（控制理论与控制工程专业论文）基于负荷分段模型的cfbb燃烧控制系统的研究.pdf

华北电力火学硕士学位论文摘要 摘要 循环流化床锅炉燃烧系统是一个分布参数、非线性、时变、多变量耦合紧密的 控制对象，燃烧控制难，自动化水平不高。本文分析了循环流化床锅炉的运行特性， 提出了基于负荷分段模型燃烧控制系统的设计思想。设计了燃烧控制系统的各子系 统。由于床温和主汽压力二者之间存在着强耦合，所以提出了一种神经网络在线解 耦控制算法。该算法结合了神经网络自适应开环解耦算法和基于神经网络的参数自 适应p i d 控制算法，用来实现对床温一主汽压力这对强耦合被控对象的解耦控制。 通过对设计方案的仿真研究，结果表明：该设计方案具有良好的解耦效果，控制系 统的调节品质令人满意，并具有良好的鲁棒性和抗扰动能力。 关键词：循环流化床锅炉，燃烧系统，解耦控制，神经网络，仿真 a b s t r a c t t h ec o m b u s t i o ns y s t e mo fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e ri sa no b je c tt h a th a s m a n yf e a t u r e s ：d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r s ，n o n l i n e a r ，t i m e v a r y i n ga n dal o to ft i g h t l y c o u p l e dv a r i a b l e si ti sd i f f i c u l ta n dt h ea u t o m a t i o nl e v e li sl o w t h ea r t i c l ea n a l y s i st h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c o fc 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 ，g i v i n ga ni d e ao fl o a d b a t c h i n gm o d e li nd e s i g n i n g d e s i g n i n ge a c hs u b s y s t e m so ff i r i n gc o n t r o ls y s t e m a s b e dt e m p e r a t u r ea n dm a i nv a p o rp r e s s u r ea r et i g h t e n i n gc o u p l eb e t w e e nt h e m ，s ot h e a r t i c l eg i v e san e u r a ln e t w o r k so n - l i n ed e c o u p l i n gc o n t r o la l g o r i t h m t h ea l g o r i t h m a s s o c ia t e sn e u r a ln e t w o r k so p e n i n g l o o pd e c o u p l i n gc o n t r o la l g o r i t h ma n dp a r a m e t e r s a d a p t i v ep i dc o n t r o la l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nn e u r a ln e t w o r k s ，t or e a l i z ed e c o u p l i n g c o n t r o li nb e dt e m p e r a t u r ea n dm a i nv a p o rp r e s s u r ew h i c ha r et i g h t l yc o u p l ec o n t r o l l e d v a r i a b l e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h ed e s i g np r o g r a mc a nd e c o u p l i n gc o n t r o l v e r yw e l l ，t h eq u a l i t yo fc