循環流化床鍋爐燃燒系統優化控制研究

韓璞，周鵬遠，張倫

（1.河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心（華北電力大學），河北保定071003；2.神華神東電力新疆準東五彩灣發電有限公司，新疆昌吉831100）

循環流化床鍋爐燃燒系統優化控制研究

韓璞1，周鵬遠1，張倫2

（1.河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心（華北電力大學），河北保定071003；2.神華神東電力新疆準東五彩灣發電有限公司，新疆昌吉831100）

循環流化床鍋爐燃燒被控對象有著非線性、時變性及多變量強耦合的特點，尋常的控制方式難以達到理想的控制效果。通過利用一次風調節的快速性來控制床溫，利用調節給煤機的供給速度來控制主汽壓，以此對原有DCS中床溫控制回路和主蒸汽壓力控制回路的SAMA圖進行優化，并將前饋補償控制的原理運用在燃燒系統控制中。結合上述控制方案，利用粒子群優化算法，對控制器參數進行優化。通過對優化前后的控制效果圖進行比較，優化后的控制系統不僅能提高鍋爐控制系統的自動化水平，還對減排降耗提高能源利用率具有重要意義。

循環流化床；主蒸汽壓力；床溫；粒子群優化算法；優化控制

0 引言

循環流化床鍋爐（CFBB）作為近年來國際上發展起來的新一代燃燒鍋爐，具有燃料適應性強、燃燒效率高、氮氧化物排放低、脫硫率高、負荷調節性能好等特點，因而受到了廣泛的重視，在電力、供熱、工廠蒸汽生產中得到了廣泛的應用［1］。

循環流化床鍋爐具有多參數、非線性、大慣性以及多變量強關聯的復雜系統的特點，使其成為一種很難控制的復雜熱工對象［2］。CFB鍋爐獨有的特點使其控制系統和傳統的煤粉爐控制系統存在很多差別，具有眾多的輸入輸出參數，并且參數之間關聯度強，這都使得CFB鍋爐的控制系統更加復雜，需要實現比傳統煤粉爐更加復雜的控制任務［3］。這就需要綜合全面地分析循環流化床的特點，還要引進新的切實可行的控制策略來改進循環流化床的控制系統，實現對鍋爐安全可靠的控制，提高燃燒效率，保證穩定的帶負荷能力，在提高整個系統的經濟性的同時提高能源的利用率［4］。

本文主要研究的控制對象是CFBB燃燒系統的主蒸汽壓力和床層溫度，通過利用一次風調節的快速性來控制床溫，利用調節給煤機的供給速度來控制主汽壓，以此對原有DCS中床溫控制回路和主蒸汽壓力控制回路的SAMA圖進行優化，并將前饋補償控制的原理運用在燃燒系統控制中。利用粒子群優化算法，對控制器參數進行了優化。通過對優化前后的控制效果圖進行比較，優化后的控制系統不僅能提高鍋爐控制系統的自動化水平，還對減排降耗提高能源利用率具有重要意義。

1 主蒸汽壓力控制

維持主蒸汽壓力的穩定是循環流化床鍋爐燃燒控制的一個重要目標，對其控制是為了使主蒸汽壓力的變化跟隨負荷的需求。主蒸汽壓力是通過控制過熱器出口汽壓或母管汽壓來實現，在只有一臺鍋爐運行時，主蒸汽壓力是通過過熱器出口壓力控制實現；當幾臺鍋爐并列運行，則通過母管汽壓調節實現。在鍋爐運行中，如果出現主蒸汽壓力波動的情況，說明產汽量和耗汽量不能匹配，需要采取措施來實現主蒸汽壓力的穩定［5］。主蒸汽壓力的控制主要是通過調節燃料量來實現。

2 主蒸汽壓力優化控制系統

2.1 主蒸汽壓力優化控制回路

循環流化床鍋爐的一個重要指標就是主蒸汽壓力，主蒸汽壓力會隨負荷的變化而變化，通常是通過調節燃料量使得燃料燃燒釋放的熱量符合負荷的要求，從而保證主蒸汽壓力的穩定。由于燃料量的變化會引起鍋爐其他熱工參數的變化，因此燃料量的控制對整個鍋爐控制來說非常重要。主蒸汽壓力的優化控制回路如圖1所示，采用前饋—反饋控制回路，主汽壓調節器采用PID調節器。

