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摘要 循环流化床锅炉负荷协调控制系统研究 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) 作为高效、低污染、燃料适应性广、负荷调节性能好的洁净燃煤技术，在 全世界受到广泛重视，正在成为燃煤技术的主力军。循环流化床锅炉商业化的迅 速发展给它的运行自动化提出了很高的要求。因此在我国大力开发研制循环流化 床锅炉的自动控制技术是一项迫在眉睫的战略性任务，尤其是开发适合中国国情 的循环流化床热工控制系统。 由于现有的控制系统都是建立在近似线性化模型或是辨识模型的基础上，根 据过程的输入输出数据直接建模，过于依赖过程的输入输出数据，模型不具有可 解释性。因此，我们希望在本实验室已开发的循环流化床锅炉机理模型的基础上 开发新的控制系统。 首先，由于循环流化床锅炉工作点附近的蒸汽焓值公式难以直接应用于在线 计算，因此，对蒸汽焓值进行最小二乘法拟合，得到拟合式；然后提出热功效率 的概念用于衡量锅炉与发电机组之间的能量关系，并应用工业数据进行了仿真计 算，最后对热功效率的影响因素进行了讨论。 其次，在循环流化床锅炉机理简化模型基础上，分别应用b p 和r b f 人工神 经网络理论来构造循环流化床锅炉的给煤含碳量和挥发分含量的逆系统，构建煤 质在线观测模型。分别研究了各网络的泛化能力，并结合实时数据，进行煤质预 测。通过分析比较，发现基于b p 神经网络的煤质在线观测模型的煤质预测效果 好于r b f 网络。将动态模型和煤质在线观测模型结合，构建循环流化床锅炉综合 模型。通过对综合模型的实时仿真研究，发现基于标准b p 网络的综合模型的实 时仿真结果要更加理想。 最后，结合循环流化床锅炉机理模型和煤质在线观测模型，以及热功效率的 概念，构建循环流化床锅炉发电机组的仿真平台，在此基础上建立基于给煤量的 负荷协调控制系统。在x d - a p c 上的仿真表明，该系统能很好的适应工业上的需 求。 关键词：循环流化床锅炉；煤质预测；协调控制 a b s t r a c t t h el o a dc o o r d i n a t ec o n t r o ls y s t e mo fc f b b a b s t r a c t c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e d ( c f b ) i sb e c o m i n gt h em a i nc o a lc o m b u s t i o n t e c h n i q u ea l lo v e rt h ew o r l df o ri t s a 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 n e 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 wn 0 2e 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 d l o a d f o l l o w i n gc a p a b i l i t y h i g hd e m a n do fa u t o m a t i cc o n t r o lo fc f b bi sp r o p o s e d w i t hi t sf a s tc o m m e r c i a ld e v e l o p m e n t s t u d yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rc f b bi s g e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tn o w , e s p e c i a l l yf o rn a t i o n a lc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d b o i l e r s t h ee x i s t i n gc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tb a s e do na p p r o x i m a t e l yl i n e a r i z a t i o nm o d e l o ri d e n t i f i c a t i o nm o d e l t h em o d e li sj u s td e p e n d i n go nt h ed a t ao f p r o c e s si n p u t sa n d o u t p u t s ，s oi tc a n ti n t e r p r e tt h em e c h a n i c so fi n d u s t r i a lp r o c e s