o n t r o ls y s t e mi sg o o da n dt h er o b u s t n e s sa n da n t i i n t e r f e r e n c e q u a l i t ya r ea l s og o o d w a n gy i j i a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y ux i n i n g k e yw o r d s ：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 ；f i r i n gs y s t e m ；d e c o u p l i n gc o n t r o l ； n e u r a ln e t w o r k s ；s i m u l a t i o nr e s e a r c h 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于负荷分段模型的c f b b 燃烧 控制系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。掘本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：斑整日期：2 q 西：( 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：玉诎 日 期：n 口：【 导师签名 日期：! 墨：! ： 华北电力人学硕士学位论文 1 1 循环流化床的发展 第一章引言 循环流化床技术( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，简称c f b ) 是八十年代国际上发展 起来的新一代高效、低污染清洁燃烧技术，具有燃料适应性广、负荷调节性能好、 狄渣综合利用以及有害气体排放量低等优点，自它问世以来在世界各主要工业国家 得到了迅速的发展。流化床燃烧在电站锅炉、工业锅炉、窑炉和焚烧各种废物、烧 水泥等领域得到了广泛的应用。流化床燃烧是介于层燃燃烧与煤粉燃烧之间的一种 燃烧方式。层燃燃烧效率低，煤粉燃烧效率高，但气体污染排放物多。流化床燃烧 则克服了二者的某些缺点保留了它们的优点，是一种很有竞争力和优势的洁净燃 烧技术。专家估计，2 1 世纪将是流化床燃烧技术在大型电站锅炉、工业锅炉和各种 废物焚烧炉等方面得到广泛应用的世纪。 一、常规流化床燃烧 第一台成功运行的流化床是德国人温克勒( f r i zw i n k l e r ) 于1 9 2 1 年1 2 月发明的， 他将燃烧产生的烟气引入一装有焦炭颗粒的炉室底部，然后观察到了固体颗粒因受 气体的阻力而被提升，整个颗粒系统看起来就像沸腾的液体。温克勒所发明的流化 床使用 l i 颗粒床料。快速流化床则是由麻省理工学院的刘易斯( w a r r e nk l e w i s ) 平n 青 争兰f e d w i nr g i l l i l a n d ) 在1 9 3 8 年1 2 月最早发明的。当时他们不在为流化床催化裂 化过程( f c c ) 设想一种合适的气固接触工艺，当气流以3 m s 的速度自下而上通过 装有f c c 颗粒( 平均粒径5 5um ) 的容器时，发现了细颗粒的聚集以及较高的气固 相对速度。6 0 年代初，埃利奥特( d o u g l a s se l l i o t t ) 与英国煤炭利用研究协会和煤 炭局一起玎发流化床燃煤锅炉，几年之后第一台常蕊流化床锅炉投入了运行【i l 。 二：、孤环流化床燃烧 常规流化床燃烧宽筛分煤粒时，带离燃烧室的细颗粒份额较大，炭来完全燃烧 损失大，燃烧效率不高。为了克服燃烧效率不高的缺点，收集飞狄再循环燃烧的流 化床技术应运而生。第一台由鲁奇( l u r g i ) 公司开发的燃煤循环床锅炉于t 9 8 2 年 在德国投入运行，其热功率为8 4 m w 。中国于1 9 8 2 年开始循环流化床燃烧技术的 研究，至今有2 0 0 多台循环流化床锅炉投入运行i 【j 。 三、增压流化床燃烧 增压流化床燃烧是5 4 发展起来的煤清洁利用技术之一，它具有巨大的发展潜 力。增压流化床燃烧与常压流化床燃烧相比，其燃烧效率、发电效率更高，污染控 制性能更好，锅炉设备更为紧凑。第一代增压流化床联合循环电厂，其发电效率可 一些：坐坐查盔堂堡主堂笪丝窒 达4 5 ，第二代增压流化床联合循环电厂，发电效率可达5 0 。