（控制理论与控制工程专业论文）模糊神经网络在循环流化床中的应用.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 床温和主汽压力是循环流化床锅炉燃烧控制系统中的两个重要参数，维 持正常的床温和主汽压力是循环流化床锅炉稳定、经济运行的关键。本文在 分析了循环流化床燃烧系统动态特性的基础上，选取了描述4 4 0 t h 循环流 化床锅炉床温和主汽压力动态特性的数学模型。设计了模糊神经网络控制 器，并分别运用遗传算法和粒子群算法对控制器的参数进行离线优化，采用 误差反馈传递算法进行在线调整。通过计算机仿真，从控制效果来看，达到 了比较令人满意的效果，模糊神经网络控制在控制的快速性和稳定性等方面 均比常规的p i d 控制要好。 关键词：循环流化床锅炉，模糊神经网络控制，遗传算法，粒子群算法 a b s t r a c t b e dt e m p e r a t u r ea n dm a i n s t r e a mp r e s s u r ea r e i m p o r t a n tp a r a m e t e ro f c i r c u l a t i n gf i u i d i z e db e db o i l e r ( c f b b ) c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m t om a i n t a i n t h e mn o r m a li sk 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 b a s e do nt h e d y n a m i cc h a r a c t e ra n a l y s i so fc f b bc o m b u s t i o ns y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l d e s c r i b i n g t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fb e dt e m p e r a t u r ea n dm a i n s t r e a m p r e s s u r eo f4 4 0 t hc f b bi sp r o p o s e di nt h i st h e s i s af u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dt h ep a r a m e t e r so ft h ef u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e ra r ed e c i d e do f f - l i n ef i r s t l yb yg e n e t i ca l g o r i t h ma n dp a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ，a d j u s t e do n l i n eb yu s eo fb pa l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e s a r i s f a c t o r yi nc a s eo fc o n t r o le f f e c t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o lq u a l i t y , t h es p e e d i n e s s ，t h er o b u s t n e s sa n dt h ea b i l i t yo fa n t i d i s t u r b a n c eo ff u z z yn e u r a l n e t w o r kc o n t r o ls y s t e ma r ea l ls u p e r i o rt ot h eg e n e r a lp i dc o n t r o ls y s t e m c h a n gl i l i ( 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 yp r o lj i nw e i g a n g 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 db e db o i l e r , f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l g e n e t i ca l g o r i t h m ，p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n 华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 床温和主汽压力是循环流化床锅炉燃烧控制系统中的两个重要参数，维 持正常的床温和主汽压力是循环流化床锅炉稳定、经济运行的关键。本文在 分析了循环流化床燃烧系统动态特性的基础上，选取了描述4 4 0 t h 循环流 化床锅炉床温和主汽压力动态特性的数学模型。设计了模糊神经网络控制 器，并分别运用遗传算法和粒子群算法对控制器的参数进行离线优化，采用 误差反馈传递算法进行在线调整。