉的每层二次风门的开度包括：根据所述当前时刻的开度值估计所述锅炉的二次风门的开度在所述当前时刻的开度值下所述锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量，得到燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值；将所述燃烧效率估计值和所述氮氧化物含量估计值分别与预先设定的燃烧效率目标值和氮氧化物含量目标值进行比较，分别计算燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比；若所述燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比均在预定误差阈值以内，则根据所述当前时刻的开度值来控制所述锅炉的每层二次风门的开度；以及若所述燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比中至少一者不在预定误差阈值以内，则将所述燃烧效率估计值和所述氮氧化物含量估计值作为更新后的当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量并将所接收的当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量作为更新后的上一时刻的燃烧效率和氮氧化物含量，再次计算所述锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值，直至所述燃烧效率误差百分比和所述氮氧化物含量误差百分比均在预定误差阈值以内。
可选地，所述将所述燃烧效率和所述氮氧化物含量转化为单目标的目标函数包括：将所述燃烧效率和所述氮氧化物含量进行归一化，将归一化后的燃烧效率和所述氮氧化物含量转化为单目标的目标函数。
通过上述技术方案，本发明根据锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量通过极值搜索算法来计算每层二次风门的开度值，并根据所计算的开度值来控制每层二次风门的开度，不依赖于燃烧系统的数学模型，具有良好的控制品质和鲁棒性，很好地实现了燃烧系统的优化运行。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明提供的锅炉燃烧控制系统的框图；
图2是本发明提供的锅炉燃烧控制流程图；以及
图3是本发明提供的锅炉燃烧控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是本发明提供的锅炉燃烧控制系统的框图，如图1所述，该系统包括接收模块101、处理模块102和控制模块103，接收模块101用于在每一个时刻接收当前时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量；处理模块102用于根据当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量通过极值搜索算法得到锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值；控制模块103用于根据当前时刻的开度值来控制锅炉的每层二次风门的开度。
其中极值搜索算法为本领域技术人员所熟知的算法，其中需要结合之前时刻的一些数据和变量，具体在下文中将进一步阐述。针对每一个时刻，当前接收到的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量均可以理解为当前时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量。例如，以第一时刻和第二时刻为例进行说明，第一时刻为第二时刻之前的时刻，如当前时刻为第一时刻，则接收模块101所接收的当前时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量即为第一时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量，第一时刻之后是第二时刻，如当前时刻为第二时刻，则接收模块101所接收的当前时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量即为第二时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量。
其中，第一时刻可以称为是第二时刻的上一时刻，进一步地，假设第二时刻之后为第三时刻，那么第一时刻可以称为第三时刻的上上时刻，换个角度来说，第三时刻的前两个时刻包括第一时刻和第二时刻。
氮氧化物含量指的是锅炉排放的气体中的氮氧化物含量，其中锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量通过本领域公知的技术得到，于此不予赘述。
处理模块102包括目标函数计算模块和极值搜索模块，目标函数计算模块用于将燃烧效率和氮氧化物含量转化为单目标的目标函数，并在每一个时刻根据当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量计算得到当前时刻的目标函数值；极值搜索模块用于在每一个时刻根据当前时刻的目标函数值利用极值搜索算法计算得到锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值。
