循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的優(yōu)化方法

摘要：主要根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐（CFB）的燃燒過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，分析了循環(huán)流化床鍋爐（CFB）燃燒過程自動(dòng)控制的特點(diǎn)以及其自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)途徑，最后提出了循環(huán)流化床鍋爐（CFB）的燃燒過程自動(dòng)控制的優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞： 循環(huán)流化床鍋爐（CFB） 燃燒過程 自動(dòng)控制 DCS PID 模糊控制 優(yōu)化方法

1.循環(huán)流化床鍋爐CFB的控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)中、大型循環(huán)流化床鍋爐CFB（Circulating Fluidize Bed）投運(yùn)數(shù)量越來越多，這些電廠一般采用DCS （Distributed Control System：分散控制系統(tǒng)）進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行控制。DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用于煤粉鍋爐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)很成熟，而且自動(dòng)化水平、安全性都比較高。對(duì)于國(guó)內(nèi)的循環(huán)流化床鍋爐，目前的DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)狀基本是套用煤粉爐的DCS控制邏輯，只是稍加改動(dòng)；另外基于國(guó)內(nèi)電廠基建現(xiàn)狀，多數(shù)機(jī)組都是在搶工期的情況下投運(yùn)的，所以留給控制系統(tǒng)研究人員的研究時(shí)間幾乎沒有。然而循環(huán)流化床鍋爐的燃燒機(jī)理十分復(fù)雜，循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)尚處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)中變量之間的耦合比較緊密，而且具有嚴(yán)重的非線性。循環(huán)流化床鍋爐熱工自動(dòng)控制，特別是燃燒自動(dòng)控制方面的問題已成為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要障礙，循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行自動(dòng)化已成為其走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵之一。

在機(jī)組基建調(diào)試期間，大家對(duì)于控制系統(tǒng)一般都是只要能保證鍋爐正常啟動(dòng)和停運(yùn)就行了，至于控制系統(tǒng)的優(yōu)化、邏輯的優(yōu)化、自動(dòng)的投入與優(yōu)化、鍋爐保護(hù)的設(shè)定等都是簡(jiǎn)單地在煤粉爐的控制理念下做一些簡(jiǎn)單修改。然而，循環(huán)流化床鍋爐和煤粉鍋爐從燃燒機(jī)理上說有很大的區(qū)別，這就決定了控制邏輯及理念應(yīng)該有很大的不同。所以套用煤粉鍋爐的控制理念往往不能適合循環(huán)流化床鍋爐。這也就是目前為什么許多循環(huán)流化床鍋爐很多自動(dòng)投不上、許多保護(hù)不敢投，從而造成循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行人員數(shù)量多，勞動(dòng)強(qiáng)度高，效率低下等，而且鍋爐的運(yùn)行也極為不穩(wěn)定。這就給我們的制造廠、電廠及試驗(yàn)研究人員提出了一個(gè)課題：如何使DCS控制系統(tǒng)更加適合循環(huán)流化床鍋爐。

2.循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的特點(diǎn)

循環(huán)流化床鍋爐不同于煤粉爐，其控制回路多，系統(tǒng)比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)一般包括以下主要回路：汽包水位控制；過熱汽溫控制；燃料控制；風(fēng)量及煙氣含氧量控制；爐膛負(fù)壓控制；床層溫度控制；料層高度控制；循環(huán)灰控制。對(duì)于汽包水位控制和過熱汽溫控制特性與通常的煤粉爐相同，在此不予以分析，只對(duì)與循環(huán)流化床鍋爐燃燒相關(guān)的控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是使送入鍋爐內(nèi)的燃煤燃燒所提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的需要，同時(shí)還要保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)歸納起來有如下幾個(gè)方面：

2.1.維持主蒸汽壓力穩(wěn)定。汽壓的變化表示鍋爐的蒸汽量與負(fù)荷的耗汽量不匹配，需要相應(yīng)地改變?nèi)剂系墓┙o量，以改變鍋爐的蒸發(fā)量。

2.2.保證鍋爐燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。改變?nèi)剂狭康耐瑫r(shí)，相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使之與燃料量匹配，保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性.

2.3.引風(fēng)量與送風(fēng)量相配合以保證爐膛壓力在正常的范圍內(nèi)，保證爐膛的安全運(yùn)行；

2.4.床層溫度是一個(gè)直接影響鍋爐能否安全連續(xù)運(yùn)行的重要參數(shù)，同時(shí)也直接影響鍋爐運(yùn)行中的脫硫效率及氮化物（NOx）的產(chǎn)生量。一般情況下860℃左右床溫是爐內(nèi)脫硫的最佳溫度，同時(shí)NOx的產(chǎn)量也較低。床溫過低不但使鍋爐效率下降，而且是鍋爐運(yùn)行不穩(wěn)定容易滅火；床溫過高會(huì)使脫硫效率下降、NOx產(chǎn)量大大增加，同時(shí)容易造成爐膛床料結(jié)焦，無法流化燃燒而導(dǎo)致停爐。由此可見，床層溫度是循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行極為重要的參數(shù)。