通过计算机仿真，从控制效果来看，达到 了比较令人满意的效果，模糊神经网络控制在控制的快速性和稳定性等方面 均比常规的p i d 控制要好。 关键词：循环流化床锅炉，模糊神经网络控制，遗传算法，粒子群算法 a b s t r a c t b e dt e m p e r a t u r ea n dm a i n s t r e a mp r e s s u r ea r e i m p o r t a n tp a r a m e t e ro f c i r c u l a t i n gf i u i d i z e db e db o i l e r ( c f b b ) c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m t om a i n t a i n t h e mn o r m a li sk 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 b a s e do nt h e d y n a m i cc h a r a c t e ra n a l y s i so fc f b bc o m b u s t i o ns y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l d e s c r i b i n g t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fb e dt e m p e r a t u r ea n dm a i n s t r e a m p r e s s u r eo f4 4 0 t hc f b bi sp r o p o s e di nt h i st h e s i s af u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dt h ep a r a m e t e r so ft h ef u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e ra r ed e c i d e do f f - l i n ef i r s t l yb yg e n e t i ca l g o r i t h ma n dp a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ，a d j u s t e do n l i n eb yu s eo fb pa l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e s a t i s f a c t o r yi nc a s eo fc o n t r o le f f e c t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o lq u a l i t y , t h es p e e d i n e s s ，t h er o b u s t n e s sa n dt h ea b i l i t yo fa n t i d i s t u r b a n c eo ff u z z yn e u r a l n e t w o r kc o n t r o ls y s t e ma r ea l ls u p e r i o rt ot h eg e n e r a lp i dc o n t r o ls y s t e m c h a n gl i l i ( 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 yp r o lj i nw e i g a n g 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 db e db o i l e r , f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l g e n e t i ca l g o r i t h m ，p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n 声明 y8 6 8 2 7 9 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文模糊神经网络在循环流化床中 的应用，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：壹堑氢日期： 迦! z ：! ：竺 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：剑 日期：坦! ：! ： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 中国的火电机组以燃煤为主，在电力发展的同时，对环境的污染也日益严重， 已成为电力工业可持续发展的制约因素之一。为此，电力工业已把发展大容量、高 效低污染的常规火电机组，积极开发洁净煤发电新技术，解决提高燃煤发电机组的 效率和改善环境污染两大关键问题作为今后的发展重点之一。 