（控制理论与控制工程专业论文）循环流化床锅炉控制系统的研究与开发.pdf

中南大学硬士论文 摘要 摘要 循环流化床锅炉( 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 ，简称c f b b 或 c f b 锅炉) 作为一种高效、低污染、燃料适应性广、负荷调节性能好 的燃煤技术，在全世界受到广泛重视，成为燃煤锅炉技术的主力军。 以c f b b 为背景研究适用于复杂工业过程的先进控制方法，可以实现 c f b b 实时监控的复杂控制要求，实现这种采用清洁煤燃烧技术的新 型锅炉机组的运行自动化，对于保证热电厂安全经济运行具有十分重 要的意义。 论文以山东某电厂7 5 t h 循环流化床锅炉控制系统为研究对象， 介绍了循环流化床锅炉的主要工艺特点，分析其控制难点，对锅炉燃 烧系统和汽水系统分别进行了分析研究，阐述了汽包水位三冲量调节 和主汽温度等控制思想。针对传统p i d 控制算法主汽温度控制性能不 好的问题，采用基于b p 神经网络的自适应p i d 控制，仿真结果表明 该方法可行有效。在d c s 工程设计中，介绍了系统软硬件组成、系 统功能，并结合上位组态和s a m a 图实现了循环流化床锅炉控制系 统，包括数据采集系统( d a s ) 、模拟量调节系统( m c s ) 等。 系统采用h o n e y w e l lh c 9 0 0 和i n t e l l u t i o ni f i x 作为上下位组 态软件，实践表明开发的循环流化床锅炉控制系统，操作界面美观， 并具有丰富的管理功能，响应速度、控制精度等各项指标均达到生产 要求，试运行期间系统运行稳定，床温控制理想，基本杜绝了结焦事 故。 关键字：循环流化床锅炉，主汽温控制，b p 神经网络，三冲量调节， d c s 中南大学硕士论文a b s l l u 屺t a b s l 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 ) i sb e c o m i n g t h em a i nc o a lc o m b u s t i o nt e c h n i q u ea l lo v e rt h ew o r l df o ri t sa t t r a c t i v e a d v a n t a g e so fh i g hc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , e f f i c i e n ts u l f u rr e m o v a l ，l o w n o xe m i s s i o n f u e lf l e x i b i l i t ya n dg o o dl o a d - f o l l o w i n gc a p a b i l i t y t h e a d v a n c e dc o n t r o l l i n gw a yb a s e do i lc f b bi sf rf o rc o m p l e xi n d u s t r y p r o c e s s 。a n di tc a nm e e tc o m p l e xc o n t r o lb a s e do i lc r b b m e a n w h i l et h e r u n n i n ga u t o m a t i z a t i o ni sb a s e do nn e wa n dc l e a rc o a l ，w h i c hi sv e r y i m p o r t a n tf o r t h ee c o n o m i cs a f e t yo f t h e r m o e l e c t r i c i t yf a c t o r y t h i st h e s i si sb a s e do n7 5 t l lc f b b w h i c hs t a t e di t sm a i nc m r w o r k c h a r a c t e r , a n a l y s i s i n gi t sd i f f i c u l t y , i n v e s t i g a t i n gi t sb o i l e rb u m i n gs y s t e m a n di t sl i q u i ds y s t e m ，a n de x p a t i a t i n gi t si d e o l o g yo fd r u mw a t e rl e v e l t h r e ei m p u l s e sr e g u l a t ea n ds t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 i ta d o p t e s s e l f - a d a p t i n gp i do fb p n na c c o r d i n gt ot h ed i s a d v a n t a g eo ft r a n d i t o n a l p i da r i t h m e t i ci ns t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 a n di