圖1 主蒸汽壓力優化控制回路

圖2 主蒸汽壓力前饋控制SAMA圖

選取給煤機的給煤量為控制量，被控量為主蒸汽壓力，而床溫和管路中的主蒸汽流量作為前饋信號，通過圖2的前饋SAMA圖可以清楚反映出前饋控制的構成。因為床溫過高或者過低都會影響鍋爐的運行效率，甚至造成安全隱患，床溫過高可能會導致爐內結焦，影響脫硫效率；溫度過低會降低爐內的燃燒效率，嚴重時會造成滅火事故，因此需選擇床溫作為前饋信號。主蒸汽流量的波動會影響鍋爐的經濟性，因此需選其作為前饋信號來避免波動的發生。

通過圖3主蒸汽壓力優化控制回路SAMA圖，可以看出對于主蒸汽壓力的控制可以實現手動自動切換。手動自動切換需滿足兩個條件：PID的輸出跟蹤手操器的輸出；在手動切換自動時，PID的設定值需與此時的過程量相等。PID控制器只有在自動時具有控制作用，此時手操器閑置，對輸出量的控制是通過PID控制的輸入設定值來實現，PID控制器起到減小設定值和輸出值差距的作用。而在手動操作時，是通過手操器給予設定值，PID控制器只起到跟隨手操器輸出的作用，不具備控制作用。

圖3 主蒸汽壓力控制回路SAMA圖

2.2 主蒸汽壓力控制系統PID參數優化

在燃料量的擾動下，主蒸汽壓力被控對象的動態特性可用如下傳遞函數表示［6］

在采用粒子群優化算法進行PID參數優化時，需要分析系統特性，給出與之對應的PID參數的上下限范圍，這關系到優化過程能否快速得到最優參數，保證了所得解的可行性和最優性。主蒸汽壓力系統的控制器采用的是PI控制，因此需要提前給出比例帶和積分時間的范圍，采用的方法是：以控制器最初的PI參數為中心，適當地擴大參數范圍，通過在Matlab中粒子群優化算法主程序和目標函數的子程序的運行，多次實驗得到比例帶、積分時間的范圍是：

經過調試仿真實驗，觀察目標函數優化前后響應曲線圖4，整定出一組最優PID參數［0.16，286.56］。

圖4 主蒸汽壓力優化前后響應曲線

可以看出經過優化后的系統動態性能得到了明顯提升，控制策略可以滿足燃料量—主蒸汽壓力系統的控制需求。

3 床溫控制

床溫控制是CFB鍋爐所獨有的控制系統，對系統安全穩定高效運行起著至關重要的作用。床溫過低將會導致鍋爐燃料不完全燃燒，致使爐膛熱量損失；床溫過高將會導致爐膛有高溫結焦的風險，并且會脫離爐膛內脫硫的最佳運行溫度，致使脫硫效率變低，同時煙氣中氮氧化物含量也會升高。這些因素床溫控制對于CFB鍋爐而言是必不可少的，而且床溫還必須控制在適當的范圍內。根據以往研究表明在爐內能以最佳效率去除SO2以及NOx的最適溫度區間是850~950℃。床溫作為一個重要的熱工控制參數，影響其變化的條件很多，比如給煤粒度的粗細、排渣系統的排渣量、返料系統的返料量以及煤質變化過大等等。在現場控制中想要將床溫穩定在某一固定的最佳運行溫度是難上加難，通常做法是將溫度控制在合適的溫度范圍之間。因此針對CFB鍋爐的特性常用的床溫控制方式有改變排渣量、改變一二次風量配比、改變燃料量等。

4 床溫優化控制系統

4.1 床溫優化控制回路

通過控制一次風量來調節床溫，可以通過調節一次風量擋風板的開度來實現一次風量的調節。一次風量和一次風量擋板開度的數學關系式為［7］

通過前面分析，床溫控制系統的前饋—反饋優化控制回路如圖5所示。

圖5 床溫優化控制回路

系統中主、副控制器都選擇PID控制器，外回路中床溫作為被控量，通過床溫PID調節器控制在合理的范圍內。內回路中通過風量調節器來控制風量，一次風量作為輸入量發生擾動時，通過調節能夠實現快速動作來消除擾動的影響。前饋控制信號引入一次風室壓力、總燃料量以及床溫的最大值。引入一次風室壓力是因為其反映了一次風量的變化，又因為床溫對一次風量是一個逆向響應的過程，引入作為前饋信號可以消除一次風量的影響；為了克服燃料量對床溫影響具有滯后的特點，將燃料量引入到前饋信號使其超前反映到調節器上，使控制品質得到改善；當爐內的床溫過高時，容易導致爐內結焦，因此將床溫最大值加入前饋信號，防止床溫過高帶來的不良影響。圖6和圖7分別是床溫前饋邏輯SAMA圖和床溫控制回路邏輯SAMA圖。

