（计算机应用技术专业论文）循环流化床锅炉床温模糊控制应用研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 循环流化床锅炉床温模糊控制应用研究 专业：计算机应用技术 硕士生：马俊 指导教师：负卫国教授 摘要 循环流化床锅炉具有燃料适应性广、截面热强度高、污染物排放少、锅炉负荷 适应性高、燃料制备系统相对简单等优点。正是由于循环流化床锅炉具有如此多 的优点，从而加快了循环流化床锅炉的商业化发展。但是循环流化床锅炉是一个 分布参数、非线性、时变、大迟延、多变量耦合紧密的控制对象，这也就给循环 流化床锅炉的运行控制提出了更高的要求。 床温是循环流化床锅炉燃烧控制系统中的一个重要参数，是稳定、经济运行的 关键。本文首先从循环流化床原理入手，简要说明了循环流化床锅炉的结构和优 点，并且分析了锅炉的控制模型。针对锅炉床温控制难题，设计了基于模糊逻辑 的循环流化床模糊解耦控制器和模糊、神经网络结合的模糊神经网络自学习控制 器，通过分析设计原理，对两种控制器进行了比较，模糊解耦控制器进行模糊前 馈补偿控制，模糊神经网络控制器实现非模型控制，同时说明了两种控制器的优 缺点，并进行仿真对比。从仿真结果来看，两种控制器都达到了比较令人满意的 效果，控制器在稳定性、适应性、鲁棒性等控制特性上比常规p i d 控制要好。但 当锅炉负荷、燃料状况变化较大时，即被控对象模型发生较大的变化，模糊神经 网络控制器控制效果优于模糊解耦控制器，这是由于神经网络具有较强的自学习 能力。 关键词：循环流化床，床温，模糊控制，解耦，神经网络 论文类型：应用研究 西安建筑科技大学硕士论文 a p p l i e dr e s e a r c ho ff u z z yl o g i cc o n t r o lo f b e dt e m p e r a t u r e o fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n n a m e ：m a j n n t u t o r ：p r o f y u nw e i g u o 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 db o i l e r ( c f b bo rc f bb o i l e r ) h a v ef u e la d a p t a b i l i t y ， t h ew a r m h e a r t e di n t e n s i t yo fs e c t i o ni sh i g h ，t h ec o n t a m i n a n tp l a c e si np r o p e ro r d e ra m o m e n t ，b o i l e rb u r d e na d a p t a b i l i t yi sg o o d ，t h ef u e li sp r e p a r e dt h es y s t e m d i s t i n g u i s h i n gf e a t u r es u c ha se a s yr e l a t i v e l ya n ds oo n a sw ek n o w , c f b b i sac o n t r o l o b j e c tt h a tp o i n t so fd i s t r i b u t i n gp a r a m e t e ra n dn o n l i n e a ra n dt i m e - v a r i a b l ea n ds t r o n g d e l a ya n dc o u p l i n gt i g h t l ym u l t i v a r i a b l e s ot h eh i g h e rd e m a n dc f b ba u t o m a t i o ni s p r o p o s e d b e dt e m p e r a t u r ei si m p o r t a n tp a r a m e t e ro fc f b bc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m t o m a i n t a i ni tn o r m a li st h ek e yt ot h es t a b l ea n de c o n o m i co p e r a t i o no fc f b b h e r eb y i n t r o d u c i n gt h et h e o r yo fc f b b ，b r i e f l yi l l u s t r a t e st h es t r u c t u r ea n da d v a n t a g e so f c f b b ，m e a n t i m ea n a l y s e st h ec o n t r o lm o d e lo f c f b b f o c u s i n go nc o m p l e xd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ci n v