（测试计量技术及仪器专业论文）大型循环流化床锅炉建模和先进控制方法研究.pdf

l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名：盔壁重垄日期：量_ ! ：多! ! ， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：缸复叁导师签名：邋日期：理竺：兰：! 髟 摘要 摘要 循环流化床燃烧是一种高效、低污染、燃料适应性广的洁净煤燃烧发电技术， 循环流化床燃煤发电技术在国内外得到迅速发展，我国的循环流化床锅炉燃煤发 电技术也正在朝大型化方向发展。 循环流化床锅炉与常规煤粉锅炉无论在设计还是运行方面都存在显著不同， 对循环流化床锅炉特性缺乏足够了解给循环流化床锅炉的运行和控制带来了困 难，因此大型循环流化床锅炉的建模和控制研究有着重要的意义。 本文基于实际的工程背景，在工程试验研究的基础上开展了大型循环流化床 锅炉的先进建模方法和控制策略研究。论文主要研究内容如下： 1 针对蒙西发电厂3 0 0 m w 循环流化床锅炉开展了工程试验研究，利用改进 鲁棒最小二乘法进行数据拟合，较全面和深入地分析了不同工况下负荷、床温和 床压的动态响应特性，阐述了大型循环流化床锅炉自动控制难点。 2 为了更好地描述负荷变化时大型循环流化床锅炉的非线性特性，提出了一 种改进型e m g g t s 模型，即m e m g g t s 模型。m e m g g t s 模型与e m g g t s 模型一样不但具有较好的语义描述能力，而且同时考虑了规则数目、聚类中心和 预测误差的影响，因此提高了模型的自适应性和逼近能力，避免了欠拟合或过拟 合，并且具有较高的预测精度。该方法被用于3 0 0 m w 循环流化床锅炉的负荷和 床温建模。 3 基于所建立的t s 模型，提出了一种基于改进遗传算法和带终端代价函数 的非线性预测控制方法。该方法在预测控制的滚动优化中，使用改进遗传算法直 接对目标函数进行有限时域优化，得出最优控制量。由于在性能指标中引入了终 端代价函数，因此可以在减小预测步数的同时，保证系统的控制性能和稳定性， 从而有效降低基于遗传算法的非线性预测控制的在线计算量。该方法被用于大滞 后的3 0 0 m w 循环流化床的负荷控制。 最后提出了3 0 0 m w 循环流化床的锅炉动态特性工程试验的不足，分析了研 究中存在的问题，并对研究成果的工程应用提出了展望。 关键词：3 0 0 m w ，循环流化床锅炉，动态特性，自动控制，t s 模型 东南大学博：i ：学位论文 a bs t r a c t c 伽曲u s t i o no fc i r c u l a t i n gn u i d i z e db e d ( c f b ) i sa l l i g h e 佑c i e i l c y ，l o w - p o l l u t i o n 锄dw i d e - a d a p t a b i l i t yc l e a nc o a l - f i r e dc o m b u s t i o nt e c l l l l o l o g yt 0g e l l e r a t ee l e c t r i c i t 弘 s u c ht c c l u l o l o 西销h a v ed e v d o p e dm p i d l yi i lc l l i n a 觚da b r o a d ，锄d 廿1 ec f b b ( c 硫u l a t i n gf 1 u i d i z e db e db o i l 哪c o a l - i i r e dt e d l l i l o l o g yi i lc h i n ai sa l s od e v e l o p i n g t o w a r d sal a u r g es c a l e c f b ba n dc o n v e n t i o n a lp u l v 舐z e d - c o a ib o i l e rh a v en o t a b l ed i 行e r e n c e sb o t hi i l d e s i 盟锄di i l0 p e r a t i o n ，t 1 1 ei n a d e q u a t eu n d e r s t a n d i n go ft h ec f b bc h a r a 【c t 耐s t i c s h 鹤r e s u l t e di nd i 伍c u l t yi nm ec f b bo p a t i o n 柚dc 0 n 仃o l ，s 0m es t u d yo nt l l e m o d e l i n ga i l dc o n 仃d 1o f t h el a 曙e - s c a l