目标函数计算模块将燃烧效率和氮氧化物含量转化为单目标的目标函数的过程为将多目标优化问题转化为单目标优化问题。其中，目标函数计算模块还用于将燃烧效率和氮氧化物含量进行归一化，将归一化后的燃烧效率和氮氧化物含量转化为单目标的目标函数。
其中目标函数(即，单目标的目标函数)如式(1)所示：
j＝-a×η+b×[nox]+a(1)
式(1)中，j为目标函数，η为归一化之后的锅炉的燃烧效率，[nox]为归一化之后的氮氧化物含量，a为η的权重，b为[nox]的权重，a为对输入输出违反约束的惩罚项。其中，a例如可以为0.6，b例如可以为0.4。
下面对式(1)中的惩罚项a进行解释，令每层二次风门的开度为ui(i＝1，2，3.…)，ui的变化范围为umin～umax，i为二次风门的层数，违反该约束的惩罚项为ai，进一步的，在本发明中还考虑了总的阀门开度带来的影响，如因每层二次风变化引起的总风量变化，若总的二次风阀门开度∑ui应该在未优化时总的二次风开度∑u0的k1～k2(k1，k2为百分比)之间，违反该约束的惩罚项取为aa。综上所述，构成的惩罚项a计算如下：
a＝∑ai+aa(2)
其中，
其中，ui的变化范围例如可以为30％～90％，进一步的，在本发明中考虑了因二次风变化引起的总风量变化，总的二次风阀门开度∑ui可以在未优化时总的二次风开度∑u0的
其中，极值搜索模块包括性能指标误差计算单元、控制量估计单元和开度值计算单元，具体地，性能指标误差计算单元用于在每一个时刻根据上一时刻的性能指标误差及当前时刻和上一时刻的目标函数值来计算当前时刻的性能指标误差；控制量估计单元用于在每一个时刻针对每层二次风门根据上两个时刻的估计值和当前时刻的性能指标误差得到每层二次风门的当前时刻的估计值；开度值计算单元用于根据每层二次风门的当前时刻的估计值得到每层二次风门的当前时刻的开度值。
性能指标误差计算单元计算当前时刻的性能指标误差通过式(5)来计算：
ξ(k)＝j(k)-j(k-1)-h*ξ(k-1)(5)
式(5)中，ξ(k)为当前时刻的性能指标误差，k表示时间，j(k)为当前时刻的目标函数值，j(k-1)为上一时刻的目标函数值，本领域技术人员可以根据经验将j(k-1)的初始值设置为一典型值，ξ(k-1)为上一时刻的性能指标误差，ξ(k-1)的初始值可以设定为0，h为高通滤波器截止频率，可以设定h为0.1。
为了加快极值搜索算法的收敛速度，本发明将ξ(k)通过低通滤波器及积分模块，得到当前时刻的估计值
式(6)中，
在式(6)计算得到当前时刻的估计值的基础上，开度值计算单元通过式(7)添加激励信号之后，得到当前时刻的实际控制量并输出，这里所描述的实际控制量即为当前时刻的开度值：
式(7)中，ui(k)为当前时刻的开度值，
其中，对燃烧优化而言，为了对燃烧过程造成的干扰尽量小，使过程参数调节过程尽快进入稳定状态，同时避免控制量反复波动，激励信号幅值ai和频率wi应设置得比较小。同时，由于幅值ai设置比较小，因此为保证较快的收敛速度，自适应增益γ应取较大的值。高通滤波器截止频率h应在wi附近选择，h主要影响寻优过程的响应速度，h越小响应速度越快，但同时控制量(控制量指的是控制开度的量)的变化也比较剧烈，甚至造成系统失稳。h设置时应折衷考虑这两个因素，h例如可以设定为0.1。
可以看出，本发明采用了基于摄动的极值搜索算法，结构简单，理论完善。多参数扰动极值搜索算法是在单参数扰动极值搜索算法的基础之上扩展而来的，其与单参数扰动极值搜索算法的工作原理基本相同，其中在待寻优的二次风门的控制量上叠加一个幅值较小的、变化较慢的周期激励信号aicos(wik)。
控制模块根据式(7)得到的当前时刻的开度值ui(k)来控制二次风门的开度，其中i表示二次风门的层数，即控制模块可以根据对应每层二次风门的ui(k)来控制每层二次风门的开度。但是，这样计算得到的ui(k)不一定满足优化目标的要求，也就是说不一定是最优的，所以控制模块还用于：根据当前时刻的开度值估计锅炉的二次风门的开度在当前时刻的开度值下锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量，得到燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值；将燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值分别与预先设定的燃烧效率目标值和氮氧化物含量目标值进行比较，分别计算燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比；若燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比均在预定误差阈值以内，则根据当前时刻的开度值来控制锅炉的每层二次风门的开度；若燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比中至少一者不在预定误差阈值以内，则将燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值作为更新后的当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量并将所接收的当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量作为更新后的上一时刻的燃烧效率和氮氧化物含量，再次计算锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值，直至燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比均在预定误差阈值以内。
