（控制理论与控制工程专业论文）基于自组织模糊神经网络的cfb锅炉燃烧系统建模.pdf

c， 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于自组织模糊神经网络的c f b 锅 炉燃烧系统建模，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：喷彬一日 期：塑丝! 多! r 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：型丝：三眇日期：型? ! ：至：尘 ，世 性、多变量紧密耦合等特 种基于自组织模糊神经网 络的方法对c f b 锅炉燃烧控制系统进行建模。自组织模糊神经网络具有较好的 非线性逼近能力、较好的用户友好性和较好的预测精度及泛化能力等优点，能 够很好地解决循环流化床锅炉多变量耦合及其动态滞后特性；同时采用p s o 双 层优化策略对自组织模糊神经网络进行优化。文中所提建模方法对某循环流化床 锅炉燃烧系统中床温系统进行实际建模，仿真结果证实了该方法的可行性，对 于循环流化床锅炉燃烧系统的控制具有很好的实际意义和应用价值。 关键词：循环流化床锅炉，燃烧系统，自组织模糊神经网络，p s o ，动态建模 a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t sad y n a m i cm o d e lo fc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mo fc f b b o i l e r sa i m i n ga tt h e p r o p e r t i e so fc f bs u c h a sd i s t r i b u t i o np a r a m e t e r s ，t i m e v a r i a t i o n ，n o n l i n e a r i t y ，m u l t i v a r i a b l ec o u p l i n g ，e t c s u c hm o d e l i n gi sb a s e do nt h e s e l f - o r g a n i z i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r k s ，w h i c hi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fd y n a m i c a d a p t a t i o n s e l f 0 r g a n i z i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r kh a st h ea d v a n t a g e so fe x c e l l e n t n o n l i n e a ra p p r o x i m a t i o na b i l i t y , h i g h e rp r e d i c t i o np r e c i s i o n ，b e t t e rg e n e r a l i z a t i o n a b i l i t ya n db e i n gm o r eu s e r - f r i e n d l y ，w h i c hm a k e sap e r f e c ts o l u t i o nt ot h ep r o b l e m s o fm u l t i v a r i a b l ec o u p l i n ga n dd y n a m i cl a g g i n g ；m e a n w h i l e ，t h eo p t i mi z a t i o no f s e l f - o r g a n i z i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r ku s i n gb i l e v e lo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi sf i n i s h e d b yp s o a c t u a lm o d e l i n go ft h eb e dt e m p e r a t u r eo fc e r t a i nc f bb o i l e r ，w h i c hi s b a s e do ns e l f - o r g a n i z i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r kh a sb e e np r o v e df e a s i b l et h r o u