ec f b bi st h u so f g r e a ts i 鲥f i c a i l c e n l i sa r t i c l eh 嬲i n t l o d u c o dm ef h n d a m e n t a ls h l l c t u r eo ft l l ea u t o m a t i cc o n 缸0 1 s y s t e mf o r d o m e s t i cm a i l l s t r e 锄3 0 0 m wc f b bb a s e do nr e a l e n 西n e e r i n g b a c k g r o l l l l d ，c 蕊e d o u t l ec n 西n e e re x p 耐m e n t a lr e s e 疵h t a r g e t i n gm e l l 哥x i 3 0 0 m wp o w e rp l a n t ，d o n ei m i t a t e dc a l c u l a t i o no ft h ed a t ab ym e a i l so fr o b u s tl e a s t s q u a r e s ，c 硎e do u tc o m p r e h e i l s i v e 锄di n d 印ma 1 1 a l y s i so ft h el o a d ，b e dt 锄p e r 砷l r e 锄dd ) ，i l a m i cr e s p o n s ec h a r a c t 耐s t i c so fm eb 酣p r e s s u r e 锄de x p a t i a t e dt h e d i 衢c u l t i e so fa u t o m a t i cc o n t r o ld i 伍c u l t i e s t l l i sa n i c l eh 嬲i n t r o d u c e dt l l et sm o d e l i n gm e m o d 锄df e a n 鹏s ，a n dp u t f 0 刑a r dt h ei m p r o v e dm e m g g t sm o d e lb a s e do nt l l ee m g gm o d e l t h em o d e ln o t o n l yh 嬲p r e 缸a b l ec 印a b i l i t yo fs e m a n t i cd e s 硎p t i o n s ，w h i c hi s n o tl i m i t e di n c o n v e r s i o no fi n p u tv a r i a b l e s ，b u ta l s oc o n s i d e r si n n u 锄c eo fm l en u m b c l u s t e r c t e r 锄dp r e d i c t i o ne n o r t l l e r e f o r e ，t l l ea d 叩t i v ea b i l i t y 锄d 印p r o x i m a t i o na b i l i t y o fm em o d e la r ee n l l 锄c e d ，觚dt l l eo v e r - f i t t i n go rl e s s 一6 t t i n gi sa v o i d e d d u et ot l l e s e s i 鲥6 c 锄tc h a r a c t 耐s t i c s ，廿1 ep r o p o s e dm o d e lp o s s e s s e sh i 曲e rp r e d i c t i o na b i l i 够 t h i sm e m o di sf i r s tu s e di nl o a da n db e dt 锄p e r a n l r em o d e l i n go f3 0 0 m wc f b b t h i sa n i c l eh a ss t u d i o dm es ta _ b l en o n l i n e a rp r e d i c t i v ec 0 n t m lb a s e do nf 屺z y m o d e l s ，p u t t i n g 幻删a r da n o n l i n e a rp r e d i c t i v ec o n 仃o 】m e t h o db a s c do nt h ei m p r 0 v e d g e i l e t i ca l g o r i t i 蚰( i g a ) a n dm et e 肌i n a lc o s tf h c t i o n h lt h er e c u r s i v eo p t i m i z a t i o n o ft l l ep r 。