循环流化床( c f b ) 被公认为一种最具发展前景的“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，因此在短短的3 0 年阃，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， 目前国内最大容量循环流化床机组是江话分宜发电有限公司的3 0 0 m wc f b 。 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 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；床温过低刚易引起炉膛灭火， 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。 从前人的研究结果来看，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。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 华北电力人学硕士学位论文 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。 模糊控制器采用模糊推理规则，以模仿人在不确定性环境下的决策行为，但要从经 验中自动产生规则，并修改其控制策略的自学习功能较为薄弱。神经网络的引入为 模糊控制器提供了一种良好的学习功能，为模糊控制系统增强学习功能，给深入研 究和广泛应用提供了极大可能性。 1 2 国内外研究动态 第一台成功运行的流化床是德国人温克勒( f r i zw i n k l e r ) 于1 9 2 1 年1 2 月发明 的，他将燃烧产生的烟气引入一装有焦炭颗粒的炉室的底部，然后观察到了固体 颗粒因受气体的阻力而被提升，整个颗粒系统看起来就像沸腾的液体。温克勒所发 明的流化床使用粗颗粒床料。 快速流化床则是由麻省理工学院的刘易斯( w a r r e nk l e w i s ) 和吉里兰( e d w i n r g i l l i l a n d ) 在1 9 3 8 年1 2 月最早发明的。当时他们正在为流化床催化裂化过程 ( f c c ) 设想一种合适的气固接触工艺，当气流以3 m s 的速度自下而上通过装有f c c 颗粒( 平均粒径约为5 5 um ) 的容器对，发现了细颗粒的聚集以及较高的气固相对速 度。然而，当时人们并没有认识到这种现象的本质及其重要性。4 0 年代中期，由美 国新泽西标准石油公司( s t a n d a r do i lo fn e wj e r s e y ) 和m w k e l l o g g 公司领导 的一个集团投资建造了一个快速流化床催化裂化示范装置，该装置的设计采用了刘 易斯和吉里兰所得到的数据，但由于粉尘捕集、催化剂循环及催化剂活性等问题， 该示范装置性能不佳。此后一直到5 0 年代末期，鼓泡流化床一直占主要地位，鼓 泡流态化几乎成了气固流态化的同义词。 循环流化床真正成为具有工业实用价值的新技术是在五六十年代。5 0 年代， m w k e l l o g 公司发展并在南非的萨尔伯格( s a s o l b u r g ) 建造运行了s a s o 费托反应 器；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 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 1 年，r e h 提出了一个循环流化床的 流态图，并描述了循环流态化的基本特征。1 9 7 6 年，y e r u s h a l m i 等首次提出了快 速流态化的概念，从而引起了人们对循环流化床技术研究的日益重视，并从8 0 年 代开始形成了一个循环流化床基础研究的高峰期。 我国对循环流化床的研究是从5 0 年代末在中科院化学冶金研究所开始的，此 后，特别是8 0 年代以来，国内各主要高等院校和一些研究所也相继开始循环流化 床的研究开发工作。 目前，循环流化床已被广泛地应用于石油、化工、冶金、能源、环保等工业领 域中的气相加工和固相加工过程。 2 华北电力人学硕士学位论文 1 2 1 国外循环流化床锅炉发展概况 循环流化床锅炉发展到现在已有许多不同的流派和型式，其中较有代表性的是 芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司的p y r o f l o w 循环流化床锅炉、德国鲁奇( l u r g i ) 公司的 循环流化床锅炉、美国巴特利( b a t t e l l e ) 的多固体循环流化床锅炉及德国b a b c o c k 公司的c i r c o f t u i d 循环流化床锅炉等，以下分别加以简要介绍”1 。 1 奥斯龙公司的p y r o f l o w 循环流化床锅炉 芬兰的奥斯龙公司对于循环流化床锅炉的开发是从6 0 年代末期对鼓泡流化床 锅炉的发展而开始的。为了提高燃烧效率，奥斯龙公司对运行风速为3 m s 的鼓泡 流化床采用高温旋风分离器来实现细粉的再循环进行了试验，结果表明燃烧效率得 到提高。随后，奥斯龙公司在芬兰建造了第一台商用循环流化床锅炉，该锅炉的热 功率为1 5 m w ，由燃油锅炉改造而成，燃料也由油改为泥煤。目前，奥斯龙公司以及 所属的各子公司已大量生产商用循环流化床锅炉，并把所制造的锅炉定名为 p y r o f l o w 循环流化床锅炉。 p y r o f l o w 循环流化床锅炉一、二次风各占5 0 ，二次风可分二个或三个不同 高度供入，少量高压气供入返料机构以保证正常运行，对流受热藤的设计与常规锅 炉相同。