g h s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n di st ob eo fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e t ot h ec o n t r o lo fb e dt e m p e r a t u r eo fc f bb o i l e r s j i aq i n g y a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o lz h a iy o n g j i e k e yw o r d s ： c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d b o i l e r , c o m b u s t i o ns y s t e m ， s e l f - o r g a n i z i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r k s ，p s o ，d y n a m i cm o d e l i n g 。一 ， 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章概论1 1 1 选题背景及意义1 1 1 1 循环流化床燃烧技术发展现状1 1 1 2 人工神经网络技术的发展3 1 1 3 循环流化床锅炉燃烧系统建模意义3 1 2 本文的主要内容5 第二章循环流化床锅炉原理及其燃烧系统运行特性分析6 2 1 循环流化床锅炉的基本原理6 2 2 循环流化床锅炉燃烧系统特性分析9 2 2 1 循环流化床锅炉内的燃烧9 2 2 2 循环流化床锅炉床温系统动态特性分析1 0 2 2 2 1 给煤量对床温的影响一1 1 2 2 2 2 风量及一、二次风配比对床温的影响1 3 2 2 2 3 物料循环量对床温的影响1 4 2 2 2 4 蒸汽压力动态特性及与床温之间的关系1 4 第三章自组织模糊神经网络算法研究及与p s o 算法的混合应用1 6 3 1 人工神经网络理论基础1 6 3 1 1 人工神经元模型1 6 3 1 2 网络结构及工作方式1 7 3 1 2 1 多层前馈型网络1 7 3 1 2 2 径向基函数( r b f ) 网络1 7 3 1 2 3 自组织特征映射( s o m ) 1 9 3 1 3 学习算法2 1 3 1 3 1 误差修正学习2 1 3 1 3 2h e b b 学习2 2 3 1 3 3 竞争学习2 2 3 2 模糊神经网络2 3 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 1 模糊集理论概述2 4 3 2 1 1 模糊集合2 4 3 2 1 2 模糊集运算2 5 3 2 1 3 常用的隶属函数2 5 3 2 2 模糊推理2 6 3 2 3 模糊推理网络结构及算法2 6 3 2 3 1 基于m a m d a n i 推理的模糊神经网络2 6 3 2 3 2 基于t a k a g i s u g e n o 推理的模糊神经网络2 8 3 2 4 模糊神经网络常见的两种学习方法2 9 3 2 4 1 基于梯度下降的学习方法2 9 3 2 4 2 基于正交最小二乘( o l s ) 的学习算法3 l 3 3 自组织模糊神经网络结构与算法研究3 1 3 3 1 自组织模糊神经网络结构3 1 3 3 2 自组织模糊神经网络学习方法3 3 3 3 2 1 参数学习3 3 3 3 2 2 结构学习3 4 3 4 基于p s 0 的自组织模糊神经网络3 6 3 4 1 粒子群优化算法( p s o ) 3 6 3 4 1 1 基本p s o 算法描述3 7 3 4 2p s o 的改进策略3 9 3 4 2 1 基于惯性因子的动态调整3 9 3 4 2 2 带有收敛因子的p s o 算法3 9 3 4 3 基于p s o 算法的双层优化原理4 0 3 5 自组织模糊神经网络用于非线性系统建模仿真研究4 0 第四章循环流化床锅炉燃烧系统建模4 6 4 1 系统辨识概述4 6 4 2 循环流化床锅炉床温系统建模4 7 4 2 1 输入变量选择4 7 4 2 2 现场数据进行滤波处理4 8 4 2 3 仿真实验研究4 9 第五章循环流化床锅炉燃烧系统建模5 3 5 1 主要工作与总结5 3 u 华北电力大学硕士学位论文目录 5 2 进一步研究工作与展望5 3 参考文献5 5 致谢5 7 在学期间发表的学术论文及科研情况5 8 一 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章概论 在我国，能源形势严竣，从长远看，形势也不容乐观。近年来，我国能源工业 发展迅速，尽管能源生产和建设都取得了很好的成绩，但能源供应紧张局面没有缓 和。