o l v e di nc o m b u s t i o np r o c e s so fc f b b ，p r o p o s e sf u z z y l o g i c b a s e d c f b bf u z z y - - d e c o u p l ec o n t r o l l e ra n dt h ef u z z y - n e u r a ln e t w o r ks e l f - l e a r n i n gc o n t r o l l e r w i t ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt h ed e s i g nt h e o r yo f e a c hc o n t r o l l e r , t h es t a t e m e n t so f t h ee a c hc o n t r o l l e r sa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ea r em a d e f u z z y d e c o u p l ec o n t r o l l e r f u l f i l l sf u z z yf e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o nc o n t r o l ，a n df u z z y - n e u r a ln e t w o r ks e l f - l e a r n i n g c o n t r o l l e rr e a l i z e sn o n m o d e lc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o ni sp r o c e e d e d t h er e s u l ts h o w s t h a ts y n t h e t i c a l l yf u z z yc o n t r o l l e rc a np r o v i d eu sab e t t e rc o n t r o lq u a l i t y , r o b u s t ， s p e e d i n e s st h a nt h eg e n e r a lp i dc o n t r o ls y s t e m s i n c et h ef u z z y n e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e ro b t a i n st h eb e t t e rs e l f - l e a r n i n ga b i l i t y , i tc a np e r f o r mb e t t e rc o n t r o lq u a l i t y t h a nf u z z y d e c o u p l ec o n t r o l l e rw h e nm o d e lo fo b j e c tc h a n g e sr e l a t i v e l yg r e a t k e yw o r d s t y p eo f t h e s i s c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r , b e dt e m p e r a t u r e ，f u z z yc o n t r o l ， d e c o u p l e ，n e u r a ln e t w o r k a p p l i e dr e s e a r c h 声明 本人郑重声明我所呈交的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，也不包含本人或其他 人在其它单位己申请学位或为其它用途使用过的成果。与我_ 同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：豸受 关于论文使用授权的说明 日期：6 l9 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：马受 导师签名日期：。) ， 西安建筑科技大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 循环流化床技术的发展概况 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 e db e db o i l e r ) 是近3 0 年来发展起来 的一种新型煤燃烧技术。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。因此在短短的3 0 年间，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 展到容量与煤粉炉大体相当的大型电站锅炉。循环流化床真正得到应用始于7 0 年 代末8 0 代初。1 9 7 9 年，芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司开发的世界首台2 0 t h 商用 循环流化锅炉投入运行。