循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制(0403DOC)

1、循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制一、引言循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Boiler，簡稱CFBB)是近年來國際上發(fā)展起來的新一代高效、低污染清潔燃燒鍋爐，具有燃料適應性廣、負荷調節(jié)性能好、灰渣綜合利用等優(yōu)點，因此在電力、供熱、工廠蒸汽生產中得到越來越廣泛的應用。CFBB的自動控制包括主蒸汽溫度控制、汽包水位控制、料層差壓控制、爐膛負壓控制、主蒸汽壓力控制及燃燒控制（包括給煤、一次風、二次風、二次返料控制、氧含量控制）等。其中燃燒控制是整個自動控制的重點和難點。爐膛燃燒的穩(wěn)定與否直接影響到鍋爐的安全性、經濟性以及產生蒸汽的品質。但由于CFBB的燃燒過程十分復雜、

2、燃燒受到多種因素的影響，不僅系統(tǒng)內部的給煤、一、二次風、返料耦合性強，而且與其他系統(tǒng)也有復雜的耦合關系。同時燃燒的非線性和大滯后也使對象十分復雜，難于建立精確的數學模型，常規(guī)的控制方案很難得到理想的控制效果。近年來國內已有人進行了這方面的研究，但尚未有成功應用的例子。目前國內該類型鍋爐控制基本采用操作人員手控方式。受操作人員平穩(wěn)手控啟發(fā)，本文針對75t/h循環(huán)流化床鍋爐提出了一種基于操作經驗的專家智能控制。二、CFBB燃燒過程特性煤倉中的煤通過3臺螺旋給煤機進入爐膛，一次風經過空氣預熱器加熱后從爐膛底部經布風板進入爐膛，一次風主要使煤在爐膛中呈流化狀并控制料床溫度的高低，二次風從布風板上進入以

3、供給充足的空氣使煤充分燃燒。煙氣經百葉窗一次分離，粗顆粒成一次返料返回小流化床，細顆粒經高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器到旋風分離器，分離下來的二次返料重新回到爐膛密相區(qū)重新燃燒，煙氣經空氣預熱器，除塵器，最后經煙囪排入大氣；床層密相區(qū)中的料渣經冷渣器放出。如圖1所示。燃燒控制目標是維持安全燃燒且控制主汽壓力穩(wěn)定在設定值。安全燃燒的一個主要指標是控制爐膛溫度分布，特別是料床溫度控制在850950，防止床溫過高出現結焦或床溫過低出現熄火。控制手段是給煤、一次風、二次風、二次返料量。影響因素有：1、一般情況下增給煤或減風則升床溫，燃燒處于還原區(qū)時反而降床溫。反之亦然。2、二次返料量的增減引起床溫的明

4、顯升降。3、煤質、煤濕度變化影響床溫變化。4、料床（密相區(qū)）高度，特別是間歇放渣引起床溫變化。5、負荷變化引起爐膛溫度分布的變化。國內很多CFBB控制具有以下特點：1、一般采用三爐兩機、母管制，三爐控制互相影響。2、工藝上給煤機構設計不合理，經常習慣性堵煤，需要人工通煤。3、二次返料管有時會堵住，有時整塊落下，嚴重影響床溫，時有導致低溫熄火或高溫結焦的危險。4、無冷渣器結構，不能連續(xù)排渣，按人工經驗放渣。5、給煤量無檢測信號，瞬時給煤量無法檢測。6、現有的氧化鎬氧量分析儀工作穩(wěn)定性欠佳，測量數據不夠準確。7、缺少懸浮段差壓的有效測量手段，燃燒稀相區(qū)與密相區(qū)的份額比無法得到。8、床溫檢測點位于一

5、個水平面，反應滯后且無法反應床層不同層面的溫度。圖1 75t/h循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)流程圖從國內CFBB燃燒系統(tǒng)的特點來看，對控制系統(tǒng)的影響因素很多，且耦合性強，靠單一的PID控制無法實現；過程非常復雜，無法建立精確的數學模型，無法使用復雜的高級控制策略；過程的滯后很大、非線性強，無法建立有效的預估補償手段；工藝運行上人工、經驗性的東西較多，必須在控制系統(tǒng)設計中考慮。國內也有許多CFBB燃燒控制的應用嘗試，但沒有成功運行的報道。主要的原因恐怕有以下四個方面：1、忽視對象內部的耦合性，用煤粉爐或鏈條爐的思路孤立的分別控制床溫，經濟運行等。2、沒有采取有效的克服過程大滯后的方法，使控制過程中不是給煤