在循环流化床底部装有底部除灰装景以平衡床料和除去大颗粒。 p y r o f l o w 循环流化床锅炉的床料一般采用天然砂子、石灰石等，在启动时应有 足够量的床料。燃用生物质燃料时需补充床料，床料粒度一般为0 2 - 0 3 m m 。 p y r o f l o w 循环流化床可以燃用的燃料种类极广：高品位燃料，如烟煤；低品位 燃料，如泥煤、树皮和锯末等：高灰分或低挥发分燃料，如褐煤、无烟煤、石墨、 油页岩；特殊燃料，如造纸废液等。虽然p y r o f l o w 循环流化床锅炉燃料适应性 较广，但当燃料特性变化太大时，燃料最佳粒度、燃烧室和运行参数也应作适当变 化。如对于普通煤种，最大尺寸一般为l o 一2 0 m m ；对于高灰分燃料，最大尺寸一般 为2 - 1 2 m m ；对于生物质燃料，最大尺寸可为3 0 5 0 r a m 。 p y r o f l o w 循环流化床锅炉的特点是无外置换热器，固体物料循环回路中的吸热 靠膜式水冷壁和分隔墙受热面来保证。因为物料循环量很大，故气固两相中固体颗 粒浓度很大且热容量也很大，在床层中气固多相流在上升过程中以很高的传热强度 传热给床内受热面，同时温降不大，这样可保证整个炉内温度基本上都在8 5 0 左 右，以达到最佳的脱硫效果。其运行风速一般为5 一l o m s ，脱硫剂的平均粒度为 1 0 0 3 0 0 p m ，它的一次风、二次风和回送装置用的流化空气压力分别为1 4 7 k p a 、 8 8 2 k p a 和3 9 2 k p a ，一次风约占总风量的5 0 左右。 2 鲁奇公司的循环流化床锅炉 鲁奇公司主要是生产化工设备的公司，从5 0 年代开始已生产了3 0 多台流化床 华北电力火学硕士学位论文 锅炉和焙烧炉，6 0 年代鲁奇公司已制造了3 0 台循环流化床焙烧炉，从7 0 年代起研 制循环流化床锅炉。目前主要与其他锅炉公司一起合作生产循环流化床锅炉。 鲁奇公司的循环流化床炉型与p y r o f l o w 循环床最主要的区别是设置了流化床 外置换热器，分离器捕集的固体颗粒可以直接返回燃烧室或进入外置换热器后再返 回燃烧室，通过调节进入这个换热器的物料且来调节床温。 鲁奇循环流化床锅炉典型的燃料颗粒尺寸为o - 7 m m 左右，脱硫用石灰石的粒径 为1 0 0 2 0 0 ui l l ，床料的平均粒径约为5 0 3 0 0 pm 。 鲁奇循环流化床锅炉燃用高灰、高硫煤时，床温一般控制在9 0 0 。c ，以利于炭 燃尽；燃用低灰煤时，床温控制在8 5 0 c ，以提高石灰石的利用率。鲁奇循环流化 床锅炉能够燃用多种不同的燃料，当燃料性质变化过大时，可改变下述参数：燃 烧室温度和过剩空气量；空气和烟气流量等。该类型锅炉的控制由改变下列参数 达到：锅炉负荷通过调节外置换热器的固体颗粒流量来达到；n o x 排放量通过 调节一、二次风比例达到。 鲁奇循环流化床设置了流化床外置换热器，该公司认为具有三个优点：床温 控制仅需调节进入流化床换热器与直接返回燃烧室的固体物料比例即可，比较灵 活，无需改变循环倍率等其他因素；将燃烧与传热基本分离，可使二者均达到最 佳状态：将再热器或过热器布置在流化床外置换热器中，调节汽温非常灵活，甚 至无需喷水调节，但该方案的缺点是增加了设备及运行复杂性。 3 巴特利的多固体循环流化床锅炉 多固体循环流化床是美国巴特利实验室在7 0 年代发展起来的，s t o k e r 公司利 用该技术制造此型的锅炉。 该类型循环流化床锅炉结构基本上与鲁奇公司的循环流化床锅炉相似。主要的 区别在于流化床外置换热器和床料。该类型的流化床外置换热器同样是一个不燃烧 的微流化鼓泡床，流化风速约为0 5 m s ，但将换热器分为热段和冷段两部分，返 回的物料全部进入换热器，利用调节热段、冷段物料的比例来调节床温，流化床外 置换热器的空气亦进入燃烧室作为二次风，返料温度为6 0 0 6 5 0 c 。 第二个主要的区别是燃烧室内使用了高密度床料织成的密相床，如使用铁矿砂 等，使燃料颗粒尺寸范围很宽，可达o - 2 5 m m 。床内物料的平均粒径为0 1 3 0 4 m m a 此外，多固体循环流化床锅炉的运行风速也很高。 4 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 德同b a b c o c k 公司推出了自己研制的c i r c o f l u i d 循环流化床方案，目的是发 挥循环流化床锅炉燃烧效率高和燃料适应性广的优点，同时避免采用结构复杂、能 耗较大的高温旋风分离器，并克服床内流速较高而引起磨损及能耗大的缺点。 4 华北电力大学硕士学位论文 c i r c o f l u i d 循环流化床锅炉的特点是炉子的下部呈湍流流化床，其中不布置埋 管受热面，但在二次风口以上布置了屏式过热器、管式过热器、蒸发受热面和省煤 器。 燃烧室密相区床温为8 5 0 c ，而炉膛出口烟温降至4 0 04 c ，烟气在4 0 0 下进入 旋风分离器，这样分离器可采用钢结构。燃烧空气分一、二次风送入，一次风率为 6 0 ，流化风速为4 5 m s ：二次风在密相床上部分两层送入，第一层满足理论空 气量的要求，第二层使过剩空气量达2 0 ，以促使c o 燃尽，悬浮段中气流速度为 3 - 4 m s ，以保证颗粒有足够长的停留时间，循环倍率可以取1 0 一1 5 。 s t u d s v i k 公司认为其循环流化床锅炉有下列先进性：出于不采用高温旋风分 离器，则不需要很厚的保温层，分离器四周可布置受热面。