s s ow ew a n tt oc r e a t e an e wc o n t r o ls y s t e mb a s eo nt h em e c h a n i c sm o d e lw h i c hh a v eb u i l tb yo w n t e a m f i r s t l y , o n l i n ec a l c u l a t i o nf o rh e a tt op o w e ro u t p u te f f i c i e n c yo ft h e r m a l g e n e r a t o rs e ti si m p o r t a n tf o r t h el o a dc o o r d i n a t ec o n t r o li nt h ec f bb o i l e rt h e r m a l g e n e r a t o rs e t l e a s t - s q u a r ep o l y n o m i a lf i t t i n gm e t h o di sa d o p t e dt og e tas i m p l e e x p r e s s i o no fs t e a me n t h a l p y b a s e do ni t , a l lo n l i n ea l g o r i t h mt oc a l c u l a t et h eh e a tt o p o w e ro u t p u te f f i c i e n c yi sp r o p o s e d s i m u l a t i o ni sd o n eu s i n gt h ed a t aa c q u i r e df r o m a ni n d u s t r i a lu n i t ，w h i c hm a y p r o v i d eab a s i sf o rf u r t h e rg l o b a lo p t i m i z a t i o n a n dt h e n t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eh e a tt op o w e r o u t p u te f f i c i e n c yi sd i s c u s s e d s e c o n d l y , f o u rk i n d so ft h ec o a lq u a l i t yo n l i n eo b s e r v a t i o ns y s t e ma r ep r o p o s e d b ya p p l y i n gt h eb pa n dr b f n e u r a ln e t w o r k s ，w h i c ht a k et h ec o a lf e e d ，t h ep r i m a r y a i r , t h es e c o n d a r ya i r , t h et e m p e r a t u r eo fd e n s ep h a s ea n d0 2c o n c e n t r a t i o no ft h e d i l u t ep h a s ea si n p u t s c o m p a r e dt h eg e n e r a l i z a t i o nc a p a b i l i t yb e t w e e nt h eb pa n d r b fn e t w o r k s ，a n dt h eo n l i n ec o a lq u a l i t yp r e d i c t i o ni n d i c a t e st h a tt h eo n l i n e o b s e r v a t i o ns y s t e m sb a s e do nt h eb pn e u r a ln e t w o r ka r em o r ee f f e c t i v et h a nt h er b f n e t w o r k s t h ec f bb o i l e rt o t a lm o d e li s p r o p o s e db yc o m p o s i n gt h ec f bb o i l e r s y s t e md y n a m i cm o d e la n dt h ec o a lq u a l i t yo n l i n eo b s e r v a t i o nm o d e l s ( s t a n d a r db p n e t w o r ka n dl - mb pn e t w o r k ) c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h er e a lt i m es i m u l a t i o n o