（热能工程专业论文）循环流化床动态特性及控制规律研究.pdf

摘要 摘要 循环流化床( c f b ) 煤燃烧作为一项洁净煤发电技术，由于具有燃料适应性广、燃烧效率高、 高效脱硫等独特优点而得到了广泛的应用。但是，循环流化床锅炉是一个时变、大滞后、多变量耦 合的复杂系统，工作机理还未被充分掌握，缺少准确的动态模型，很多常规锅炉控制方法很难达到 理想的控制效果，流化床锅炉自动控制已成为其运行过程中主要问题。借助计算机仿真技术，建立 循环流化床锅炉仿真模型，用于分析流化床动态特性、研究流化床自动控制存在的问题具有重要意 义。 论文在分析循环流化床锅炉燃烧系统机理及现有的研究成果基础上，建立了流化床流体动力学 模型、燃烧模型和传热模型；根据流化床流动特性将炉体分为密相区和稀相区，并推导出密相区和 稀相区质量、能量平衡方程；利用徐州贾汪电厂4 4 0 t h 流化床锅炉设计参数及现场运行数据，设定 模型稳态数据；依据各子模型和物性参数计算关系式，建立了简易的循环流化床整体动态模型。 论文选用m a t l a b 软件完成模型，并对循环流化床锅炉动态特性进行仿真，仿真结果表明所建 的模型能正确反映循环流化床锅炉的实际过程和运行特性。在循环流化床整体动态模型基础上，抓 住影响床温和主蒸汽压力的重要因素，建立床温和主蒸汽压力简化模型，用于循环流化床主控系统 的控制规律研究。 由于循环流化床锅炉燃烧系统时变特性，常规p i d 控制器难以达到理想的控制效果。本文设计 一种基于模糊控制理论的自适应整定p i d 参数算法，并对算法的结构、实现及工作方式作了详细介 绍。采用模糊自整定p i d 算法对流化床床温和主蒸汽压力系统进行控制仿真，系统性能比p i d 控制 有很好的改善，超调量和调节时间都大大减小。运行负荷降低3 0 时，p i d 控制器控制品质较差， 而采用模糊自整定p i d 控制器，由于p i d 参数在线进行自整定，控制效果比较理想，适合循环流化 床在变负荷运行工况下进行控制。 关键词：循环流化床锅炉；动态特性；模糊白适应p i d 控制 a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n ( c f a ) h a sa l r e a d yb e c o m eac o m p e t i t i v et e c h n o l o g yo fc l e a nc o a l c o m b u s t i o ni np o w e rp l a n t si nc h i n a i th a sb e e nw i d e l yu s e df o rt h ep o w e rg e n e r a t i o nb e c a u s eo fi t sw i d e a d a p t a b i l i t yt of u e l s ，h i g hc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n dh i g hs u l f u rc a p t u r ee f f i c i e n c y b u tb e c a u s et h ec f b b o i l e ri sac o m p l e xs y s t e mw i t ht i m e - v a r i a t i o n ，s t r o n gd e l a ya n dm u l t i v a r i a b l ec o u p l i n g ，i t sh a r dt ob u i l d 1 l pap r e c i s em a t h e m a t i cm o d e l ，a n ds o m ec o n v e n t i o n a lm e t h o d sw h i c ha w e l lo p e r a t e do np u l v e r i z e d c o a lb o i l e r sc a nn o ty i e l di d e a lr e s u l t si nac f b t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fac f bh a sb e c o m ea no b s t a c l e f o ri t sc o m m e r c i a lo p e r a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do nm o d e l i n ga n da d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o lm e t h o d o fc f bb ym e a n so fc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fac f bc o m b u s t i o ns y s t e mb a s e