實用型熱力鍋爐優化燃燒的智能控制

楊廣鑫,劉占查,宋小軍

(1.天津大沽化工股份有限公司,天津 300455;2.河北國超信息科技有限公司,河北 辛集 052360;3.霍家工業有限公司自備電廠,山西 長治 046000)

循環流化床鍋爐(Circulating Fludized Bed Boiler，以下簡稱CFB鍋爐)是氯堿化工等行業用電、供蒸汽的主要設備。

CFB鍋爐具有燃料適用范圍廣、爐內脫硫效率高、NOx排放量小、燃燒效率高、負荷調節比大及灰渣可綜合利用等優點。

1 熱力鍋爐現狀

CFB鍋爐的燃燒技術以流態化原理為基礎，煤轉化為固定大小的顆粒，入爐后很快著火燃燒。具有能夠穩定燃燒各種劣質煤的特點，對含硫量較高的燃料，也能達到脫硫效率的97.5%。所燃用的煤質(熱值和灰分)是影響鍋爐熱效率的主要因素。目前國內CFB鍋爐主要用于燃燒劣質煤，即熱值為16.72 MJ/kg以下的煤種[1]，都能達到所需的熱效率。

1.1 循環流化床鍋爐工藝流程

CFB鍋爐是由汽水系統、燃燒系統、氣固分離循環系統、對流煙道等組成[2]。燃燒系統包括給煤系統、返料系統、風系統、煙道和燃燒室。CFB鍋爐工藝流程如圖1所示。

圖1 循環流化床鍋爐工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of circulating fluidized bed boiler

CFB鍋爐工作原理：鍋爐燃燒所需的一次風(主燃)和二次風(助燃)分別從爐膛的底部和側墻送入，燃料的燃燒在爐膛內完成，爐膛四周布置有水冷壁，用于吸收燃燒所產生的熱量。由氣流帶出爐膛的固體物料在旋風(氣固)分離裝置中被收集并通過返料裝置送回爐膛[3]。

CFB鍋爐屬于低溫燃燒。燃料由爐前給煤系統送入爐膛，一次風由布風板下部送入燃燒室，確保料層流化；二次風沿燃燒室高度分級多點送入，增加燃燒室的氧量，保證燃料完全燃燒。

1.2 燃燒過程操作現狀

1.3 燃燒過程控制升級

隨著科學發展和技術進步，制造業提升改造在不斷地進行。外接控制器的出現，給老企業自動化水平的提高帶來了新的生機，升級改造控制系統的構成如圖2所示。

圖2 DCS外接控制器示意圖

與此同時，也會給企業帶來額外的設備投資，并增加了硬件設備的故障點。僅從設備與結構組成分析，雙機運行并非一用一備。DCS肩負著數據采集、控制指令輸出的功能，而外接控制器起到了控制回路優化的作用，數據傳輸通過通信接口完成數據交換。雙機并行有4種組合：雙機正常運行；雙機同時故障，控制系統癱瘓；外接控制器出現故障時，將恢復原DCS功能(喪失回路優化控制)；DCS發生故障時，會造成被控對象的失控而迫使工藝停車。

從DCS的運算速度和存儲空間看，當今的DCS有足夠快的運算速度和足夠大的存儲空間。而目前熱力鍋爐選用的DCS，除開停車邏輯控制和安全聯鎖外，鍋爐工況的運行過程只停留在手動遠程操作，即相當于大型的DCS手操器。所以，對于嵌入鍋爐燃燒控制策略，完全可以滿足運算速度和存儲空間。即便采用了外接控制器，同樣需要優化燃燒的控制策略。

2 鍋爐優化燃燒的控制策略

在鍋爐燃燒過程中，通過調節燃料維持主蒸汽壓力的穩定，對整個鍋爐系統的運行起著重要的作用。優化燃燒控制是以主蒸汽壓力、煙氣氧量為控制對象，通過調節進入爐膛的燃料量，保持主蒸汽壓力的穩定；調節進入爐膛的風量(一、二次風)，提供燃料燃燒所需要的空氣量，以提高燃燒過程的經濟性；調節引風量，達到進出風量平衡、爐膛壓力穩定。

以常規PID控制與模糊算法相結合，在PID調節的基礎上，運用模糊推理，根據被控對象的變化，實時對系統進行調節是解決復雜非線性、大遲延、大慣性和多變量控制的最佳方法。燃燒系統調整與控制的好壞直接影響鍋爐的穩定運行、安全生產和經濟成本。通過這一方法優化燃燒控制，能夠有效地改善系統的動態品質，對工況改變、模型變化的魯棒性有較大的提高。

2.1 爐膛壓力

保證鍋爐安全運行的最基本條件是維持合適的爐膛壓力。

對比超聲心動圖及心臟超聲造影對心臟占位性病變的診斷情況，占位病變類型包括血栓及腫瘤，腫瘤包括良性腫瘤及惡性腫瘤[3]。

爐膛壓力位置為通風動力場的平衡點，處于爐膛折焰角、多點(前墻、左右側墻)分布，檢測范圍-500～500 Pa。在使用前可將多點信號取平均值作為被控變量；一般配備2臺(并聯)調節參數的引風機，通過變頻調整轉速達到改變風量的目的。