t sr e a l l ye 筑c i e n c y i t i n t r o d u c e st h ef o r mo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n ds y s t e mf u n c t i o ni n d c s ，w h i c hm a k e s t h ec b f ft h r o u g hw i t h c o m b i n i n ge p i g y n y c o n f i g u r a t i o na n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a s ) a n dm o d u l a t i o n c o n t r o ls y s t e m ( m c s ) o fs a m a w i t hh o n e y w e l lh c 9 0 0a n di n t e l l u t i o ni f i xc o n f i g u r a t i o n s o r - w a r e ，i th a sd e v e l o p e dt h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e rc o n t r o l s y s t e m t h eo p e r a t i o ni n t e r f a c eo ft h es y s t e mi sb e a u t i f u l a n dt h es y s t e m h a v ep l e n t ym a n a g e m e n tf u n c t i o n s n st a r g e t so fr e s p o n s es p e e da n d c o n t r o la c c u r a c yo ft h es y s t e ma c h i e v et h er e q u e s to ft h ep r o d u c e t h e c f b bc o n t r 0 1s y s t e mh a sw e l lc o n t r o l l e db e dt e m p e r a t u r ea n da l m o s t s t o p sc o k i n gw h i l es y s t e m so p e r a t i n g k e y w o r d 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 ，s t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o l b pn e u r a ln e t w o r k ，t h r e ei m p u l s e sr e g u l a t e ，d c s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果a 尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或者证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于论文使用授权的说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，i p ：学校有权保留学位论文，允 许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其 他手段保存学位论文；学校可以根据国家和湖南省有关部门规定送交学位论文a 作者签名： 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 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，但在其商用化 和大型化的过程中还存在着许多亟待解决的问题。在这些问题中，除了循环流化 床锅炉本体设计和结构本身存在的问题以外，还有如炉膛及返料器的设计、炉衬 的选择、旋风分离器和烟气除尘的效率等【n 。由于循环流化床在动态特性上不同 于煤粉炉或重油炉，造成了实现循环流化床锅炉燃烧过程自动化控制上的困难， 这主要表现在循环流化床锅炉燃烧室内流化床大热容量的热平衡特性随运行工 况的不同而改变。 与一般的工业锅炉相比，循环流化床锅炉结构更加复杂，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，还必须保持一定的料床高度， 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。随着 c f b b 的大型化，也带来了其控制方面的特点和难点，其运行的安全与经济性也 更为重要。大型化使得汽水循环加速，易出现不稳定现象。为了节省人力、提高 劳动生产率、改善劳动条件、提高机组运行的安全性、降低能源的消耗( 或提高 能源利用率) 、减少对环境的污染等等，需要对c f b b 机组过程采用自动控制系 统。在自动控制系统中其控制回路的控制器通常采用常规固定的参数p i 或p i d 控制器。这样在正常稳定的工况下，机组的自动控制系统一般可以投入自动运行。 