do ne n e r g ye q u a t i o na n dt h e e x i s t i n gr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sw a sb u i l du p t h ed y n a m i cm o d e l i n c l u d e st h ef l u i dd y n a m i c sm o d e l ，t h e f l u i d i z e db e dc o m b u s t i o nm o d e la n dt h eh e a tt r a n s f e rm o d e l t h ec f bw a sd i v i d e di n t ot w oz o n e s - ad e n s e p h a s ez o n ea n dad i l u t ep h a s ez o n ea n dt h em a s sb a l a n c ee q u a t i o na n de n e r g yb a l a n c ee q u a t i o no ft h et w o z o n e sw e l ed e d u c e dr e s p e c t i v e l y t h em o d e lp a r a m e t e r sw e r es e tu s i n gd e s i g nd a t aa n dt h er e a l - t i m e o p e r a t i o nd a t ao fa4 4 0 t hc f bb o i l e rf r o mj i a w a n gp o w e rp l a n t ，x u z h o u ，c h i n a t h eo v e r a l ld y n a m i c m o d e lo ft h ec f bw a sb a s e do nt h es u b - m o d e l sd e s c r i b e da b o v ea n dt h c r m o d y n a m i cp r o p e r t ye q u a t i o n s m a t l a bs o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ec f bb o i l e r t h er e s u l t ss h o wt h a t t h em o d e li sc a p a b l eo f p r e d i c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec f b b o i l e r a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ec f b ，t h em o d e lw a ss i m p l i f i e da n dt h ed y n a m i cm o d e l so fl i v es t e a mp r e s s u r ea n db e dt e m p e r a t u r e w e r es e tu p ，w h i c hw e r eu s e dt od e s i g nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ec f b af u z z yc o n t r o ls t r a t e g yb a s e ds e l f - t u n i n gp i dw a sp r o p o s e dt oc o n t r o lo ft h eb e dt e m p e r a t u r ea n dt h em a i n s t e a mp r e s s u r eo ft h ec f b t h es t r u c t u r e ，e v a l u a t i o na n dp r i n c i p l eo ft h ep a t t e r nr e c o g n i t i o nb a s e d s e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e rw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e rh a sab e t t e ra d j u s t a b i l i t yt ot h ec h a n g i n go ft h ec o n t r o l l e dp r o c e s st h a nt h ep i dc o n t r o l l e r , e s p e c i a l l yw h e nt h eo p e r a t i n gl o a ds t e pr e a c