設爐膛壓力p爐膛的論域為[pmin，pL，pset，pH，pmax]，由模糊化、推理、解模糊輸出，通過改變引風量，對爐膛壓力進行控制。

IF(pL

IF(p爐膛≥pH) THEN 策略1。

IF(p爐膛≤pL) THEN 策略2。

策略1：2臺引風機優先低轉速遞增，交替調節。策略2：2臺引風機優先高轉速遞減，交替調節。為此達到了爐膛壓力穩定的控制。

2.2 料層壓差

料層壓差是反映燃燒室料層厚度的參數，檢測風室與燃燒室上界面之間的壓力差，其測量范圍0～15 kPa。以料層壓差為被控變量，可通過爐底排放底料(渣)的方法來調節料層厚度。其大小影響鍋爐的流化質量，料層厚度過大，流化不好造成爐膛結焦或滅火。一般控制在7 000～9 000 Pa之間。

根據鍋爐燃燒燃料的不同，有爐底連續或間歇排渣2種方式。單一煤或煤泥為燃料的鍋爐，可采用連續排渣(渣多)控制；由多種燃料燃燒的鍋爐，煤氣或燃油與煤混合燃燒，可采用間歇式排渣(渣少)。無論是連續還是間歇控制，除提升機、鏈斗機、冷渣機啟停操作順序外，均以料層壓差為域，由一維模糊控制器，能夠較好地控制料層厚度。

2.3 燃燒系統

燃燒系統是以主蒸汽壓力、煙氣氧量為被控變量，調節燃料(給煤)量、進風量(一、二次風)，由爐膛壓力配合調節進出風量。同時，以料層(爐膛)溫度修正燃燒系統調節參數，防止爐內結焦、停車事故發生；以爐膛壓差(爐內固體物料濃度)為監控參數，由排渣配合，控制好負荷下鍋爐的傳熱系數。以煤種的灰分和粒度修定爐膛壓差的上限和下限，作為啟動和停止循環物料排放的分界點。

設p主汽域為[pmin，pL，Pset，pH，pmax]、煙氣氧量A煙氣域為[Amin，AL，Aset，AH，Amax]，設置料層(爐膛)溫度T料層的[Tmin,Tmax]上下限和爐膛壓差Δp爐膛的[Δpmin, Δpmax]上下限，根據被控對象動態特性的相關性、非線性、時變性，通過調節燃料量、進風量，建立并實施多變量解耦模糊控制，實現鍋爐優化燃燒的目的。用敘述的方法描述控制程序如下。

①當p主汽大于pL且小于pH時，燃料不做任何調整，轉至④；

②當p主汽大于pH時，減少給煤量，使主蒸汽壓力下降至[pL,pH]范圍內，轉至④；

③當p主汽小于pL時，調節進風量(二、一次風)，使煙氣氧量A煙氣大于Aset，增加給煤量，使主蒸汽壓力上升至[pL,pH]范圍內；

④當A煙氣大于AH時，減少進風量(二、一次風)，使煙氣氧量A煙氣降至[AL,AH]范圍內，轉至⑥；

⑤當A煙氣小于AL時，增大進風量(二、一次風)，使煙氣氧量A煙氣升至[AL,AH]范圍內；

⑥當T料層高于Tmax時，減少煤量，加大進風量(一次風)，若燃燒系統被控參數無法滿足要求，則報警提醒超負荷，轉至⑧；

⑦當T料層低于Tmin時，增加煤量、風量，若滿足不了工況要求，須報警通知負荷過低；

⑧當Δp爐膛高于Δpmax時，在返料量不變時降低料層厚度，返回①；

⑨當Δp爐膛低于Δpmin時，在返料量不變時升高料層厚度，返回①。

利用神經網絡具有逼近任意非線性函數的能力，對鍋爐的優化燃燒進行BP(反向傳播算法)神經網絡控制。以替代控制器進行推理，具有模擬人的部分智能的特性(主要是具有非線性的自適應性)，使神經控制對變化的環境(外部擾動、被控對象的時變特性)具有自適應性，而且不依賴于模型的控制方法[4]，其優化燃燒智能控制系統的構成如圖3所示。

3 結語

鍋爐性能優化系統基于先進的人工神經網絡技術和專家系統，通過優化鍋爐運行系統參數，實現CFB鍋爐燃燒的智能控制，從而建立并維持良好的熱循環回路。智能燃燒控制系統能夠穩定鍋爐主汽壓力及過熱、再熱汽溫，提升運行的安全性、穩定性、協調性和效率，預防或治理結焦結渣，降低污染物(氮氧化物等)排放和燃燒煤耗，有效助力氯堿企業節能降耗。

圖3 鍋爐燃燒系統的控制構成圖Fig.3 Diagram of control components of boiler combustion system