使设备更加紧凑，且启 动时间大大缩短；由于床内存料量可以控制，故可燃用多种燃料：因采用独创 的分离器使锅炉受热面基本上保持传统的紧凑布置方案，有利于大型化。 循环流化床锅炉的其他主要制造商还有美国的f o s t e rw h e e l e r ，t a m p c l l a p o w e r ，c o m b u s i o np o w e r ，德国的s t e i n m u l l e r ，法国的s t e i ni n d u s t r i e ，日本 的m i t s u i 等。 1 2 2 国内循环流化床技术的发展 中国是开发流化床燃烧技术较早的国家。早在6 0 年代，我国就开始发展鼓泡( 流 化) 床技术。循环流化床锅炉技术的研究开始于8 0 年代初，第一届全国循环流化床 技术研讨会后，全国各主要大学和科研院所全面开展了c f b 技术的研究工作。从1 9 8 9 年底开始，第一批循环流化床锅炉陆续在中小型电站投入运行；1 9 8 9 年1 1 月在山 东明水电厂投运的首台3 5 t h c f b 锅炉，系中科院工程热物理所与济南锅炉厂联合 开发；1 9 9 0 年，四川和内蒙古包头分别投运了一台3 5 t h c f b ；西安交通大学和东 方锅炉厂开发的2 0 t h c f b 采取了塔式布置、中温分离，在四川永荣矿务局投运； 西安交通大学和哈尔滨锅炉厂开发的3 5 t h c f b 于1 9 9 3 年在陕西自水陕西兴能有限 公司电厂投运，该锅炉采取了大型锅炉的设计思想。西北电力建设集团公司和设计 者在机组启动调试过程中，较好地解决影响运行的问题，使机组达到了设计要求和 电力生产要求，对国内c f b 的发展产生了积极影响。清华大学和四川锅炉厂开发的 水冷异形分离结构的7 5 t hc f b 在国内引入方形分离概念，西北电力建设集团公司 和设计者在安装中进行了一系列优化，1 9 9 6 年4 月投产后运行的成功经验使该型设 计在国内发展很快。哈尔滨锅炉厂引进技术生产的两台2 2 0 t hc f b1 号机组于1 9 9 4 年1 0 月在大化热电厂投运；东方锅炉厂引进技术生产的2 台2 2 0 t hc f b1 号机组 于1 9 9 7 年在宁波中华纸业投运，机组自动化水平高，西北电力建设集团公司参加 工程的建设管理和技术服务工作；1 9 9 7 年1 0 月，哈尔滨锅炉厂生产并在杭州协联 华北电力大学硕士学位论文 热电投运了一台2 2 0 t hc f b ：1 9 9 6 年，中国南京镇江一家独资企业c m i e c 引进投 产了4 1 0 t h 循环流化床锅炉：1 9 9 5 年在内江投运的4 1 0 t hc f b 电站锅炉标志着中 国电力生产的主体接受并介入c f b 技术；东方锅炉厂生产的3 台5 0 m w2 2 0 t h 流化 床电站锅炉在巴基斯坦拉克拉投入运行，对国内循环流化床技术的发展具有积极意 义；拉克拉电站应用了东方锅炉厂生产的首批3 台5 0 m w2 2 0 t h 流化床锅炉于8 0 年代末开始建设。该工程出东方公司总包，历时8 年，1 9 9 5 年建成投产。 目前，我国循环流化床锅炉数量和单台容量逐年增加。“。已经开发3 5 4 6 5t h 系列化循环流化床锅炉，建立了世界首台1 3 5m w 再热循环流化床锅炉电厂仿真机”1 ， 技术水平世界领先。与此同时，建立了循环流化床锅炉设计理论体系，并形成了符 合中国实际情况的设计导则和热力计算方法，已经出口到国外，打破了多年来我国 一直依赖进口循环流化床技术的局面。鉴于我国在循环流化床锅炉研究开发中的成 就，a b b 、e d f 、i h i 等一些著名的国际公司与我们合作研究一些循环流化床燃烧技 术难题。 国内已经基本掌握2 0 0m w 以下循环流化床锅炉技术，进入了推广阶段。国产 化6 7 0t h 锅炉( 2 0 0m w ) 己经实施”1 。 我国曾多次引进国外循环流化床锅炉技术，并数次购买国外循环流化床锅炉产 品，推动了中国循环流化床锅炉技术的发展。国内三家大型锅炉厂先后引进了美国 f w 公司5 0 1 0 0m w 汽冷旋风筒循环流化床锅炉技术、德国e v t1 5 0m w 以下容 量再热循环流化床锅炉技术和前a b b - c e 的再热循环流化床锅炉技术。目前国家发 改委组织引进了阿尔斯通3 0 0m w 循环流化床锅炉技术“7 。国内的循环流化床技 术发展，在消化引进国外循环流化床技术和研制开发自主知识产权的大型循环流化 床锅炉制造技术并重的基础上，一方面消化完善引进国外循环流化床技术，使之完 全适应我国的国情；另一方面在消化的基础上找到突破口，结合自己开发工作的成 果和经验予以创新，形成自己的专利技术，将大大推动中国的循环流化床技术发展。 1 3 循环流化床锅炉的控制研究 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控制系统的自动 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。 k a y a ( 1 9 8 9 ) 9 】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、污染控制( s 0 2 ) 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( 采用极点配爱控制 6 华北电力大学硕士学位论文 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 ) t t o 针对循环 流化床锅炉燃烧系统的多输入多输出、存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。