其主要原因是，能源建设和其他工业建设的比例失调，经济过热；工业发展速 度过快，尤其是加工工业发展速度过快，大大超过了能源增长速度。 虽然我国能源资源比较丰富，但人均占有量少，且分布不均，勘探程度低，而 且劣质煤占的比重大，燃烧困难，含硫量高，开发利用难度大。而煤炭占我国化石 燃料总储量的9 5 以上。丰富的煤炭资源、我国历史和经济等方面的条件相结合， 形成了我国能源结构中以煤为主的格局。并且在今后相当长的时间内，这种以煤为 主的能源结构不会有大的变化。而这样的能源结构，受到运输、环保和燃烧设备的 制约，决定了我国能源问题的长期性和艰巨性。所以，有效的降低能耗，提高能源 的利用率势在必行。如何降低能耗量? 除大力节电、节油、节煤、推广热电联产、 发展余热利用等外，还需对现有燃煤电厂锅炉进行设备改造，新建和拟建电厂选用 新的锅护工艺，以便提高热效率，降低每度电的能耗量。为此，循环流化床锅炉是 值得采用的新锅炉工艺。 循环流化床被公认为一种最具发展前景和竞争能力的“洁净”煤燃烧技术，它 具有常规煤粉炉所没有的优点：燃烧效率高，燃料适应性广，低污染燃烧，脱硫效 率高，燃烧热强度大，炉膛体积小，床内传热系数高，负荷调节性能好，灰渣可综 合利用等，因此，在短短的几十年问，流化床技术得到了飞速发展。由最初的鼓泡 流化床发展到了循环流化床，其应用也由小型锅炉发展到容量与煤粉炉相当的大型 电站锅炉。 1 1 1 循环流化床燃烧技术发展现状【卜3 1 在国外，循环流化床工艺的历史可追溯到二十世纪二三十年代一些实验室的研 究成果。f r i t zw i n k l e r 于1 9 2 1 年建立了第一个小型流化床燃烧试验台，进行了流态 化技术的试验研究。w a r r e nk l e w i s 和e d w i nr g i l l i l a n d 在1 9 3 8 年发明了快速流 化床，并首先应用于一催化裂化示范装置。二十世纪五六十年代以后，循环流化床 真正成为了具有工业实用价值的新技术，并被广泛应用于石油、化工、冶金、能源 和环保等工业领域中。随后，芬兰奥斯龙( a h l s t o r m ) 公司的2 0 t h 循环流化床锅炉 ( 1 9 7 9 年) 和德国鲁奇( l u r g i ) 公司的5 0 t h 循环流化床锅炉( 1 9 8 1 年) 相继投运，标志着 作为煤燃烧设备的循环流化床锅炉诞生了。 华北电力大学硕士学位论文 自上世纪八十年代至今，循环流化床锅炉因其燃料适应性广、污染低等优点， 表现出了旺盛的生命力。它不仅在中小型锅炉的商业竞争中占有了相当的市场份 额，并且在技术日趋成熟的同时，迅速向大型燃煤锅炉的商业市场迈进。1 9 9 5 年1 1 月，采用鲁奇循环流化床工艺，由法国通用电气阿尔斯通斯坦因工业公司( g a s l ) 设计制造的法国普罗旺斯( p r o v e n c e ) 电站2 5 0 m w 循环流化床锅炉投入商业运行。普 罗旺斯电站的成功投运成为大型循环流化床锅炉发展史上的一个里程碑。它不仅解 决了循环流化床锅炉大型化过程中的很多技术问题，更重要的是，它为循环流化床 锅炉大型化工作的进一步开展增加制造商和用户的信心，循环流化床锅炉向着大型 化方向发展的步伐越来越快。目前，美国a b b c e 公司、福斯特惠勒( f o s t e rw h e e t e r ) 公司等主要循环流化床锅炉制造商都在进行3 0 0 3 5 0 m w 等级的产品开发，并开始 了更大容t ( 4 0 0 6 0 0 m w ) ，甚至超临界压力参数的超大型循环流化床锅炉的研究和 前期产品开发工作。 随着我国环保法律和法规的健全与实施，对火电站的排放要求在不断提高，监 督力度不断加强；而循环流化床锅炉能够解决我国燃煤锅炉存在包括环境问题在内 的诸多现实问题，所以，在电力生产中的应用将会越来越多。中国将成为循环流化 床锅炉最大的商业市场。我国的循环流化床锅炉也经历了从小型、中型，到大型三 个开发阶段。 早在上世纪6 0 年代初期，我国已把循环流化床燃烧技术用于燃煤锅炉。自1 9 6 5 年清华大学协助茂名石油公司设计试制首台燃烧油页岩的流化床锅炉起，至今已有 4 0 多年的历史。1 9 8 1 年，国家科委下达了关于“煤的流化床燃烧技术研究 课题 的指示，标志着我国循环流化床锅炉的研究和产品开发工作正式启动。随后，中国 科学院工程热物理研究所、清华大学等全国主要大学和科研院所分别与杭州锅炉厂 等锅炉制造企业合作，积极从事循环流化床燃烧技术开发研究工作。 九十年代中期，我国上海锅炉厂有限公司、哈尔滨锅炉厂有限责任公司、东方 锅炉集团股份有限公司等三大锅炉制造企业分别在前期技术积累的基础上引进国 外技术或与国外合作生产了2 2 0 t h 循环流化床锅炉，并于九十年代中后期成功投运 具有代表性的2 2 0 t h 循环流化床锅炉机组有：东方锅炉集团股份有限公司生产的浙 江宁波中华纸业公司2 2 0 t h 循环流化床锅炉、哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的浙 江协联热电有限公司2 2 0 汕循环流化床锅炉、上海锅炉厂有限公司生产的重庆爱溪 电厂2 2 0 t h 循环流化床锅炉等。