燃煤增压流化床锅 炉除用于装备新联合循环电厂外，该技术对改造煤粉锅炉电厂，提高其发电效率并 降低污染排放办是适宜的。 1 2 循环流化床锅炉的特点及优点 随着国民经济的增长，能源消耗急剧增加，能源与环境成为当今社会发展的两 大问题。我因是产煤大国，也是用煤大国，目前一次能源消耗中煤炭占7 6 ，而煤 炭中有8 4 直接用于燃烧。随着煤炭消耗的不断增长，特别是低质煤的使用，使因 转换效率低造成的资源浪费和无控制排放造成的环境污染问题变得愈加严重。常舰 煤炭燃烧装置对煤种的适应性差，并且缺乏经济和有效的煤气脱硫系统，是造成普 遍低燃烧效率和环境污染的最主要原因。因此，寻求一种高效、低污染燃煤技术， 开发新的燃烧设备成为当务之急。 循环流化床( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 简称c f b ) 燃烧技术是近几年来在 国际上发展起来的。该技术以其高效、低污染和良好的经济性成为引人注目的能源 “三e ”利用技术，使它在锅炉上得以j 。泛应用。循环流化床是处于煤的层燃燃烧 和煤粉燃烧之问的一种燃烧方式，兼有这两种燃烧方式的优点，同时克服了它们的 一些缺t i ，其优点主要如下： i 、蓄热量极大，燃烧稳定，燃料的适应性好 在c f b 锅炉r p 按质量百分比计，燃料仅占床料的l 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 羞火点温度，】m 同时床层温度没有明显降低。这就使得c f b 锅炉不需辅助燃料丽能 燃用任何燃判。c f b 锅炉可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高狄煤、高硫 煤、离灰高硫煤、煤矸石、高水分煤、泥煤、尾矿、炉渣、树皮，甚至垃圾等e 2 、燃烧效率高 由于燃烧扩展至高温过热器且循环燃烧，c f b 锅炉的燃烧效率通常在9 7 5 9 9 5 范围内，可与煤粉炉相媲美。c f b 锅炉燃烧效率高主要是基于下述特点：气 一固混合良好；燃烧速率高：特别对粗粒物料；绝大部分未燃尽的燃料被再循环至 炉膛。 3 、低温稳燃，污染物排放低，是环保型锅炉 煤在高于9 5 0 。c 以上燃烧往往产生大量的n o x 及其它污染物，严重污染环境。 c f b 锅炉由于其独特的循环燃烧、循环脱硫及适宜的8 5 0 9 5 0 。c 脱硫温度，使得 它与其他锅炉相比有极高的脱硫效率。同时，由于c f b 锅炉采用低温燃烧和分段燃 2 兰! ! 生垄盔堂堡堂垡堡塞 烧技术，氮氧化物的排放明显较其他锅炉低。 4 、燃烧强度大 大约为煤粉锅炉燃烧强度的7 0 倍。 5 、负荷变化范围大，调节性能好 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。在低负荷时， 既不象常规流化床锅炉采取分床压火。也不象煤粉炉用油助燃。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10 】1 0 ， 负荷调节速度可达5 1 0 m i n 。因此适于电网调峰机组和热电联产的锅炉。 在我国目前环保要求同益严格，电厂负荷调节范围较大，煤种多变，原煤直接 燃烧比例高，燃煤与环保的矛盾日益突出的情况下，c f b 锅炉由于其诱人的优点已 成为电力行业首选的新型燃煤技术。 1 3 国内外循环流化床技术的发展及存在的问题 循环流化床锅炉c f b b ( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db e i l e r ) 是近3 0 年来发展 起来的种新型煤燃烧技术。它具有常规煤粉炉所没有的优点：燃烧效率高，燃 半4 适应性广，低污染燃烧，脱硫效率高，燃烧热强度大，炉膛体积小，床内传热系 数高，负荷调节性能好，扶渣可综合利用。因此在短短的3 0 年间，流化床技术得 到了飞速发展，由最初的鼓泡流化床发展到了循环流化床，其应用也由小型锅炉发 展到容量与煤粉炉大体相当的大型电站锅炉。循环流化床真f 得到应用始于7 0 年 代术8 0 年代初。1 9 7 9 年，芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司开发的世界首台2 0t h 商 用循期：流化锅炉投入运行。此后，循环流化床锅炉技术发展很快，已有许多不同的 流派和形式，从技术上可以分为三家：德国鲁奇( l u r g i ) 、法国s t e i n 、美国a b b c e 型c f b b ，采用鲁奇技术。