循环流化床锅炉燃烧系统的控制(0403DOC)

循环流化床锅炉燃烧系统的控制一、引言循环流化床锅炉(Circulating Fluidized Bed Boiler，简称CFBB)是近年来国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧锅炉，具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣综合利用等优点，因此在电力、供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用。

CFBB的自动控制包括主蒸汽温度控制、汽包水位控制、料层差压控制、炉膛负压控制、主蒸汽压力控制及燃烧控制（包括给煤、一次风、二次风、二次返料控制、氧含量控制）等。

其中燃烧控制是整个自动控制的重点和难点。

炉膛燃烧的稳定与否直接影响到锅炉的安全性、经济性以及产生蒸汽的品质。

但由于CFBB的燃烧过程十分复杂、燃烧受到多种因素的影响，不仅系统内部的给煤、一、二次风、返料耦合性强，而且与其他系统也有复杂的耦合关系。

同时燃烧的非线性和大滞后也使对象十分复杂，难于建立精确的数学模型，常规的控制方案很难得到理想的控制效果。

近年来国内已有人进行了这方面的研究，但尚未有成功应用的例子。

目前国内该类型锅炉控制基本采用操作人员手控方式。

受操作人员平稳手控启发，本文针对75t/h循环流化床锅炉提出了一种基于操作经验的专家智能控制。

二、CFBB燃烧过程特性煤仓中的煤通过3台螺旋给煤机进入炉膛，一次风经过空气预热器加热后从炉膛底部经布风板进入炉膛，一次风主要使煤在炉膛中呈流化状并控制料床温度的高低，二次风从布风板上进入以供给充足的空气使煤充分燃烧。

烟气经百叶窗一次分离，粗颗粒成一次返料返回小流化床，细颗粒经高温过热器、低温过热器、省煤器到旋风分离器，分离下来的二次返料重新回到炉膛密相区重新燃烧，烟气经空气预热器，除尘器，最后经烟囱排入大气；床层密相区中的料渣经冷渣器放出。

如图1所示。

燃烧控制目标是维持安全燃烧且控制主汽压力稳定在设定值。

安全燃烧的一个主要指标是控制炉膛温度分布，特别是料床温度控制在850~950℃，防止床温过高出现结焦或床温过低出现熄火。

控制手段是给煤、一次风、二次风、二次返料量。

影响因素有：1、一般情况下增给煤或减风则升床温，燃烧处于还原区时反而降床温。

反之亦然。

2、二次返料量的增减引起床温的明显升降。

3、煤质、煤湿度变化影响床温变化。

4、料床（密相区）高度，特别是间歇放渣引起床温变化。

5、负荷变化引起炉膛温度分布的变化。

国内很多CFBB控制具有以下特点：1、一般采用三炉两机、母管制，三炉控制互相影响。

2、工艺上给煤机构设计不合理，经常习惯性堵煤，需要人工通煤。

3、二次返料管有时会堵住，有时整块落下，严重影响床温，时有导致低温熄火或高温结焦的危险。

4、无冷渣器结构，不能连续排渣，按人工经验放渣。

5、给煤量无检测信号，瞬时给煤量无法检测。

6、现有的氧化镐氧量分析仪工作稳定性欠佳，测量数据不够准确。

7、缺少悬浮段差压的有效测量手段，燃烧稀相区与密相区的份额比无法得到。

8、床温检测点位于一个水平面，反应滞后且无法反应床层不同层面的温度。

图1 75t/h循环流化床燃烧系统流程图从国内CFBB燃烧系统的特点来看，对控制系统的影响因素很多，且耦合性强，靠单一的PID控制无法实现；过程非常复杂，无法建立精确的数学模型，无法使用复杂的高级控制策略；过程的滞后很大、非线性强，无法建立有效的预估补偿手段；工艺运行上人工、经验性的东西较多，必须在控制系统设计中考虑。