这些机组，经过在线不断调试和改进运行方式，不 断发现和完善在投运初期存在的一些问题，基本达到了设计要求；同时更为重要的 是，这些机组的成功投运整体提升了我国循环流化床锅炉技术水平，使循环流化床 锅炉技术在中等容量燃煤锅炉商业市场的竞争中站住了脚跟。 九十年代后期，国内三大锅炉制造企业通过技术引进或技贸结合，已拥有了 1 3 5 m w 循环流化床锅炉制造的能力。到2 0 0 2 年，三大锅炉制造食、i k 己有4 1 0 t h 、 2 r 。1 。 华北电力大学硕士学位论文 4 5 m ，h 高温高压循环流化床锅炉的订单十多台，4 4 0 t h 容量等级的超高压中间再热 循环流化床锅炉的订单二十多台。可以说目前我国己全面具备了大容量循环流化 床锅炉的制造能力。 目前我国的循环流化床锅炉正向大型化方向发展。例如，哈尔滨锅炉厂引进芬 兰奥斯龙公司循环流化床技术，正在设计制造3 台超高压再热4 2 0 t h 循环流化床锅 炉给开封火电厂及新乡火电厂。东方锅炉厂、上海锅炉厂分别引进美国福斯特惠 勒与瑞典克维纳公司技术，设计制造4 1 0 t h 4 5 0 t h 循环流化床锅炉。预计在最近几 年内，我国c f b 锅炉技术水平有望发展到2 2 0 m w - 3 0 0 m w 的水平。 1 1 2 人工神经网络技术【4 。5 】的发展 人类智能本源的奥秘一直吸引着无数科学家们的研究热情，正是科学家们对人 脑结构的不断研究和探索，才促使了人工神经网络的诞生并为其提供了基本的理论 基础。人工神经元网络是由简单的处理单元组成的并行互联网络，它能够模拟生物 神经系统对真实世界物体所做出的交互反应。目前，人工神经网络的研究，无论是 理论研究，还是应用研究，都在处于快速稳定的发展阶段。同时，随着其自身不断 发展到今天，人工神经网络已经成为一门活跃的边缘性交叉学科。研究它的发展过 程和前沿问题，具有重要的理论意义。 人工神经网络的研究始于1 9 4 3 年，至今已经历了5 0 多年漫长的历程，期间经 历了从兴起到萧条，又从萧条到兴盛的曲折发展道路。进入2 0 世纪9 0 年代以后， 神经网络的研究进入了个空前高涨的时期，多数研究集中在网络结构、学习算法 和实际应用三个方面。神经网络发展几十年来，已有5 0 多种神经网络模型发表在 各类文献中，包括多层感知器、径向基函数r b f 网络、k o h o n e n 自组织映射理论、 h o p f i e l d 网络、自适应共振理论( a r t ) 、小脑模型关联控制器c m a c 网络、b o l t z m a n n 机模型、递归神经网络r n n 、小波神经网络以及概率神经网络等。不同的网络结构， 具有不同的特点，使其应用范围也各不相同。例如，b p 网络卓越的输入输出映射特 性使其在多变量函数逼近方面具有很强的优势；同时，由于受到算法的制约，b p 神经网络往往计算量大、收敛速度慢，且容易陷入局部最小点。径向基函数r b f 网 络具有可以逼近任意非线性映射的能力，且网络结构简单，其输出的连接权值与输 出呈线性关系，可以采用线性优化算法，大大改善了局部极小点的问题。动态神经 网络如h o p f i e l d 网络、a r t 网络和动态递归网络等由于其内部的反馈作用，可望用 较小的网络结构来实现系统的复杂行为，所以较适合非线性动态系统的辨识与控 制。 1 1 3 循环流化床锅炉燃烧系统建模意义 由于循环流化床锅炉炉内燃烧及流动过程非常复杂，其流动、燃烧和换热机理 3 华北电力大学硕士学位论文 仍在不断的研究探索之中。自动控制系统作为实现锅炉安全、经济运行的有效手正 越来越受到锅炉用户的重视。而循环流化床锅炉运行自动化的应用已成为其走向商 用的关键之一。循环流化床锅炉在结构和运行方式上都与常规煤粉锅炉相比都有着 显著的差异，因此在燃烧控制调节上存在有许多不同之处。循环流化床锅炉控制难 度更大，要求更高。除了完成普通锅炉的自动调节任务：即保证汽包水位，蒸汽压 力，蒸汽温度和炉膛负压等在规定范围内，为维持经济燃烧，还必须保持一定的床 层高度，控制床温在要求范围内。床温对流化床的稳定运行具有极其重要的作用。 床温直接影响炉内各种化学反应( 脱硫、降氮) 的反应速率，从而影响排污指标。 床温过高可能易于导致结焦，而破坏循环流化床的运行状态；床温过低则易引起炉 膛灭火，造成停炉故障。床温也影响汽水系统的吸热量，从而决定主蒸汽压力和温 度等各种参数。维持正常的床温和锅炉出口蒸汽参数是循环流化床锅炉稳定、经济 运行的关键。在循环流化床锅炉的运行过程中，几乎所有的燃烧控制和调节都是围 绕维持稳定的床温和所要求的蒸汽参数进行的。