ft h ed i f f e r e n tc f bb o i l e rt o t a lm o d e l s ，t h em o d e lb a s e do nt h es t a n d a r db pn e t w o r k i sb e t t e rt h a nt h el mb pn e t w o r k s f i n a l l y , b yc o m b i n i n gt h ec f b bm e c h a n i c sm o d e l ，t h ec o a lq u a l i t yo n l i n e o b s e r v a t i o ns y s t e ma n dt h ec o n c e p to ft h eh e a tt op o w e ro u t p u te f f i c i e n c y , t h e s i m p l i f i e ds y s t e mo ft h e r m a lg e n e r a t o rs e ti sb u i l ta n dl o a dc o o r d i n a t ec o n t r o ls y s t e m b a s eo nt h ec o a lf e e di ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a t c o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h en e e do ft h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c f b b ；c o a lq u a l i t yp r e d i c t i o n ；c o o r d i n a t ec o n t r o l 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：需祥中 年月 e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名：需祥孕 导师签名： 卜钫 日期：年月日 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 能源与环境是当今社会发展的两大问题。7 0 年代初出现的中东石油危机，使 世界各国将能源结构的比例从燃油( 天然气) 向燃煤转移。我国是产煤大国，也是 用煤大国。目前一次能源消耗中煤炭占7 6 ，在可见的今后若干年还有上升的趋 势，而这些煤炭中有8 4 直接用于燃烧n 1 。但从目前来看，燃烧效率还不够高， 燃烧产生的大气污染也没有得到有效的控制，以至于我国每年排入大气的8 7 的 s 0 2 和6 7 的n o x ，均来自煤的直接燃烧，虽然近年来链条炉及煤粉燃烧技术得到了 长足的发展，但仍不能阻挡由于煤质下降对能源生产及环境保护所带来的越来越 大的危害势头。可见发展高效、低污染的清洁燃煤技术已成为当前亟待解决的问 题，因此新一代的燃煤技术具有高效、低污染、煤种适应性好的循环流化床 技术应运而生。当然循环流化床锅炉( 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) 的商业化发展也对它的运行自动化提出了更高的要求。 1 1 循环流化床锅炉正成为清洁燃煤技术的发展方向 1 1 1 循环流化床锅炉工艺简介 典型的循环流化床锅炉的系统流程如图1 - 1 所示。循环流化床锅炉的燃烧系 统较集中的体现了循环流化床锅炉的特点，锅炉燃烧室分为上、下两个部分，上 部为氧化燃烧区，下部主要是还原燃烧和固硫区，燃烧室由布风装置、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) 、尾部受热面及外置式受热面等主要部件构成。粒度o - - l o m m 的燃煤和 粒度0 - 5 m m 的石灰石由给煤机不断送入高温炉膛，与上升气流混合并被加热， 燃煤迅速着火并呈沸腾悬浮状态燃烧。石灰石分解并与燃煤燃烧产生的s 0 2 反应 生成不再污染空气的硫酸钙，达到脱硫的目的。炉膛烟气中的未燃尽固体经旋风 分离器分离后，通过回料装置使之重返炉膛循环燃烧。烟气经烟道过尾部受热面 进行热交换，最后通过除尘器由烟囱排入大气。床层密相区中的粗灰经自动( 或 手动) 排渣机和冷轧机排出。汽水系统中，给水从给水管引出后，路经给水调 节门、省煤器预热后到汽包；另一路经减温水调节门进入减温器，以调节主蒸汽 温度。汽水分离后的主蒸汽经过热器、减温器热交换后成为成品蒸汽。 影响流化床锅炉燃烧效率的因素嘲包括燃煤的性质、粒度分布、布风装置、 流化质量、给煤方式、床温、床层结构、回料量和运行水平等。 第一章绪论 图1 1 典型循环流化床锅炉系统示意图 1 1 2 循环流化床锅炉的优点及特点 与煤粉炉及链条炉相比，c f b 锅炉独特的流体动力学特性和结构使其具有许 多独特的优点呻1 ： 1 对燃料适应性特别好 在循环流化床锅炉中按质量百分比计，燃料仅占床料的1 - - - 3 ，其余为灼 热的床料。