国内也有许多CFBB燃烧控制的应用尝试，但没有成功运行的报道。

主要的原因恐怕有以下四个方面：1、忽视对象内部的耦合性，用煤粉炉或链条炉的思路孤立的分别控制床温，经济运行等。

2、没有采取有效的克服过程大滞后的方法，使控制过程中不是给煤加到100%就是给煤减到0，导致系统不稳。

3、控制的主次目标掌握不好，总是希望床温控制在一个值上，控制精度要求越高，系统克服干扰的鲁棒性就越差，导致系统投不上或不能连续投运。

4、为控床温而控床温，忽视整个炉膛温度分布，导致床温反而控制不好。

本文主要针对CFBB的上述特点，吸取熟练操作人员的控制经验，提出了基于经验的专家智能控制，很好的解决了上述控制过程中的四点误区，大大提高了CFBB燃烧控制的自控投运率，使CFBB实现汽水、燃烧全自动成为可能。

三、CFBB燃烧系统专家智能控制图2 CFBB燃烧系统专家智能控制框图图二给出了CFBB燃烧系统专家智能控制系统的大致框架。

整个控制系统体现了控制床温稳定（安全燃烧）和在此基础上维持主蒸汽压力稳定两个主要目标。

循环流化床控制的特点是保持床温的稳定，避免结焦与熄火的意外发生，因此原则上是在先稳定住循环流化床的运行工况的前提下，再考虑所带负荷的调节，如开关K所体现的。

K接通相当于接上外环，主要克服由于并行运行制所带来的主管压力的扰动。

床温控制的目标是控制在850~950℃，只要平稳，无须控制在一定值。

区别于一般的单一控制料床温度，这里引入了炉膛出口温度，料床温度和炉膛出口温度基本上能反映炉膛温度的分布，且炉膛出口温度响应大大超前于料床温度。

烟气氧含量能快速预报堵煤等意外情况的发生。

此三项作为控制规则库的输入项。

控制规则库则体现了需要总结整定的控制规律。

控制规则库1为主要的床温控制规则，控制规则库2为主汽压力调节规则。

这里主要讨论规则库1。

料床温度及炉膛出口温度和他们的变化量经过模糊化以后通过规则库1的运算给出控制量大小去控制给煤、一次风、二次风、二次返料。

控制规则库2类似。

下面主要讨论规则库1。

3.1、目标参数的模糊化处理把料床温度、炉膛出口温度模糊化量为五个值：超高（HH）、高（H）、中（M）、低（L）、超低（LL）。

其中高、中、低为正常控制状态，超高、超低为紧急事故状态。

炉膛出口温度按锅炉负荷不同设定不同。

求取床温及炉膛出口温度的变化率并模糊化为七个量：超升（HR ）、快升（FR ）、慢升（SR ）、平稳（ST ）、慢降（SD ）、快降（FD ）、超降（LD ）。

其中超升、超降为紧急事故状态，其余为正常控制状态。

所有设定均可以在DCS 组态上实时在线修改。

3.2、控制规则库规则库设计如下： 返料量二次风量一次风量给煤量床温床温变化率炉膛出口温变化率炉膛出口温T 床出口 模 糊规 则 库T 出口T T Tr针对CFBB 燃烧控制特点，把控制规则库规则分为两类：1、故障判断及事件处理规则2、正常状态控制规则库3.2.1 故障判断及事件处理主要应付工艺设计不佳带来的堵煤、堵灰及意外工况可能带来的熄火和结焦，规则处理一般为计算机控制加报警，以引起操作人员的足够重视。

主要规则如：（1）烟气氧含量增大超过1（或ΔT 出口快降且ΔT 床平稳、缓降或快降）判断：断煤操作：断煤报警，提示操作工通煤，同时加煤约50%，通煤后，烟气氧含量有下降趋势，（或炉膛出口温度及床温稳住或有有上升趋势时），则减煤至原先值，操作完成。

（2）T 床＜820℃且ΔT 床缓降、快降T 床＞970℃且ΔT 床缓升、快升操作：报警。

T 床＜820℃且ΔT 床缓降,快降，有可能导致床温太低而熄灭(尤其是降至700℃以下)此时减风10%，稳住床温，并使之回升至820℃以上再切自动；若减风后，床温继续下跌，则可能反应还原区扩大，此时稍加风并注意床温变化趋势，若快速上升，则全开风门，待趋势稳定再恢复一次风量。