由此可见循环流化床锅炉的运行自 动化控制的重要性。 然而，由于循环流化床锅炉是一个具有分布参数、非线性、时变、多变量紧密 耦合、大滞后等特性的控制对象，使得对于复杂的循环流化床锅炉燃烧系统的自动 控制调节异常困难，采用常规的控制方法很难得到理想的控制效果，从而，造成目 前循环流化床锅炉自动控制的水平较低，致使循环流化床锅炉燃烧控制系统一直处 于操作人员手动运行状态。系统建模和辨识是控制理论的基本问题。因此，寻求建 立一种循环流化床锅炉燃烧系统的精确模型，保证燃烧系统自动控制正常投运，充 分发挥循环流化床锅炉的优势，提高经济效益和社会效益，显得非常重要。 对于线性系统的建模和辨识，人们做了深入的研究，总结出了一整套成熟的辨 识算法，可以建立具有较高可靠性的模型。然而对于循环流化床锅炉燃烧系统这样 的非线性复杂系统对象来说，对其建立性能良好的非线性模型以期望得到高品质的 控制效果，利用传统的辨识方法，无论是理论研究还是工程实践中都存在着极大的 困难。而神经网络凭借其大规模并行性、高度的容错能力以及自适应、自学习、自 组织等特征，在非线性系统建模与辨识方面显示出了巨大的优越性。1 9 9 0 年， n a r e n d r a 等人在其经典性文章中阐明了多层前馈网络用于非线性系统辨识的可能 性，提出利用神经网络学习能力和非线性特性进行系统辨识的思想，得出了神经网 络用于非线性系统辨识的一般性框架和方法，为复杂系统的神经网络建模与辨识奠 定了理论基础 利用神经网络所具有的对任意非线性映射的逼近能力，将神经网络模型引入非 线性系统建模和辨识中，来模拟实际系统的输入输出关系。自学习是神经网络的最 主要的特征之一。学习或训练的实质就是网络结构和权值矩阵随外部激励作自适应 变化。利用神经网络的自学习、自适应能力，经过训练得到系统的动念模型。与传 l 华北电力大学硕士学位论文 统非线性辨识相比，神经网络辨识不受非线性模型的限制，它依靠被控系统的输入 输出数据对，通过学习得到一个描述系统输入输出关系的非线性映射，而不需要知 道输入和输出之间存在怎样的数据关系，这是目前非线性系统辨识中一种引人注目 的新途径。由于多层前馈神经网络具有逼近任意非线性映射的能力，因此目前在系 统辨识和建模中应用最多的便是多层前馈网络。本文采用的建模方法：自组织模糊 神经网络，结合了模糊推理逻辑和神经网络自组织和并行处理的优势，能够自动地 决定网络结构和模型参数，具有较好的非线性逼近能力、较好的用户友好性和较好 的预测精度及泛化能力等优点，能够很好的解决循环流化床锅炉燃烧系统多变量耦 合及其动态滞后特性，对于循环流化床锅炉燃烧系统控制的研究具有很好的实际意 义和应用价值。 1 2本文的主要内容 针对循环流化床锅炉燃烧控制系统特性理论分析和应用研究现状及存在的问 题，结合对人工智能算法的相关理论和应用研究，本文对循环流化床锅炉燃烧系统 神经网络建模与辨识进行了探索，提出一种基于自组织模糊神经网络的方法对循环 流化床锅炉燃烧系统进行建模，建立了高精度的循环流化床锅炉燃烧系统的神经网 络动态模型。整个建模过程方便、简单，而且本文所提及的这种新型神经网络算法 具有很强的自适应能力和极好的预测精度及泛化能力，从而验证了基于神经网络算 法建立非线性热工过程模型的可行性。同时，本文还研究了粒子群p s o 算法优化神 经网络，采用一种改进的p s o 算法，对自组织模糊神经网络中的几个重要预设参数 进行优化，使其具有更好的网络性能和用户友好性。本文的章节安排如下： 第一章概论。阐述选课背景和意义，对循环流化床燃烧技术及人工神经网络 技术发展做出简单介绍，并对神经网络非线性复杂系统建模与辨识的可行性及循环 流化床锅炉燃烧系统建模意义进行综述；同时提出本文的研究内容。 第二章对循环流化床锅炉原理及其燃烧系统运行特性进行理论研究与分析。 第三章介绍人工神经网络的基本理论基础。从模糊神经网络的参数学习和结 构学习两个方面进行分析，深入研究和探索自组织模糊神经网络的算法结构，并结 合p s o 算法对其进行相关参数优化。通过对非线性对象进行建模与仿真试验，证明 了该方法在非线性系统建模与辨识应用中的有效性。 第四章基于某厂实际运行数据，采用自组织模糊神经网络对循环流化床锅炉 燃烧系统进行动态建模。 第五章在对全文归纳总结的基础上，提出了该课题今后的研究方向。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章循环流化床锅炉原理及其燃烧系统运行特性分析 循环流化床锅炉c f b b ( c i r c u l a t i n gf l u i d i z c db e db o i l c r ) 是近3 0 年以来迅速发展 起来的一种新型高效低污染的清洁燃煤设备；流化床燃烧技术是介于层燃和煤粉气 力输送之间的一种燃烧方式，现已经成为公认的高效清洁燃煤技术。 2 1 循环流化床锅炉的基本原理 循环流化床燃烧是在鼓泡流化床燃烧的基础上发展起来的，二者可统称为流化 床燃烧技术。