循环流化床的特殊流动动力特性使得气一固和固一固混合得非常好。因 此，即使是很难着火燃烧的燃料进入炉膛后也能很快地与灼热的床料混合，被迅 速加热至高于着火点温度，而同时床层温度没有明显降低。这就使得c f b 锅炉不 需辅助燃料而能燃用任何燃料。c f b 锅炉可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料， 如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、煤矸石、高水分煤、泥煤、尾矿、炉渣、树皮， 甚至垃圾等。我国是一个煤种非常丰富，劣质煤较多的国家，发展c f b 锅炉意义 重大。 2 燃烧效率高 在循环流化床锅炉中，燃烧区域扩展到整个炉膛乃至旋风分离器，携带出炉 膛的颗粒被旋风分离器捕集后直接送回燃烧室下部循环再燃烧，使得燃料可以在 炉膛内具有很长的停留时间进行充分燃烧，因此，循环流化床锅炉的燃烧效率一 般可达到9 7 5 - - 9 9 5 ，可以与煤粉炉相比。 第一章绪论 3 污染物排放低，是环保型锅炉 s 0 2 和n o i 是煤燃烧中产生的主要污染气体，这两种污染气体对环境和人类的 健康都能产生严重危害。循环流化床锅炉采用低温( 8 5 0 - - - 9 0 0 ) 及分级送风的燃 烧方式使n o i 排放量只有煤粉炉的1 3 1 4 ，并且这样的燃烧温度范围也是脱硫 剂石灰石活性最好的温度，另外，循环流化床锅炉具有良好的气一固与固一固混合 特性，以及通过物料的再循环大大增加了物料在炉内的停留时间，以上因素使得 可以通过直接向炉内添加廉价的石灰石脱除燃烧过程中产生的s 0 2 ，当c a s 摩尔 比在1 5 - - 2 5 范围内，脱硫效率可达9 0 以上，可满足较严格的s 0 2 排放标准。 可见流态化燃烧是一种洁净燃烧方式。 4 负荷调节范围大 当负荷变化时，c f b 锅炉只需改变给煤量、空气量和物料循环量就可以满足 负荷的变化。c f b 锅炉由于燃烧截面风速高和吸热控制容易，所以负荷调节很快， 负荷调节范围可达1 0 - - 1 1 0 ，负荷调节速度可达5 - - - l o m i n 。适用于电 网调峰机组和热电联产的锅炉。 5 灰渣综合利用性能好 循环流化床锅炉燃烧过程属于低温燃烧，同时锅炉内部良好的燃烧条件使得 锅炉的灰渣含碳量低，易于实现灰渣的综合利用。另外炉内加入石灰石后，灰渣 的成分也有所变化，含有一定的c a s 0 4 和未反应的c a o 。循环流化床锅炉的灰渣 可以用于制造水泥的掺和料或者其他建筑材料的原料，有利于灰渣的综合利用。 6 与鼓泡床相比，循环流化床锅炉更易于实现大型化 当然，循环流化床锅炉也有其自身的一些缺点陆，如耗电量大、磨损严重、 对辅助设备和材料要求较高以及对运行水平有一定要求等，这些缺点都有待进一 步的研究解决。 1 1 3 循环流化床锅炉已成为热电工程的首选锅炉 随着环保、高效等要求的日益提高，c f b 锅炉由于具有其诱人的优点己成为 锅炉发展及商业化推广的新方向：尤其在热电工程上，它己经成为设计的首选炉 型引。 包括供热站( 采暖锅炉房、工业蒸汽锅炉房、热电厂和调峰电厂) 在内的热电 工程设计中总是希望针对运行特点选择一种合适的炉型。既要安全可靠，又要节 省投资；既要减少大气污染，又要节能降耗。一般热电工程在运行中有以下几个 第一章绪论 特点： 1 热、电负荷变化范围大 由于主要用于供热、供汽，用户在不同季节、白天晚上负荷相差很大。因 此锅炉必须能适应负荷的大幅度波动，甚至多次启停。 2 能耗高、浪费大 与大型的火电厂相比，由于其负荷的经常波动，锅炉经常不能在额定负荷下 工作。因此运行成本高、能耗大，需要选择一种燃烧效率高的炉型。 3 、煤种多变 由于热电企业一般为中小型企业，或者是大型企业的自备企业，燃用的煤种 经常变化且多用劣质煤或用混合煤以降低煤耗。煤种变化可能很大。需要锅炉能 适应煤种的多样性。 c f b b 正好具有上述其它锅炉无法企及的优点，能很好的适应上述要求，故 在炉型选择上与其它锅炉相比具有很大的优势。表1 1 n 1 提供了各种炉型运行性 能的对比表。由表中数据显见，c f b 锅炉应成为热电工程的首选炉型，从目前工 业实际来看，越来越多的厂家选用了循环流化床锅炉。 另一方面，中、小型热电企业，大型工业企业( 包括石油化工、电力、建材、 冶金等) 的自备热电厂在我国数量众多，市场广大，相信在今后的若干年内，循 环流化床锅炉将得到迅速的发展。同时在大中型火电厂中，c f b 锅炉也将成为锅 炉发展的一种流行、一种趋势，可以预见，未来几年将是c f b b 飞速发展的重要 时刻。 当然，提高循环流化床锅炉的自动控制水平也变得日益紧迫。 第一章绪论 表1 15 种3 5 t h 中压锅炉比较( 其中投资及设备费为8 0 年代末价) 1 2 协调控制的基本思想及其应用嘲 1 2 1 协调控制的基本思想 火力发电厂中汽机和锅炉联合运行时，有母管制和单元制两种不同的原则性 热力系统。