1 9 9 2 年，德国l u r g i 、l e n t d e s 和b a b c o c k 公司三家公司 联合成立了i 。i 。b 公司，拥有l u r g i 型和c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉。芬兰奥 斯龙公司( t 9 9 5 年被美国f w 收购) 的p y r o f l o w 型循环流化床锅炉。美国福斯特 惠勒( 、w ) 公司自有型循环流化床锅炉。其中，带有外置式热交换器的循环流化床锅 炉有：鲁奇循环流化床锅炉、a b b - c e 型循环床锅炉和福斯特惠勒循环流化床锅炉； 不带外置式热交换器的循环床锅炉主要有p y r o f l o w 循环流化床锅炉和c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉。 目前，世界上发电容量为1 0 0m w 2 5 0m w 的循环流化床电站锅炉已有数十台投 入运行，其中容量最大的是采用鲁奇l u r g i 技术，由法国s t e i n 公司制造，安装在 法国g a r d a n n e 电厂的2 5 0m w ( 7 0 0 t h ) 循环流化床锅炉，于1 9 9 5 年5 月投入运行。 美国a b b c e 公司，f w 公司等主要循环流化床锅炉的制造商都在开发3 0 0 - - 3 5 0 m w 等 级的产品，可以说，目前国外大型化循环流化床技术正日起成熟，逐渐i a n - 与煤粉 r 华北电力大学硕士学位论文 炉容量柏当的水平。 国内中小型循环流化床技术也已相当成熟，但在大型化循环流化床锅炉的丌发 研究方面，与先进国家仍有相当大的差距。引进国外技术制造的2 2 0 t h ( 5 0 m w ) 和 引进的4 1 0 t h 的c f b b 已投运，但从运行实绩看，在燃烧效率、锅炉可靠性、价格 和能耗等指标上，与传统煤粉炉相比，仍有一定的差距。东方锅炉有限公司用引进 的美国福斯特惠勒公司大型循环流化床锅炉技术及其依托工程经验而设计制造的 国产化i o o m w 等级c f b 锅炉即将投运。 同时，由于电站c f b 锅炉尚处于试验和相对不成熟阶段，仍存在着以下一些不 足 _ 】= 1 、虽然c f b 锅炉的燃烧效率较鼓泡流化床有较大的提高，但除燃烧无烟煤等难 燃煤种外，其飞灰含碳量仍略高于煤粉炉。 2 、刑脚体颗粒分离设备的效率、耐高温和耐磨性能要求更高。 3 、锅炉系统的烟风阻力较大，需要采用高压鼓风机，因此，存在风机电耗高、 噪声大等问题。 4 、锅炉受热面的磨损严重，因此不得不牺牲流化床传热强烈的优势，锅炉整体 的会属消耗量并不比同容量的煤粉炉少。尽管如此，目前受热面的安全运行和使用 寿命还无法与煤粉炉相比。 5 、流化床燃烧中的n 2 0 生成物大大高于常规的煤粉燃烧系统。n 。o 是燃烧过程 中的r 1 1 洲产：物，通常在高温火焰下被破坏，而流化床燃烧的低温度水平有利于n _ 1 0 的形成，尤其在燃用烟煤时最高。 6 、燃烧控制系统比较复杂，锅炉的运行技术与常规煤粉炉有较大的不同，还未 达到与常规：l j ；l 粉锅炉相当的运行与控制水平。在我国，大型c f b 锅炉燃烧过程的自 动控制问题一直没有得到很好的解决，影响了它的使用范围和效率的提高。 1 4 循环流化床锅炉的自动控制研究的现状 c f b 锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是在保证锅炉安全运行、较高的燃烧效率 和环保要求的同时，尽快满足外界蒸汽负荷的需要。 随着人们环保意识的逐渐加强，c f b 锅炉在全世界得到了广泛应用，现在已成为 众多机构和学者的研究热点和重点，尝试着从古典控制、现代控制、先进控制理论 等各个方面来研究c f b 锅炉自动控制系统。k a y a ( 1 9 8 9 ) 。3 介绍了采用b a i l e y n e t w o r k9 0 集散系统的流化床锅炉和循环流化床锅炉的控制系统，包括负荷控制( 主 蒸汽压力) 、汽包水位控制、炉膛负压控制、燃烧控制、主汽温度控制、床温控制、 污染控制( s o 。) 等。其重点在于采用多变量控制策略以实现锅炉在满足环保要求的前 4 华北电力火学硕士学1 1 ：7 ：论文 提下的最优性能，其多变量模型是通过过程输入一输出阶跃响应试验而得到的传递 函数矩阵，通过分析比较说明了先进的过程控制策略( 反馈、前馈、串级和解耦控 制等) 比状态空间j 控制策略( 采用极点配置控制设计) 更能满足流化床锅炉和循环流 化床锅炉的控制要求。