众所周知，煤的经典燃烧方式有层燃和悬浮燃烧两种。层燃是将煤均 布在金属栅格即炉排上，形成一均匀的燃烧层，空气以较低速度自下而上通过煤层 使其燃烧。悬浮燃烧则是先将煤磨成细粉，然后用空气流经燃烧器将煤粉喷入炉膛， 并在炉膛空间内进行燃烧。 当风速较低时，煤层固定不动，表现出层燃的特点。当风速增加到一定值( 最 小流化速度或初始流化速度) 时，布风板上的煤粒子将被气流“托起一，床层开始 松动，气体对粒子的作用力与粒子的重力相平衡，从而使整个燃料层具有类似流体 的特性，形成鼓泡流化床燃烧( 又称沸腾燃烧) 。当风速继续增加，超过多数粒子 的终端速度时，大量灰粒子和未燃尽的煤粒子将被气流带出流化床层和炉膛。为将 这些未燃尽的煤粒子燃尽，可将它们从燃烧产物的气流中分离出来，送回并混入流 化床继续燃烧，进而建立起大量灰粒子的稳定循环，这就形成了循环流化床燃烧。 当气流速度超出所有粒子的终端速度时，就成了煤的气力输送。如果使煤粒子足够 细，则可用空气通过专用的管道和燃烧器送入炉膛使其燃烧，这就是煤粉的悬浮燃 烧。层燃时，空气流与燃料颗粒间的相对速度较大，燃料粒度组成不均且燃烧反应 面积有限，因而反应速度地，燃烧强度不高，燃烧效率低。悬浮燃烧时，燃烧反应 面积发生了极大的增加，使得反应速度极快，燃烧强度和燃烧效率高。流化床燃烧 介于二者之间。 自德国人f r i z ew i n k l c r 于1 9 2 1 年1 2 月发明第一台流化床以来，流化床燃烧技 术在煤燃烧上得到了广泛的应用。鼓泡流化床锅炉以其燃料适应性好和低污染排放 等独特的优势在2 0 世纪六、七十年代得到了长足的发展。然而，鼓泡流化床锅炉 存在着一些缺点和自身难以解决的问题，可归纳为： ( 1 ) 出于热量释放位置的限制，密相区必须布簧埋管以降低床温，而埋管受热 面的磨损严重； ( 2 ) 未燃尽细颗粒的排放量大，造成固体未完全燃烧热损失增加，在燃烧宽筛 分燃料时燃烧效率不高，脱硫反应的钙利用率低，脱硫效率较低； ( 3 ) 稀相区的物料浓度较低使得稀相区燃烧量只占很小的一部分，而且稀相区 6 华北电力大学硕士学位论文 受热面的换热系数又比较低，降低了稀相区受热面的使用率； ( 4 ) 床内颗粒的水平方向湍动相对较慢，对入炉燃料的播散不利，影响床内燃 料的均匀分布和燃烧效果，迫使大功率燃烧系统的给煤点布置过多，不利于设备的 大型化。 而基于鼓泡流化床锅炉发展起来的循环流化床锅炉不但具有鼓泡床的优点，而 且克服了鼓泡床所固有的缺点。循环流化床大量的固体颗粒的循环以及更为合理的 热量释放分布使沿床高温度分布趋于均匀；炉膛逸出炉膛的固体颗粒回收到炉膛内 再燃烧，床内强烈的气固混合提高了燃烧效率和脱硫剂的利用率；循环流化床具有 较高的燃烧强度，稀相区的固体浓度得到了提高，大大增强了稀相区受热面的传热 系数，提高了燃烧室的使用效率，更易于大型化。 循环流化床锅炉的工作过程及基本构成可概述如下。 在燃煤循环流化床锅炉的燃烧系统中，燃料及石灰石脱硫剂经破碎至合适粒度 后，由给煤机和给料机经给煤口送入炉膛下部的密相区，与燃烧室内炽热的沸腾物 料混合，燃料煤颗粒被迅速加热，在循环流化床密相区迅速着火燃烧；空气与燃料、 石灰石在密相区炉膛充分混合，煤粒着火燃烧释放出部分能量，石灰石燃烧被分解 成二氧化碳和氧化钙；未燃尽的煤粒被烟气携带进入炉膛上部的稀相区继续燃烧， 同时，氧化钙与燃烧生成的二氧化硫发生反应，实现脱硫；燃烧后剩余部分未燃尽 颗粒随烟气飞出炉膛。飞出炉膛的大部分细颗粒有固体物料分离器分离后经返料器 送回炉膛循环燃烧。燃烧过程中产生的大量高温烟气，流经过热器、再热器、省煤 器、空气预热器等受热面，送入除尘器进行除尘，最后有引风机排至烟囱进入大气。 循环流化床锅炉燃烧在整个炉膛内多次循环进行，颗粒在循环过程中进行燃烧和传 热。 锅炉给水首先进入省煤器，随后进入汽包，再经下降管进入水冷壁。水冷壁通 过辐射和对流等传热方式吸收燃料燃烧所产生的热量，加热给水，生成汽水混合物。 汽水混合物进入汽包后，进行汽水分离。分离出的饱和蒸汽进入过热器系统继续加 热成为过热蒸汽。合格的过热蒸汽进入汽轮机做功，热能转换为汽轮机的机械能。 从汽轮机高压缸排出的蒸汽依次经低温再热器、高温再热器加热后，回到汽轮机继 续做功。 循环流化床锅炉系统通常由流化床燃烧室( 炉膛) 、循环灰分离器、飞灰回送 装置、尾部受热面、外置换热器( 有些循环流化床锅炉没有该设备) 和辅助设备等 组成。图2 1 为典型的循环流化床锅炉燃烧系统的示意。 l 、燃烧室( 炉膛) 炉膛的燃烧以二次风为界分为两个区：密相还原燃烧区和稀相氧化燃烧区。二 次风入口以下为大粒子还原气氛燃烧区；燃烧室底部有布风板，用以将一次风均匀 送入炉膛；布i x l 板。