此后，循环流化床锅炉技术发展很快，已有许多不同的 流派和形式，从技术上可以分为三家：德国鲁奇( l u r g i ) 、法国( s t e i n ) 、美国 ( a b b c e ) 型c f b b ，采用鲁奇技术。1 9 9 2 年德国l u r g i 、l e n t j e s 和b a b c o c k 公 司三家公司联合成立了l l b 公司，拥有l u r g i 型和c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉。 芬兰奥斯龙公司( 1 9 9 5 年被美国f w 收购) 的p y r o f l o w 型循环流化床锅炉。 美国福斯特惠勒( f w ) 公司自有型循环流化床锅炉。其中，带有外置式热交换器 的循环流化床锅炉有：鲁奇循环流化床锅炉，a b b c e 型循环床锅炉和福斯特惠勒 循环流化床锅炉：不带外置式热交换器的循环床锅炉主要有p y r o f l o w 循环流化床 锅炉和c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉。 目前，世界上发电容量为l o o m w 2 5 0 m w 的循环流化床电站锅炉已有数十台 投入运行，其中容量最大的是采用鲁奇l u r g i 技术，由法国s t e i n 公司制造，安装 在法国g a r d a n n e 电厂的2 5 0 m w ( 7 0 0 t h ) 循环流化床锅炉，于1 9 9 5 年5 月投入 运行。美国a b b ，c e 公司，f w 公司等主要循环流化床锅炉的制造商都在开发 3 0 0 3 5 0 m w 等级的产品，可以说，目前国外大型循环流化床技术正日趋成熟，逐 渐达到与煤粉炉容量相当的水平。 国内中小型循环流化床锅炉技术也已相当成熟，但在大型循环流化床锅炉的 开发研究方面，与先进国家仍有相当大的差距。引进国外技术制造的2 2 0 1 h ( 5 0 m w ) 和引进的4 1 0 t h 的c f b b 已投运，但从运行实绩看，在燃烧效率、锅 炉可靠性、价格和能耗等指标上，与传统煤粉炉相比，仍有一定的差距。 1 2 循环流化床燃烧控制的特点 由于循环流化床锅炉具有较其它类型锅炉更为优越的性能和特点，因此在电 西安建筑科技大学硕士论文 力、供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用，自动控制系统作为实现锅炉 安全、经济运行的有效手段正越来越受到锅炉用户的重视。实用循环流化床锅炉 的运行自动化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与常规煤粉锅炉相比均有着显著的差异 2 1 ，因此在燃烧控制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。 带有外置式热交换器的循环流化床锅炉在本体结构上很好地解决了蒸汽压力 与床温在控制回路问的紧密耦合关系。因此，这种锅炉可以采用风煤比调节主蒸 汽压力，采用进入外置式换热器循环物料量的多少来调节床温，故床温自动控制 系统一般为常规单回路反馈控制系统。没有外置式热交换器的循环流化床锅炉结 构比较简单、紧凑、= 节省材料，因此得到较广泛的应用。国内普遍采用或选型的 循环流化床锅炉的典型结构就是无外置式热交换器。此类锅炉给其燃烧控制系统 实现自动控制带来了极大的困难，因为锅炉主汽压力和床温的控制均是通过调节 给煤量和送风量来实现的，当主汽压力和床温两者中任何一个出现偏差时，无论 调节给煤量还是送风量都会使另一个量发生变化，这样使得主蒸汽压力和床温成 为具有紧密关系的强耦合变量。而且不论调节给煤量或送风量，都同样会影响负 荷，因为给煤量的大小直接与负荷密切相关；若是通过调节送风量控制床温，则 会改变传热系数从而影响负荷( 传热系数是与炉内气体流速、床温、悬浮段物料密 度等密切相关) 。给煤量和送风量的改变又会影响烟气含氧量、炉膛负压和料床高 度，等等。而由此造成的蒸汽量的变化又影响到汽包水位和过热蒸汽温度。这样 各变量之间或强或弱都存在耦合关系，理想的控制系统应该是多回路的控制系统， 当系统受到某一扰动时，所有的被调量同时协调动作，使所有的被调量都具有一 定的控制精度。但是这样的调节是很艰难的，要使所有的耦合变量都得到精确的 控制是不可能的。目前一般将循环流化床锅炉的自动控制系统分成几个相对独立 的控制系统，主要包括以下主要控制回路：汽包水位控制回路，过热汽温控 西安建筑科技大学硕士论文 制回路，主蒸汽压力控制回路，床温控制回路，床层高度控制回路，二 级返料回料控制回路，炉膛负压控制回路，烟气含氧量控制回路，烟气含 s 0 2 量控制回路。 近年来，国内外有很多机构和学者尝试着进行循环流化床锅炉自动控制的研 究，一些学者提出过一些很有应用价值的自动控制系统方案。 1 3 循环流化床锅炉的控制研究 循环流化床锅炉在结构上与常规煤粉锅炉有着显著的差异，因此，在控制调 节上存在许多不同之处，其中最主要的是燃烧室内的床温控制，它为循环流化床 锅炉所特有，而煤粉炉没有炉温控制的要求。维持正常的床温是循环流化床锅炉 稳定运行的关键，在炉内过程中，几乎所有的控制和调节均是围绕维持稳定床温 进行的。 