圖6 床溫前饋控制SAMA圖

4.2 床溫控制系統PID參數優化

在一次風量擾動下，床溫被控對象的動態特性可用如下傳遞函數表示［8］

循環流化床床溫控制的主、副控制器采用的都是PI控制，在尋優前需要給出主、副控制器的PI參數范圍。以開始得到的較為合理的參數為中心，在合適的范圍內調整其上下限范圍，在Matlab中編寫粒子群優化算法主程序和目標函數子程序，經過反復實驗確定主、副控制器PI參數的上下限為

參數依次為主控制器比例帶、主控制器積分時間、副控制器比例帶、副控制器積分時間。

經過調試仿真實驗，觀察目標函數優化前后響應曲線圖8所示，整定出一組最優PID參數［0.004 2，279.3，1.64，76.64］。

圖7 床溫控制回路SAMA圖

圖8 床溫控制優化前后響應曲線

可以看出經過優化后的系統動態性能得到了明顯的提升，調節速度變快，超調量變小，控制策略可以滿足一次風量—床溫系統的控制需求。

5 結語

結合循環流化床主蒸汽壓力和床溫控制的特點，引入前饋補償，分析出前饋—反饋控制系統理論上的可行性，同時研究主蒸汽壓力和床溫的控制邏輯的特性。選擇出合適的目標函數，利用粒子群優化算法對控制回路中的PID參數進行尋優。最終將改進的控制系統和整定后的PID參數在仿真系統中加以實驗，通過擾動實驗后主蒸汽壓力和床溫的響應曲線證明控制效果得到了改善，減小了超調量，提升了系統穩定性。

［1］劉艷萍.電力與經濟協調發展的辯證關系［J］.北方經濟，2012（12）：32－33.

［2］楊福濤.拋煤機鏈條爐和煤粉爐改循環流化床鍋爐技術研究［D］.濟南：山東大學，2006.

［3］劉媛.國產化300 MW循環流化床機組鍋爐燃燒系統研究［D］.北京：華北電力大學，2012.

［4］閆琦.循環流化床鍋爐燃燒系統建模與控制應用研究［D］.南京:東南大學，2012.

［5］張興.大型循環流化床鍋爐的控制策略研究［D］.北京：華北電力大學，2012.

［6］常莉莉.模糊神經網絡在循環流化床中的應用［D］.北京：華北電力大學，2007.

［7］韓璞，董澤，王東風，等.智能控制理論及應用［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［8］EDWARD B，MAGRAB，LI Xinye，et al.MATLAB principle and engineering application［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2002.

Optimal Control Research of Circulating Fluidized Bed Boiler Combustion System

HAN Pu1，ZHOU Pengyuan1，ZHANG Lun2
（1.Hebei Engineering Research Center of Simulation&Optimized Control for Power Generation（North China Electric Power University），Baoding 071003,China；2.Shenhua God East Power in Xinjiang ZhunDong Multicoloured Bay Power Generation Co.，Ltd.，Changji 831100，China）

The circulating fluidized bed boiler has characteristics of nonlinearity，time variation and multi variable strong coupling，which causes that the conventional control method is difficult to achieve the desired control effect.Therefore，in the light of those problems，in this study，the primary air is used to control the bed temperature based on characteristics of its rapidity，the main steam pressure is controlled by monitoring the supply speed of the coal feeder.Then the SAMA diagrams of the original bed temperature control circuit and the main steam pressure control circuit are optimized and the feedforward compensation control is exploited in combustion system control.Combined with the above control scheme and using the particle swarm optimization algorithm，the controller parameters are optimized.By comparing the control results before and after optimization，it is found that the optimized control system can improve the automation level of boiler control system and has significance for improving the energy efficiency

circulating fluidized bed boiler；main steam pressure；bed temperature；PSO；optimal control

TK323

A

1007－9904（2016）12－0067－05

2016-11-10

韓璞（1959），男，教授、博士研究生導師，從事火電機組建模與仿真研究工作；

山西省煤基重點科技攻關項目（MD2014-03-06-02）國家自然科學基金（71471060）

周鵬遠（1990），男，碩士研究生，從事火電機組建模與仿真研究工作；

張倫（1972），男，工程師，從事電廠技術管理工作。