d i “v ec o i n r o l ，i g ai su s e dt oo p t i m i z et h el i m i t e dh o r i z o nc o s t 觚c t i o nt 0 g e tm a ) 【i m i z e dc o n 昀l l a w t h et e 门【t i i n a lc o s t 向n c t i o nc 锄b ei n 仃o d u c e dt or e d u c et h e n u m b e ro fm ep r e d i c t i v es t e p s ，e l l s u r em ec o n t r o lp e 一o 珊a i l c e 锄ds t a b i l i t yo ft h e s y s t 锄a tm es 锄et i m e a n dt h r e d u c et h eo n l i n ec o m p u t a t i o nv o l 啪eo f n o n - l i n e a r p r 酣i c t i v ec o n t r o lb 嬲e do ni g ae f f e c t i v e l y t h i sm e t l l o di s 矗r s tl l s e di nt h el o a d 摘要 c o n 仃o lo f3 0 0 m wc f b bw i ml a 唱et i m ed e l 哆 hm e 钮d ，i th a sm e l l t i o n e dt h ed e f i c i e n c yo ft h ed y n 锄i cc h a r a c t 甜s t i c 饥百n e 嘶n gt c s to ft h e3 0 0 m wc f b b ，锄a l y z e dt l 坞q u e s t i o n si ni i e s e a r c h 锄d p r 0 s p e c t e dm ee n 西n e 谢n g 印p l i c a t i o no fn l er e s e a r c hp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：3 0 0 m w c f b b ，d ) ，n 锄i cc h a r a c t 甜s t i c ，a u t oc o n t l 0 l ，t sm o d e l 东南人学博。 ：学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 选题背景l 1 2 国内外循环流化床锅炉发展及现状2 1 2 1 国外循环流化床锅炉发展及现状2 1 2 2 国内循环流化床锅炉发展及现状5 1 3 循环流化床锅炉建模研究现状7 1 3 1 机理建模研究现状。7 1 3 2 控制建模研究现状8 1 4 循环流化床锅炉控制研究现状1 1 1 4 1 控制研究现状1 l 1 4 23 0 0 m w 循环流化床锅炉自动控制总体设计一1 2 1 5 本文主要研究内容一15 第二章3 0 0 m w 循环流化床锅炉动态特性工程试验研究2 l 2 1 引言2l 2 23 0 0 m w 循环流化床锅炉负荷、床温和床压传递函数建模方法2 2 2 2 1 改进鲁棒最小二乘数据拟合2 2 2 2 2 由拟合响应曲线采用切线法求传递函数2 4 2 33 0 0 m w 循环流化床锅炉床温床压阶跃响应试验分析2 5 2 3 1 试验条件2 5 2 3 2 床温床压动态特性试验2 6 2 3 3 传递函数矩阵3 6 2 43 0 0 m w 循环流化床锅炉负荷特性阶跃响应试验分析3 6 2 4 1 试验条件3 6 2 4 2 负荷动态特性试验3 7 2 4 3 传递函数矩阵4 4 2 5 本章小结4 4 第三章基于改进t s 模型的3 0 0 m w 循环流化床锅炉负荷和床温建模4 8 3 1 引言4 8 3 2 基于模糊聚类的t s 模型辨识4 9 3 2 1t s 模型4 9 3 2 2 基于模糊聚类的t s 模型辨识5 l 3 3 改进型t s 模型的实现5 4 3 3 1 基于最大期望值的改进g g 模糊聚类算法一e m g g 5 4 3 3 2 基于改进g g 模糊聚类算法的t s 模型辨识一e m g g t s 模型 ! ；6 3 3 3m e m g g t s 模型及其实现5 8 3 - 3 4 算例分析6 1 3 4 基于m e m g g t s 模型的3 0 0 m w 循环流化床锅炉过程建模6 4 3 4 1 基于m e m g g t s 模型的3 0 0 m w 循环流化床锅炉床温建模 