c f b 锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽 负荷的需要，保证锅炉安全经济运行，同时还要保证定的脱硫效率。其中床层 温度是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要参数，同时也直接影响锅炉运 行过程中的脱硫效率及n o x 的产生量。床层温度一般控制在8 5 0 左右，此温度 下脱硫效率最高，且产生n o x 的量最少。若床层温度过低不但使锅炉效率下降， 而且锅炉运行不稳定容易灭火。床层温度过高会使炉内脱硫效率下降，n o x 的产 生率增加，同时容易炉内结焦，使c f b 锅炉无法循环流燃烧。因此床层温度参数 是极为重要的控制参数。 循环流化床锅炉燃烧控制比煤粉炉的燃烧控制复杂得多，被调对象呈现多输 入、单输出的特性，干扰因素多，调节手段多且难度大，因此，床温控制必须投 入自动，尤其对装机容量较大的锅炉。床温控制的基本原则是保证密相区温度低 于灰的起始变形温度1 0 0 1 5 0 。一般料层床温控制在8 5 0 左右，这个温度是实 现炉内脱硫的最佳温度，n o x 的产生量也较小。c f b 锅炉由燃烧系统和汽水系统 两个子系统组成，各子系统又由若干部件构成。与煤粉锅炉相比，其在汽一水侧的 控制方式基本相同，区别主要体现在燃烧系统的控制上。与常规煤粉炉燃烧系统 相比，由于燃烧方式不同，c f b 锅炉的燃烧过程为4 输入( 燃烧量、一次风量、 二次风量和引风量) 和4 输出( 主汽压力、床层温度、烟气含氧量和炉膛压力) ， 且相互影响。目前，国内外c f b 锅炉所采用的控制系统主要还是在煤粉炉的控制 基础上作一定的调整，即用燃料量控制主汽压力，用一次风量维持床内的流化状 态，用一、二次风的配比控制床层温度，用二次风量控制烟气含氧量，用引风量 控制炉膛压力。 西安建筑科技大学硕士论文 撼辩量 i ； 主汽压 n ，囊； n ； 一次风量 l 门f - - d ；睐层量l ny 、刀i 、 引风 l 么，、巡 炉麓压： i c f b 螺妒 图1 1c f b 锅炉各输入输出量示意图 从局部看，受控对象某一调节量与被调量之间的数学模型结构比较简单，采 用单回路负反馈设计方案其控制质量容易保证。但从全局看，调节量与被调量之 间存在的相互耦合问题，会严重增加流化床锅炉燃烧控制系统的设计和调试的难 度。其中，燃料量一主汽压力和一次风量一床层温度是耦合最为紧密的两对变量( 图 1 1 虚框内) ，而这两个参数是锅炉运行最重要的指标，主汽压力稳定是机组正常 运行最基本的要求，而床层温度是否处于允许范围内则直接影响锅炉正常运行， 过低则不能保证有效燃烧并可能灭火，过高则可能引起床料结渣导致停炉。因此， 床层温度控制是c f b 锅炉区别于常规煤粉锅炉控制系统最显著的特征。 循环流化床锅炉控制系统的发展经历了较长时间，并且至今仍然在不断的改 进中。这里简要介绍一下循环流化床锅炉控制系统的发展历史。k a y a ( 1 9 8 9 ) 口4 j 介 绍了采用b a i l e yn e t w o r k9 0 集散系统的流化床锅炉和循环流化床锅炉的控制系 统，包括负荷控制( 主蒸汽压力) 、汽包水位控制、炉膛负压控制、燃烧控制、主汽 温度控制、床温控制、污染控错o ( s o z ) 等。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一输出阶 跃响应试验而得到的传递函数矩阵，通过分析比较说明了先进的过程控制策略( 反 馈、前馈、串级和解耦控制等) 比状态空间控制策略( 采用极点配置控制设计) 更能 满足流化床锅炉和循环流化床锅炉的控制要求。陈瑞枫( 1 9 9 2 ) 2 7 j 针对循环流化床锅 炉燃烧系统的多输入多输出、在较大迟延等情况提出了一种动态解耦自校正预估 控制算法。牛培峰等( 1 9 9 3 ) 【2 8 研究设计了一个7 5 讹循环流化床锅炉的热工自动 控制系统，包括给水控制、主汽温控制、床高控制、燃烧控制( 包括主蒸汽压力控 制、送风控制、床温控制、烟气含氧量控制和炉膛负压控制) 、固体物料回送控制 等，以p i d 为主体，采用了纯滞后补偿预估、前馈、串级等控制策略。k o r t e l au ， e ta 1 ( 1 9 9 4 ) 【2 9 】提出了循环流化床燃烧过程分层控制的思想，上层为流化床过程稳 态运行优化层，用于优化下面控制层的稳态设定值，下面控制层提供了稳定的燃 函安建筑科技大学硕士论文 烧条件。当燃用木材泥煤时，采用了所谓c p c ( c o m b u s t i o n p o w e rc o n t r 0 1 ) 的控制 策略，它是对p i 算法的一种改进当燃用煤时，为稳定床温，采用了带有补偿的 p i 控制器，补偿参数是根据一种a r x ( a u t or e g r e s s i v e w i t he x o g e n o u sv a r i a b l e s ) 递归辨识模型确定。叶海文( 1 9 9 7 ) 1 8 沿用了这种分层控制的方法，由基础控制完成 循环流化床锅炉的大部分控制任务它基本上继承了一般锅炉常规控制系统的全 部策略，由监控系统完成负荷控制排污控制优化等高层次任务，负荷控制采用基 于神经网络的预测控制算法。