面向分段计划负荷的耦合配烧优化模型与硫分约束界调整
2026-02-10 15:00阅读：
引用本文
黄晓迪,
王广博, 李前胜, 姜彦辰, 王永富, 柴天佑. 面向分段计划负荷的耦合配烧优化模型与硫分约束界调整.
自动化学报, 2026, 52(1):
91−107 doi:
10.16383/j.aas.c250277
Huang Xiao-Di, Wang Guang-Bo, Li
Qian-Sheng, Jiang Yan-Chen, Wang Yong-Fu, Chai Tian-You. Research
on coupled co-firing optimization model for segmented planned loads
and sulfur constraint boundary adjustment. Acta Automatica Sinica,
2026, 52(1): 91−107 doi: 10.
16383/j.aas.c250277
http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c250277
关键词
配烧，分段负荷，优化模型，模型约束界，动态补偿
摘要
针对火电企业人工配烧方案制定效率低、成本高的问题, 本文首次系统性开展面向分段计划负荷的耦合配烧优化模型与硫分约束界调整研究. 首先, 为保证更快速与更精准地制定配烧方案,
通过磨煤机组的切换磨向量建立分段计划负荷与配烧优化模型之间的耦合关系,
实现以计算机优化模型为主的数字化配烧. 然后, 针对耦合配烧优化模型中的硫分约束值受燃煤硫转化、脱硫等多重不确定性影响的问题, 在反演计算硫分约束界的基础上, 基于改进随机配置网络建立硫分约束界前馈补偿模型.
接下来, 为保证前馈补偿模型的历史训练样本案例数据库的最优性,
通过监测机组的实时生产数据全周期迭代动态更新案例数据库, 进而提升前馈补偿模型的全周期预测精准性.
基于该模型开发的软件系统应用结果表明: 配烧方案制定时间从原来的40分钟/次缩短至5分钟/次以内; 在满足环保要求的前提下, 优化后配烧成本较人工经验方案平均降低21 CNY/t,
取得显著的效率与经济效益.
文章导读
根据2024年国家统计局数据报告, 我国规模以上工业发电量达9.4万亿千瓦时, 其中火力发电以67%的占比(约6.3万亿千瓦时), 持续承担电力系统压舱石角色. 值得注意的是, 燃煤成本占火电企业总成本的75%,
成为最主要的可变成本项[1].
考虑到我国发电供热用煤量占煤炭总产量的50%, 实现火电行业的高效清洁运行, 对提升企业效益和保障国家能源安全具有双重战略意义[2−3].
配煤掺烧(简称配烧)是根据电网计划负荷的指令需求、环保与机组安全等指标要求, 针对火电企业煤场现有的多个单煤种,
寻找最佳煤种及比例组合的过程.
部分火电企业由运行部门单独完成配烧工作, 但由于配烧业务的复杂性, 一些国内火电企业由运行部门依据负荷需求、环保与机组安全需求计算热值、硫分、挥发分等煤质参数,
并将结果下发至燃料部.
然后, 燃料部依据此煤质参数指标完成配煤工作.
配煤是根据热值、硫分、挥发分等煤质参数, 在煤场现有的多个单煤种中, 寻找最优煤种及比例组合的过程, 配煤后形成的混合煤种简称混煤, 实质上是一个新的单煤种. 因此, 配烧的目标是在确保机组环保和安全运行的前提下,
追求满足计划负荷要求即可(不能过大或过小, 否则影响电网供需平衡). 由此可见, 最优煤种配比组合的求解是一个典型的最小化问题,
具有显著的经济效益,
是火电企业从燃料级实现高标准节能减排的关键技术[4-7]. 另外, 电厂分布式控制系统(distributed control system, DCS)是建厂初期针对单一煤种设计的(如热值为5437 kcal/kg),
由于配煤的实际需求导致其偏离设计煤种, 因此, 为进一步从设备级节省燃料成本, 优化原控制系统参数也是亟待解决的问题.
国际先进火电厂已形成以计算机算法为核心的智能化配烧体系,
通过仓混式、带混式及炉内直混等工艺, 实现发电效率与环保性能的协同优化.
典型代表如美国Paxis、日本川崎和ABB开发的专家系统[8], 其通过配煤优化可同时达成: 1)经济性提升(如宾夕法尼亚电厂单机组实现年节约200万美元); 2)环保减排; 3)运行稳定性增强(如门罗电厂有效抑制锅炉结渣、积灰等问题[9]).
这种基于配煤理论的自动化解决方案, 标志着动力配煤技术已进入数智化阶段.