章素华( 1 9 9 3 ) 】采用了与常规锅炉控制系统类似的以p i d 为主 体的控制策略，将燃烧系统分成两部分：弱连接部分和强连接部分。弱连接部分包 括：一次风系统、引风负压系统和排渣料位系统。强连接部分是给煤送风系统。牛 培峰等( 1 9 9 3 ) t 1 2 研究设计了一个7 5 f f h 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 t a l ( 1 9 9 4 ) 1 1 3 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 np 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 ew 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 ) t 1 4 】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。负荷控制采用了基于神经网络的预测控制 算法。r i 1 醵( 1 9 9 9 ) t 1 5 1 设计了三种适于大滞后过程的模糊控制器。 郭爽( 2 0 0 1 ) 【1 6 】对床温进行了单级和串级模糊控制的设计和仿真，分别设计了 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) 及参数自调艇模糊控制器。张翼( 2 0 0 2 ) 1 1 7j 通 过对循环流化床的流体动力学特性、传热学特性、燃烧特性和动态特性等的研究， 设计了三种单模糊控制器和一种综合模糊控制器，分析了某一电厂实际控制系统， 并对这三种控制方案进行了变对象的仿真。仿真表明，综合模糊控制器比其它两种 控制器具有更好的控制效果和较强的鲁棒性。赵静( 2 0 0 3 ) 【1 8 i - - 文秘用动态机理宏 观控制建模的思想，建立了描述4 1 0 t h 循环流化床锅炉床温和主汽压动态特性的数 学模型。分别设计了模糊神经网络自学习控制和模糊单神经元复合控制系统，并进 行了计算机仿真。从控制效果来看，达到了比较令人满意的效果，模糊神经网络控 制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。张雅茹( 2 0 0 3 ) 1 1 9 1 针对c f b 锅炉燃烧过程的复杂特性，论文以 3 5 t h c f b 锅炉为研究对象，基于多变量频域解耦控制理论，提出了“热量氧量” 双交叉燃烧控制方案，实现了c f b 锅炉主要参数之间的解耦控制，消除了变量间的 藕合。席学军( 2 0 0 4 ) 1 2 埘针对c f b 这一类非线性、多变量耦合、参数时变以及大 惯性、大迟延对象，设计了自抗扰控制器，具有很好的鲁棒性和解耦控制性能。 7 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本论文的主要研究内容 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。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。 可知，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。 本文对循环流化床燃烧系统的床温控制和汽压控制采用了模糊逻辑和神经网 络相结合的控制，设计了模糊神经网络控制器，同时用遗传算法和粒子群算法对控 制器的参数优化，并进行了仿真、分析与比较。从楚体控制效果来看，达到了比较 令人满意的效果。 g 华北电力入学硕士学位论文 第二章循环流化床简介 2 1 循环流化床的工作原理 开封火电厂循环流化床锅炉为单汽包、自然循环、循环流化床燃烧方式，半露 天布置。本论文以该厂的循环流化床锅炉为对象，介绍其结构组成和工作原理，并 分析其燃烧系统动态特性。 2 1 1 结构组成 图2 i 所示的循环流化床锅炉燃烧系统较集中地体现了该厂循环流化床锅炉的 结构特点。与常规燃煤锅炉不同，循环流化床锅炉的燃烧系统主要由燃烧室、高温 旋风分离器及飞灰回送装置组成。 图2 1 循环流化床锅炉示意图 1 燃烧室 循环流化床锅炉的燃烧室与常规煤粉锅炉的炉膛有较大差异，以二次风喷口为 9 华北电力大学硕十学位论文 界，下部为密相还原燃烧区，上部为稀相氧化燃烧区。还原燃烧区布置有燃料、石 灰石、循环灰进口。燃烧室底部有布风板，其作用是使一次风均匀地被送入炉内。 其燃烧室上部布置有过热器和再热器等受热面。 2 ，高温旋风分离器 目前，大型c f b 锅炉一般都采用高温旋风分离器。高温旋风分离器是一个内敷 有耐火、隔热两层材料的钢制件。与烟气接触的外层用耐高温、耐磨材料制成，内 层用轻质保温材料填充。高温旋风分离器是循环流化床锅炉在结构上的特征之一， 其高温分离性能对循环流化床锅炉的正常运行有较大的影响。 高温旋风分离器的分离效率通常用切割直径来表示，其定义为在给定颗粒特性 和操作条件下分离效率为5 0 时的颗粒直径。大于此直径的颗粒极有可能在高温旋 风分离器中被分离出来，而小于这一直径的颗粒被分离的可能性就小得多。分离器 的分离效率和分离器的阻力是评价高温旋风分离器性能的主要指标。 影响高温旋风分离器性能的因素有烟气温度和分离器尺寸。烟气温度越高，分 离器的分离效率越低；分离器直径越大，其分离效率越低。 