h e s3 0 k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e df e d ；d y n a m i cb e h a v i o r ；f u z z y - p i d i i 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： 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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 选题工程背景 第一章绪论 能源是国民经济发展中的关键问题，我国是以煤为主要能源的国家，日前我国能源消耗中煤炭 占了大约三分之二的份额。2 0 0 6 年中国煤炭保有资源量1 0 3 4 5 亿吨，剩余探明可采储量约占世界 的1 3 ，列世界第三位。已探明的石油、天然气资源储量相对不足，油页岩、煤层气等非常规化石 能源储量潜力较大。我国是世界上品犬的煤生产与消耗国，煤在我国一次能源构成中占据着绝对主 要的地位。由于自然条件的限制和历史发展的原因，据预测，这种状况在相当长的时期内不会有实 质性的改变，f 图1 - i 给出我国一次能源消费构成统计和预测。 口煤炭石油口灭然气口水能核能口新能源 1 9 8 0 年1 9 9 0 年2 0 0 0 年2 0 3 0 年 图1 - 1 中国一次能源消费构成统计和预测 我国煤炭的一个重要特点是高硫煤占相当比例，古硫茸大于1 的高硫煤占2 0 以上。煤产量的 8 0 直接用于燃烧，全国燃煤发电的用煤量a - 燃煤总产量的3 0 以上，2 0 以上的发电用煤是高硫 煤。能源消费以煤为主，环境压力加大，煤炭消费是造成煤烟型人气污染的主要原因，也是温室气 体排放的主要米源。相对落后的煤炭生产方式和消费方式，加大了环境保护的压力。这种状况持续 下去，将给生态环境带来更大的压力，下表l1 给山个燃料主要污染物之间的比较。 表il 燃料为天然气、石油和煤的典型1 0 0 i v p , v e 锅炉土耍污染物比较( 柏) 由丁缺乏排放控制的有力措施，这些燃烧产生的s o x 、n o x 、粉尘等污染物大多直接排入大气， 形成污染，有的城市和地区已山现了酸雨。目前，以煤烟型为主的大气污染导致的酸雨覆盖医已占 围十面积的3 0 ，而人气污染的主要来源是燃煤，2 0 0 0 年全国燃煤排放的烟尘总量为1 4 7 8 万吨， 其中火电厂和工业锅炉排放最占7 0 咀上，年全国二氧化硫排放总量达到2 3 7 0 万吨其中电厂和，t 1 蓍；啪姚眺蛳雠|耄m 东南大学坝士论文 业锅炉排放量占到6 9 。发展新的燃烧技术，提高煤的燃烧效率，减小燃烧带来的污染已经成为当 前迫切需要解决的问题。 为了使能源生产利用与环境相协调，实现可持续发展，我们必须要发展清洁、高效的煤燃烧技 术，发展高效燃煤锅炉和清洁燃料锅炉成为解决为主要的工业提供热量来源和生活用能的必然出路。 1 2 循环流化床锅炉的发展现状和重要意义 如何解决环境污染问题，是世界各国人民面临的共同难题。燃煤设备排出的烟气、粉尘是大气 污染的主要来源之一，若能尽量减少烟气中有害物质的排放量，将有助于降低环境污染。另外，随 着对煤的大量利用，现存煤质越来越差：加强对高灰分煤、高硫煤、高氮煤、低热值煤的综合利用， 可以在一定程度上缓解能源短缺问题。 循环流化床( c f 8 ) 锅炉采用低温分段燃烧，可以有效降低n o x 的生成量。同时，通过向床内加 入脱硫剂，锅炉烟气中s 0 2 的含量也大大降低。c f b 锅炉采用床内流化燃烧，通过物料分离设备和 返料设备使固体物料返回炉内继续燃烧，加强了对燃料的适应性。因此，c f b 锅炉能有效地解决环 境污染和能源短缺等问题，c f b 锅炉自问世以来在世界各地得到了广泛应用。 受热面 捧澄 图1 - 2 为典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意图。 循环流化床锅炉基本结构如上图1 2 所示，其基本流程为【2 】：煤和脱硫剂送入炉膛后，迅速被大 量惰性高温物料包围，着火燃烧。同时进行脱硫反应，并在上升烟气流的作用下向炉膛上部运动， 对水冷壁和炉内布置的屏式过热器或屏式再热器等其它受热面放热。粗大粒子进入悬浮区域后在重 力及外力作用下偏离主气流，从而贴壁下流。气固混合物离开炉膛进入高温旋风分离器，大量固体 颗粒( 煤粒、脱硫剂) 被分离出来回送炉膛，进行循环燃烧。未被分离出来的细粒子随烟气进入尾 部烟道，以加热对流式过热器、省煤器和空气预热器，经除尘器排至大气。 2 第一章绪论 1 2 1 国外循环流化床燃烧技术的发展现状 1 9 2 1 年1 2 月德国人温克勒( f r i zw 湖蛆神【3 】发明了第一台流化床，温克勒所发明的流化床使用粗 颗粒料床。1 9 3 8 年1 2 月麻省理工学院的刘易斯( w a r r e n ，kl e w i s ) 和吉里兰( e d w i n ，rg i l l i l a n d ) 发明 了快速流化床。