目前，大型热力发电机组都采用单元制，单元制机组是由发电机、汽 轮机和锅炉共同适应电网的负荷要求的，它们共同保持机组的稳定运行。也即单 元机组的两个基本功能：一是对外适应电网负荷要求，二是对内协调动作保持机 组能量平衡、稳定运行。常规的自动调节系统是汽轮机和锅炉分别控制的。汽轮 机调节机组负荷和转速，机组负荷的变化必然会反映到机前主蒸汽压力的变化， 即机前主蒸汽压力反映了机炉之间的能量平衡。而主蒸汽压力的控制由锅炉燃烧 调节系统来完成，燃烧调节系统一般又划分为主蒸汽压力( 或燃料) 调节系统、送 风和氧量调节系统、炉膛负压调节系统等子系统。随着单元机组容量的不断增大、 电网容量的不断增加和电网调频、调峰要求的提高以及机组自身安全稳定运行要 求的提高，常规的自动调节系统已很难满足单元机组既参加电网调频、调峰又稳 定机组自身参数这两方面的要求。同时单元机组是一个多输入、多输出、相互关 联的复杂被控对象，因此必须把机、炉、电看成一个统一的控制对象，从整体的 观念设计自动控制系统，既进行协调控制。 第一章绪论 从单元机组负荷变化时的动态特性来看，锅炉具有较大的惯性，即从燃烧率 改变到汽压( 蒸汽量) 变化有较大的滞后和时间常数，单元机组负荷增加时，初始 阶段所需的蒸汽量主要是由于锅炉释放的蓄热量而产生的。随着单元机组容量的 日益增大，相对而言，锅炉的蓄热量越来越小，单元机组的负荷适应能力与保持 气压不变之间的矛盾越来越突出。从电网运行的经济性考虑一般应由效率较高的 单元机组承担基本负荷而由效率较低的机组承担调频或尖峰负荷。近年来， 电 网对单元机组的负荷适应性能提出了更高的要求，即使是承担基本负荷的单元机 组也应具有参加电网一次调频的能力，以便使电网在二次调频之前减少电网频 率变化的幅度。 为了提高电网的自动化水平，保证高质量的电力供应，要求电网调度中心发 出的负荷分配指令a d s ( a u t o m a t i cd i s p a t c hs y s t e m ) 和电网频差信号直接对火 力发电机组进行连续控制。特别是针对目前严重缺电、峰谷负荷差较大的局面， 迫使一些电网公司采取奖罚措施，对具有a g c ( a u t o m a t i cg e n e r a t ec o n t r 0 1 ) 功 能的机组的上网电价给予奖励。随着单元机组容量的增大，早期的锅炉跟随汽轮 机或汽轮机跟随锅炉控制方式己远远不能满足单元机组负荷控制要求，必须寻找 新的、更为合理的控制方案。单元机组协调控制的任务就是既要保证机组输出功 率迅速满足电网的要求，又要使输入机组的热能尽快与机组输出的功率相适应。 于是兼顾锅炉、汽轮机和发电机能量平衡及动态特性的协调控制系统应运而生。 所谓协调控制，是指通过控制回路协调汽轮机、锅炉和发电机的工作状态， 同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷 变化的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，并稳定运行参数，协调机、 炉、电之间的能量。任何事物都有其发生和发展的过程，协调控制也不例外，它 是由早期的锅炉跟随汽轮机或汽轮机跟随锅炉控制方式发展而来的。 1 2 1 1 锅炉跟随汽轮机 其基本原理是：两个相互独立的调节器，一个控制输出功率，另一个调节器 控制压力，功率调节器通过改变汽机调节阀的开度，从而改变进汽量，使发电机 输出功率满足负荷要求。调节阀开度改变后锅炉出口汽压( 机前压力) 随即变化， 于是通过压力调节器改变燃料量。与此同时，锅炉其他控制系统相应地改变给水 量、送风量等。这种控制方式的特点是，在负荷变化时，锅炉蒸汽量之所以能迅 速变化，主要是因为从锅炉的蓄热量的改变获得热量，因而机组能比较快地适应 第一章绪论 电网负荷的要求，但汽压波动较大。对大型机组来说，由于锅炉蓄热量相对减少， 当负荷变化较小时，在汽压允许变化范围之内还能充分利用锅炉蓄热量，但在负 荷变化较大时，汽压波动太大，会影响锅炉的正常运行。 1 2 1 2 汽轮机跟随锅炉 其基本原理是：两个相互独立的调节器，一个控制输出功率，另一个调节器 控制压力，功率调节器通过控制燃料量( 此时给水和送风量也相应地改变) 来改变 供汽压力，待机前压力改变时才通过压力调节器控制汽机调节阀的开度，从而改 变进汽量，使发电机输出功率满足负荷要求。这种控制压力波动小但负荷适应能 力差。 上述两种方法均不能圆满的完成单元机组负荷控制的任务。随着单元机组容 量的增大及自动化技术的发展，形成了以前馈一反馈复合控制为基础的协调控 制系统，功率偏差、汽压偏差和频率偏差信号( 如果机组参加一次调频) 同时送到 汽机调节器和锅炉调节器，在稳定工况下，实发功率等于功率给定值，机前压力 等于压力给定值，电网频率等于额定频率值。当要求增加负荷时将出现一个正 的功率偏差信号，此信号通过汽机调节器开大汽机调门的开度增加实发功率，同 时这个信号也作用到锅炉调节器使燃料增加，以增加蒸汽量，当调节阀开大时会 立即引起机前压力下降，尽管此时锅炉已经开始增加燃料量，但由于机前压力对 燃料的响应具有一定的惯性，这时仍然会有压力偏差信号出现。