但c f b b 机组有非线性、时变大滞后、多变量紧密耦合的特点，实际运行中其参 数、运行条件、扰动等发生变化使得系统动态特性较大幅度变化。操作人员就需 要根据自己的经验对控制器的参数进行调整，具有一定的不可靠性 2 1 。采用常规 固定参数p i 或p i d 控制器进行控制的被控系统很难达到最佳的控制效果。有时 还会因为控制不当发生运行事故，无法保证机组长期正常运行。研究结果和运行 实践表明大型c f b b 机组的先进控制是解决机组自动控制难题的有效途径。以 c f b b 为背景研究适用于复杂工业过程的先进控制方法，可以实现c f b b 实时监 控的复杂控制要求，实现这种采用清洁煤燃烧技术的新型锅炉机组的运行自动 化，对于保证热电厂安全经济运行具有十分重要的意义。 到目前为止，还难于建立循环流化床锅炉的精确数学模型，传统的控制方法 和现代控制理论依赖被控对象的数学模型往往不能获得理想的控制效果。探索新 型的简单、适用、高效的控制方法就具有十分重大的理论意义和实用价值。 中南大学硕士论文第一章绪论 1 2 循环流化床锅炉控制任务 循环流化床锅炉自动控制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，同时还要保证锅炉安全经济运行。每台锅炉燃烧过程控制系统 的任务及系统的选择因燃料种类、燃烧设备以及锅炉运行方式不同而有区别【3 】， 燃烧控制系统的任务归纳起来有如下几个方面： ( 1 ) 维持汽压( 如果是l 台锅炉运行，则维持过热器出口汽压；如果是几台 锅炉并列运行，则维持母管汽压稳定) 。汽压的变化表示锅炉的蒸汽产量与负载 耗汽量不相适应，这时必须相应地改变燃料的供应量，以改变锅炉的蒸汽产量。 ( 2 ) 保证锅炉燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量， 使它与燃料相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。到目前为止，锅炉的热效率 尚不能直接测量出来，经常是用一些间接的方法来判断锅炉热效率，而燃烧控制 系统的发展与这一问题的解决方案密切相关。如何提高燃烧的经济性，一直是人 们进行探索的问题。 ( 3 ) 引风量与送风量相配合以保证炉膛压力在某一值( 对于负压炉为1 8 - 4 s p a ) 。炉膛压力的高低，关系着锅炉的安全经济运行。 ( 4 ) 料床温度是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要控制参数，同时 也直接影响着锅炉运行中的脱硫效率及n o x 的产生量。床温度控制在8 5 0 9 5 0 左右，这个温度是实现炉内脱硫的最佳温度，同时n o x 的产生量也比较 小【4 j 。料床温度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。料 床温度过高会使炉内脱硫效率下降，会使n o x 产生量大大增加，同时容易造成 炉膛料床结焦。由此可见，料床温度是极为重要的控制参数。 ( 5 ) 床高控制也与锅炉的安全连续运行密切相关。床高控制也就是控制料床 的料层厚度。料层太厚，会把一次风的“风头”压住，使炉料不能达到完全流化 状态。料层太薄，首先不能满足带负荷的要求，其次会使一次风穿透料层吹灭炉 火。 ( 6 ) - - 级返料回灰量控制。该量控制的好坏将自接影响c f b b 的循环效率， 另外也对料床温度有影响。 ( 7 ) 对于并列运行母管制锅炉，其燃烧控制系统的任务除前述6 项外，还必 须保持各并歹h 运行锅炉的负荷按比例分配。这样，就需要有一个主控制器来完成 负荷分配任务，构成串级控制系统。 ( 8 ) 对于单元制运行锅炉，其产生的蒸汽直接送往汽轮机。这时根据不同的 控制方式，控制任务有所区别( 主要是上述第一项维持负荷的任务) 1 5 1 。 综上所述，在设计分析c f b b 燃烧自动控制系统时，要注意锅炉的运行方式。 例如是母管制还是单元制，带变动负荷还是带固定负荷，滑压运行还是定压运行， 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 采用什么燃料，采用什么给煤设备等等。在不同的情况下，锅炉燃烧过程自动控 制系统将是有所不同的。 1 3 循环流化床锅炉控制策略研究现状 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，但仍存在一些问题。 v o nh i p p e l 和l e i g h t o n l 6 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，从而在p i d 控制 策略中引进程序控制，但效果并不非常理想。 k a y a 7 ，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 y n e t w o r k 9 0 集散 控制系统实现的。该系统重点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得到的传 递函数矩阵，在实际生产应用中，参数整定很麻烦，对工况时变适应性不好。 h e n d e r s o n 和m a n n 羽，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，对解决变量问的耦合问题有一定的作用。 