直到2 0 世纪5 0 年代末期，鼓泡流化床一直占主要地位。循环流化床真正成为具有 工业使用价值的新技术是在6 0 年代。6 0 年代末，德国鲁奇公司( l u r g i ) 发展并运行了l u r g i v a w 循 环流化床氢氧化铝焙烧反应器。随后由于分子筛、高活性、高选择性催化剂的出现，提升管流化催 化裂化反应器很快又取代了鼓泡流化床而得到推广应用。1 9 7 9 年芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司生产了 2 0 t h 的循环流化床锅炉，1 9 8 2 年德国鲁奇公司的第一台5 0 t h 的商用循环流化床锅炉投入运行，这 标志着作为煤燃烧设备的循环流化床锅炉进入商业化阶段。1 9 9 5 年，2 5 0 m w 的循环流化床锅炉 ( 7 0 0 t h 、1 6 3 m p a 、5 6 5 5 6 5 c ) 在法国g a r d a n n e 电站投运，是循环流化床锅炉技术实现大型化的重 要标志。 1 2 2 国内循环流化床燃烧技术的发展现状 我国早在7 0 年代初就开始研究和开发流化床燃烧技术1 4 l ，经过近2 0 年的研究实践，已成功地 开发研制出了2 0 t h ，3 5 t h ，6 5 t h ，7 5 t h ，1 3 0 t h 和2 2 0 t h 等容量等级的c f b 锅炉。目前国内已有 多家锅炉制造厂引进了大型c f b 锅炉设计制造技术，其中哈尔滨锅炉厂已引进德国e 、，r r 公司 1 2 5 m wc f b 锅炉的有关技术，积极开发循环流化床锅炉；东方锅炉厂于1 9 9 4 年初与美国福斯特) 皇 勒( 简称f 、聊公司签定了“大型循环流化床锅炉许可证技术”转让合同。合同书规定：在1 5 年合 同有效期内福斯特惠勒公司和东方锅炉厂在c f b 技术上新成果双方将无偿共享。在更大容量方面， 国内三大锅炉企业合作，共同引进了a l s t o m 公司1 0 2 5 t h ( 3 0 0 m w ) 容量级c f b b 的制造技术。哈锅 和东锅也已分别有两台3 0 0 m w 级c f b 锅炉运行，而上锅还没有3 0 0 m w 级c f b 锅炉运行。由上述 可知，从引进到自行设计制造，近年来我取得了可喜的发展，国c f b 锅炉发展迅速，在c f b 锅炉 大型化方面已与世界水平的差距正在逐步缩小。 在已运行的循环流化床锅炉中也暴露出了不少问题，主要有：锅炉效率低：出力不足，达不到 锅炉的设计运行效率；床温过高：分离效率低；回料器运行可靠性不好；自动化水平低等。原因主 要在于：还没有完全掌握高效、低阻且便于布置的分离器；对c f b 锅炉特性的内在过程的理解不够 深入；c f b 锅炉各运行参数的匹配规律尚不清楚；对c f b 锅炉动态特性及控制策略的研究很不充分， 但是循环流化床锅炉热工自动控制方面的问题已经成为其推广应用的主要障碍。 1 3 循环流化床锅炉自动控制概述 1 3 i 循环流化床锅炉控制系统简介 c f b 锅炉控制系统的控制目标是维持安全燃烧、保证主蒸汽压力稳定在设定值、锅炉水位稳定 在正常范围以内和主蒸汽温度稳定在设定值1 3 】。安全燃烧的一个主要指标是炉膛温度分布，特别是 料床温度要求在8 5 0 - 9 5 0 c ，防止床温过高出现结焦问题，或床温过低出现熄火现象。如图1 3 所示 3 东南大学硕士论文 c f b 锅炉是一个分布参数、非线性时变、大滞后、多变量紧密耦合的被控对象。设计控制系统时， 必须考虑其内部的耦合性。同时，控制方案还要能够很好地克服大滞后的影响，避免出现系统振荡。 此外，还要深入分析各回路的过程特点，以提高控制系统的实用性。 燃料量 。锅炉负荷。 循 一次风量 环 床温 二次风量 。 流床压 。 石灰石量 。 化 蒸汽温度。 床 给水量 。 s o ，排放量 锅 排渣量 。 n o x 排放量 炉 图1 3c f b 锅炉的主要控制要素 由于循环流化床锅炉炉内流态化工况，在控制上有更多的特点，这些特点主要表现在：循环流 化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、大滞后、多变量紧密藕合的复杂控制对象，同时它比普 通锅炉具有更多的输入输出变量，耦合关系也更为复杂。若锅炉负荷或煤质发生变化时，所有的输 出量都会发生不同的变化；同样，若改变任一输入变量时，所有的输出变量也会受到影响。这样一 方面，对某一量的控制可由多种控制手段进行控制，较为灵活。例如，控制料床温度的稳定，既可 通过调节给煤量，也可调节一次风、二次风量，也可通过调整飞灰返料量进行调节。另一方面，由 此带来的系统耦合也大为增强。在设计控制系统时无法简单地把输入输出进行配对解耦，组成多回 路控制系统，而是需要把对象看作一个整体进行协调动作，只有这样才能达到良好的控制效果，但 这恰恰是目前控制实践中的薄弱环节。 1 3 2 循环流化床锅炉控制现状 国内外控制科学与工程领域的学者对循环流化床锅炉的控制策略作出了深入的研究，取得了一 些成果。 