牛培峰等( 1 9 9 3 ) ”3 研究设计了一个7 5 t h 循环流化床锅炉的 热工自动控制系统，包括给水控制、主汽温控制、床高控制、燃烧控制( 包括主蒸 汽压力控制、送风控制、床温控制、烟气含氧量控制和炉膛负压控制) 、固体物料 回送控制等，以p i d 为主体，采用了纯滞后补偿预估、前馈、串级等控制策略。叶 海文( 1 9 9 7 ) ”1 沿用了这种分层控制的方法，由基础控制完成循环流化床锅炉的大部 分控制任务，它基本上继承了般锅炉常规控制系统的全部策略，由监控系统完成 负荷控制、排污控制优化等高层次任务，负荷控制采用了基于神经网络的预测控制 算法。郭爽( 2 0 0 1 ) “”对床温进行了单级和串级模糊控制的设计和仿真，分别了设 计了基本模糊控制器，加权因子自修正模糊控制器( 包括基本加权因子模糊控制器、 多加权因子模糊控制器、解析函数型加权因子模糊控制器、优化函数型加权因子模 糊控制器和智能权函数法模糊控制器) 及参数自调整模糊控制器。 15 本文的主要研究内容 本课题研究的主要内容是通过对循环流化床锅炉的燃烧系统运行本体特性的研 究，参照前人对燃烧系统所建立的数学模型，通过现场考察，提出分段线性化的数 学模型。力求实现循环流化床锅炉的主汽压力一一床层温度的解耦控制。循环流化 床锅炉燃烧系统设计的原则就是要在床温允许的变化范围内保证主汽压的稳定及 最佳风煤比以取得经济燃烧和高热效率。整个控制系统设计应体现控制床温稳定 和在此基础上维持主蒸汽压力稳定两个目标。 一、利循环流化床锅炉燃烧系统机理性的研究 通过列石家庄热电厂2 2 0 t h 循环流化床锅炉燃烧系统的调研情况，分析现在电 r 一循环流化床燃烧控制系统所存在的问题。重点分析循环流化床锅炉燃烧系统的运 行机理，根据其整体运行情况，确定被控对象的动态特性及负荷分段模型的具体分 段点。 二、被控对象动态特性的验证与参数的确定以及模型的分段线性化 循环流化床锅炉最显著的优越性之一是负荷调节范围大，可以在2 5 1 0 0 额定 负荷范围内稳定、经济的运行。它常常需要在不同的负荷范围内运行，因此负荷是 变化最为频繁的因素。大部分的燃烧调整是根据负荷的变化进行的，根据循环流化 床锅炉的运行特点，在较高负荷下锅炉在循环流化状态下进行，而在低负荷范围内， 则是在鼓泡流化状态下运行。因此，在低负荷范围内( 2 5 4 0 ) 和较高锅炉负荷 范围内( 4 0 1 0 0 ) 调节方法是有所不同的。根据现场考察数据和送风量调节的 5 兰j ! 坐垄叁堂堡主堂堡笙苎 特点将正常负荷范围内( 2 5 1 0 0 ) 燃烧系统数学模型分为四段：低负荷范 围内( 2 5 4 0 ) 运行时；8 7 1 6t h 1 5 0 4 2t h ( 4 0 6 8 3 7 ) 床温很快 上升，随着床温的升高和锅炉负荷的增加，开始少量给煤时；1 5 0 4 2t h 1 6 5 2 2 t h ( 6 8 3 7 7 5 1 ) 当负荷升到一定时，一次风量达到上限值，一次风量稳定不 继续增加，二二次风量继续增加时；7 5 1 以后燃烧工况趋于稳定，床温、主汽 压、烟气含氧量等趋于稳定。 三、燃烧系统的常规控制方案设计及分析 在分析循环流化床锅炉燃烧系统特点的基础上，对燃烧系统各子系统的常规控 制方案进行设计及分析，总结常规控制方案的特点，为神经网络解耦控制系统的设 计奠定基础。 四、循环流化床锅炉神经网络解耦控制系统的设计 结合循环流化床锅炉燃烧系统的常规控制方案设计，把常规控制系统作为一个 广义对象，采用多变量非线性系统的神经网络自适应丌环解耦控制算法，设计神经 网络丌环解梢补偿器，使解耦后的广义对象成为一个无耦合的对象。然后设计神经 网络控制器，设计神经网络自适应p i d 控制器，对解耦后的广义对象进行神经网络 自适应p i d 控制，使循环流化床锅炉燃烧控制系统的品质提高到一个新的层次。 五、对燃烧控制系统的仿真研究 根掘燃烧系统所划分的四段，进行分段控制后，对控制系统进行局部仿真，然 后对分段的模型进行模型切换，对各段燃烧控制系统进行整体协调控制并进行仿 真。 在本研究结束的时候，对负荷模型分段后，在常规控制方案的基础上，采用多 变量非线性系统的神经网络自适应开环解耦控制器与神经网络自适应p l d 控制器相 结合刘循环流化床锅炉燃烧系统这样一个分柿参数，非线性，时变，多变量耦合紧 密，且难予用精确数学模型来描述的被控对象会有较好的控制效果。