我国配煤掺烧技术发展经历了两个重要阶段[10]: 1)上世纪90年代, 受市场化改革影响, 我国火电企业难以获得单一设计煤种的足量供应,
另外, 发电行业为提升企业效益也需掺烧一些低热值煤种,
企业配煤掺烧需求促使以研究所和高校为主的团队对混煤煤质的燃烧特性展开研究; 2) 2010年后经济新常态下, 受市场采购限制与提升企业效益需求的影响,
以企业为主导的实用化研究成为主流[11]. 当前国内多数电厂配煤掺烧技术仍停留在人工经验 +
Excel辅助的初级阶段, 缺乏先进方法和专业软件, 亟需向数智化配烧转型[12−16].
本文结合国内外研究现状与企业实际需求, 围绕火电企业燃料级优化的核心问题,
首次提出面向分段计划负荷的耦合配烧优化模型与硫分约束界调整研究, 主要贡献如下: 1)通过磨煤机切换向量建立分段计划负荷与配烧工况的耦合优化模型. 该模型将经济性、环保性与安全性多目标优化问题转化为满足安全与环保约束条件下的单目标(价格或热值)优化问题, 并基于典范形式求解配烧方案. 该模型不仅能覆盖全天的负荷需求,
还可作为电厂实时现货报价中计算可变成本的预测工具. 2)针对机组燃煤硫转化效率、脱硫效率及锅炉燃烧等确定性因素导致的硫分约束界计算偏差问题, 基于企业历史案例数据与改进的随机配置网络
(improved stochastic configuration network,
ISCN), 建立硫分约束界前馈补偿模型, 有效提升了耦合配烧优化模型的经济性和环保平衡性.
3)由于企业历史数据集是运行人员结合多年积累的实践经验逐步调整而成, 并不能保证数据集的整体最优性, 因此本研究提出的全周期迭代学习方法,
动态更新了典型工况案例数据集,
确保历史样本案例数据库的最优性.
此外, 开发配套的计算机软件系统, 并实现了工程化应用.
图1 火电厂配煤掺烧流程图
图2 负荷−硫转化效率和负荷−脱硫效率曲线
图3 不同负荷模式下配烧模型求解过程
本文从实际配烧优化问题入手, 基于国内几个电厂的实际需求, 研发了面向分段计划负荷的耦合配烧优化模型与硫分约束界调整方法及系统. 该模型通过磨煤机组的切换磨向量建立了分段计划负荷与配烧优化模型之间的耦合关系, 实现了以计算机优化模型为主的数字化配烧.
该模型与非分段配烧优化模型相比,
具有适应负荷面宽、综合配烧成本低的优点, 特别是深调与中高负荷配烧成本显著降低.
实际应用表明:
1)本文提出的耦合配烧优化模型通过优化技术, 掺烧低热值经济煤种比例明显增加,
最终配烧成本相比人工配烧成本平均降低21
CNY/t (以4台机组日耗煤5000吨计, 年节约数千万元). 2)在满足环保指标35mg/m3的前提下,
通过硫分约束界调整,
配烧成本再次下降8.79%,
经济效益显著.
3)配烧时间由41分钟/次缩短至5分钟/次之内, 显著提升了配烧快速响应性, 该软件系统已成功应用于火电企业.
作者简介
黄晓迪
东北大学机械工程与自动化学院博士研究生. 2021年获得青海大学学士学位. 主要研究方向为火电建模及控制. E-mail:
2390007@stu.neu.edu.cn
王广博
东北大学机械工程与自动化学院博士研究生. 2022年获得济南大学学士学位. 主要研究方向为火电建模优化. E-mail:
2410116@stu.neu.edu.cn
李前胜
华能国际电力股份有限公司大连电厂正高级工程师. 主要研究方向为火电厂运行及燃料配烧. E-mail:
13654059113@163.com
姜彦辰
华能国际电力股份有限公司大连电厂高级工程师. 主要研究方向为火电厂燃料配烧及优化. E-mail:
xdhuang2366@163.com
王永富
东北大学机械工程与自动化学院教授.
1998年获得东北大学机械电子专业硕士学位, 2005年获得东北大学控制理论与控制工程专业博士学位.
主要研究方向为火电建模,
控制与优化,
机电系统控制.
本文通信作者. E-mail:
yfwang@mail.neu.edu.cn
柴天佑
中国工程院院士,
东北大学教授, IEEE Fellow,
IFAC Fellow. 1985年获得东北大学博士学位. 主要研究方向为自适应控制, 智能解耦控制, 流程工业综合自动化理论、方法与技术. E-mail:
tychai@mail.neu.edu.cn