v o nh i p p e l 和l e i g h t o n 5 1 ，较早提出流化床锅炉的脱硫控制，通过控制床高来调节负荷。其流化 床锅炉的控制系统首次基于微处理器设计，从而p i d 控制策略中引进程序控制。 k a y a l t 6 1 ，提出一整套c f b 锅炉控制系统，主要包括床温控制和污染控制( s 0 2 ) 和一些与常规煤 粉炉相似的控制回路。整套系统都是基于b a i l e yn e t w o r k9 0 集散控制系统实现的。其重点在于采用 多变量控制策略以实现锅炉在满足环保要求的前提下的最优性能。其多变量模型是通过过程输入- 输 出阶跃响应试验而得到的传递函数矩阵。 h e n d e r s o n 和m a n n t n ，首次提出流化床锅炉专家控制系统，用专家系统进行过程与设备监控、 趋势分析以及虚假数据辩识，利用专家知识和经验确定了各回路的设定值，对解决变量间的耦合问 题有一定的作用。 v e n u g o p a l s ，提出采用d m c p i d 串级控制结构以及c f b 燃烧室床层温度和压降控制的两种预 4 第一苹绪论 测控制算法，有效的抑制燃烧系统的纯滞后以及系统参数之间的耦合问题。 戴连奎9 1 针对循环流化床锅炉燃烧系统的多输入多输出、互相祸合并存在较大迟延等特点，采 用动态解耦自校正预估算法，但控制效果并不是很理想。 以p i d 为主，并辅以纯滞后补偿预估、串级和前馈等策略【1 0 】：在7 5 t hc f b 锅炉的燃烧系统、 主汽温控制以及给水控制系统得到了一定的效果，但在面临变工况以及外扰的情况下，缺点比较明 显，控制范围比较狭窄。 高志存等采用分层控制思想【1 1 】，由基础控制完成循环流化床锅炉的大部分控制任务，由监控系 统完成负荷控制、排污控制优化等高层次任务。基础控制为一般锅炉常规控制系统的全部策略，负 荷控制采用了基于神经网络的预测控制算法。控制效果还算理想，但是需要整定的参数多，比较麻 烦。 从以上c f b 锅炉控制策略的国内外情况可以看出，传统的p i d 控制方法，设计比较简单，控制 方案比较容易实现，但是常规的p i d 控制只能针对系统在某一平衡点附近的近似线性化模型设计， 无法适应系统运行点的改变，因而难以保证系统在强扰动下的稳定性，与工程实际的需要有一定的 差距，对于c f b 锅炉这样复杂的热力学系统，其控制效果不理想。先进控制理论( 如模糊控制和神 经网络控制) 的研究为c f b 锅炉控制系统的设计开辟了新的方向。在解决循环流化床锅炉强耦合方 面具有突出的优点，但是其复杂的计算过程需要一段时间的“经验学习” 1 2 1 。随着电子技术和控制 技术的进一步发展，先进控制理论一定会在实际的工程项目中发挥出难以估量的作用。 1 4 研究对象概况 本文详细分析循环流化床锅炉燃烧机理，建立了其燃烧系统的机理模型，通过对循环流化床的 本体结构特点和控制系统特性的学习，研究模糊自适应p i d 理论在流化床控制中的应用，并在分析 徐州贾汪电厂l 挣循环流化床锅炉的运行数据基础上，指导模型和控制系统的研究。 1 徐州贾汪电厂l 群循环流化床锅炉设计煤种特性如下表1 2 所示。 表1 2 循环流化床设计煤种特性 2 表1 3 中现场所采数据均是该锅炉正常运行时经常调整的参数段中的数据，这样对自动的投入 更有意义。 5 东南大学硕士论文 表1 3 循环流化床锅炉的运行数据 江苏上电贾汪发电有限公司锅炉技术参数( h g 一4 4 0 1 3 7 - l y 1 1 2 ) 煤种设计煤种校核 煤种 负荷 b m c r 额定 7 0 册 a5 0 t h a3 0 t h ai p o u tb m c r 1 0 0 过热蒸汽流量t h 4 4 03 9 5 62 7 3 22 1 2 71 2 7 93 5 8 4 4 0 再热蒸汽流量t h3 5 9 93 2 8 72 2 8 11 6 6 51 0 9 83 4 43 5 9 9 省煤器入口压力m p a 1 5 4 61 5 41 4 21 0 6 55 91 5 2 41 5 4 6 省煤器入口温度 2 4 6 32 4 3 42 2 2 32 0 3 11 8 7 11 7 0 22 4 6 3 省煤器出口 2 8 3 2 8 0 2 6 22 5 62 7 2 2 3 92 8 3 3 汽包压力 m p a 1 5 0 71 4 91 3 91 0 45 8 91 4 91 5 0 7 过热器出口压力m p a 1 3 71 3 71 3 71 0 0 25 7 51 3 71 3 7 过热器出口温度 5 4 05 4 05 4 05 4 05 1 45 4 0 5 4 0 再热器入口压力 m p a 2 7 2 4 71 6 31 3 2o 7 22 5 72 7 再热器入口温度 3 2 0 93 1 2 82 8 7 72 8 3 12 8 93 2 2 63 2 0 9 再热器出口压力m p a 2 5 72 3 41 5 51 2 6o 6 82 3 92 5 7 再热蒸汽温度5 4 05 4 05 4 