v e n u g o p a l 9 】，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。但是运算比较繁琐，很难保证其实用性。 文献【1 0 】通过改变负荷和炉温，观察负荷与炉温的变化，从而得出负荷与炉 温的密切关系，采用协调控制算法以及参数时变算法，具有一定控制效果，但是 具有抗扰性差，适用对象面窄的缺点。 文献【l l 】针对循环流化床锅炉燃烧系统的多输入多输出、互相耦合并存在较 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 2 j ：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。 有的学者采用分层控制思想【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l a 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 中南大学硕士论文 第章绪论 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 4 】。利用先进的仿真技术研究各 种控制方案的可行性，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 论文的主要内容及安排 论文研究的课题来源于山东某电厂的7 5 t i l 循环流化床锅炉集散控制系统二 期工程，主要研究循环流化床锅炉控制系统设计思想和实施方案。首先分析循环 流化床锅炉工艺特点及控制难点，就对象特性，将循环流化床锅炉控制系统分为 锅炉燃烧和汽水两大系统，并就汽包水位和主汽温度分别阐明了控制思想。然后 提出基于b p 神经网络的自适应p i d 控制算法，通过仿真结果证明基于b p 神经 网络的自适应p i d 控制系统具有快速抑制干扰、跟踪性能好以及较强的自适应能 力和鲁捧性。最后结合实际工程开发了集散控制系统。 本文共分五章。 第一章：综述，循环流化床锅炉控制的任务以及国内外控制策略研究现状。 第二章：介绍循环流化床锅炉工艺特点和控制难点，针对被控对象特性，对 循环流化床锅炉控制系统进行研究与分析，并将系统分为锅炉燃烧 和汽水两大系统，然后重点介绍床温控制、汽包水位控制和主汽温 度控制设计方案。 第三章：提出基于b p 神经网络的自适应p i d 控制系统，仿真效果表明，基 于神经网络的p i d 控制算法的控制精度优于传统的p i d 控制。 第四章：重点讲述循环流化床集散控制系统的工程实现。 第五章：总结与展望。 4 中南大学硕士论文 第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 2 1 循环流化床锅炉工艺简介 循环流化床( c i r c u i t i n gf l u i d i z e x ib e db o i l e r , c f b b ) 燃烧技术是七十年代发 展起来的一种高效、低污染清洁燃烧技术，它具有燃料适用性广、燃烧效率高、 高效脱硫和n o x 排放低等优点【悯，非常适合我国现阶段对节能和环境保护的要 求。循环流化床锅炉是一种用燃用化石燃料来产生蒸汽的一种装置，锅炉的炉膛 在一种特殊的流体动力学状态下运行，燃料在流化状态下燃烧，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旋风分离 器收集以后，反送回床内循环燃烧。流化状态是一个极为复杂的现象，尤其是气 固流态化。固体物料被速度大于单个物料的速度的气体流所流化，以颗粒团的形 式上下流动，产生高度的反混【1 6 】。颗粒团向各个方向运动，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。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。 循环流化床锅炉的燃烧室与常规的煤粉锅炉的炉膛有较大差异，典型的循环 流化床( c f b ) 锅炉主要由布风装置、密相区、稀相区( 悬浮段) 、床内受热面、 气固物料分离装置、固体物料再循环装置( 回料装置) 、尾部受热面等部分组成。 循环流化床锅炉总流程图如图2 - 1 所示： = 授且搀风甚麈 图2 - 1 循环流肫床锅炉工艺流程图 5 中南大学硕士论文第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 ( 1 ) 循环流化床锅炉的布风装置 布风装置由锅炉底部的一次风室、布风板、风帽等组成，它是循环流化床锅 炉的重要组成部分。流化状态的建立、流化质量的好坏、燃烧工况稳定与否都与 布风装置的结构有很大关系，并与一次风量控制的特性也有着密切的关系。 ( 2 ) 循环流化床锅炉的密相区 布风板上方的炉膛空间称为密相区。布置有燃料、石灰石、循环灰进口，底 都设置格栅。一次风从格栅送入，二次风进入炉膛助燃。床料主要在密相区内实 现流态化燃烧。燃料中的大部分热量在密相区内释放。热态条件下的流化风速一 般控制在3 - 4 m s 以上【1 7 】。床温通常控制在8 5 0 。c 9 0 0 范围内。 ，( 3 ) 循环流化床锅炉的稀相区 密相区上方的炉膛空间( 一直到炉顶) 通常称为稀相区( 悬浮段) 。