卜方至二次风 1 的炉膛审问为密相区，颗粒浓度较大，足燃料发 7 华北电力大学硕士学位论文 生着火和燃烧的重要区域，床料主要实现流态化燃烧，释放出大部分热量；床温通 常控制在8 5 0 9 5 0 c 密相区上方的炉膛空间为稀相区；在密相区未燃尽的燃料颗 粒进入稀相区后依靠二次风的助燃作用进一步燃烧放热，同时发生脱硫反应；炉膛 出口温度控制在1 0 0 0 c 以下。因此，循环流化床燃烧室集流化过程、燃烧、传热和 脱硫、脱硝反应于一体，是流化床燃烧系统的主体。 排渣 图2 - 1 典型的循环流化床锅炉燃烧系统示意图 2 、循环灰分离器 飞灰分离器是保证循环流化床燃煤锅炉固体颗粒物料可靠循环的核心部件之 一，布置在炉膛出口的烟气通道上。它将炉膛出口烟气流携带出的高温固体物料( 未 燃尽的焦炭颗粒、脱硫剂剩余颗粒及灰粒等) 分离出来，通过返料器送回炉膛，保 证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应。分离器性能的好坏，直接影响整个循 环流化床锅炉的整体设计、系统布置及锅炉运行特性( 如燃烧室的空气动力特性、 传热特性、物料循环、燃烧效率、锅炉的负荷调节范围和启动所需时问、散热损失 以及脱硫效率等) 。从某种意义上来说，循环流化床锅炉燃烧技术的发展也同时取 决于飞灰分离器技术的发展。 3 、飞灰回送装置( 返料器) 飞灰回送装置，即返料器，负责将分离下来的高温固体颗粒回稳定的送回压力 较高的燃烧室内，是循环流化床锅炉系统的重要部件，它的正常运行对燃烧过程的 可控性及锅炉的负荷调节起着决定性作用。返料器的作用是将分离器收集下来的物 料送回流化床循环燃烧，并防止流化床内的高温、高压烟气反窜流入分离器( 分离 器内的压力低于燃烧器内的压力，循环灰经返料器从低压区回送到高压区) ，起到 8 华北电力大学硕士学位论文 “止回阀 的作用。一般来说，通过控制再循环倍率可以较好地控制床温并且提高 燃烧效率。 4 、外置换热装置 部分循环流化床锅炉采用外置换热器( 如德国奇型f w 型循环流化床燃烧系统 等) 外置式热交换器的主要作用是控制床温，它将分离下来的部分或者全部循环 灰( 取决于锅炉的运行工况和蒸汽参数) 载有的部分热量传递给布置在其内部的一 组或数组受热面( 循环灰温度冷却到5 0 0 左右) ，如部分省煤器、蒸发器、过热器、 再热器等，然后再将这些冷却下来的循环颗粒经过返料器送回炉膛。采用外部流化 床热交换器具有解决大型循环流化床锅炉燃烧室四周表面积布置受热面不够的矛 盾、扩大了循环流化床锅炉负荷调节范围和对燃料的适应性、提供了很好的过热蒸 汽温度和再热蒸汽温度的调节手段等优点，但同时，外置换热器的采用使燃烧系统、 设备及锅炉整体布置方式变得比较复杂。在我国目前开发的2 2 0t h 以下的循环流化 床锅炉均没有采用，大型循环流化床锅炉拟采用。 2 2 循环流化床锅炉燃烧系统特性分析 循环流化床锅炉燃烧系统因其特有的颗粒循环、气固流动特性、燃烧特性及传 热特性等，使其结构与普通煤粉炉有很大差别，本节介绍了煤颗粒在循环流化床锅 炉内的燃烧过程，并结合某电厂的实际运行数据，对循环流化床锅炉燃烧系统的运 行特性进行相关分析。 2 2 1 循环流化床锅炉内的燃烧 循环流化床锅炉内煤的燃烧反应发生是一个最基本而且最为重要的物理化学 反应过程。不同的结构形式，循环流化床锅炉燃烧区域也有着略微的差别。对于带 有高温气固分离器的循环流化床锅炉，其燃烧主要存在于炉膛下部密相区、炉膛上 部稀相区和高温气固分离器区等三个不同区域。 炉膛下部密相区是一个充满灼烧物料的大“蓄热池，是稳定的着火热源。由 布风板送入的一次风，将送入该区域的新鲜燃料及从高温分离器收集的未燃尽的焦 炭流化。燃料挥发分的析出和部分燃烧发生在该区域。燃料燃烧所需风量的4 0 8 0 为一次风量。当锅炉负荷增加时，增加一次风和二次风的比值，以输送较多数 量的高温物料进入炉膛上部区域进行燃烧，参与热量变换和质量变换。当锅炉负荷 低而不需要分级燃烧时，二次风可以停掉，以满足负荷变化的要求。密相区通常处 于还原性气氛。 炉膛上部稀相区，是燃烧所需空气的必经之地，被输送到这罩的焦炭和一部分 挥发分以富氧状态在此燃烧。大多数的燃烧反应也都发生在这个区域。一般而言， 9 华北电力大学硕士学位论文 上部区域比下部区域在高度上大的多。焦炭颗粒在炉膛截面的中心区域向上运动， 而同时沿截面贴近炉墙向下移动，或者在中心区域随颗粒团向下运动，这样，焦炭 颗粒在被夹带出炉膛之前已沿炉膛高度循环运动了多次，其在炉膛内的停留时间被 延长，更有利于焦炭颗粒的燃尽。 高温气固分离器区，未燃尽的焦炭颗粒在此较短时间停留，同时此处的氧浓度 较低，因而燃烧份额( 指炉内每一燃烧区域中燃料燃烧量占燃料总燃烧量的比例， 一般可用燃料在各燃烧区域内所释放的热量占燃料总发热量的百分比表示) 较低。 不过，部分一氧化碳和挥发分常常在高温旋风分离器中燃烧，使其燃烧份额略有增 加。 煤粉颗粒在循环流化床锅炉内大致经历四个连续变化过程【6 1 = 煤粉加热干燥、 挥发分的析出和燃烧、煤粒膨胀和破裂( 一级破裂) 和焦炭燃烧和再次破裂( 二级 破裂) 。