05 4 04 9 l5 4 05 4 0 过量空气系数 1 2 1 21 21 4 52 4 41 21 2 烟气损失 5 5 35 3 34 7 25 2 68 1 14 4 85 5 7 不完全燃烧热损失 2 2 92 33 44 2 65 12 5 31 7 6 灰渣物理热损失o 1 8o 1 30 1 2o 1 2o 1 2o 1 2o 1 8 锅炉效率 9 1 9 79 2 1 49 1 3 98 9 68 6 29 1 6 89 2 4 8 计算燃料量k g s 1 5 0 91 3 5 49 7 57 8 34 6 51 3 71 6 5 4 实际燃料量 k g s 1 5 4 11 3 8 6 1 0 18 2 1 5 0 11 4 0 51 6 8 3 石灰石k g s 1 6 31 4 61 0 5o 8 4o 51 4 82 2 底灰k g s 1 6 5l4 91 1 10 9 lo 61 5 22 3 3 飞灰k g s 2 7 42 4 81 8 61 5 612 5 33 7 4 总的燃烧空气量 k g s 1 5 2 61 3 7 29 8 89 5 89 5 81 3 8 81 5 1 5 烟气流量 k g s 1 6 5 51 4 8 61 0 6 91 0 2 49 9 61 5 1 81 6 4 4 炉膛出口烟气温度 8 8 98 7 98 2 97 5 66 2 08 8 18 8 9 省煤器出口烟气温度 2 9 42 8 62 5 72 4 52 4 72 4 52 9 4 炉膛烟气速度m s 5 2 54 7 63 3 13 0 42 6 54 8 85 3 2 空气预热器烟气速度m s9 18 15 6 5 2 5 57 79 1 省煤器 m s87 55 1 4 8 5 17 48 低温再热器m s l o 196 05 75 99 11 0 空气预热器出口烟气温度 1 4 01 3 61 2 41 1 91 1 61 1 81 4 1 床温 8 8 98 8 58 5 0 8 2 8 7 5 0 8 8 5 8 8 9 空气预热器入口温度3 03 03 03 03 03 03 0 空气预热器出口温度 2 2 42 1 82 0 51 9 71 9 51 8 82 2 5 一次风量k 加 7 6 37 5 7 5 二次风量 k g s 6 6 3 26 5 7 7 烟气密度 u g n m 3 1 3 2 31 3 2 b m c r , b - e c r 锅炉最大、经济连续出力；t - m c r , t h a 汽机最大连续出力、汽机额定负荷；h p - o u t 为高加切除。 6 第一章绪论 1 5 主要研究内容 1 循环流化床动态特性的建模与仿真 循环流化床锅炉是一个非线性、时变、大滞后、多变量紧密藕合的复杂对象，数学模型是研究 循环流化床动态特性的一种不可或缺的研究方法和工具，理想的数学模型对于循环流化床的设计、 控制、诊断和监测具有很高的应用价值。 本论文按照循环流化床燃烧理论和相关实验成果，结合徐州贾汪电厂4 4 0 t h 循环流化床锅炉设 计参数和现场运行性能特点，通过描述床内流动、传热、燃烧等过程而建立循环流化床整体动态模 型，课题研究工作如下： 1 )依据循环流化床锅炉系统特性研究，设定模型简化条件和集中参数； 2 )建立床内流动、传热、燃烧子模型，床内质量、能量守恒模型及汽水系统模型； 3 )运用m a t l a b 软件实现循环流化床整体动态模型、流化床动态特性的仿真； 4 )床温、主蒸汽压力系统数学模型在控制仿真试验运用的实现。 2 循环流化床控制规律设计与仿真 由于循环流化床锅炉燃烧系统时变特性，常规p i d 控制器难以达到理想的控制效果。本文设计 一种基于模糊控制理论的自适应整定p i d 参数算法，并对算法的结构、实现及工作方式作了详细介 绍，运用论文流化床床温、主蒸汽压力模型进行控制规律仿真试验。 1 )分别采用p i d 算法和模糊自整定p i d 算法对流化床床温和主蒸汽压力系统进行控制仿真。 结果表明采用模糊自整定p i d 算法系统性能比p i d 控制有很好的改善，超调量和调节时间都大 大减小。 2 ) 运行负荷降低3 0 时仿真试验，此时p i d 控制器已经无法控制好，采用模糊自整定p i d 控 制器，由于p i d 参数在线进行自整定，控制效果比较理想。 7 东南大学硕士论文 第二章循环流化床锅炉模型 循环流化床锅炉作为一种新型动力设备，是一个大型复杂系统。它的内部过程包括燃烧、气固 两相流动、传热和各种复杂化学反应，内部规律尚不完全被人了解，输入输出之间存在很复杂和强 烈的藕合关系。在循环流化床锅炉的研究中，数学模型必然成为一种不可或缺的研究方法和工具， 具有重要的学术意义和实用价值【1 4 1 。理想的数学模型对于循环流化床的设计、控制、诊断和监测具 有很高的应用价值。 2 1 循环流化床锅炉模型发展状况 国内外对循环流化床锅炉建模的研究己经有多年历史，研究者建立了各式各样的循环流化床锅 炉模型。