对于循环流化 床锅炉燃烧系统在不同的负荷范围内的动态性能得到改善，在向应速度、抗干扰能 力、鲁棒性和对象参数变化时的适应性这几方面都有令人满意的控制效果。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章循环流化床锅炉基本理论及燃烧系统运行特性 2 1 循环流化床锅炉工艺简介 典型的c f b 锅炉在结构上可分为两大部分，第一部分由布风装簧、流化床燃烧 室、飞狄分离装置、飞灰回送器等组成，上述部分构成了一个固体物料循环回路。 第二鲁_ j 分为对流熘道，粕置有高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器等， 主要用米吸收划气中所含有的热量。图2 1 为典型的c f b 锅炉结构示意图。 二段戚 石莸石 拮土幕 一淡风粗灰 1 一燃烧室2 一飞灰分离装拦3 一匕灰同送器4 一尾部烟道5 一过热器 6 一针蝶器7 空气预热器8 昧尘器 9 一汽包1 0 一减濡器 图2 1c f b 锅炉结构示意瞄 燃烧物利进入炉膛，同时一次风经过空气预热器加热后从炉膛底部经布风板进 入炉膛，一次风主要使煤在炉膛中呈流化状态并初步燃烧，二次风从布风板上进入 以供给充足的空气使煤充分燃烧。烟气中的固体颗粒经高温过热器、低温过热器、 省煤器到眨风分离器，分离下来的二次返料再回到炉膛密相区重新燃烧，娴气经空 省煤器到旋风分离器，分离下来的二次返料再回到炉膛密相区重新燃烧，烟气经空 华北电力人学硕士学位论文 第二章循环流化床锅炉基本理论及燃烧系统运行特性 2 1 循环流化床锅炉工艺简介 典型的c f b 锅炉在结构上可分为两大部分，第一部分由布风装置、流化床燃烧 室、飞狄分离装置、飞灰回送器等组成，上述部分构成了一个固体物料循环回路。 第二部分为对流烟道，布置有高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器等， 主要用来吸收烟气中所含有的热量。图2 - 1 为典型的c f b 锅炉结构示意图。 = 文风 石灰石 结煤 一次风粗灰 1 一燃烧室 2 一飞灰分离装置3 一飞灰同送器4 一尾部烟道 5 一过热器 6 一针煤器 7 一空气预热器8 一除尘器 9 一汽包1 0 - 减温器 图2 - 1c f b 锅炉结构示意图 燃烧物料进入炉膛，同时一次风经过空气预热器加热后从炉膛底部经布风板进 入炉膛，一次风主要使煤在炉膛中呈流化状态并初步燃烧，二次风从布风板上进入 以供给充足的空气使煤充分燃烧。烟气中的固体颗粒经高温过热器、低温过热器、 省煤器到旋j x l 分离器，分离下来的二次返料再回到炉膛密相区重新燃烧，烟气经空 7 华北电力大学硕士学位论文 气预热器、除尘器，最后经烟囱排入大气层，床层密相区中的料渣经冷渣机和自动 排渣机放出。 c f b 锅炉的燃烧系统较集中地体现了循环流化床锅炉的特点。c f b 锅炉与其他 普通锅炉的燃烧过程相比，最大的优势是c f b 锅炉是低温的动力控制燃烧。c f b 锅 炉燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密 切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程；同时，在炉外将绝大部分高 温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程，反复循环地组织燃烧。 显然，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这样地燃烧方式下，炉内温度水平困受 脱硫最佳温度地限制，一般保持在8 5 0 。c 9 5 0 6 c 之间。这样的温度远低予普通煤 粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种问题。 从燃烧反应动力学角度看，c f b 锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区( 或过渡区) 内。由于c f b 锅炉内相对来说温度不高，并有大量固体颗粒的强烈混合，燃烧速率 主要取决于温度水平，物理因素不再是控制燃烧速率的主导因素。c f b 锅炉内燃料 的燃尽度很高，通常性能良好的c f b 锅炉燃烧效率可达9 8 9 9 以上。 2 2 循环流化床锅炉燃烧控制特性的研究 2 2 1循环流化床锅炉控制系统任务 循环流化床锅炉采用的是一种高效率、低污染、燃烧稳定、炉膛不结渣、煤种 适应性好的洁净燃烧技术，正是由于上述优点，循环流化床锅炉目前被广泛使用于 发电机纽。