这个信号要求继 续增加燃料，同时反方向作用于汽机调节器，力图使汽压恢复到正常数值。功率 偏差和汽压偏差作用的结果会使调节阀开到一定程度后停止，这时实发功率还没 有达到功率给定值，这种状态只能是暂时的，随着机前压力的逐渐恢复，压力偏 差信号逐渐减少，随着汽机调节阀的继续开大，提高实发功率，直到功率与汽压 均与其给定值相等，机组达到新的稳定状态。这只是协调控制系统的一个基本思 路，在实际设计协调控制系统时，要考虑很多因素，根据不同的机组特性和辅机 特性进行优化和改进。早期协调控制系统受限于控制设备，一直很不理想或根本 无法实现，随着d c s 系统的应用和普及，很多先进的控制算法或控制策略被引 入，逻辑运算也越来越完善，特别是d e h 系统的应用，所有这些为协调控制的 实现和完善奠定了基础。目前，协调控制己成为新投产大型机组的一个重要的考 核项目。但在中、小型老机组的改造中实现协调控制尚有许多困难，由于主、辅 机的一些不完善或特点，没有成熟的方案可借鉴，因此尚有许多难题需要攻克 第一章绪论 和解决。 1 2 2 国内外循环流化床锅炉协调控制系统的研究情况 刘翔n 们等人根据文献n 中的近似线性化模型，利用多变量解耦控制理论的相 对增益法进行系统耦合特性分析和变量的配对，然后在两个控制通道上分别设计 了自抗扰控制器，用其扩张状态观测器来观测和补偿来自另一通道的耦合影响， 实现系统的解耦控制。 凌呼君n 2 3 等人在近似线性化模型n 妇的基础上，采用广义预测控制算法，对火 电厂单元机组的协调控制系统进行仿真研究，该系统能保证功率、主蒸汽压力快 速平稳地跟踪其设定值，且对对象模型地不确定性具有很好的适应性和鲁棒性。 吴国垣n 羽等人在近似线性化模型n 1 3 的基础上，采用双输入双输出( t i t o ) 分散p i d 控制器的设计方法，应用于火力发电机组的机炉协调控制系统中，获得 相应的控制系统，然后基于n y q u i s t 稳定性判据和对角优势分析，通过适当的预 补偿措施求得极限增益和极限频率，并利用t y r e u s l u y b e n 方法整定p i d 控制器 参数。 张秋生n 4 1 司等人根据文献n 6 1 中的辨识模型，得到汽轮机、锅炉的传递模型， 对循环流化床锅炉燃烧控制系统和协调控制系统的控制结构进行了试验研究。研 究发现：在“炉跟机 协调控制方式下，为了保证主汽压力的调节品质，给煤量的 变化幅度很大，导致床温的变化过快，对锅炉运行的稳定性也产生一定的影响；在 “机跟炉”协调控制方式下，给煤量的变化比较平缓，虽然有功功率的响应比较 慢，但是整体调节效果比“炉跟机”方式要好；所得结论既可应用于1 台循环流 化床锅炉1 台汽轮机的协调控制，也可应用于多台循环流化床锅炉l 台汽轮机 的协调控制，为循环流化床锅炉自动控制系统的设计与调试提供了参考。 解森n 7 3 等人在分析河北省保定热电厂原协调控制策略的基础上出了改进措 施：完善了一次调频功能；设计了汽机侧的“压力偏差回拉功率”回路，以限制 汽机侧调门的动作速率；直接能量平衡策略改为间接能量平衡策略；为克服锅炉 燃调节的滞后性使用了燃料前馈。 王付生印等人通过在山东里彦电厂现场投运和试验，提出循环流化床锅炉的 协调控制策略：正常变负荷时，限制机组的变负荷速率；锅炉负荷控制中引入前 馈信号；修正能量直接平衡方式。介绍了协调控制系统的组成及优化，提出了合 理的负荷变化率：负荷变化率小于o 2m w m i n 时，c c s 采用修正的直接能量 第一章绪论 平衡控制方式还是行之有效的，尤其是在机组运行较稳定的情况下，可保证主汽 压力在0 2 m p a 范围内波动。 1 3 本论文的工作安排 由小节1 2 2 中，我们可以得到，现有的控制系统都是建立在近似线性化模 型或是辨识模型的基础上，根据过程的输入输出数据直接建模，几乎无需过程对 象的先验知识，但是缺点也是明显的，作为黑箱建模方法，过于依赖过程的输入 输出数据，模型不具有可解释性。因此，我们希望在本实验室已开发的循环流化 床锅炉机理模型n 钔的基础上开发新的控制系统。 本文的主要工作是研究和建立循环流化床锅炉发电机组的负荷协调控制系 统。因此，首先应在循环流化床锅炉机理模型的基础上，构建循环流化床锅炉发 电机组的仿真平台。其次，由于给煤含碳量、挥发分含量等一些不可测变量对循 环流化床锅炉燃烧过程有重要的影响，造成循环流化床锅炉发电机组的控制和优 化的困难。因此必须解决这些不可测参数的在线观测问题。主要方法是在循环流 化床锅炉机理模型的基础上，用神经网络理论拟合不可测输入的逆系统，建立不 可测输入( 煤的含碳量、挥发分含量) 的在线观测模型，从而了解这些参数对循 环流化床锅炉的工况的具体影响，来进一步分析和研究锅炉的动态特性。这对循 环流化床锅炉设计改进、锅炉参数优化、生产优化以及自动控制系统的设计、调 试和控制系统的可靠运行至关重要。 为此本文的工作将从以下几个部分展开： 对循环流化床锅炉工作点附近的蒸汽焓值进行最4 c - 乘法拟合，得到蒸汽焓值 的拟合式，然后提出热功效率的概念，应用工业数据进行仿真计算，并对热功效 率的影响因素进行讨论。 