实际上，煤粉颗粒在循环流化床锅炉内的整个燃烧过程并不能简单的划分 成上述四个孤立的阶段，这几个过程往往会同时进行。 由于循环流化床锅炉自身的工艺特点，它与普通锅炉相比，输入、输出之间的 多变量耦合关系更加复杂紧密，如图2 2 所示。当锅炉负荷发生变化时( 外扰) ，或 给水量、减温水量、给煤量、返料量、一次风量、二次风量、引风量等任一输入量 ( 内扰) 改变时，输蒸汽温度、蒸汽压力、炉膛负压、床温等变量都要随之发生不 同程度的变化。一般，循环流化床锅炉的控制系统包括以下几部分：汽包水位控制、 蒸汽温度控制、炉膛负压控制、床高控制、燃烧控制等，其中燃烧控制一般又包括 床温控制、蒸汽压力控制、空气量控制、返料量控制等。除燃烧控制之外，其它控 制与一般煤粉炉差别不大，方法己经成熟，控制效果比较满意。 燃烧控制既要满足热负荷的需要( 稳定蒸汽压力) ，又要维持床温稳定在 8 5 0 1 2 - 9 5 0 范围之内，以保证良好的脱硫效率和控制n q 的排放量，同时还肩负 着维持合理的风煤比，保障燃烧效率等诸多任务。因此，分析并研究循环流化床锅 炉燃烧系统( 各变量相互关系如图2 3 ) 的动态特性对循环流化床锅炉自动控制系 统的设计及控制系统的可靠运行都至关重要。 2 2 2 循环流化床锅炉床温系统动态特性分析 床温是循环流化床锅炉需要重点监视的主要参数之一，是决定循环流化床锅炉 安全连续运行的重要参数，直接影响到脱硫效率和n q 的生成量，一般床温控制在 8 5 0 左右，这个温度是实现炉内脱硫的最佳温度，此时n q 的生成量也比较小。 床温过低，不但使锅炉效率下降，甚至熄火，而且使锅炉运行不稳定，严重时会使 大量未燃烧的煤颗粒聚集在尾部烟道发生二次燃烧，或者密相区燃烧份额不够使床 温偏高而主汽温度偏低；床温过高，不仅会使排烟温度升高，热效率下降，还会引 起炉内脱硫效率急剧下降，n q 的产生量大大增加，同时可能造成床内结焦被迫停 1 0 华北电力大学硕士学位论文 炉事故。 给水量 减温水量 给煤量 一次风量 二次风量 引风量 返料量 汽包水位 蒸汽温度 蒸汽压力 床温 烟气含氧量 气体污染捧放量 床压 炉膛出口烟气温度 图2 - 2 循环流化床锅炉变量耦合关系示意图 给煤量 一次风量 二次风量 返料量 捧渣量 蒸汽压力 汽包压力 床温 烟气含氧量 床高 图2 - 3 循环流化床锅炉燃烧系统输入和输出变量关系 影响床温的因素1 7 。1 1 】彳艮多，包括煤质、给煤量、风量、一、二次风配比、炉底 排渣量、床层高度及负荷变化等，其中给煤量、风量和一、二次风配比是主要的可 调因素。 2 2 2 1给煤量对床温的影响 给煤是影响床温最主要，最直接的因素之一。在热平衡状态下，增加或者减少 给煤量就会使床温相应的升高或降低。如图： 图2 4 、图2 5 为某c f b 锅炉运行过程中给煤量与床温变化情况( 采样时间： 1 0 s ) 。 从曲线不难得出：5 0 0 s 左右开始加煤，投煤以后，由于床层高度不断增厚，流 化速度降低，煤粉基本漂浮在床层上部，与热床料混合较差，煤的吸热与放热失去 平衡，吸热量大于放热量，导致床温的短时下降；同时，煤颗粒从加热到开始燃烧 的过程中，所吸收的热量只占床层温度的千分之几，因而对床温的影响很小；随着 华北电力大学硕士学位论文 积煤的增多，炉膛内的碳量逐渐的增加，碳的燃烧反应速率增大，发生爆燃，燃烧 放出的热量迅速增多，床层吸收燃烧放出的热量，因此，床温会短时下降后迅速上 升但此时要注意煤质的变化。但由于煤占床料的比例小( 3 5 ) ，床料热容量很 大，滞后性是给煤调节床温的最大特点。启动中或床温低于正常床温时，由于床温 较低，给煤调节引起床温变化的延迟时间较长；并且，床温越低，这种滞后现象就 越明显。 图2 _ 4 床温的变化情况 0o1 0 0 秘枷翻枷瑚枷 - _ 岫 图2 - 5 给煤量的变化情况 为了尽量减小热惯性对炉内温度的影响，在调节过程中，给煤量变化不宜过大 ( 由于床温的滞后性，长时间给煤容易造成床温较大的波动) ，建议采用脉动给煤 方式除此之外，仍可采用“前期调节法 ，“冲量调节法 和“减量调节法一 所谓“前期调节法修，即当炉温、汽压稍有变化时，就要及时地根据负荷变化趋势 小幅度调节燃料量以保证床温不会出现较大波动而稳定运行；“冲量调节法一是指 当炉温下降时，立即加大给煤量，加大的幅度是炉温未变化时的1 2 倍，同时减 小一次风量，增大二次风量，维持l 2 m i l l 后，然后恢复原给煤量( 根据实际运行 哪 坼 啪 瞄 哪 p、jp粤l 华北电力大学硕士学位论文 情况可将上述过程再重复一次以确保炉温上升) ；“减量调节法一就是炉温上升时， 不要中断给煤量，且把给煤量减到比正常时低得多的水平，同时增加一次风量，减 少二次风量，同时观察炉温，待温度停止上升时把给煤量增加到正常值。考虑到煤 燃烧有一定的延迟时间，所以在整个过程中不要等炉温下降时再增加给煤量。 2 2 2 2