根据建模方法的不同，循环流化床锅炉的模型可分为两种：一种是辨识模型，这种模型通 过系统的输入输出数据，采用系统辨识的方法，得到过程的模型，基于模糊理论、神经网络、小波 变换的辨识方法已经成为建立这类模型的主要手段；另一种模型是机理模型，这种模型按照循环流 化床燃烧理论和相关实验成果，通过描述传质、传热、燃烧等过程而建立起来的一维、环核( 1 5 维) 或三维模型。 1 辨识模型 由于循环流化床锅炉是一个非线性、多变量强藕合的复杂控制对象，因此很难用传统的系统辨 识方法来进行建模。目前，对循环流化床锅炉的建模大都采用模糊理论和神经网络等方法。l o t h a rr e h 和h a i w e n y e 1 5 1 及s r i n i v a s av a l a b o j u 等人【1 6 1 分别以输入输出数据为训练样本，用神经网络建立了循环 流化床锅炉的模型。e 1 k o n e n 和i c n a j i m t l 7 】采用多层神经网络对流化床的氮氧化物的排放进行建模， 并与线性回归和模糊神经网络进行了比较。 在国内，王东风等人【1 8 】提出了基于径向基函数神经网络的免疫遗传算法的循环流化床锅炉建模 方法。李鸿儒等人1 1 9 通过机理模型确定影响脱硫过程主要因素，再采用输入加权的前向神经网络对循 环流化床的脱硫过程建立了集中模型。 2 三维模型( 主要指燃烧部分模拟) 它从最根本的气一固两相流分相假说开始，考虑各相各自的动量及相间相互作用，将空间分成 网络，在时间轴上取一定步长。这类研究有h y p p a e n 【2 0 】采用有限体积法建立了截面为长方形的循环 流化床锅炉的三维静态数学模型。m a t h i e s e n 2 q 建立了循环流化床内多相流动的数学模型并与试验结 果进行了对比。三维模型的研究目前基本停留在预测燃烧室行为上，它的困难之一是两相流动本质 上的细微结构、随机脉动与空间网络划分、时间步长划分过细引起的计算量过大之间的矛盾。9 7 年 加拿大温哥华召开的第十四届国际流化床燃烧会议上的最新成果也只能部分利用经验公式简化控制 方程，从而减少控制量数目。模型的预测结果，可以定性地反映出燃烧室内三维浓度的分布、边壁 下降流、出口效应。 8 第二章循环流化床锅炉模型 3 一维模型 该模型的本质是充分利用流态化的实验研究结果，对燃烧室一维方向上划分控制体或加上环核 结构的假设，发展为所谓1 5 维模型。它不但考虑流动，而且把燃烧反应、热平衡、系统物料平衡 均包括在内。德国s i e g e n 大学的谳却瞄】【2 3 1 最先将h a r t 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，后经e d e l m a m n 、s c h o l l e r 、h e i n b o c k e l 等人的完善和发展，成为了目前最为完善的一 维模型。r i c h a r dt u r t o n 等人洲采用一维串级模型和一维轴向颗粒团模型对循环流化床内的气固两相 流中颗粒团的运动进行了建模。 在国内，清华大学口5 】瞄】【2 7 】例通过与s i e g e n 大学的合作，在w e i p 模型的基础上，建立了2 2 0 t h 循环 流化床锅炉动、静态数学模型。h a i r u iy a n g 等人【2 9 】建立了循环流化床物料平衡的一维动态建模，并 利用淄博电厂1 3 5 m w 电站循环流化床锅炉的运行数据进行了验证。一维循环流化床锅炉的动、静态 数学模型虽然已经比较成熟，但是它不能反映循环流化床内横向的气固浓度分布差别及温度场的横 向变化，而这对循环流化床的传热非常重要。 4 1 5 维( 环核模型) 模型 国际能源署( i e a ) 在鼓泡流化床锅炉数学模型的基础上建立了循环流化床锅炉燃烧系统的静态 数学模型。i e a 采用模块化的建模方式，通用性好，但不是动态模型。法国电力公司( e d f ) 在其1 2 5 m w 和2 5 0 m w 电站循环流化床锅炉运行的历史数据的基础上，建立了循环流化床静态数学模型和动态数 学模型，由于模型运用了大量的经验关联式，所以通用性不是很强。 国内，浙江大学3 0 】【3 1 1 在循环流化床锅炉的理论和设计及试验等方面都进行了大量的研究，在各 方面研究的基础上，也建立了自己的循环流化床锅炉环核结构数学模型。重庆大学的杨晨等人p 2 】【3 3 】 在考虑了循环流化床锅炉的热力参数分布性和燃料颗粒分布特性的基础上，采用可调小室和颗粒分 档的方法建立了4 1 0 t h 和4 4 0 t hp y r o f l o w 循环流化床锅炉的环核结构模型。 由于循环流化床锅炉的燃烧机理比较复杂，目前国内外研究者建立的机理模型大多结构复杂， 计算量大，很难进行实时分析，而且许多参数不易获得，只能采用一些理论数值或者经验数值，使 模型与实际对象产生了一定偏差。相对于机理模型，辨识模型的结构比较简单，而且模型参数可以 通过历史数据辨识得到，但是大多数辨识模型的结构往往缺少理论支撑，只是纯粹的对数据进行分 析、拟合，如模型结构选择不当，容易造成过拟合或欠拟合，使得模型并不能真正反映对象的特性。 