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。一般来 说，悬浮段的烟气流速控制在1 2 m s 较为合适。炉膛出口温度应控制在1 0 0 0 以内。 f 4 ) 循环流化床锅炉的床内受热面 循环流化床锅炉内受热面主要由炉膛内的膜式水冷壁和高低温器组成，该项 目中用到的是屏式过热器，它是循环流化床锅炉吸收热量把水变成蒸汽的主要环 节。锅炉出口的主汽温度应控制在5 4 0 左右( 高温高压锅炉) 。 ( 5 ) 循环流化床锅炉的气固物料分离装置 不同流派的循环流化床锅炉有不同形式的气固物料分离装置。目前国内使用 较多的是高温旋风分离器，悬浮段的高温烟气夹带大量的固体物料( 通常称为床 料) ，经过炉膛顶部的高低温过热器吸收热量后就进入旋风分离器进行气固分离。 分离下来的灼热床料进入旋风分离器下部的固体物料再循环设备( 回料装置) ， 分离出来的烟气由旋风分离器上部进入尾部受热面【1 “。一般来说，高温旋风分离 器内温度应控制在8 0 0 左右。 ( 6 ) 循环流化床锅炉的气固物料再循环设备( 回料装置) 循环流化床锅炉的气固物料再循环设备( 回料装置) 是循环流化床锅炉的关 键设备。不同的锅炉常提供的回料装置各不相同。该项目采用“u ”型阀回料装 置。从高温分离器分离出来的床料( 固态物料) 经过下料管进入u 型阀，床料 被高压空气流化，其作用是将高温旋风分离器分离下来的高温灰，从分离器下部 的低压侧( 一般为负压) 输送到燃烧室下部的高压侧( 一般为正压) ，这里使用的是 u 型阀回送装置。在u 阀的一定位置送入u 阀风，起到回送高温灰的作用。一 般情况下，当u 阀风达到使物料回送的临界流量值时，物料的回送量与u 阀风 量成正比。再返回炉膛内的密相区，形成床料的再循环。通过控制再循环倍率可 6 中南大学硕士论文第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 以较好地控制床温并且提高燃烧效率。 ( 7 ) 循环流化床锅炉的尾部受热面 循环流化床锅炉的尾部受热面主要有省煤器、空气预热器和低温过热器等。 他们主要用于吸收烟气中的热量，使得排烟温度控制在1 2 0 1 5 0 c 左右。 2 2 循环流化床锅炉特点 循环流化床锅炉的燃烧特点是中温燃烧，一般床温控制在8 5 0 左右。送入 布风板下的一次风是被用来流化床粒，而二次风是沿着炉墙从不同高度送入，称 作分级送风，床内惰性热物料在任何时候都占全部床内固体物料的9 7 9 8 ， 床内的含碳量只占1 9 5 2 1 8 蚪9 1 ，因而可以将燃烧温度控制在8 5 0 1 2 9 0 0 范围内而保证稳定和高效的燃烧。 由于床内9 8 以上惰性热物料的巨大热容量以及流态化燃烧过程，使得燃烧 热强度增大，其炉膛截面热强度可达3 8 m w m 2 ，炉膛容积热强度可达1 5 2 m w m 2 ，是煤粉炉的8 l l 倍。 流态化的燃烧是以高扰动、固体粒子强烈混合以及没有固定床面和物料循环 系统为其特征，被烟气携带的床料经气固分离器后，返回床内继续燃烧刚。物料 的这种多次循环和炉膛内固体粒子剧烈碰撞混合，提高了燃烧效率。 循环流化床锅炉的炉内燃烧设备主要由燃烧室、高温气固分离器、细灰返送 装置组成，有的还有外置式换热器。燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底 部和侧部送入。燃料的燃烧主要在炉膛内完成，炉膛四周布置水冷壁，用于吸收 燃烧产生的热量。由气流带出炉膛的固体燃料在气固分离装置中被收集，然后通 过返料装置送回炉膛，重新进行循环。煤粒在循环流化床内燃烧将依次经历如下 过程： ( 1 ) 干燥和加热历时约0 - 3 s ，加热速率可达1 0 0 - 1 0 0 0 m i l l ； ( 2 ) 挥发份析出和燃烧历时约1 0 - 1 5 s ： ( 3 ) 膨胀和一次破碎在挥发份析出过程中发生： “) 焦炭燃烧和二次破碎、磨损这一过程比较复杂。 从燃烧的观点来看，循环流化床锅炉燃烧室内存在三个燃烧区域： ( 1 ) 燃烧室下部燃烧区域( 二次风口以下) ； ( 2 ) 燃烧室上部燃烧区域( 二次风1 ：3 以上) ； ( 3 ) 高温气固分离器。 新鲜的煤粒以及从高温分离器收集的末燃尽的焦炭粒被送人燃烧室下部区 域，该区域的风量约占总风量的4 0 8 0 ，一般处于还原性气氛。燃烧室内布 置有受热面，完成大约5 0 燃料释放热量的传递过程，为防止金属管壁腐蚀，受 7 中南大学硕士论文第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 热面用耐火泥覆盖，燃烧室上部区域由于二次风加入而处于富氧燃烧状态。床料 颗粒在此进行内循环，大部分燃烧发生在该区域。所以，流化床燃烧室既是一个 燃烧设备、热交换设备，也是一个脱硫脱硝装置，集多种功能于一身。流化床燃 烧室是流化床燃烧系统的主体。在高温气固分离器中，氧浓度很低，焦炭粒子停 留时间很短，燃烧份额很小口”。但可燃气体( 挥发成分c o 等) 常常在此区域燃烧。 2 3 循环流化床锅炉控制难点 循环流化床锅炉是近三十年发展起来的新型燃烧技术，我国在该领域的研究 和生产开始于八十年代，锅炉主体的设计制造技术和热工控制策略的制定尚在不 断摸索过程中瞄】。