在循环流化床锅炉机理简化模型基础上，分别应用b p 和r b f 人工神经网络理 论来构造循环流化床锅炉的给煤含碳量和挥发分含量的逆系统，构建煤质在线观 测模型，分析比较了基于不同神经网络的在线观测模型的各自优缺点，并采用现 场数据对煤质进行了实时预测。结合循环流化床锅炉机理模型和煤质在线观测模 型，构建循环流化床锅炉综合模型；应用现场数据对综合模型进行实时仿真研究， 并将仿真结果与循环流化床锅炉燃烧系统纯机理模型进行分析与比较。 结合c f b b 机理模型和煤质在线观测模型，以及热功效率的概念，构建c f b b 发电机组的仿真平台，在此基础上建立基于给煤量的负荷协调控制系统。 第一章绪论 本章主要参考文献： 1 岑克法，倪明江，骆仲泱等循环流化床锅炉理论设计与运行 m 中国电力出版社，1 9 9 8 2 刘焕彩流化床锅炉原理与设计( 上) m 华中理工大学出版社，1 9 8 8 3 陈伟，陈一平循环流化床锅炉特点及其发展现状 j 湖南电力，2 0 0 5 ，2 5 ( 1 ) ：5 9 6 0 4 李振忠，蔡建欣，张琦恩循环流化床锅炉的优点和发展 j 电站系统工程，2 0 0 3 ，1 9 ( 4 ) ：1 9 - - 一2 0 5 李明富，胡帆循环流化床锅炉的特点及发展现状 j 环境保护，2 0 0 1 ，1 9 - - 2 0 6 邵李凤循环流化床锅炉简介 j 浙江电力，1 9 9 7 ，( 6 ) ：6 8 - 7 0 7 李官鹏，程世庆，韩奎华循环流化床锅炉的发展和特点 j 电站系统工程，2 0 0 4 ，2 0 ( 2 ) ：2 3 2 4 8 张炳文，佟桂萍热电工程首选炉型循环流化床锅炉 j 锅炉技术，1 9 9 8 ，( 7 ) ：1 9 2 2 9 张玉铎，王满稼热工自动控制系统 m 北京：水利电力出版社，1 9 8 5 1 0 刘翔，姜学智，李东海，万静芳，薛亚丽火力单元机组机炉协调自抗扰控制 j 控制 理论与应用，2 0 0 1 ，1 8 ( 8 ) ：1 4 9 - - 1 5 2 1 1 h ukd ，w a n gzqa n do i a nzh af r e q u e n c yd o m a i nm e t h o df o rt h ed e s i g no f c o o r d i n a t e dc o n t r o l s y s t e m o fau n i t p o w e rp l a n t j j s o u t h e a s t u n i v e r s i t y ，1 9 8 9 ，1 9 ( 1 ) ：6 9 7 7 1 2 凌呼君，王文兰，冯永祥广义预测控制在火电厂单元机组协调控制中的应用研究 j 自动化技术与应用，2 0 0 3 ，2 2 ( 5 ) ：5 - - 一7 1 3 吴国垣，李东海，薛亚丽，唐多元机炉协调控制的分散p i d 整定 j 清华大学学报( 自 然科学版) ，2 0 0 4 ，4 4 ( 2 ) ：2 6 2 2 6 5 1 4 张秋生，张文兴，高志存大型循环流化床机组协调控制系统的研究 j 中国电力， 2 0 0 5 ，3 8 ( 7 ) ：5 3 , - - - 5 6 1 5 张秋生，方海珍，张书敬，李志涛，姚丽欣4 5 0 t h 循环流化床锅炉协调控制系统的实 验研究 j 动力工程，2 0 0 6 ，2 6 ( 5 ) ：6 6 2 6 6 5 1 6 d o n gz e t h ep r o j e c tr e p o r to f“t h e r m a lp o w e rs y s t e mi d e n t i f i c a t i o na n d p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nf o rb a od i n gt h e r m a lp o w e rp l a n tn o 8c f bb o i l e r ” r 2 0 0 3 1 7 解森，姚丽欣，韩璞，王晓燕4 5 0 t hc f b 锅炉协调控制系统分析与改进 j 电力科 学与工程，2 0 0 6 ，( 3 ) ：2 6 2 9 1 8 王付生，于鹏娟，孟祥荣，毕贞福1 3 5 m w 循环流化床锅炉协调控制系统的设计与实施 j 山东电力技术，2 0 0 5 ，( 2 ) ：4 2 - 4 3 1 9 周荣循环流化床锅炉不可测输入的在线观测研究 d 厦门大学硕士学位论文，2 0 0 6 1 0 - 第二章循环流化床锅炉热功效率的在线计算 第二章循环流化床锅炉热功效率的在线计算 对于循环流化床锅炉发电机组，由于汽机反应快，而锅炉燃烧过程有较大滞 后，在调整负荷时如何实现机、炉的协调控制一直是难题。一般采用汽机跟随方 式( 先调锅炉燃烧量，再调汽机负荷) 可取得更稳定的效果。这需要事先计算调整 负荷所需调整的燃烧量，由此涉及到汽机热功效率的在线计算问题。