循環流化床鍋爐燃燒過程優化控制技術

俞保云，江青茵，鄧飛

（1.嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016；2.廈門大學，福建 廈門 361005；3.杭州浙江工業大學藍屋電子有限公司，浙江 杭州 310014）

一、背景

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司現有3臺220t/h高溫高壓循環流化床鍋爐和1臺260t/h高溫高壓循環流化床污泥焚燒鍋爐。公司自成立以來，積極從事節能減排工作，在浙江省率先采用高溫高壓污泥焚燒鍋爐，實現污泥無害化處理處置，節省了大量的污泥填埋土地，消除了二次污染。

但污泥與燃煤摻混后的熱值較低，且容易發生堵煤，DCS配置的自動控制系統無法適應工況的變化。加上循環流化床鍋爐燃燒過程具有滯后、非線性、多參數、強耦合的特性，造成控制難度大。特別是4臺鍋爐系統采用母管制聯絡方式，管網系統構成復雜，互相之間有干擾。鍋爐以供汽為主，負荷變化較大。在這些因素綜合作用下，導致鍋爐無法投入自動運行，其給煤、一次風、二次風、引風等控制均需手動操作，容易引發人為失誤，造成很多不良后果。因此，實現循環流化床鍋爐燃燒自動控制意義重大。

杭州浙江工業大學藍屋電子有限公司(以下簡稱藍屋電子)開發的循環流化床鍋爐燃燒過程優化控制系統，可以兼顧鍋爐負荷、蒸汽壓力、主汽溫度、汽包水位、爐膛負壓、氧量、一次風量、二次風量、給煤量、床溫、床壓等眾多參數，在維持燃燒過程和蒸汽壓力平穩的前提下滿足負荷變化，實現了鍋爐燃燒的自動控制，具有自適應能力強(可適應煤質30%以內的變化)、組態和仿真能力強、實施方便、安全性強的特點。

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司4臺鍋爐采用母管制聯絡方式，以供汽為主、發電為為輔。1#、2#、3#鍋爐為同一個DCS控制網絡，4#鍋爐為單獨DCS控制網絡。藍屋電子針對循環流化床鍋爐的高效燃燒優化控制要求，基于無辨識自適應預估算法，依據粒子濃度模型和風煤比、一二次風比率、含氧量等多參數量約束的燃燒效率在線優化控制機制，建立了基于煤品質在線觀測和熱效率在線觀測計算相融合的前饋調控方法；在此基礎上，開發完成了循環流化床鍋爐的燃燒優化控制系統，包括DCS組態式架構、XD-APC組態控制軟件、故障診斷模塊等，實現了循環流化床鍋爐燃燒過程的無人值守閉環穩定控制和高效燃燒優化控制，節能降耗效果明顯。

二、控制方案

1.通信方案

燃燒優化控制系統采用“外掛式”控制方案，系統為加掛在原有DCS系統上的上位軟件，通過DCS系統輸入輸出數據。本系統與DCS系統通信時，可以采用OPC或Modbus進行通信。在單獨的工作站上安裝控制系統，系統運行時啟動OPC(或Modbus)服務進程，軟件通過自帶的OPC(或Modbus)客戶模塊與DCS網絡上的OPC(或Modbus)服務器相連，通過OPC(或Modbus)服務器讀取測量數據，并輸出給OPC(或Modbus)服務器，再由OPC(或Modbus)服務器將數據實時寫入DCS相應的I/O點。不影響DCS系統已有的功能，安全可靠。系統結構如圖1所示。

圖1

2.負壓--引風控制系統實施方案

采用單回路控制方式，測量(被控)信號為爐膛負壓，調節信號為引風機擋板開度（若擋板常開，則調節變頻電流），控制器算法為IFAP算法(無辨識自適應預估控制)。為使控制更加平穩，加入燃燒系統的控制指令作為前饋信號，使控制系統可以提前動作應對負荷擾動。該控制系統相對獨立，其控制回路需要時可以獨立切換為DCS的控制方式（圖2）。