对c f b b 机组的热工控制系统的方案设计不能照搬煤粉炉机 组的工作模式，只有抓住主要矛盾，同时兼顾各个次要矛盾，才能构造出满意的 控制策略。 从循环流化床的工艺特点来看，循环流化床锅炉与普通锅炉一样，具有多参 数、非线性、时变和多变量紧密耦合的特点，但它比普通锅炉具有更多的输入输 出变量，耦合关系更为复杂。循环流化床锅炉的参数耦合关系如2 - 1 表所示。 袁2 - 1 循环流化床个主要参数的耦合关系 由表2 1 可以看出，给煤量同时影响着控制系统的很多重要参数，其中尤其 对主汽压、床温和烟气含氧量影响很明显，当给煤量突然增加会使主汽压和床温 升高而烟气含氧量降低；床温的控制是通过调节一次风来实现的，一次风对燃烧 起着主导作用，它主要是要维系炉内的循环流化、惯性分离器和离心分离器的循 环流化，一次风量的相对稳定对循环流化床的安全稳定运行是至关重要的。但床 温还受给煤量、循环灰量和二次风量等多种因素的影响，所以应控制在一定范围 内，设置死区，允许床温在小偏差范围内稳定运行，波动较大引起超过偏差允许 范围时才调整一次风量。为了保证正常流化，一次风量应有一个设定的下限值。 二次风主要起助燃的作用。通过调整二次风来调节烟气含氧量的大小，来提高循 环流化床的效率，但对主汽压和炉膛负压仍具有较强的影响l 玎j ；循环流化床燃烧 8 中南大学硕士论文 第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 控制的内扰较多，例如给煤量的波动等。给煤量的大小是通过给煤机的转速调节 来控制的，此扰动将会引起流化床床温和主汽压的波动。所以必须在控制系统设 计中克服给煤量变化这一强内扰的影响，才能使床温保持稳定 减温水流量和给水流量与其它变量之间的耦合关系相对较弱，减温水流量的 增减直接影响着过热汽温的升幅，而给水流量也基本只与汽包水位相关，因此可 独立自成系统，构成汽水系统。故此，循环流化床锅炉控制可分为燃烧控制系统 和汽水系统两大系统。 2 4 循环流化床锅炉控制方案设计思想 燃烧控制系统分为六个子系统：床温控制系统、床压控制系统、炉膛压力控 制系统、风量控制系统、燃料控制系统和石灰石给料控制系统等。汽水系统分为 三个子系统：汽包水位调节系统、主蒸汽温度调节系统和主汽压力调节系统。 ( 1 ) 床温控制 床温是c f b 锅炉运行状态的重要表征参数，也是较难控制的参数之一。这是 因为床温是燃料燃烧发热和床料放热综合作用的结果，而影响燃料发热和床料放 热的因素很多，如燃料热值、粒度尺寸、物料流速、物料浓度、风量及风温、以 及吸热工质参数等例。可通过调节燃料量、风量、飞灰物料循环等使床温稳定， 选择不同的操作而构成不同的料床温度控制策略。 现有的控制方案中通常是以调整给煤量和一、二次风配比来控制床温，但凡 是影响负荷变化的因素也会对床温产生作用。不论采用何种操作变量，调节该变 量都既会影响床温，又同时影响负荷，它们之间存在着严重的耦合瞄】。因此床温 控制系统不仅要使床温维持在一定的范围内，还要保证调节床温时不至于影响负 荷。由流化床锅炉大小以及现场操作要求可分为以负荷调节为主和以床温调节为 主两种调节方式。 1 ) 以负荷调节为主 以负荷调节为主时采用负荷给煤调节系统，即调节给煤量以满足负荷需 求，而将由给煤量引起的床温变化由一次风量的控制作为床温的校正控制。由于 引起床温变化的参数比较多，而这些参数间又相互关联、相互制约和影响，因此 以负荷调节为主时，应尽量利用c f b 锅炉的分级燃烧特性和合理的风煤比将床 温维持在要求的范围内。床温的控制采用分级控制的方法，即当床温的变化不明 显影响锅炉的脱硫、脱氮效率时，不采用任何调节措施：当床温过高时则将一次 风量增大，给煤量可在运行中根据不同的工况进行调节和设置；但当床温超高时 ( 如大于9 5 0 ) ，则将一次风、给煤量调节应全部切为手动。 2 ) 以床温调节为主 9 中南大学硕士论文 第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 当现场操作要求以床温调节为主时，给煤调节器的输入信号不再来自负荷调 节器或主控调节器，而应采用床温调节器的输出，组成床温一给煤量串级调节系 统。此时给煤量调节的主要目的是维持床温，以保证c f b 锅炉的安全、稳定、 连续运行。床温的控制主要通过调节给煤量来实现。同时为了避免床温调节器的 频繁动作，床温调节器也采用非线性调节。正常生产时当炉膛温度变化不大时， 炉膛温度偏差不参与给煤量调节；当炉膛温度偏差比较大时，就需要炉膛温度偏 差参与给煤调节；在超过炉膛温度上限时停止给煤，在炉膛温度低于下限时启动 另一台给煤机；若炉膛温度继续下降，当低于下下限时，系统产生报警并提示操 作员停炉。以床温调节为主时，床温一燃料量串级控制系统如图2 2 所示： 蒸汽流量 图2 - 2 床温一燃料量串级控制系统 该系统中主控参数为床层温度，副控参数为燃料量，蒸汽流量作为前馈信号 引入。若燃料品质发生变化，床温控制器动作调节燃料量。燃料调节器接受的信 号比风量调节器弱，这样可基本保证在调节床温时，不至于影响负荷。通过这种 调节方式可以基本解决床温和负荷之间的耦合问题，并且对进入副环的扰动一一 燃烧量和空气量有较快的克服作用。 ( 2 ) 床压控制( 料层高度控制) 循环流化床锅炉炉膛中没有明显的料层界面，但有密相区和稀相区之分，料 层厚度是指密相区内相对稳定时料层的厚度。料层的厚度直接影响到炉膛内部的 流化状态、床温和传热效率。 