郭爽( 2 0 0 1 ) 1 7 1 设计了基本模糊控制器，加权因子自修 正模糊控制器( 包括基本加权因子模糊控制器、多加权因子模糊控制器、解析函数 型加权因子模糊控制器、优化函数型加权因子模糊控制器和智能权函数法模糊控 制器) 及参数自调整模糊控制。 由于循环流化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、多变量耦合紧密的控 制对象，对于这样一个复杂系统无论是对象的分析还是控制系统的设计都非常困 难。从前人的研究结果我们可以看到：在常规煤粉炉等锅炉上行之有效的基于古 典控制的常规控制方案难以保证其各项指标的实现。而基于现代控制理论的循环 流化床锅炉控制策略的研究进行的很少。尽管在仿真研究上取得了较好的控制效 果，但现代控制理论的出发点是对象精确的数学模型。即使由于众多研究人员的 努力，目前已经建立了c f b 锅炉的复杂的数学模型，但从工程应用角度来说，也 必须进行简化，从而难以保证模型的精度。在实际应用中，我们更关注的是控制 系统的鲁棒性，而不能只追求理想的最优性。此外c f b 锅炉运行状态、内部参数 等因素的不确定性，使得基于现代控制理论的最优控制在实际上往往不能保持最 优，有时甚至会引起控制品质的严重下降。而模糊控制在设计系统时不需要建立 被控对象的精确数学模型，实践证明，模糊控制器能够对时变、非线性和复杂的 对象进行较为有效的控制。 1 4 本文工作 尽管循环流化床锅炉由于其独特优点受到广泛的重视，但仍然存在着许多亟 待解决的问题，尤其是在自动控制与优化运行方面，大多数的循环流化床锅炉的 自动化水平不高。无论基于古典控制或现代控制理论的循环流化床锅炉控制策略 都要求建立在被控对象准确的数学模型上。到目前为止，还难以建立循环流化床 锅炉的精确模型，传统控制方法和现代控制理论无法发挥其自身的优越性。近年 来，模糊控制技术得到了长足的发展，模糊控制在设计系统时不需要建立被控对 象的精确数学模型，它是通过总结、归纳操作人员和领域专家的经验而建立的， 并且算法简单性能优良，有较强的鲁棒性。大量的工程实践表明模糊控制主要适 用于那些由于非线性和其它建模复杂性引起的结构或参数不确定的系统的控制。 西安建筑科技大学硕士论文 同基于精确数学模型的控制方法相比，模糊控制在处理不精确与启发式知识、控 制具有高度不确定性的复杂系统时具有明显的优越性。 但是，传统模糊控制是一种基于模糊规则的控制，这些模糊规则是人们对受 控过程认识的归纳和控制经验的总结，其模糊集隶属函数的选择、模糊知识规则、 模糊量化的设置固定，不适应被控过程的变化，从而影响控制效果。 以非线性大规模并行处理为主要特征的神经网络，以生物神经网络为模拟基 础，试图模拟人的形象思维以及学习和获取知识的能力。它具有学习、记忆、联 想、容错、并行处理等种种能力，已在控制领域得到广泛的应用。由于神经网络 不适于表达基于规则的知识，且网络中映射规则是不可见的和难于理解的，使得 长期以来网络的结构依经验而定，难以找到一个合适的，满足控制需要的神经网 络。 模糊控制和神经网络控制都存在一定的不足。为了克服这种局限性，众多学 者一方面对模糊控制进行了深入的研究提出了一些改进的模糊控制方案。另一方 面利用模糊逻辑和神经网络在许多方面具有关联性和互补性，将二者结合起来。 本文针对循环流化床锅炉燃烧系统的床温控制和主汽压力控制问题，主要做 了以下三个方面的工作： 1 阐述了循环流化床( c f b ) 锅炉的主要原理、结构和优点，在前人工作的基础 上引用了4 1 0 t h 循环流化床锅炉为对象推导出的床温和主汽压动态特性的近似数 学表达式，并且建立了循环流化床床温的粗糙模型。 2 运用线性系统理论、模糊逻辑对床温被控对象进行解耦控制。对于模糊解 耦控制，运用静态解耦和动态解耦两种方法，静态解耦的控制器分别采用了p i d 、 模糊控制和模糊自适应整定p i d 控制器，由于模糊控制不需要建立在精确的数学 模型的基础上，于是将模糊控制与动态前馈控制相结合，形成了一种新型的控制 方法，仿真结果表明动态解耦效果理想，基本上实现了相对解耦，并具有良好的 抗内扰性和解耦自适应性。从整体控制效果来看，达到了比较令人满意的效果。 3 设计了模糊逻辑和神经网络结合的模糊神经网络控制，一方面，将神经网 络技术引入模糊系统，利用神经网络的自学习和自适应能力，优化模糊系统；另 一方面，在神经网络中引入模糊逻辑技术，动态地调整神经网络的性能。当被控 对象的模型变化时，神经网络能自学习该模型，调节控制器参数，达到最优控制。 仿真表明，无论是在控制的快速性、稳定性、适应性、鲁棒性还是抗内扰能力上 均比常规的p i d 控制要好得多。模糊神经网络在进行控制时不需要解耦补偿环节 而是通过神经元的在线学习来抑制变量间的耦合影响，从而进行有效的控制，达 到解耦的目的。 两种控制器在进行仿真研究时，都表现出了优于传统p i d 控制器的特性，相 比较而言，对于模糊解耦控制器，当被控对象的模型产生很大变化时( 炉型，燃 6 西安建筑科技大学硕士论文 料变化) ，应用已有的控制规则就不能对对象进行有效的控制。模型的变化，导致 控制规则也需要相应的变化，这就必须对模糊逻辑控制规则进行修正。这对于控 制工程师和锅炉运营商来说，无疑是一个不能容忍的问题。