T 床＞970℃且ΔT 床缓升、快升，有可能导致床温过高而结焦（尤其是超过1200℃时结焦的自加速过难特性，无法控制），此时加大风量20%，减煤50%，使床温回落。

（3）ΔT 床，快升达2℃/1S操作：快速升温报警，加大风量20%，脉冲停煤。

…等等。

3.2.2 正常状态控制规则正常控制状态下，按照料床温度（高、中、低）、炉膛出口温度（高、中、低）、床温变化率（快升、慢升、平稳、慢降、快降）、出口温度变化率（快升、慢升、平稳、慢降、快降）组成15⨯15控制规则表，表格中每项代表燃烧过程的一个状态。

例如：状态112表示料床温度中、炉膛出口温度中、床温变化率平稳、出口温度变化率平稳。

每个状态给出一个控制输出值，包括给煤、一次风、二次风、二次返料。

这里需要指出的一点是：每个控制输出值包括输出暂时量和长期量，用于分别克服堵煤等意外暂时扰动和煤质变化等偏离平衡位置的扰动。

暂时量是暂时添加的，状态改变时必须恢复；长期量则是为了调整平衡状态各输出值，不必恢复。

这样做既避免了意外扰动后引起控制量太大带来的不稳定，又避免了不敢加控制量导致意外扰动时系统无法调整稳定。

主要规则有：（1）ΔT床平稳且ΔT出口平稳（a)T床〉950°T出口高、中操作：减煤3%～5%（b)T床〉950°T出口低操作：返料加大（c)T床〈850°T出口高操作：返料减少（d)T床〈850°T出口低、中操作：加煤3%～5%（2）T床低且T出口低，且ΔT出口平稳，ΔT床平稳操作：加煤3%～5%（3）T床高、T出口高，且ΔT床平稳、ΔT出口平稳操作：减煤3%～5%（4）ΔT床缓降、ΔT出口缓降，850℃〈T床〈950℃、T出口在正常范围内操作：加煤3%～5%⋯等等。

3.2.3所有规则的表达方式均采用产生式规则，即每个规则都是一独立知识块，从而易于建立和修改；且每个规则的形式一致并与专家表述的方法相同，从而易于表达与理解。

其基本形式为：if condition 1 and condition 2 ⋯and condition nthen result3.2.4所有规则都以控制规则表形式存放，规则表内参数可以在DCS流程图上实时在线修改。

3.3 规则库知识的获取所有规则来自三个方面：a.CFBB燃烧过程运行理论；b.运行工程师与熟练操作人员的操作经验；c.工业现场实际经验摸索（一般至少需要二~三个月现场蹲点）。

d.在运行过程中不断完善规则。

3.4 推理机推理机是影响专家系统工作效率的重要因素。

本文采用采用广度优先搜索法与查表相结合的方法，广度优先搜索法是一种非回溯的直接搜索策略，其基本原则是从起始点起向目标点搜索。

这种方法结构简单，可靠性好，没有风险。

其缺点是效率较低，这一缺点通过查表法得到克服，查表法通过目标参数模糊化算得状态地址及控制量表格存放地址，从地址中取得各控制量。

四、控制方案的实施以上方案在以北京和利时DCS 实施，配用1个控制站，两2个操作站，控制参数及规则表参数通过位号形式与人机界面交换数据以实现参数实时修改。

DCS 具有的其它功能都能方便的实现，这里不再累述。

需要指出的是，由于燃烧工况的复杂性及大滞后，不仅一般PID 无法进行控制，定频率的采样控制一般也难以奏效。

本文在方案实施中提出：“调一调，看一看”、“少量多次”的热电运行规范方法，该方法在操作人员手控中被实际证明是极其有效的。

这种方法原则是调节后等看结果再做下一步动作，主要优点是可以克服由于温度滞后带来的错误操作。