在运行中，床料存量必须控制在一定范围之内若床料存量小则料层太薄， 一方面炉膛内传热强度低，限制锅炉出力，负荷可能带不上去，对锅炉稳定运行 不利；另一方面会造成排渣中可燃物含量过高，造成燃料浪费。若床料存量大， 则料层太厚，布风板阻力增大，会导致风机电耗过大，并可能造成风道和风室的 振动。所以，为保证锅炉稳定和经济运行，一定的锅炉负荷需要保持一个适当的 床层厚度。 床层厚度的测量有两种方式：一种是测量床层差压，另一种是测量床压1 2 6 1 。 床层差压测量方式受到底部风室压力影响较小，床压( 绝对值) 测量方式受到底部 风室压力的影响较大，此时应考虑床层厚度在这一影响下能够适用的偏离程度， l o 中南大学硕士论文第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 当底部风室压力大幅度变化时则不能再简单以床压( 绝对值) 作为床层厚度的表 征值。 而床压的控制一般是通过排渣量的调节来实现的。床层厚度控制系统的任务 就是通过调节排渣量来维持床层差压或床压在锅炉负荷要求的适当值【2 7 1 。床层厚 度调节器的测量值与根据锅炉负荷确定的设定值比较后经过p i d 调节器运算，其 输出控制排渣执行机构调节底渣的排放量。 ( 3 ) 炉膛压力控制 炉膛压力调节的目的是保持炉膛压力为一定的负压。c f b 锅炉的炉膛负压控 制也是通过调节引风机挡板来实现的。但是，c f b 锅炉炉膛负压的调节特点与普 通的煤粉锅炉略有不同。进入烟道的烟气顺序经过过热器、省煤器、空气预热器 等受热面，然后进入电除尘器后经引风机抽至烟囱排走 2 8 1 。炉膛下部分床面附近 是微正压，在低负荷时炉膛负压点较低，高负荷时负压点升高。也就是说炉膛负 压取样点的控制参数是锅炉负荷的参数。一、二次风量之和作为负压调节回路的 前馈信号，当锅炉负荷变化时，一、二次风量相应变化，预先动作引风机调节挡 板。 ( 4 ) 风量控制 一次风用于流化床料，并为燃料的燃烧提供初始燃烧所需要的氧气。根据总 风量指令分配的一次风量( 床下配风) 指令，经床温控制校正信号的修正，与最小 一次风量设定值取最大值，作为一次风量的给定值【2 9 】。通过p i d 调节回路，控制 一次风挡板开度，确保一次风量在不低于安全流化风量的前提下，满足锅炉负荷 及床温调整的要求。一次风压力需要与锅炉负荷保持一定的对应关系，通过调节 一次风机入口挡板开度或一次风机转速使其满足锅炉运行要求。 二次风为床科提供燃尽风，主要承担调节烟气含氧量的任务，从不同高度送 入还可均衡各段床温。根据总风量指令分配的二次风量( 床上配风) 指令，经烟气 含氧量修正和床温控制校正信号修正，作为二次风量的给定值。通过p i d 调节回 路，控制相应的二次风挡板开度使二次风量满足运行要求。 ( 5 ) 燃料控制系统 锅炉的给煤量主要受到负荷指令和风一煤交叉连锁信号的控$ i i e 3 0 i 。给煤量指 令由锅炉负荷指令与实际进入锅炉的总风量取小值，也就是说，首先根据负荷指 令计算出要求的燃料量，然后根据风一煤比要求，从实际风量计算出允许的最大 燃料量，两者取小值。再经过床温控制校正信号修正后获得。锅炉燃料量指令作 为燃料主控制器的给定值，所有输入锅炉的燃煤量测量值的总和经过发热量补偿 运算后所得值，与燃油折算煤量之和作为反馈值，燃料主控p i d 输出值经过分配 后调整各个给煤机的出力，保证总热量输入满足锅炉负荷及床温调整的要求，同 中南大学硕士论文 第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 时也保证了动态过程中先加风后加煤，先减煤后减风。这和常规煤粉炉的控制机 理是一样的。 ( 6 ) 石灰石给料控制 调节石灰石量的目的是满足锅炉s 0 。排放量的要求【3 “。当s 0 2 变化时，调节 石灰石旋转给煤机的转速，使进入炉膛的石灰石量相应变化，从而改变石灰石量 来保证烟气中s 0 2 排放达到环保要求。 2 4 1 汽包水位系统方案设计 锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包 中水位在工艺规定的范围。汽包水位调节很重要。汽包水位过高，会影响汽水分 离效果，使蒸汽带液，损坏汽轮机叶片；汽包水位过低，则会损坏锅炉，甚至引 起爆炸。 1 、汽包水位特性分析 影响锅炉汽包水位的因素很多，汽包水位不仅受到给水量( 锅炉的输入量) 和 蒸汽量( 输出量) 之间平衡关系的影响。同时还受到汽水循环管路中汽水混合物内 汽水容积变化的影响。因为锅炉汽包中的水位h 值不仅反映了汽包( 包括水循环 的管路) 中的蓄水容积，也反映了水面下汽泡的容积。水面下汽泡的容积又和锅 炉的负荷和蒸汽压力有关系。所以影响锅炉汽包水位变化的因素是很多的，概括 起来有四个主要方面： ( 1 ) 给水方面的扰动，包括母管压力的变化和给水调节阀开度的变化； ( 2 ) 蒸汽负荷的变化； ( 3 ) 燃料量的变化，还包括影响燃料发热量变化的种种因素； ( 4 ) 汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统的 “自凝结”和“自蒸发”过程起作用的。 在蒸汽发生过程中，汽包内部可以看成由蒸汽空间的蒸汽容积，蒸发面以下 的汽水容积，即蒸汽容积和水容积，三部分组成。根据物料平衡和热平衡的关系， 考虑到由于燃料量对汽包水位的影响有较大的传送滞后和容量滞后，影响十分缓 慢，可以忽略不计。