6 z i 3 4 2 基于m e m g g t s 模型的3 0 0 m w 循环流化床锅炉负荷建模 目录 6 7 3 5 本章小结7 2 第四章3 0 0 m w 循环流化床负荷次优非线性预测控制7 5 4 1 引言7 5 4 2 预测控制基本原理7 6 4 3 稳定预测控制的基本框架7 8 4 3 1 优化问题7 8 4 3 2 优化问题的三种情况7 9 4 3 3 约束m p c 设计8 0 4 4 基于模糊模型和改进g a 的非线性预测控制方法8 2 4 4 1 优化问题构造8 2 4 4 2 利用改进遗传算法求解非线性预测控制问题8 3 4 4 3 控制算法实现步骤8 8 4 5 循环流化床锅炉负荷系统非线性预测控制。8 8 4 5 1 模糊状态空间模型的等效转化8 8 4 5 2 基于改进遗传算法求解带终端代价函数的受限非线性预测控 铝4 8 9 4 5 3 仿真结果及分析9 1 4 6 本章小结。9 4 第五章总结与展望9 6 致谢一9 8 作者在攻读博士学位期间发表的论文9 9 v 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 循环流化床( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，c f b ) 锅炉燃烧技术作为高效能、 低污染、燃烧煤泥矸石等劣质煤、适应性广的洁净燃煤技术，在全世界越来越受 到广泛重视，正在成为燃煤技术的主力军【i 川。国家“十一五规划第六篇以建 设资源节约型、环境友好型社会为标题，明确提出“强化能源节约和高效利用的 政策导向，加大节能力度；推进粉煤灰、煤矸石、冶金和化工废渣及尾矿等工业 废物利用”。国家当前政策导向给大型循环流化床锅炉的技术研究和产业化发展 带来了空前的机遇，目前3 0 0 m w 循环流化床的建设、投运和研究在国内处于快 速发展阶段，包括自动控制等诸多方面存在很多待研究和解决的问题。 c f b 锅炉炉膛内含有大量的物料，在燃烧过程中大量的物料被烟气携带到 炉膛上部，经过布置在炉膛出口的分离器，将物料与烟气分开，并经过非机械式 回料阀将物料直接回送至炉内或经外置床受热面后送至炉内，多次循环燃烧，见 图1 1 。由于物料浓度高，具有很大的热容量和良好的物料混合，一般每公斤烟 气可携带若干公斤的物料，这些循环物料带来了高传热系数，使锅炉热负荷调节 范围广，对燃料的适应性强。循环流化床锅炉的循环流化方式增加了燃料在炉膛 内的停留时间，因此具有较高的燃烧效率，在低负荷下能稳定运行，而无需增加 辅助燃料。 c f b 锅炉运行温度通常在8 0 9 0 0 之间，这是一个理想的脱硫温度区间， 采用炉内脱硫技术，向床内加入石灰石和脱硫剂，燃料及脱硫剂经多次循环，反 复进行低温燃烧和脱硫反应，加之炉内湍流运动剧烈，c a s 摩尔比约为2 时， 可以使脱硫效率达到9 0 左右，s 0 2 的排放量大大降低。同时循环流化床采用低 温分级送风燃烧，使燃烧始终在低过量空气下进行，从而大大降低了n o x 的生 成和排放。 现有的循环流化床锅炉在商用化和大型化方面还存在一些问题，正在不断地 改进中：1 ) 锅炉受热面磨损大，容易发生爆管、耐火材料脱落等问题，导致锅 炉频繁停炉检修，连续运行时问比煤粉锅炉短；2 ) 给煤线结构比煤粉炉复杂， 给煤系统故障率比煤粉炉高；3 ) 燃烧系统和灰渣处理系统复杂，问题较多；4 ) 飞灰含碳量比煤粉锅炉的高，热效率比煤粉锅炉略低；5 ) 锅炉辅机电耗比煤粉 东南人学博1 二学位论文 锅炉高出约4 个百分点，净发电煤耗较高；6 ) 锅炉控制点多、控制系统复杂， 滞后比常规煤粉炉大、耦合性强。 外霞潼 图1 1 引进法国阿尔斯通技术带有外置床的3 0 0 m w 循环流化床工艺结构图 循环流化床锅炉的控制点多，燃烧系统耦合性强，燃烧响应滞后性大是循环 流化床控制的难点，也是循环流化床锅炉本体结构和燃烧煤种所决定的。循环流 化床控制难的问题是影响循环流化床锅炉又好又快发展的一个重要因素，如何解 决好循环流化床特别是大容量循环床的锅炉燃烧控制的稳定性、鲁棒性问题是一 个迫切需要解决的问题。目前针对循环流化床建模和控制领域的研究工作主要体 现在两个层面：一是通过分析循环流化床运行机理，建立锅炉机理模型，或基于 现场试验所测数据，对不同工况下各变量参数之间的关系进行分析，建立控制系 统所需要的控制模型。二是针对循环流化床燃烧系统的控制特性，研究和运用常 规p i d 改进方法或先进控制方法进行控制。 