模糊神经网络自学习 控制器可以动态地调整神经网络的性能，当被控对象的模型变化时，神经网络能 自学习该模型，调节控制器参数。但是，缺点就是神经网络太复杂，学习计算时 间长。 西安建筑科技大学硕士论文 第2 章循环流化床锅炉的工作原理与控制模型 2 1 循环流化床工作原理 循环流化床燃烧是一种燃烧化石燃料、废物和各种生物质燃料的燃烧技术。 它的基本原理是燃料在流化状态下进行燃烧。一般粗颗粒在燃烧室下部燃烧，细 颗粒在燃烧室上部燃烧。被吹出燃烧室的细颗粒采用各种分离器收集之后，送回 床内循环燃烧。 当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体对固体颗粒产 生的作用力与固体颗粒所承受的其他外力平衡时，固体颗粒层会呈现出类似于液 体状态的现象，这种现象称为流态化。此时，对于单个颗粒来说，它不再依靠与 其他邻近颗粒的接触来维持它的空问位置，相反地，在失去了以前的机械支撑后， 每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。 颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低流化速度，成为临界流化速度。气固 流化床很像沸腾的液体，它具有以下特点：在任何一高度的静压近似于在此高度 以上单位床截面内固体颗粒的重量：无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平， 床层的形状也保持容器的形状；床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔 口排出；密度高于床层表而密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面 上；床内固体颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。 流态化是一个极为复杂的现象，尤其是气固流态化。其影响因素很多，主要 是受气体流动速度( 流化速度或空气截面速度) 、固体颗粒特性( 密度、粒度等) 、 流体特性( 密度、黏度等) 以及固体器壁的影响。随流化速度增加，一个垂直上 行气固系统依次呈现以下几种状态：固定床，鼓泡流化床，湍动流态化，快速流 态化，密相气力输送，稀相气力输送。快速流态化和密相气力输送状态的区域， 既经典循环流态化的存在区域。此时，床内无气泡，无明显密相界面；存在颗粒 成团与返混现象；具有较大的气固滑移速度。快速流态化流体动力特性的形成对 循环流化床是至关重要的，此时，固体物料被速度大于单物料的终端速度的气流 所流化，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。颗粒团向各个方向运动， 而且不断形成和解体。在这种流体状态下，气体还可以携带一定数量的大颗粒， 尽管其终端速度远大于截面平均速度。这种气固运动方式中存在较大的气固两相 速度差，即相对速度。在一个循环流化床的提升管( 燃烧室) 和或下行管( 一般 指外部低速流化床) 内安装必要的受热面，应用于煤燃烧的过程，就称为循环流 化床锅炉。 西安建筑科技大学硕士论文 循环流化床锅炉可分为两个部分【3j 。第一部分由炉膛( 快速流化床) 、气固物 料分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器( 有些循环流化床锅炉没有该 设备) 等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道， 布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近。 2 1 1循环流化床的主要结构 ( 1 ) 燃烧室 循环流化床燃烧室以二次风入口为界分为两个区。二次风入口以下为大粒子 还原气氛燃烧区，二次风入口以上为小粒子氧化气氛燃烧区。燃料的燃烧过程、 脱硫过程、n o 和n 0 2 的生成及分解过程主要在燃烧室内完成。燃烧室内布置有受 热面，它完成大约5 0 燃料释放热量的传递过程。循环流化床燃烧室既是一个燃 烧设备、热交换器，也是一个脱硫、脱氮装置，集流化过程、燃烧、传热和脱硫、 脱硝反应于一体。所以循环流化床燃烧室是循环流化床燃烧系统的主体。 晒 图2 1 典型循环流化床锅炉燃烧系统示意图 循环流化床燃烧系统由循环流化床燃烧室、飞灰分离收集装置、飞灰回送器 组成。燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主 要在炉膛中完成，炉膛四周布置有水冷壁，用于吸收燃烧所产生的部分热量。由 西安建筑科技大学硕士论文 气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛。 f 2 ) 飞灰分离收集装置 循环流化床飞灰分离收集装置是循环流化床燃烧系统的关键部件之一。它的形 式决定了燃烧系统和锅炉整体布置的形式和紧凑性。它的性能对燃烧室的动力特 性、传热特性、飞灰循环、燃烧效率、锅炉出力和蒸汽参数，对石灰石的脱硫效 率和利用率，对负荷的调节范围和锅炉启动所需时间及散热损失和维修费用等均 有重要影响。 国外普遍采用的飞灰分离收集装置有高温耐火材料内砌的旋风子分离器、水冷 或汽冷旋风子分离器、各种形式的惯性分离器和多管旋风子分离器。