循环流化床锅炉与煤粉炉在炉膛结构上有很大差别，尤其是炉内的燃烧 过程。但控制系统的主要控制任务是相同的，即保证机组安全经济运行。其中主要 包括：维持锅炉出口蒸汽温度；使锅炉出力满足单元机组的外界负荷要求或维 持主蒸汽压力在额定值：保证合适的过量空气系数，使炉内燃烧在最高效率下进 行：维持炉膛压力稳定；床高控制也是与锅炉的安全运行联系密切；二级返 料回扶量控制；维持床温在8 5 0 9 5 0 。c 之间，使之具有良好的炉内脱硫能力和较 低的n o ，排放量，从而获得燃料在炉内的洁净燃烧效果。这一功能是循环流化床锅 炉所特有的。 2 2 2 循环流化床锅炉结构特征及燃烧控制特点 22 2 1 循环流化床锅炉结构特征 循环流化床锅炉的燃烧过程与煤粉炉有本质上的区别。尽管循环流化床锅炉是 在比煤粉炉低得多的温度下工作，但仍能维持稳定的燃烧工况和很高的燃尽率。这 是出于循环流化床锅炉炉膛床高的温度，甚至包括分离器和返料装置的温度都可以 控制的非常均匀，使之在整个通道内，可以保证次通过炉膛的细颗粒和循环燃烧 8 华北电力人学硕士学位论文 的粗颗粒都能够很好的燃尽。另一方面，由于进入炉膛的燃煤量少且炉内存有大量 高温物料的热惯性又大，使得燃烧过程具有良好的稳定性。但循环流化床锅炉的燃 烧与调节过程，乃至控制系统的设计方法及控制水平，很大程度与锅炉的结构及主 要设备的运行状态密切相关，所以在设计与研究循环流化床锅炉燃烧控制系统前， 必须掌握循环流化床锅炉的本体运行特性及炉内燃烧和传热过程的机理。 在负荷变化下，煤粉炉是通过增减燃煤量改变炉膛温度，从而达到改变炉膛内 辐射传热和对流传热量，所以只要控制好燃烧率，就能很好地控制锅炉的出力。而 循环流化床锅炉的变负荷过程，其炉内温度基本保持不变，而通过增减燃煤量改变 辐射和对流传热率的热量是由过热汽温和再热汽温吸收；另外一部分对流传热率的 变化，则取决于增减稀相区粒径较大的粗颗粒浓度。还应该提及注意的是：确保锅 炉炉内物料的循环倍率、提高旋风分离器的分离效率以及控制燃煤粒径的大小及分 布等，都是保证循环流化床锅炉具有良好燃烧调节特性的前提条件。 循环流化床锅炉汽水系统除过热器和再热器的布局( 部分布置在炉内稀相区的 固体颗粒循环回路，这部分受热面不但具有较好的换热特性，并且可以通过改变循 环物料的浓度来控制蒸发、过热和再热的吸热量，从而减少汽温控制系统的负担) 与煤粉炉有所才；同之外，不再赘述。 2 2 2 2 循环流化床锅炉燃烧控制特点 循环流化眯锅炉在结构和运行方式上与常规煤粉锅炉相比都有着显著的差异， 因此在燃烧控制调节上也有许多不同之处。循环流化床锅炉控制难度更大，要求更 高。e b 于c f b 锅炉自身的工艺特点，它比普通锅炉具有更多的输入和输出变量，耦 合关系更加复杂。 当锅炉负荷发生变化( 外扰) 或者给煤量、给水量、返料量、减温水量、引风 量、一次风量羽l 二次j x l 量( 内扰) 改变时，所有输出量例如汽包水位、蒸汽温度、 蒸汽压力、炉膛负压、床温等都要发生一定程度的变化。因此，理想的控制系统应 足多回峪的咖调控制系统。当系统受到某一扰动时，各个调节量同时协调动作，使 所有的被调量都具有较好的调节品质。但是，这样的调节比较困难。目前一般将循 环流化床锅炉的自动控制系统分成几个相对独立的控制系统，主要包括以下主要控 制回路：汽包水位控制回路；过热汽温控制回路；主蒸汽压力控制回路： 床温控制回路；床层高度控制回路；二级返料回料控制回路；炉膛负压控 制回路；烟气含氧量控制回路；烟气含s o ：量控制回路。除燃烧控制系统所包 括的回路外，其它的控制一般与煤粉炉差别不大，可按一般煤粉炉的控制方法进行 控制，控制结果也比较满意。c f b 锅炉的燃烧控制是难点，它既要满足热负荷的需 要( 即稳定蒸汽压力) ，又要维持床温稳定在8 5 0 。c 9 5 0 。c 范围之内，还肩负着 维持合理的风煤比( 送风量与给煤量必须有合理的配比才能使锅炉正常燃烧) 、保 9 华北l 乜力大学硕十学位论文 障燃烧效率，控制s o z 和n o ，排放量等诸多任务。而且，给煤量、空气量、返料量等 控制变量间的耦合关系非常紧密。 在循环流化床锅炉的运行过程中，几乎所有的燃烧控制和调节都是围绕维持稳 定的床温和所要求的蒸汽参数进行的。带有外置式热交换器的循环流化床锅炉在本 体结构上很好地解决了蒸汽压力与床温在控制回路间的紧密耦合关系。因此，这种 锅炉可以采用风煤比调节主蒸汽压力，采用进入外置式换热器循环物料量的多少 来调节床温，故床温自动控制系统般为常规单回路反馈控制系统。