圖2 負壓--引風控制系統

3.燃燒控制系統的實施方案

燃燒（給煤）控制系統為燃燒優化控制系統的核心部分，包括主蒸汽壓力-密相溫度-給煤控制系統及一次風、二次風自動調節系統。該系統各部分互相聯系、又相對獨立，可以獨立投運。

主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統采用專利控制技術——無辨識自適應預估控制技術，為三級串級控制系統（見圖3），主控制對象為各臺鍋爐的出口主蒸汽壓力(測量)，壓力給定在單爐控制時由人工給定。控制系統的副控制器為床溫，通過下部床溫多個測點的特殊平均值(該計算方法可以自動剔除誤測值)計算出床溫平均值作為被控信號，床溫給定則由主控制器自動給出，通過調節給煤量控制溫度。

圖3 燃燒控制系統

(1)主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統的串級結構的設置主要為了應對煤質變化。由于床溫對煤質變化較為靈敏，串級方式有利于控制器及時對煤質變化作出反應，及時增加或減少給煤量。

(2)對于外界負荷變化，主要通過預估引進前饋控制量，使給煤控制器能及時動作。主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統的主控、副控均采用IFAP控制器，以應對調節滯后和工況多變的過程特性。

(3)每臺爐的各臺給煤機的分配采用“跟蹤平均分配”和偏置分配，即手動時，控制器自動跟蹤實時的給煤分配比例，投入自控后，在跟蹤的比例的基礎上，將需要增加或減少的給煤量平均分配給各臺給煤機。在自動控制時，操作人員可調整“給煤偏置”來在線修改給煤分配比例。

(4)給煤機連鎖控制。主要處理在給煤機跳機或斷煤情況下的自動控制。當某臺或某幾臺給煤機斷煤時，控制系統會自動按設定的方式將煤量分配給其余正常運行的給煤機，保持總煤量的穩定，當給煤機恢復正常以后，控制系統會自動恢復斷煤時的煤量，無需人工干預。

4.一次風、二次風控制系統的實施方案

一、二次風控制目標是為燃燒過程提供足夠的氧量和流化風量，包括風量給定值計算和風量控制兩個子系統。

一次風控制的主要目的是維持風煤比穩定和床溫工作點的需求，風煤比為一次風量和給煤量的比例，故控制的一次風量會隨著給煤量的增減而自動增減?？刂破鞯恼{整對象為一次風機入口擋板開度。風煤比的給定值在控制器處于“手動”位置時會自動跟蹤實際風煤比值的10min平均值(5s計算1次)，一旦控制器處于“自動”狀態，風煤比給定值即為投入自動時的風煤比平均值，在自動控制狀態下，根據爐膛粒子濃度分布和床溫對風煤比給定進行在線修正(圖4)。

圖4 一次風控制系統

二次風量給定按一二次風比率和氧量給定計算。二次風控制的調節對象為二次風機入口擋板開度(若擋板常開，則調節變頻電流)，如圖5所示。

圖5 二次風（氧量）控制系統

風量控制器均采用單回路的IFAP控制方式，可獨立切換控制方式?？傦L量的實測值將被引入主蒸汽壓力控制系統，作為部分控制參數的校正依據。同時，主蒸汽控制部分的測點和控制結果也將引入風量系統，作為給定計算和風量控制的校正依據和限制依據。風量給定值計算將是在線優化的主要對象，在實現閉環自動控制的基礎上，可以對風量的給定計算進行優化處理，以提高鍋爐的效率。

三、系統實施效果

整個系統的實施包括優化控制系統與DCS的通信、優化控制方案在線仿真、投運準備、試運行、驗收投運五個階段。該系統投運近1年來，運行穩定可靠、控制精度高。主汽溫度±3℃，主汽壓力±0.15MPa，主蒸汽參數達標率明顯提高，同時風機電耗、排煙溫度、飛灰含碳量等均有下降，經專業檢測機構測試，鍋爐綜合熱效率提高1.5%以上，每臺鍋爐年節約標煤2 000t以上，年節約成本200萬元以上。