国内采用的 主要有华中理工大学研制的下排气中温旋风子分离器、清华大学研制的方形水冷 旋风分离器、中国科学院研制的百叶窗惯性分离器，也有用耐火材料内砌的高温 旋风子分离器，还有东北电力学院开发的卧式内旋风子分离器。 高温耐火材料旋风分离器收集效率高，阻力较大，燃烧系统布置欠紧凑。各种 惯性分离器收集效率低，阻力小，但燃烧系统布置紧凑。下排气中温旋风子分离 器收集效率较高，阻力较小，能使锅炉整体布置呈传统的兀形布置，锅炉紧凑， 占地面积较小。 ( 3 ) 飞灰回送装置 飞灰回送装置是带飞灰回燃的鼓泡床锅炉和循环流化床锅炉的重要部件之一。 它的正常运行对燃烧过程的可控性、对锅炉的负荷调节性能起决定性作用。 飞灰回送装置的作用是将分离器收集下来的飞灰送回流化床循环燃烧，而又保 证流化床内高温烟气不经过送灰器短路流入分离器。送灰器既是一个飞灰回送器， 也是一个锁气器。如果这两个作用失常，飞灰的循环燃烧过程建立不起来，锅炉 的燃烧效率将大为降低、燃烧室内的燃烧工况变差，锅炉也将达不到设计蒸发量。 循环流化床燃烧系统中常采用的飞灰回送装置是非机械式的。采用的送灰器有 两种类型。一种是自动调整型送灰器，如流化密封送灰器( f l u o s e a l ) 。另一种是阀 式送灰器，如“l ”阀。自动调整型送灰器能随锅炉负荷的变化，自动改变送灰量， 不需要调整送灰风量。阀型送灰器要改变送灰量则必须调整送灰风量。也就是说， 随锅炉负荷的变化必须调整送狄风量。 ( 4 ) 外部流化床热交换器 德国鲁奇型和美国巴特尔型、f w 型和a b b c e 型循环流化床燃烧系统均采用 了外部流化床热交换器。芬兰奥斯龙型和中国循环流化床燃烧系统均没有采用外 部流化床热交换器。外部流化床热交换器的作用是，使分离下来的飞灰，部分或 全部( 取决于锅炉的运行工况和蒸汽参数) 通过它并将其冷却到5 0 0 。c 左右，然后 通过送灰器送至床内再燃烧。外部循环流化床热交换器内的流化速度是 0 3 0 4 5 m s ，布置的受热面可有省煤器、蒸发器、过热器、再热器等受热面。 l n 西安建筑科技大学硕士论文 外部循环流化床热交换器实质上是一个细粒子鼓泡流化床热交换器，它具有 传热系数高，磨损小的优点。采用外部循环流化床热交换器的优点如下： 1 解决了大型循环流化床锅炉流化床内受热面布置不下的困难。 2 为过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的调节提供了很好的手段。 3 加大了循环流化床锅炉的负荷调节范围。 4 加大了同一台锅炉对燃料的适应性。 5 节约了锅炉受热面的金属消耗量。 其缺点是它的采用，使燃烧系统、设备及锅炉整体布置比较复杂。因此我国 目前开发的2 0 t h 、3 5 t h 和7 5 t h 中小循环流化床锅炉均没有采用外部流化床热交 换器。 2 1 2循环流化床锅炉优点 循环流化床内直接固硫是在燃烧过程中加脱硫剂石灰石( c a c 0 3 ) 或白云石 ( m g c 0 3e c a c 0 3 ) ，使燃烧反应和固硫反应同时进行。受热分解产生的c a o 与烟 气中的s 0 2 结合生成c a s 0 4 ，c a s 0 4 可以随灰渣排掉，也可以再生后重新使用。其 反应过程如下： 燃烧反应：s + o ：s 0 2 k ) ( 2 - 1 ) 煅烧反应：c a c o ，坠! 唑旦寸口0 0 ) + c 0 2 ( g ) ( 2 - 2 ) m g c 0 3 c a c 0 3 型! 竖口0 0 ) + m g o ( s ) + 2 s 0 2b ) ( 2 3 ) 1 固硫反应：c a o ( s ) + s o ：k ) + 去d ：k ) c 白册。 ( 2 4 ) 在循环流化床锅炉中，由于独特的设计和运行条件，整个循环流化床锅炉的 主循环回路运行在脱硫的最佳温度范围内( 8 5 0 9 0 0 。c ) 。同时由于固体物料在炉 内的内部循环和外部循环( 通过分离装置和回送装置) ，脱硫剂在炉内的停留时间 大大延长，通常平均停留时问可达数十分钟。此外，炉内强烈的湍流混合也十分 有利于循环流化床锅炉燃烧脱硫过程。在c a s 比为1 5 2 5 的条件下，脱硫效率 通常可达9 0 。循环流化床锅炉实施燃烧脱硫时，脱硫剂粒径通常为o 1 0 3 m m ， 脱硫剂的利用率可达5 0 以上。 锅炉燃烧过程中生成的氮氧化物几乎全是n o 和n o ，。其中n o 占9 5 以上。 就n o 。的生成机理来说，可分为温度型n o 。( 包括快速温度型) 和燃料型n o 。 温度型n o 。为燃用空气中的n 2 在高温下氧化产生的氮氧化物。当燃烧温度低 于1 5 0 0 k 时，几乎观测不到温度型n o 。的生成，当温度高于1 5 0 0 k 时，温度型 n o 。按指数规律迅速增加。燃料型n o 。为燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧 西安建筑科技大学硕士论文 化的氮氧化物。燃料型n o 、随过量空气系数的降低而降低，尤其当过量空气系数 o 。c 1 0 时，其生成量急剧降低。般，当过量空气系数为o 7 时，燃料n 的转化 率接近于零，没有燃料型n o 。生成。 