1 2 国内外循环流化床锅炉发展及现状 1 2 1 国外循环流化床锅炉发展及现状 国际上已形成许多不同流派和类型的循环流化床锅炉，具有代表性的有：美 国f o s t c r 、h e e l e r 能源公司生产的带整体式再循环换热器i n t r c x 循环流化床锅炉、 德国l u r g i 公司的l 峥循环流化床锅炉、美国巴特利b a t e l l e r 多固体循环流化床 2 第一章绪论 锅炉、芬兰a h l s 的m 公司的p y r o f l o w 锅炉、德国b a b c o c k 公司的c i r c o f l u i d 循环 流化床锅炉： ( 1 ) l u 哂公司的l 唧型循环流化床锅炉 德国l u 哂公司也是世界上最早从事循环流化床锅炉生产的厂家之一，其 n l 呼型循环流化床锅炉的主要技术特点是采用高循环倍率、高温旋风分离器和 外置流化床热交换器，可以方便地通过控制经过外置换热器的循环物料流量来控 制循环流化床锅炉的燃烧。法国阿尔斯通公司采用w 技术为法国普罗旺斯 ( p r o v 既c c ) 电厂2 5 0 m w 发电机组制造的亚临界压力循环流化床锅炉，是循环 流化床发展史上的一个重要里程碑。 ( 2 ) f o s t c r 、h e e l e r 公司的循环流化床锅炉1 4 】 美国f o s t e r 、h e e l e f ( f w ) 公司在循环流化床锅炉的设计和制造方面拥有多 项专利技术。随着机组容量的增加，当锅炉受热面的布置出现困难时，f w 采用 了整体再循环热交换器( i i l t e g r a t e dr e c y d eh e a te x c h 锄g e r ，i n t r e x ) ，i n t r e x 中的物料利用空气来进行流化。i n t i 迎x 不仅可以通过控制直接返回炉膛的循环 物料量来调节床温，还可以降低在燃用腐蚀性燃料时造成受热面在烟气中的腐 蚀。f o s t e r w h e c i e r 循环流化床锅炉的另一个显著特点是采用汽冷式旋风分离器， 汽冷式旋风分离器的采用降低了分离器内气固混合物的温度，从而减轻了固体颗 粒对分离器的磨损，降低了耐磨材料的维护费用，但造价较高。从1 9 9 2 年开始， f o s t 盯讹e e l e r 公司采用一种新型的紧凑型( c o m p a c t ) 气固分离器，该分离器仍 采用汽冷或水冷方式，但采用平面壁面，通过适当布置分离器入口和出口的相对 位置使气固混合物在分离器内产生旋流。紧凑型气固分离器的采用降低了造价， 布置更加紧凑。f w 公司在2 0 世纪9 0 年代开发出2 5 0 m w 的超高压参数等级的 循环流化床锅炉技术，并在9 0 年代木和2 l 世纪初在波兰b o g a t y n i a 的t u r o w 电 厂建成了6 台2 3 5 2 6 2 m w 燃煤的循环流化床锅炉。于2 0 0 3 年1 1 月获得了世界 上首台建于波兰南部的l a 百s z a 电厂的4 6 0 m w 超临界c f b 锅炉的订单，将于 2 0 0 9 年投运。 另外f o s t e r 啪e e l e r 能源公司收购了芬兰a h l s t r o m 公司的p y r o n o w 型循环流 化床锅炉技术。原a h l s 们m 公司是最早从事循环流化床锅炉生产的厂家，其 p y r o f l o w 型循环流化床锅炉的主要技术特点是采用高循环倍率、高温旋风分离 器，在炉膛内可布置少量受热面但不设外置流化床热交换器。这种循环流化床锅 某种意义上来说，对环境保护r 益严格的要求促进了国外循环流化床锅炉技术的 迅速发展。 4 第一章绪论 1 2 2 国内循环流化床锅炉发展及现状 我国虽然早在上个世纪6 0 年代初就开始发展鼓泡流化床锅炉，从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，至今己有 4 0 多年的历史，起步较晚。1 9 8 9 年1 1 月首台由中科院工程热物理所与济南锅炉 厂联合开发的3 5 t l l 循环流化床锅炉在山东明水热电厂投入运行，1 9 9 1 年l o 月 由清华大学和四川锅炉厂联合开发的首台7 5 讹循环流化床锅炉投运于辽宁鞍山 第二热电厂，此后一批中小容量自主开发的7 5 t l l 循环流化床锅炉相继在各地中 小热电厂投入运行。国内从事循环流化床锅炉设计和生产的科研院所和锅炉厂家 研制的循环流化床锅炉发展经历主要包矧6 】- ( 1 ) 中国科学院工程热物理研究所和济南锅炉厂合作研制的3 5 t l l 、7 5 t i l 循环流化床锅炉。其炉型比较接近原a m l s 们m 公司的p y r o n o w 型循环流化床锅 炉，不同的是在高温旋风分离器前增加了一级惯性分离器。 ( 2 ) 清华大学与四川锅炉厂合作研制的3 5 t l l 、7 5 t l l 循环流化床锅炉。特点 是采用两级高温分离，第一级为槽型板分离器，第二级为颇具特色的砌筑平面流 分离器。1 9 9 7 年推出第二代炉型，其特点是采用高温水冷异型分离器，第一台 安装在四川湔江。 ( 3 ) 中国科学院工程热物理研究所与杭州锅炉厂、无锡锅炉厂分别合作研 制的7 5 t l l 循环流化床锅炉。其特点是采用两级分离，第一级为百叶窗高温分离 器，第二级为布置在省煤器后的旋风分离器。该炉型的第一台7 5 t 1 1 循环流化床 锅炉安装在浙江嵊县，并于1 9 9 2 年投运。 ( 4 ) 哈尔滨工业大学与北京b a b c o c k & w i l c 0 x 公司、江西锅炉厂、长春锅 炉厂、哈尔滨锅炉厂有限责任公司分别合作研制的3 5 t l l 、7 5 t l l 低倍率循环流化 床锅炉。特点是在燃烧室下部床内布置埋管受热面，采用中温槽型分离器( 与哈 锅合作采用旋风分离器) ，此类炉型较适合燃用劣质燃料( 如煤矸石) 。 ( 5 ) 北京锅炉厂与美国r i l e ys t o c k e r 公司合作引进德国b a b c o c k 公司技术 制造的c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉，其特点是采用塔式布置，中温旋风分离器。 ( 6 ) 上海发电设备成套研究院与鞍山锅炉厂合作研制的低倍率循环流化床 锅炉。其特点是床内布置埋管受热面，采用高温迷宫分离器。 ( 7 ) 西安热工研究院有限公司在大型试验台试验研究的基础上，与济南锅 东南人学博l ：学位论文 炉厂合作开发2 2 0 t l l 循环流化床锅炉。其特点是采用高温旋风分离器、u 型回料 阀、炉内翼型受热面，系统设计比较简单。 ( 8 ) 2 1 世纪以来，国内c f b 锅炉开发研制工作开始向电站级c f b 锅炉迈 进，由哈尔滨锅炉厂与西安热工研究院联合开发的首台国产4 l o 讹c f b 锅炉于 2 0 0 3 年6 月首台国产6 7 0 t l l c f b 锅炉于2 0 0 6 年1 0 月在江西分宜发电厂投运。 ( 9 ) 近几年来，国内三大锅炉厂、几大区电力设计院在3 0 0 m w 循环流化 床锅炉引进、消化和吸收方面取得了重大进展，截至论文编写前夕，国内已有 1 2 台容量为3 0 0 m w 的c f b 锅炉投入运行，5 0 余台3 0 0 m wc f b 锅炉机组正在 建设阶段。国内首台引进法国阿尔斯通公司的3 0 0 m w 循环流化床锅炉于2 0 0 6 年4 月在四川白马c f b 示范电站建成投运。燃用褐煤及烟煤的1 0 台采用引进技 术制造的国产化3 0 0 m w 循环流化床锅炉也于2 0 0 6 年6 月相继分别在红河、秦 皇岛、蒙西等5 个电厂投入运行。国内已投运的3 0 0 m w 循环流化床锅炉见表1 1 。 本文试验研究对象正为蒙西发电厂，该电厂也是华能集团第一个3 0 0 m w 循环流 化床示范电厂。 ( 1 0 ) 由西安热工研究院和哈尔滨锅炉厂开发研制的国产3 3 0 m wc f b 锅炉 于2 0 0 9 年1 月7 日在分宜发电厂投入运行，江西分宜发电厂见证了国产流化床 大型化的发展历程，是一个重要的试验基地。 ( 1 1 ) 国内大型锅炉制造厂也在国家十一五科技支撑计划科研项目的支持 下，开展了6 0 0 m w 超临界c f b 锅炉的前期开发研究工作，并相继提出了各自 的6 0 0 m w 超临界c f b 锅炉方案，目前有关部门正在抓紧落实国内首台四川白 马电厂6 0 0 m w 超临界c f b 锅炉示范工程。 表1 1 国内投产较早的3 0 0 m w 循环流化床 序 电厂名称锅炉型号 台数燃烧煤种电厂名称锅炉型号台数燃烧煤种 号 四j l i 白马示范电站 云南红河电厂 秦皇岛热电厂 蒙西发电厂 云南巡检司电厂 a l s t o m 一10 2 5 17 5 h g 1 0 2 5 1 7 4 l h m d g 1 0 2 5 1 7 4 s g 1 0 2 5 1 7 4 h g 1 0 2 5 1 7 4 l h m 6 贫煤 褐煤 烟煤 烟煤 褐煤 第一章绪论 1 3 循环流化床锅炉建模研究现状 根据建模的目的不同，循环流化床锅炉的数学模型基本上可以分为两类： ( 1 ) 一种是“机理分析模型”：这种模型是按照循坏流化床燃烧的相关理论 和试验成果，通过描述流化床内的流动、燃烧、传热等过程而建立起来的。它可 以用于锅炉的设计改进、运行指导和控制系统优化。 ( 2 ) 另一种是“控制模型：这种模型以设计循环流化床锅炉的控制系统为 主要目的，通过系统辨识的方法来建立循环流化床锅炉的动态数学模型，这些模 型通常只关心几个重要的输入输出参数。人工神经网络、模糊系统和专家系统已 经成为建立控制模型的重要手段。 1 3 1 机理建模研究现状 循环流化床数学模型研究工作已经开展多年，并取得了很大进展。根据不同 的研究目的，国内外学者建立了一系列的有价值的动态和静态模型。 r a j a i l 提出关于循环流化床燃烧最早的静态数学模型f 7 1 。