6、加到100%就是給煤減到0，導致系統(tǒng)不穩(wěn)。3、控制的主次目標掌握不好，總是希望床溫控制在一個值上，控制精度要求越高，系統(tǒng)克服干擾的魯棒性就越差，導致系統(tǒng)投不上或不能連續(xù)投運。4、為控床溫而控床溫，忽視整個爐膛溫度分布，導致床溫反而控制不好。本文主要針對CFBB的上述特點，吸取熟練操作人員的控制經驗，提出了基于經驗的專家智能控制，很好的解決了上述控制過程中的四點誤區(qū)，大大提高了CFBB燃燒控制的自控投運率，使CFBB實現汽水、燃燒全自動成為可能。三、CFBB燃燒系統(tǒng)專家智能控制圖2 CFBB燃燒系統(tǒng)專家智能控制框圖圖二給出了CFBB燃燒系統(tǒng)專家智能控制系統(tǒng)的大致框架。整個控制系統(tǒng)體現了控制床溫穩(wěn)

7、定（安全燃燒）和在此基礎上維持主蒸汽壓力穩(wěn)定兩個主要目標。循環(huán)流化床控制的特點是保持床溫的穩(wěn)定，避免結焦與熄火的意外發(fā)生，因此原則上是在先穩(wěn)定住循環(huán)流化床的運行工況的前提下，再考慮所帶負荷的調節(jié)，如開關K所體現的。K接通相當于接上外環(huán)，主要克服由于并行運行制所帶來的主管壓力的擾動。床溫控制的目標是控制在850950，只要平穩(wěn)，無須控制在一定值。區(qū)別于一般的單一控制料床溫度，這里引入了爐膛出口溫度，料床溫度和爐膛出口溫度基本上能反映爐膛溫度的分布，且爐膛出口溫度響應大大超前于料床溫度。煙氣氧含量能快速預報堵煤等意外情況的發(fā)生。此三項作為控制規(guī)則庫的輸入項。控制規(guī)則庫則體現了需要總結整定的控制規(guī)律

8、。控制規(guī)則庫1為主要的床溫控制規(guī)則，控制規(guī)則庫2為主汽壓力調節(jié)規(guī)則。這里主要討論規(guī)則庫1。料床溫度及爐膛出口溫度和他們的變化量經過模糊化以后通過規(guī)則庫1的運算給出控制量大小去控制給煤、一次風、二次風、二次返料。控制規(guī)則庫2類似。下面主要討論規(guī)則庫1。3.1、目標參數的模糊化處理把料床溫度、爐膛出口溫度模糊化量為五個值：超高（HH）、高（H）、中（M）、低（L）、超低（LL）。 其中高、中、低為正?？刂茽顟B(tài)，超高、超低為緊急事故狀態(tài)。爐膛出口溫度按鍋爐負荷不同設定不同。求取床溫及爐膛出口溫度的變化率并模糊化為七個量：超升（HR） 、快升（FR）、慢升（SR）、平穩(wěn)（ST）、慢降（SD）、快降（F

9、D）、超降（LD）。 其中超升、超降為緊急事故狀態(tài)，其余為正?？刂茽顟B(tài)。所有設定均可以在DCS組態(tài)上實時在線修改。3.2、控制規(guī)則庫規(guī)則庫設計如下： 床溫床溫變化率爐膛出口溫爐膛出口溫變化率T床TrT給煤量 模 糊規(guī) 則 庫一次風量二次風量返料量針對CFBB燃燒控制特點，把控制規(guī)則庫規(guī)則分為兩類：1、故障判斷及事件處理規(guī)則2、正常狀態(tài)控制規(guī)則庫3.2.1 故障判斷及事件處理主要應付工藝設計不佳帶來的堵煤、堵灰及意外工況可能帶來的熄火和結焦，規(guī)則處理一般為計算機控制加報警，以引起操作人員的足夠重視。主要規(guī)則如：（1）煙氣氧含量增大超過1（或T出口快降且T床平穩(wěn)、緩降或快降）判斷：斷煤操作：斷煤報

10、警，提示操作工通煤，同時加煤約50%，通煤后，煙氣氧含量有下降趨勢，（或爐膛出口溫度及床溫穩(wěn)住或有有上升趨勢時），則減煤至原先值，操作完成。 （2）T床820且T床緩降、快降T床970且T床緩升、快升操作：報警。T床820且T床緩降,快降，有可能導致床溫太低而熄滅(尤其是降至700以下)此時減風10%，穩(wěn)住床溫，并使之回升至820以上再切自動；若減風后，床溫繼續(xù)下跌，則可能反應還原區(qū)擴大，此時稍加風并注意床溫變化趨勢，若快速上升，則全開風門，待趨勢穩(wěn)定再恢復一次風量。T床970且T床緩升、快升，有可能導致床溫過高而結焦（尤其是超過1200時結焦的自加速過難特性，無法控制），此時加大風量20%，