循环流化床锅炉运行在8 5 0 9 0 0 床温范围内，燃煤所产生的n o 。主要是燃 料型n o 。，温度型生成很少，通常为n o 。总排放量的l o 以下。此外，循环流化 床锅炉燃烧所需的空气一般采用分段送入的方法，如此形成的分段燃烧对控制燃 烧型n o 。的排放也十分有效，不仅可以抑制燃料型n o 、的形成，更可以通过分段 燃烧的组织使已经生成的n o 。得到还原。同时，循环流化床锅炉内的焦碳浓度较 高，对己生成的n 仉的还原也十分有利。对挥发分含量高的煤种，分段燃烧对降 低循环流化床锅炉n o 。排放效果更为显著。根据实炉测试结果，循环流化床锅炉 的n o 。排放一般为2 0 0 3 0 0 m g n m 3 。 循环流化床的优点口j ： 1 燃料的适应性好。只要燃料的热值大于把燃料本身和燃烧所需空气加热到 稳定燃烧温度所需的热量，这种燃料就能在循环流化床内稳定燃烧，不需要使用 辅助燃料助燃，还可以达到高的燃烧效率。循环流化床锅炉能烧优质燃料，也能 烧劣质燃料，这对一些燃料来源，种类和质量多变的锅炉用户，是十分适宜的。 2 燃料效率高。由于炉内颗粒的内外循环延长了颗粒在炉内的停留时间，且 颗粒与气体的相对运动速度大，可获得较好的传热传质效果，即使部分负荷时的 燃烧效率也较高。 3 排烟清洁。在燃烧过程中，同时完成炉内脱硫，脱氮反应。在加入石灰石 后( c a s 比为2 ) 能得到9 0 以上的脱硫效率。由于床温低于9 0 0 ，一、二次分 级燃烧，既保证充分燃烧，又形成局部还原区，有效的抑制n o ；的生成，将其控 制在3 0 0 m g n m 3 以下。 4 操作灵活，易于调峰。当负荷变化时，只需要调节给煤量和流化速度就可 满足负荷的变化。一般情况下，循环流化床锅炉的热负荷变化范围为1 0 0 2 5 ， 其变化速率为5 1 0 m i n 。 5 易于灰渣的组合利用。循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内的优 良燃烧条件使得锅炉的灰渣含碳量低，属于低温烧透，利于实现灰渣的综合利用。 6 投资和运行费用适中。在综合考虑锅炉经济运行及污染物排放控制( 脱硫、 脱氮及灰渣利用) 时，循环流化床锅炉投资及运行费用均低于煤粉锅炉。 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 循环流化床锅炉控制模型 2 2 1 床温控制模型床温被控对象动态特性 床温是影响c a sn o x 以及c o 排放量的最主要的因素，床温过低不但使锅炉 效率下降，而且使锅炉运行不稳定，容易灭火；床温过高会使脱硫效率下降，使 s 0 2 和n o x 的排放量增加，同时使锅炉结焦，无法正常循环流化燃烧，因此床温 控制对循环流化床锅炉是至关重要的。 ( 1 ) 某电厂循环流化床锅炉的设计参数【4 j ： 某电厂循环流化床锅炉为单汽包、自然循环、循环硫化床燃烧方式，半露天布 置。由一个膜式水冷壁炉膛，两台汽冷式旋风分离器和一个汽冷包墙包覆的尾部 竖( h r a ) 三部分组成的。额定蒸汽流量4 1 0 t h ；主蒸汽温度5 4 0 。c ；主蒸汽压力 9 8 m p 。；给水温度2 2 7 。c ；排烟温度1 3 6 。c 。炉内气流速度5 m s 。锅炉效率9 0 7 。 最低负荷( 不投油助燃) 4 0 。负荷变化率( 每分钟) 7 m i n ；脱硫率为9 0 ( 钙 硫比2 2 ) 。排放值：s 0 2 浓度7 0 0 m g n m 3 n ；n o 、浓度2 0 0 m g n m 3 。锅炉燃料设计 煤种的燃料量为4 9 7 t h ；入炉煤粒度小于7 m m 。锅炉石灰石耗量为1 1 5 t h 。我们 以该电厂循环流化床锅炉为对象推导出床温被控对象的近似传递函数。 ( 2 ) 床温被控对象的动态特性的求取 循环流化床内主要能量来源于给煤中挥发份燃烧及残碳燃烧放出的能量，则 对于床体内动态能量平衡方程为 f 床体内能量li 由给煤带入f 由次风带if 由循环物料量 l 的时间变化率1l 的物理焓ll 入的物理焓ll 带入的物理焓l 给煤中的碳燃烧 给煤中的挥m m m l + ll + l l 反应放出的热量ll 烧反应放出的热量l l 由排渣带走ll 离开床体的烟气、床料l h l 的物理焓i1 分别带走的物理焓 写成具体的能量平衡表示式为： 二i 协6 c p u t 8 + f s g cp b 1 = f c c q j 。七f d l c p l m + f c c c p u t c n + m c h c u c 加：+ a 2 r r h r f c f c 一巴1 c 月一f1 c p u 等式左边为床体内能量的变化，导数项表示了流化床内大量床料存在导致的 热惯性。它由诸多因素引起，由一次风、燃料以及循环物料送入炉膛带入一部分 能量，同时，从床体进入悬浮段的床料和烟气带走一部分能量，锅炉排渣也将带 西安建筑科技大学硕士论文 走一部分能量。另外床体内的碳和挥发份的燃烧产生大量能量；其中f g - ( m 3 s ) 为离 开流化床床体进入悬浮段的烟气流量，c p a ( k j m 3 ) 为空气的比热，t b ( 。c ) 为床 体中的温度，c p c ( k j k g ) 为煤的比热，c p g ( k j m 3 。) 为烟气的比热，c p u