其中预定误差阈值可以设定为5％，也就是说，若燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比均在5％以内，则控制模块103根据所计算的当前时刻的开度值来控制锅炉的每层二次风门的开度，若燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比中至少一者不在5％以内，则再次计算锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值，再次计算过程中将上一次计算过程中接收模块所接收的当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量作为更新后的上一时刻的燃烧效率和氮氧化物含量，将根据上一次计算过程中得到的开度值所估计的锅炉效率和氮氧化物含量作为更新后的当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量。下面通过图2所示的流程进行具体阐述。
图2是本发明提供的锅炉燃烧控制流程图，如图2所示，该流程包括：
步骤201，接收锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量，即当前时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量。
步骤202，对步骤201中所接收的当前时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量进行归一化，以便于后续步骤。
步骤203，将包括燃烧效率和氮氧化物含量的多目标转化为单目标，即将多目标的目标函数转化为单目标的目标函数，通过以上式(1)计算目标函数值。
步骤204，计算当前时刻的性能指标误差ξ(k)，具体通过式(5)来计算。
步骤205，计算当前时刻的估计值
步骤206，计算当前时刻的开度值ui(k)，具体通过式(7)来计算。
步骤207，根据步骤206所计算的当前时刻的开度值得到燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值，也就是假设根据步骤206所计算的开度值来调整锅炉的二次风门的开度(实际上并未对二次风门的开度进行调整)，估计在该开度的情况下锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量，得到燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值。其中根据步骤206所计算的当前时刻的开度值得到燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值采用现有技术中的方式来得到。
步骤208，将燃烧效率估计值与预先设定的燃烧效率目标值进行比较，计算得到燃烧效率误差百分比，将氮氧化物含量估计值与预先设定的氮氧化物含量百分比进行比较，计算得到氮氧化物含量误差百分比。
步骤209，判断燃烧效率误差百分比是否小于5％，这里将预定误差阈值设定为5％，如判断结果为是，则执行步骤210，若判断结果为否，则执行步骤212。
步骤210，判断氮氧化物含量误差百分比是否小于5％，这里将预定误差阈值设定为5％，如判断结果为是，则执行步骤211，若判断结果为否，则执行步骤212。
步骤211，根据步骤206所计算的当前时刻的开度值控制锅炉的二次风门的开度。
步骤212，更新锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量，即将步骤207中所计算的燃烧效率估计值和氮氧化物含量估计值作为当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量，将步骤201中接收的燃烧效率和氮氧化物含量作为上一时刻的燃烧效率和氮氧化物含量。
通过图2可以看出，在燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比中的至少一者不在预定误差阈值以内，就要重复步骤201至208，直至燃烧效率误差百分比和氮氧化物含量误差百分比均在预定误差阈值以内，才对二次风门的开度进行调整。
图3是本发明提供的锅炉燃烧控制方法的流程图，如图3所示，该方法包括：
步骤301，在每一个时刻接收当前时刻的锅炉的燃烧效率和氮氧化物含量。
步骤302，根据当前时刻的燃烧效率和氮氧化物含量通过极值搜索算法得到锅炉的每层二次风门的当前时刻的开度值。
步骤303，根据当前时刻的开度值来控制锅炉的每层二次风门的开度。
应当说明的是，本发明提供的锅炉燃烧控制方法的具体细节及益处与本发明提供的锅炉燃烧控制系统类似，于此不予赘述。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
通过本发明提供的技术方案来调整锅炉的每层二次风门的开度，锅炉效率和排放的氮氧化物含量均有下降，其中氮氧化物含量下降非常明显，充分发挥了低氮燃烧系统的效能，对电站锅炉节能减排、实现最佳燃烧及排放具有重要意义。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。