高温旋风分离器通常敷设大量的耐火材料，这些耐火材料的加热和冷却需要很 长的时间，因而锅炉的启动也需要很长的时间。高温旋风分离器表面的温度相对很 高，所以对流和辐射损失很大。为了解决这个问题，高温旋风分离器采用水或蒸汽 冷却，这样，分离器能减少使用耐火材料的数量也能减少高温旋风分离器外表面 的辐射热损失，同时还能缩短锅炉的启动时间。不仅如此，这种超薄的带细小龟裂 裂纹的耐火耐磨层使水、汽冷分离器成为锅炉追加受热面，有利于大型c f b 锅炉受 热面布置。 3 返料装置 返料装置是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。 返料装置的作用是将分离器收集下来的物料送回流化床循环燃烧，并保证流化 床内的高温烟气不经过返料装置短路流入分离器。返料装置既是一物料回送器，也 是一个锁气器。如果这两个作用失常，物辩的循环燃烧过程建立不起来，锅炉的燃 烧效率将大力降低，燃烧室内的燃烧工况变差，锅炉将达不到设计蒸发量。 流化床燃烧系统中常用的返料装鼍是非机械式的，设计中采用的返料器主要有 两种类型：一种是自动调整型返料器，如流化密封返料器：另一种是阀型返料器， 如“u ”阀等。自动调整型返料器能随锅炉负荷的变化，自动改变返料量，不需调 整返料风量。阀型返料器要改变返料量则必须调整返料风量。也就是说，随锅炉负 荷的变化必须调整返料风量。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 工作过程及原理 循环流化床燃烧是一种燃烧石化燃料、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。 当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。流速较低时，颗粒静止 不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过。当流速增加到某一速度之后，颗粒不再 由布风板所支持，而全部由流体的摩擦力所支撑。此时，对于单个颗粒来讲，它 不再依靠与其他邻近颗粒的接触而维持它的空闯位置，相反地，在失去以前的机 械支承后，每个颗粒可在床层中自由运动：就整个床层而言，具有许多类似流体 的性质，这种状态就被称为流态化。颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低 速度，称为临界流化速度。 流化床类似流体的性质主要有以下几点： ( 1 ) 在任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； ( 2 ) 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： ( 3 ) 床内固体颗粒可以像流体一样从底部或切面的孔口中排出， ( 4 ) 密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面 上： ( 5 ) 床内颗粒混合良好，因此，认为整个床层的温度基本均匀。 一般的液一固流态化，颗粒均匀地分散于床层中，称之为“散式”流态化。对 于一般的气一固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成气泡经床 层短路选出，颗粒则被分成群体作湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同 而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。 随着流化速度增加，一个垂直上行气一圆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。 循环流化床内直接固硫是在燃烧过程中加脱硫剂，一般是石灰石( c a c o 。) 或白云 石( m g c o ，c a c o 。) ，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 。结合生成c a s o 。，c a s o 。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 + 0 2 一s o 。 ( 2 - 1 ) 煅烧反应：c a c o 。一c a o + c o 。 ( 2 2 ) m g c 0 3 c a c o a c a o + m g o + 2 c 0 2 ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 固硫反应： 2 c a o + 2 s 0 。+ 0 ：一2 c a s o 。( 2 - 4 ) c a s 摩尔比被认为是影响脱硫效率和s 0 ：排放的首要因素，来自工业循环流化 床锅炉的运行数据表明，对循环流化床，经济c a s 比一般在1 5 2 5 之间。“，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0 t 0 3 m m ，脱硫剂的利用率可达5 0 以上”“。 床温的影响主要由于改变了脱硫剂的反应速度、固体产物分布及孔隙堵塞特性， 进而影响脱硫效率和脱硫剂的利用率。公认的最佳脱硫温度约为8 5 0 ( 2 ，但这并不 意味着它一定是循环床锅炉的最佳运行温度。许多研究者则建议将床温提高至9 0 0 ，因为人们发现床温低于8 5 04 c 时，n z o 排放很高。循环流化床锅炉运行