因此，结合两种建模方法的优点，采用混合建模的思想，以循环流化床锅炉机理模型为基础，提出 一些合理的假设，对模型进行简化，得到一个较为简单的模型结构，再通过历史数据对模型参数进 行分析，从而得到一个既能准确反映对象特性，结构义比较简单的模型。本章就采用这种建模方法， 从循环流化床锅炉的燃烧机理出发，建立了燃烧系统的机理模型，并对模型进行了简化，最终得到 模型参数。 2 2 循环流化床锅炉机理模型研究 循环流化床锅炉炉内燃烧是一个极其复杂的过程，包括了气同两相流动、传热传质及化学反应 等过程，其内部个反应之间联系如图2 - i 所示。目前，有许多机理模型，但都很难全面描述循环流 9 东南大学硕士论文 化床气固两相流动过程及燃烧过程。为能正确描述循环流化床流动特性，根据循环流化床炉膛内的 固体颗粒运动轨迹，沿床高明显的分为两个区，底部为颗粒浓度较大的密相区，密相区之上为颗粒 浓度沿床高衰减的稀相区。建立循环流化床炉膛内的流体动力模型就是要分别建立能正确描述密相 区及稀相区内流动特性的子模型，其目的是确定燃烧系统各处的流动参数。 i 稀相区流动：由 物料平衡获得颗 粒浓度分布 童工 密相区流动：气 泡特性，密相区 物料平衡 = = 二二= ：二= = = = 二二= ：二= ：= 稀相区传热：由能量 平衡获得温度场 = 厂 稀相区燃烧：由气体 质量平衡获得组分 挥发分析出 密楣区燃烧：由气体 质量平衡获得组分 密相区传热：由能量 平衡获得温度场 图2 1 循环流化床各子模型耦合关系 图2 2 所示，循环流化床锅炉流动结构沿炉膛高度方向分为密相区、稀相区两部分：密相区内 流动、传热、燃烧近似与鼓泡床相同状态；稀相区延用流化床锅炉的“核环”流动结构，即气体为 平推流，固体在核心区向上流动，沿壁面环区下落；稀相区上部固体物料浓度不再轴向和竖直方向 上的变化，其中分离器内质量和能量平衡作为稀相区的一部分。 通过对循环流化床锅炉系统的研究，模型的建立基于以下假设： 1 ) 流化床各区的温度、空隙率、传热系数、物料浓度等参数，采用集总参数设置； 2 ) 流化床锅炉视为绝热系统，无热量损失，无漏风； 3 ) 分离器内没有换热装置，不发生燃烧反应，返料为高温返料，返料温度近似与床温相同； 4 ) 锅炉各区碳粒径和物料粒径采用当量直径表示，代替宽筛分特性，炉膛内碳的燃烧为完全 燃烧，全部生成c o z ； 5 ) 挥发分入炉后在各区按一定的比例立即析出并迅速燃烧，不作为气体流动的成分； 6 ) 流化床各区的残碳含量均匀分布在床料中； 7 ) 物料、燃料、气体的比热在一定温度范围内视为常数； 8 ) 忽略流化床各区交界面的热交换； 铆传热系数具有可加性，总传热系数为对流传热系数和辐射传热系数之和。 1 0 1 li l i i li，i 二一 一一 一 一r i i；i r 一 厂i l l i i i 第二章循环流化床锅炉模型 给 烟气 图2 - 2 循环流化床锅炉流动结构图 为使模型便于解算，降低复杂程度易于实时控制需求，建模过程中，对径向流动作简化处理， 假设燃烧室任意截面上内部参数是一致的，采用集总参数，拟和核心区和环形区变化，不再考虑环 核区别。 2 2 1 循环流化床锅炉流体动力学模型 采用r h o d e s 和g e l d a r t 3 5 】模型理论来描述燃烧室的轴向流动结构，主要内容如下：假定气体以 恒定速度吹入炉膛。当向炉膛内不断加入固体时，炉膛内悬浮段的密度是固体颗粒流量的函数，随 着流量增加，气流不足以将所有固体颗粒带到稀相区，部分固体颗粒在底部积累，形成了密相区。 这样就形成了底部的密相区和上部的稀相区。当炉膛出口的夹带量和固体添加量相等时，炉膛内的 固体流动会达到一个平衡状态，密相区和稀相区的分界将稳定在某个高度上。如果固体添加量增加， 就会有更多的固体颗粒在底部聚集，密相区随之增加，直到炉膛出口的夹带量和固体添加量再次相 等，达到一个新的平衡状态，反之亦然。 根据上述流动结构，稀相区内的同体颗粒浓度随高度增加逐渐减小，且稀相区任意位置的扬析 率是距密相区床面高度的函数；密相床的高度由炉膛压力平衡决定。 2 2 1 1 密相区流体动力学模型 随着进入循环流化床锅炉密相区气体速度增加，密相区的固体颗粒会逐渐达到最小流化状态， 如气流继续增加，固体颗粒仍保持此状态，多余的气体将以气泡的形式向上流动，所以一般认为密 相区由颗粒乳化相和气泡相组成【3 6 1 。 临界流化速度是指以固定床向流化床转变的临界值，是描述颗粒流化特性的最基木参数。临界 流化速度可由下式得到3 7 l ： 东南大学硕士论文 = 0 2 9 4 鬈“g ( p p b - p g - ) ”嚣 ( 2 ) 其中，岛为固体颗粒密度，k g m 3 为定性尺寸，嘭= z x , 4 ，z 为某档颗粒的百分比， 碣这档颗粒的直径，m ；& 为气体密度，k g m 3 。 超过临界流化风速的那部分气体会以气泡的形式通过密相区。气泡是一个仅有很少颗粒或没有 颗粒的气体空腔。气泡直径的计算目前有许多关联式，- i 以按照d a r t o n 等提出的关联式计算，气泡 直径如按下