本文对循环 流化床锅炉工作点附近的蒸汽焓值进行最小二乘拟合，得到拟合式，然后提出一 种方便快捷的热功效率计算方法，并采用工业数据进行仿真计算。 2 1 曲线拟合的最小二乘法m 2 1 1 最小二乘法 若厂( x ) 是由实验观测得到的，则函数通常由函数表( x j , ( 毛) ) ，i = o ，1 ，m 给出。对函数表给出其函数关系通常有以下两个方法，：方法一，使用多项式插 值；方法二，三次样条插值。使用多项式插值会带来两个问题，闯题之一，当所 给的数值点较多时候，多项式次数要高，会出现数值震荡，即所谓的r u n g e 现象； 问题之二，由于数值本身带有误差，使用插值条件来确定函数关系不合理。三次 样条插值克服了多项式插值的第一个缺点，但求三次样条插值带来了大的计算 量。曲线拟合的最小二乘方法可以克服数值震荡，同时不引起大的计算量。那么， 什么是曲线拟合的最小二乘方法呢? 对函数表在函数空间中求s ( x ) ，使 i - - oq s ( t ) 一厂( 薯) 22 黯善q ( s ( 而) 一厂( 薯) ) 2 ，就是曲线拟合的最小二乘问题， 其中，哆是点处的权。这个问题的实质是( x ) 为离散情形的最佳平方逼近问 题。这样求连续函数的最佳平方逼近函数的方法可以用到曲线拟合的最d , - 乘问 题上来。具体做法简述如下： 求s ( x ) 的问题等价于求多元函数 i ( a o ，q ，= 善锡 喜q 纺c 薯，一厂c t ， 2 c 2 1 ) ，口l ，) = 锡i q 纺( 薯) 一厂( t ) i ( 2 1 ) j = 0i ，暑0l 的极小值。由取极值的必要条件可得法方程 一 ( 纺，a p k ) a j = ( 吼) ，k - - o ，1 ，刀 ( 2 2 ) 互o 其中，内积( ，) 表示和式，即 第二章循环流化床锅炉热功效率的在线计算 魄) = 哆厂( t ) 仇( t ) ( 2 - 3 ) i = o 由于( x ) ，仍( x ) ，纯( x ) 线性无关，可以证明法方程( 2 2 ) 的系数矩阵非奇异， 于是求解法方程得吼= 反，k = o ，1 ，力，从而得到s 。( x ) ，它是存在唯一的。称j ( x ) 是( x ) 在矽中的最小二乘逼近函数。 作为曲线拟合的一种常见情况，一般讨论代数多项式拟合，即取 ，仍， = l ，x ” 那么相应的法方程( 2 2 ) 就是 脚 q f = o 刖 q i - - o 肘 哆矽 i = o 坍 哆葺 j = 0 新 y 以x j 一l i - - o 哆群 j = o m q # “ 扛e o 埘 锡r j = o ，拜 q # ” i = o 口0 口l ： 吒 脚 z o , , z i - - o 埘 q “ i = o 肼 o - , , g a i - = o ( 2 - 4 ) 称它为数据拟合多项式，上述拟合称为多项式拟合。 2 1 2 利用正交多项式作最小二乘拟合 在用多项式作拟合函数时，为避开求解法方程组( 2 - 2 ) ，考虑选择正交多项 式做基底。 设给定点集 t 二以及各点的权系数 q 二，如果多项式族 既( x ) ：；。满足 c a ，马，= 姜劬仇c 薯，乃c 薯，= 羔 。， ；三暑 i = oio l 七7 ”， ，一“， 则称 既( x ) 乙为关于点集 薯) 二的带权 q ) 二正交的多项式族。 若已给数据( ，z ) 及权q o = o ，l ，历) ，可以构造出带权 锡 的正交多项式 p a x ) ，用递推关系可表示为 ) t 七缈 ) t 纺 哆 m 瑚 i | ) 侬 r 纷 g ( 厂，?l 第二章循环流化床锅炉热功效率的在线计算 见+ 器苫二p 裂o ( x ) = 1 羔茇乏 其中，展。为 哆t 露( t ) = 号卜一 q 露( t ) t = o 孱一l = l 一 q 矗。( t ) i = o ( 七= o ，1 ，丹) ； ( 七= 0 ，1 ，刀) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 当取关于点集 t 二带权 哆) 二的正交的多项式族岛( x ) ，a ( x ) ，见( x ) 作为 拟合多项式的基底时，法方程组( 2 4 ) 便化简为 ( 仇，p k ) a k = ( f ，p k )( k = o ，1 ，刀) ( 2 7 ) 求解，得 鲰：譬譬 ( 后：o ，l ，力) ( 2 - 8 ) k p k ，p k ) 则刀次多项式 n 岛( x ) = 既( x ) k = o ( 2 - 9 ) 为拟合给定的数据点 ( t ，乃) 二的最小二乘解。 2 2 热功效率的计算 2 2 1 热功效率的概念 为了衡量循环流化床锅炉与汽轮机发电机组之间能量转换关系，提出了热功 效率的概念： 7 7 ：盟：旦 ( 2 1 0 ) 1 7 7 = 一= 一 l z 一 。hh d 一 式中：刁热功效率 电负荷过程值，m w 日总热焓，m w 第二章循环流化床锅炉热功效率的在线计算 办蒸汽热焓，k j k g 。1 q - 进气缸总主汽流量，k g j 。 2 2 2 蒸汽热焓的计算 蒸