它以鼓泡式流化床 燃烧室为对象，重点考虑燃烧反应、两相流动，以小室模型为平衡手段。可以计 算出各种不同工况下燃烧室内垂直方向上的温度分布、气体浓度情况。 l e e 模型【8 l 是以芬兰的a h l s 仃0 m 循环流化床锅炉为研究对象，建立了燃烧室、 分离器、回料阀等燃烧部分的静态数学模型。模型对燃烧反应、流动模型和传热 模型做了适当的简化，该模型可以计算出燃烧室内垂直方向上含碳量分布，焦炭 燃烧份额分布和固体颗粒粒径分布，同时也可以分析气体成分分布。 w 萌p 最先将h a n l e b e n 建立的鼓泡流化床模型扩展为循环流化床动态数学模 型，它采用集中参数法，沿垂直方向将燃烧室、分离器和外置式换热器划分为若 干小区模型。后来e d e l m 锄和s c h o e l e r 对w | e i p 的模型进行了完善和发展，并增 加了汽水系统的动态数学模型9 ，1 0 1 。 m u i r 等建立了循环流化床锅炉的动态数学模型1 1 1 ，模型中以二次风入口为 分界线将模型分为两个区，两个区之间只有向上的物料交换，而没有向下的物料 7 东南人学博： ：学位论文 混合，模型中考虑了通过耐火材料的蓄热过程，模型中没有考虑s 0 2 和氮氧化物 的排放过程。 程乐鸣针对加拿大p o i n t a c o n ig c i l e r a t i n gs t a t i o n 的1 6 5 m w 循环流化床的固 体物料浓度分布、床温变化、炉内传热系数、过热器传热系数、再热器传热系数 等进行了现场实验研究，建立了这些过程的数学模型1 1 2 1 。 张力采用机理分析和经验相结合的方法首次完整的建立了循环流化床的燃 烧系统的集中参数、非线性、确定性、时不变动态数学模型【1 3 】。模型研究了流动 模型、传热模型、宽筛分煤粒的燃烧、颗粒的磨损、脱硫模型、n o 。生成和还原、 分离器的分离特性和压力平衡。 李政采用小室模型方法建立了循环流化床动静态精细数学模型【1 4 】。它将炉膛 划分为n 个小室，宽筛分颗粒划分为十几组，然后对小室建立守恒方程，考虑 了密相区高度会随工况变化，这样小室的高度不固定，而且模型还涉及排渣的动 态过程。 杨晨针对我国引进的首台4 1 0 t i lp r o f l o w 循环流化床锅炉流动过程数学模型 进行了研究，采用小室模型方法建立了循环流化床的数学模型【1 5 】。 房德山建立了全面的循环流化床锅炉整体动态数学模型，包括燃烧系统的数 学模型和汽水系统的数学模型，利用整体动态数学模型对循环流化床锅炉运行参 数变化后的静态运行特性和参数扰动后的动态运行特性进行了分析研究【峋。 高建强建立了4 5 0 tc f b 锅炉机组特有设备和过程的动态数学模型，研究开 发了其实时仿真新算法，并对各新算法进行了通用模块化设计，为系统整体模型 的建立和模型精度的提高创造了有利条件。新算法主要包括燃烧室、旋风分离器、 回料器、点火风室、风水混冷多仓室冷渣器、单相介质换热器等仿真算法【1 7 】。 机理模型能够较全面地分析循环流化床锅炉相关系统的特性，从理论上奠定 了较好的基础。但机理模型的约束、简化和假设条件是实际情况所不具备的，在 模型的准确性和实用性方面有一定的局限性，这对机理模型的研究成果移植应用 到生产现场有一定影响。 1 3 2 控制建模研究现状 由于循环流化床锅炉本体构造及运行时燃烧过程的复杂性，对其进行机理建 模遇到很大的困难。目前机理建模主要存在两个问题：1 ) 模型不够精确。机理 8 第一章绪论 建模中存在着很多经验公式及近似规则，因此仿真系统无论运行多好，和真正的 锅炉燃烧过程差距仍然很大；2 ) 模型非常复杂，其中包括了很多非线性方程组。 因此，很难找到有效的数值方法进行实时仿真。因此相对来说，现场试验建模有 一定的实用价值和直接指导意义。 目前国内关于循环流化床锅炉现场试验建模的文献很少，国外相关的研究资 料关于循环流化床锅炉冷态流化过程和相关部件的试验模型有些，但关于燃烧 系统整体的试验建模资料很少。目前对循环流化床锅炉控制建模研究，在4 l o t l l 级别及以下的循环流化床锅炉，相关文献有所研究，但绝大部分文献仅局限在个 别控制回路上。而在3 0 0 m w 循环流化床1 0 2 5 讹锅炉的控制建模和先进控制方 面研究甚少，特别是能结合现场工程试验研究对循环流化床锅炉的负荷、床温等 滞后大、耦合强的控制建模研究缺乏。这也是本文的一个着眼点。具体的试验建 模常见的方法有时域法、模糊系统和神经网络等。 时域法是热工对象最常用的辨识方法，它以传递函数为数学模型，通过试验 获得对象的阶跃响应，然后由阶跃响应特性曲线采用切线法、两点法等来推导传 递函数中的各个特征参数。时域法是热工过程应用最广泛的一种方法，由阶跃信 号直接推导获得对象的阶跃响应曲线在工业现场容易获得，该方法具有实用价 值。文 1 8 】中给出了2 5 l o o 负荷的给煤量、送风( 一次风) 量扰动下床温和主 汽压力的传递函数。