对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化所起的，因此， 压力的变化可以归并到蒸汽负荷中去，所以，压力的变化对汽包水位的影响也可 以忽略不计。这样，汽包水位调节对象的动态特性方程式，经过推导和化简可以 写成： 五五万d 2 h + 五警= 田鲁+ 墨) 一( 警+ k o u a ) ( 2 1 ) h 汽包水位的高度，t o n i ； 中南大学硕士论文 第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 弓一给水流量项的时阅常数，s ： 毛一蒸汽流量项的时间常数，s ； k ，给水流量项的放大倍数； 置。一蒸汽流量项的放大倍数； d 一一锅炉蒸汽流量，磁，s ； w - 锅炉给水流量，k ，s ； d形 u d2 正。2 正 t i ，t 2 时间常数 2 、汽包水位调节对象的干扰分析 汽包水位不仅受汽包( 包括循环水管) 中储水量的影响，也受水位下汽泡容积 的影响。而水位下气泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关3 2 i 。因 此，影响水位变化的因素很多，其中主要是蒸汽流量d ( 蒸汽蒸发量) 和给水量w 。 下面着重讨论在给水流量和蒸汽流量扰动下的水位过程的动态特性。 ( 1 ) 给水扰动下的动态特性 如图所示是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给水看作是单 容量无白衡过程，水位阶跃响应曲线如图2 3 所示。 h 田2 - 3 给水流量耽跃变化下水位响应曲线 但是，由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原 有饱和水中吸取部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少。当水位下气泡容积 的变化逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上 升。最后，当水位下气泡容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的 增加而逐渐上升。因此，实际水位曲线如图中h 线，即当给水量阶跃变化后， 中南大学硕士论文 第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 汽包水位开始不会立即增加，而要呈现一段起始惯性段。用传递函数来描述时， 它近似于一个积分环节和一个惯性环节的串联，可表示为： 器= 上s ( t 2 s + 1 ) ( 2 - 2 ) ( s ) e 一响应速度，即给水量变化单位流量时，水位的变化速度( m m s ) ( e h ) 。 它与锅炉的蒸发量和汽包水位有关。例如锅炉的水位量程为1 0 0 r a m ，水位 的反应速度为0 0 1 m m s * t h ，这就表示，锅炉在满负荷运行时，如果突然停止给 水，则由于出汽与供水的不平衡，水位将不断下降。在i 0 0 1 = 1 0 0s 内，水位将 下降1 0 0 m m ，如果给水量减少了1 0 ( 4 t h ) ，则1 0 0 s 内水位将下降1 0 m m 。 ( 2 ) 蒸汽扰动下的动态特性 现假设给水流量不变，蒸汽流量发生阶跃变化，此时汽包水位的动态特征如 图，可以用两个动态环节的并联来等效： 嘭( 加杀+ 志 ( 2 - 3 ) h o h 2 厂 入。 h 。7 图2 - 4 蒸汽流量阶跃变化下水位响应曲线 由图2 - 4 中可以看出，汽包水位在蒸汽扰动下的动态特征曲线h 由h 1 和h 2 叠加而成，h l 相当于式中的1 t a s 一项，是直线下降的。但实际的响应曲线h 是先上升后下降，这是由于随着负荷的增加，汽包压力减少，沸腾突然加剧，蒸 发受热面下的气泡体积急剧增加( 如图中曲线h 2 所示) ，导致响应曲线与实际水 位出现相反的趋势，这种现象称为“虚假水位”。假水位变化大小与锅炉的工作 压力和蒸发量有关。当负荷突然变化1 0 时，假水位可达3 0 - 4 0 r a m 。当汽泡容 积和负荷相适应时，h 2 趋于平稳，实际响应曲线和h 1 的变化趋势相同，这时 它才反映出给水与蒸汽流量的不平衡。当负荷阶跃变化时，蒸发受热面下的汽泡 容积变化是非常快的，如果要求水位波动不能太大，应该限制负荷的变化速度。 ( 3 ) 汽包水位控制 1 4 中南大学硕士论文 第二章循环流化床锅炉工艺特点及设计方案 汽包水位的自动调节系统在稳定的工况下一般可以投入自动，但在系统动态 特性大幅度变化的情况下，仍然常常需要操作者的手动控制，这是鉴于系统本身 存在着诸多复杂扰动因素。 1 1 来自给水管道和给水泵的扰动，导致给水压力和调节阀开度不断变化。 汽轮发电机功率变化，导致蒸汽管道压力和调汽阀开度不断变化。 3 1 由于煤种和煤质的不确定性而导致热负荷的不确定性变化田j 。 以上三种因素都不同程度地导致“虚假水位”现象的存在，尤其是系统在低 负荷情况下出现不同程度的时滞及最小相位问题。若采用单一的水位反馈控制或 能够反映动态特性的p i d 三冲量给水控制系统，由于锅炉水位控制系统的动态特 性不断变化，采用各种校正措施会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误 差，在现场工况变化后很难适应