11、減煤50%，使床溫回落。 （3）T床，快升達2/1S操作：快速升溫報警，加大風量20%，脈沖停煤。等等。3.2.2 正常狀態(tài)控制規(guī)則正?？刂茽顟B(tài)下，按照料床溫度（高、中、低）、爐膛出口溫度（高、中、低）、床溫變化率（快升、慢升、平穩(wěn)、慢降、快降）、出口溫度變化率（快升、慢升、平穩(wěn)、慢降、快降）組成1515控制規(guī)則表，表格中每項代表燃燒過程的一個狀態(tài)。例如：狀態(tài)112表示料床溫度中、爐膛出口溫度中、床溫變化率平穩(wěn)、出口溫度變化率平穩(wěn)。 每個狀態(tài)給出一個控制輸出值，包括給煤、一次風、二次風、二次返料。這里需要指出的一點是：每個控制輸出值包括輸出暫時量和長期量，用于分別克服堵煤等意外暫時擾動和煤質變

12、化等偏離平衡位置的擾動。暫時量是暫時添加的，狀態(tài)改變時必須恢復；長期量則是為了調整平衡狀態(tài)各輸出值，不必恢復。這樣做既避免了意外擾動后引起控制量太大帶來的不穩(wěn)定，又避免了不敢加控制量導致意外擾動時系統(tǒng)無法調整穩(wěn)定。主要規(guī)則有：（1）T床平穩(wěn)且T出口平穩(wěn)（a)T床950°T出口高、中 操作：減煤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：返料減少（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T出口平穩(wěn)，T床平穩(wěn)操作：加煤3%5%（3）T床高、T出口高，且T床平穩(wěn)、T出口平穩(wěn)操作：減煤3%

13、5%（4）T床緩降、T出口緩降，850T床950、T出口在正常范圍內 操作：加煤3%5%等等。3.2.3 所有規(guī)則的表達方式均采用產生式規(guī)則，即每個規(guī)則都是一獨立知識塊，從而易于建立和修改；且每個規(guī)則的形式一致并與專家表述的方法相同，從而易于表達與理解。其基本形式為：if condition 1 and condition 2 and condition nthen result3.2.4 所有規(guī)則都以控制規(guī)則表形式存放，規(guī)則表內參數可以在DCS流程圖上實時在線修改。3.3 規(guī)則庫知識的獲取所有規(guī)則來自三個方面：a. CFBB燃燒過程運行理論；b. 運行工程師與熟練操作人員的操作經驗；c. 工

14、業(yè)現場實際經驗摸索（一般至少需要二三個月現場蹲點）。d. 在運行過程中不斷完善規(guī)則。3.4 推理機推理機是影響專家系統(tǒng)工作效率的重要因素。本文采用采用廣度優(yōu)先搜索法與查表相結合的方法，廣度優(yōu)先搜索法是一種非回溯的直接搜索策略，其基本原則是從起始點起向目標點搜索。這種方法結構簡單，可靠性好，沒有風險。其缺點是效率較低，這一缺點通過查表法得到克服，查表法通過目標參數模糊化算得狀態(tài)地址及控制量表格存放地址，從地址中取得各控制量。四、控制方案的實施以上方案在以北京和利時DCS實施，配用1個控制站，兩2個操作站，控制參數及規(guī)則表參數通過位號形式與人機界面交換數據以實現參數實時修改。DCS具有的其它功能都

15、能方便的實現，這里不再累述。需要指出的是，由于燃燒工況的復雜性及大滯后，不僅一般PID無法進行控制，定頻率的采樣控制一般也難以奏效。本文在方案實施中提出：“調一調，看一看”、“少量多次”的熱電運行規(guī)范方法，該方法在操作人員手控中被實際證明是極其有效的。這種方法原則是調節(jié)后等看結果再做下一步動作，主要優(yōu)點是可以克服由于溫度滯后帶來的錯誤操作?；谶@種方式的控制周期是不定的，取決于上一次調節(jié)情況和系統(tǒng)響應的快慢等。具體實現中，可以對不同操作設立標志位，例如給煤標志中0代表不加煤也不減煤，1代表加煤，2代表減煤，送風，返料同樣，執(zhí)行一次操作即改變標志位。如圖3。系統(tǒng)響應后清標志位。標志位值與規(guī)則中狀態(tài)值綜合決定是否輸出控制值。即如上一次操作