文 1 9 】在通过试验对3 1 帆循环流化床锅炉进行了燃料扰动、 一次风量扰动、二次风量扰动、石灰石扰动试验的基础上，分析了床温、氧量、 床压、蒸汽流量、主汽压力、烟气含硫量对各调节量的关系。文 2 0 仿真研究了 7 5 t 循环流化床锅炉主蒸汽压力、床温、炉膛出口烟气含氧量、料层差压随给煤 量、一次风量、二次风量、排渣率及燃烧率的阶跃响应，其结果和试验及相关研 究成果基本一致。 模糊系统具有可把数学函数逼近器与过程信息结合起来、采用规则库以有助 于人们了解系统、规则库中的语言变量可以看作是信息的量化等一系列特点，得 到了人们的广泛重视。与其它非线性建模方法相比，模糊建模具有如下的优点： 1 ) 能够有效地辨识复杂甚至病态结构的系统；2 ) 能够有效地辨识大时延、时变、 多变量、非线性系统；3 ) 模型结构中集成了数字和符号表示，易于处理定量与 定性知识；4 ) 模型以模糊规则的表示形式，可以用于分析系统的行为特性；5 ) 模型形式的多样性，可以用于系统分析、仿真等不同的建模目的。文 2 1 2 3 】运用 9 东南人学博i ：学位论文 模糊辨识的方法对循环流化床锅炉的床温、汽压等对象进行辨识，建立的模型有 一定的参考意义。 神经网络是一种适合并行分布式处理的计算模型，特别是对些复杂的非线 性函数具有良好的非线性逼近能力。其只关注过程的外部特性，而把过程看作一 个“黑箱 。神经网络就是根据对象的输入、输出信息，不断地对网络参数进行 修改，以实现从输入参数到输出参数的非线性映射关系，整个学习过程不需要机 理方面的细节知识。因此，可以克服机理建模所存在的困难，并且可以用于实时 学习预测和仿真。将模糊逻辑推理和神经网络相结合应用于非线性系统辨识和控 制，也是近年来控制理论领域研究的热点。文 2 4 2 7 】运用神经网络建模方法对循 环流化床锅炉的燃烧系统对象进行研究取得了相应的成果。 t s 模型是做a 百和s u g e n 0 在1 9 8 5 年提出的一种十分典型的模糊模型【2 引， t s 模型中模糊规则形式一般为： r ：i “i s a 锄d y i sb ，n l 髓z 舡，力 其中，a 和b 是前件中的模糊集合，砩，力是后件的精确函数。当似， 力为常数时，相应的模糊推理系统为零阶t s 模糊模型。可见，t s 模型的特点是 它的规则的前件采用模糊量形式，而后件采用的是精确量形式。对于单一规则， t s 模型表现为局部区域的一个线性映射，随着对个规则问的互相重叠，t s 模型 实现了一种全局上的非线性映射。所以，模糊t s 模型是一种适用于表示复杂非 线性系统的模糊模型，其可将非线性系统表征为若干个子线性系统，模糊t s 模 型的结论部分采用线性方程式描述，对采用传统控制器进行设计分析提供了方 便。国内外众多学者在模糊t s 模型方面开展了一定的研究，取得了相应的成果。 n g 在1 9 9 8 年提出了简化的t s 模型，有效地减少了后件参数的数目【2 9 】；c h e i l 在1 9 9 8 年通过聚类的方法建立t - s 模型3 0 】：c h u a n g 在2 0 0 3 年提出了有自组织、 自学习能力的t s k 规则算法，在结构辨识中，预先参数由b p 算法进行调整，通 过回归最小二乘法选择t s 模型最后参划3 1 】；t s e k o u r a s 等人在2 0 0 4 年4 月提出 了梯度下降的方澍3 2 1 。t s 模型在循环流化床锅炉燃烧对象建模的应用研究国内 外目前较少。文【3 3 】【3 4 】仅是采用基于t s 推理的模糊机制，并结合p i d 参数整定 的原理，设计循环流化床新型p i d 控制器，实质在局部采用线性p l d 控制，而 在全局却实现了一种非线性控制。本文引入聚类算法，着力研究t s 模型的改进， 并将其直接应用到大型循环流化床锅炉非线性对象建模研究中来。 1 0 第一章绪论 1 4 循环流化床锅炉控制研究现状 1 4 1 控制研究现状 由于循环流化床锅炉特性非常复杂，现场控制领域应用广泛的p i d 控制器很 难实现有效的全工况控制，因此循环流化床锅炉成为控制领域的一个研究热点。 目前已经有很多算法被应用于循环流化床锅炉的控制。比较有代表性的控制算法 有常规或改进p i d 算法、模糊控制、神经网络控制、预测控制等。 改进p i d 控制主要针对循环流化床锅炉控制系统中模型的时变性提出的，实 质为变参数的p i d 控制。根据先验知识，对p i d 控制器的参数在不同工况下实 时调节，能够实现传统p i d 算法无法实现的控制目标。文【3 5 】采用了该算法对循 环流化床锅炉的主汽温对象进行了控制。但是该算法在使用时，需要专家先验知 识作为支持，具有一定的局限性。文 3 6 】中k 0 r t e l a 等人提出了c f b 锅炉燃烧过 程分层控制的思