2.5.料層高度控制也與鍋爐安全連續(xù)運(yùn)行密切相關(guān)，料層太厚，會(huì)把一次風(fēng)的“風(fēng)頭”壓住，使?fàn)t料不能達(dá)到完全流化狀態(tài)；料層太薄，不僅不滿足負(fù)荷要求，而且會(huì)使一次風(fēng)穿透料層吹滅爐火。

2.6.循環(huán)灰控制將直接影響鍋爐的循環(huán)倍率，也對(duì)床溫有一定的影響。

3.循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)典型的多變量被控對(duì)象，但由于對(duì)它的系統(tǒng)的研究不夠完善，還缺乏經(jīng)驗(yàn)及深人的了解，所以在設(shè)計(jì)、分析、研究其控制系統(tǒng)時(shí)只能仍采用傳統(tǒng)的方法。目前循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍采用常規(guī)PID（Proportional Integral Differential：比例積分微分）控制，通常由燃料控制、總風(fēng)量控制、一次風(fēng)控制、二次風(fēng)控制、燃燒室負(fù)壓控制、床溫控制、料層高度控制、循環(huán)灰控制等幾個(gè)有機(jī)聯(lián)系的控制單元構(gòu)成。即人為地把被控對(duì)象分成許多單變量系統(tǒng)進(jìn)行控制，這種控制方法雖然簡(jiǎn)單、易行，局部分析是合理的，但整體考慮會(huì)存在許多問題，對(duì)進(jìn)一步提高自動(dòng)控制水平將存在很大的局限性，有的甚至不能滿足機(jī)組的正常運(yùn)行。

對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐燃燒的控制，我們從宏觀上看，不管你怎么控制都要首先維持床層溫度的穩(wěn)定，影響床溫的幾個(gè)被控對(duì)象關(guān)系的錯(cuò)綜復(fù)雜。

可以看出各個(gè)參量是互相耦合在一起的，要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，靠單純的PID控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以必須把先進(jìn)的控制理念引進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐的控制系統(tǒng)，即模糊控制。這對(duì)于我們從事流化床鍋爐研究的工作者來說是一個(gè)課題，實(shí)踐證明，模糊控制能夠?qū)r(shí)變、非線性和復(fù)雜的被控對(duì)象進(jìn)行較為有效的控制。為此，應(yīng)用模糊控制理論對(duì)常規(guī)PID進(jìn)行改進(jìn)，并與模糊控制有機(jī)結(jié)合起來，形成一種“綜合性控制方案”，再配合多種前饋控制方案，應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)這一非線性復(fù)雜對(duì)象，將達(dá)到滿意的效果。

4.循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的優(yōu)化方法

循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制要保證鍋爐的安全運(yùn)行、床溫的穩(wěn)定、靈活的參與機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，要達(dá)到上述目的，我們必須要搞清楚幾個(gè)關(guān)系即：燃煤量和負(fù)荷的關(guān)系；燃煤量和床溫的關(guān)系；負(fù)荷和床溫的關(guān)系；爐膛受熱面吸熱量和床溫、煤量的關(guān)系。另外我們必須要重視循環(huán)流化床鍋爐的熱蓄能量。搞清楚這些，我們就不難確定我們要控制的元素，從而采用模糊控制結(jié)合DCS功能實(shí)現(xiàn)我們的控制目的。其實(shí)宏觀的看只要我們搞清楚循環(huán)流化床鍋爐的熱蓄能量，就可以很好地控制鍋爐了，這也是循環(huán)流化床鍋爐不同于煤粉爐的控制，但是可惜我們很難知道運(yùn)行的流化床鍋爐到底有多大的蓄能。要想有效的控制好鍋爐，我們引入模糊控制就可以解決這個(gè)問題。我們讓控制系統(tǒng)模仿人的經(jīng)驗(yàn)思維，然后再用理論計(jì)算進(jìn)行校正，最后通過DCS實(shí)現(xiàn)我們的目的。

舉個(gè)例子：協(xié)調(diào)控制現(xiàn)在要降負(fù)荷，要是人操作，就會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)減煤、減風(fēng)，考慮到鍋爐的蓄能量運(yùn)行人員肯定會(huì)先多減一些煤，等降下來時(shí)運(yùn)行人員會(huì)再把煤量加至和當(dāng)前負(fù)荷相匹配的煤量，在這個(gè)過程中鍋爐的床溫、一次風(fēng)、二次風(fēng)、氧量、料層高度、循環(huán)灰等都會(huì)有不同程度的變化，也需要對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整。搞清楚了這個(gè)過程和上面所說的那幾個(gè)關(guān)系，我們就可以通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制了。其他情況諸如升負(fù)荷、故障情況和各種不可預(yù)見的擾動(dòng)因素（媒質(zhì)變化等）都可以用同樣的方法實(shí)現(xiàn)。

目前，國(guó)產(chǎn)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已有許多不同方法，但尚存在很多不完善的地方，根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的燃燒運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，對(duì)機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是十分必要的。

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