没有外置式热 交换器的循坏流化床锅炉结构比较简单、紧凑，节省材料，因此得到较广泛的应用。 国内普遍采用或选型的循环流化床锅炉的典型结构就是无外置式热交换器。此类锅 炉给其燃烧控制系统实现自动控制带来了极大的困难，因为锅炉主汽压力和床温的 控制均是通过调节给煤量和送风量来实现的，当主汽压力和床温两者中任何一个出 现偏差时，无论调节给煤量还是送风量都会使另一个量发生变化，这样使得主蒸汽 压力和床温成为具有紧密关系的强耦合变量。而且不论调节给煤量或送风量，都同 样会影响负荷，因为给煤量的大小直接与负荷密切相关：若是通过调节送风量控制 床温，则会改变传热系数从而影响负荷( 传热系数是与炉内气体流速、床温、悬浮 段物料密度等密切相关) 。给煤量和送风量的改变又会影响烟气含氧量、炉膛负压 和料床高度，等等。而由此造成的蒸汽量的变化又影响到汽包水位和过热蒸汽温度。 这样各变量之| e l j 或强或弱都存在耦合关系，理想的控制系统应该是多回路的控制系 统，当系统受到某一扰动时，所有的被调量同时协调动作，使所有的被调量都具有 一定的控制精度。但是这样的调节是很艰难的，要使所有的耦合变量都得到精确的 控制是不可能的。 2 2 3 循环流化床锅炉运行过程中的调节手段 陶2 一l 所示给出循环流化床锅炉燃烧控制系统被控对象的被调量、凋节手段 和主要扰动的示意图。 1 0 华北电力火学硕士学位论文 主要调仃苗 底 二二二：一：二二二 孓：、；，lflj ，lli，、，l 华北电力大学硕士学位论文 高控制主要是保证流化状态和压力控制点处压力，调节补充床料量和放渣量。除调 节给煤量和空气量外，返料量的调节也是床温调节的手段。 空气量控制应包括总风量( 过量空气系数) 和一二次风比率的控制两个方面。 总风量出实际燃料量得出理论空气量的下限，再乘以过量空气系数给出目标值。一 次风的下限应保证床层充分流化，其上限应保证由足够的的二次风来控制“u 排放。 对多床流化床，风量控制还应保证那些压火的分床不会结焦。实际运行中，过剩空 气量是根据运行方式给出的曲线按负荷调节的，对低负荷运行还受晟低负荷限制。 对高负荷过量空气系数对不同的炉型一般取1 1 5 1 2 5 ，但负荷率5 0 以下时可 取1 6 1 8 的高值。通风控制系统根据锅炉阻力和压力控制点处压力信号调节引 风机风门开度。氧量调节有时还在负荷变化时采用强制手动方式调节。 床层厚度控制也就是控制炉内床料的存量，它与锅炉安全经济运行密切相关。 一般情况下，高负荷时，要求床层厚一些；低负荷时，要求床层薄一些。另外，当 床温较低叫，要求减少排渣；当床温较高时，就要增加排渣。炉内床料存量和床层 厚度是通过控制底渣排放量和排放速率来控制的，布风板下的一次风风室压力或者 沿炉膛高度m j 置的压差测点及床层压差可以直接反映床层厚度的变化，并通常作为 监视料层厚度的信号。在锅炉稳定运行时，为了维持一定的厚度，需定期放渣，放 渣的频率和量与燃煤的灰渣量有关。在缓慢增负荷时，可以通过减少或终止排渣来 增加床料存量；在要求负荷增加较快的工况下，可向床内加入合适颗粒分稚的细灰 渣，以迅速增加炉内需要的物料量。 循环流化床锅炉汽水系统除过热器和再热器的掮局( 部分布置在炉内稀相区的 固体颗粒循环回路，这部分受热面不但具有较好的换热特性，并且可以通过改变循 环物料的浓度柬控制蒸发、过热和再热的吸热量，从而减少汽温控制系统的负担) 与煤粉炉有所不同之外，基本运行与调节的方法与煤粉汽包锅炉相同，不再赘述。 2 3 循环流化床锅炉燃烧系统运行特性分析 根掘在石家庄热电厂2 2 0 t h 循环流化床锅炉现场调研和对运行经验的了解， 现对循环流化床锅炉燃烧系统的运行特性以及目前自动控制系统的投运情况作以 下分析。 2 3 1 启动过程 2 3 1 1 冷态启动 装填床料，通知有关人员并做好启动前准备工作。 锅炉上水，建立“空气通路”，按辅机运行规程依次启动风机，然后进行锅炉 吹扫。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 锅炉点火过程 使一次风量达到4 0 ，以保持正常流化。维持床压在4 0 0 3 k p a 左右。l 阀试 排渣一次以验证l 阀畅通。调节油压稳定并大于1 9 m p a 。丌启风道燃烧器配风风门、 混合风门后，投入第一支床下风道燃烧器，在现场巡检着火情况，通过调整床下风 道燃烧器混合风门、配风风门缓慢增加一次风量，严格控制风道燃烧器烟温小于8 5 0 ，壁温小于3 5 0 。监视汽包水位，停止上水时，关闭省煤器再循环门。视炉膛 出口烟温上升情况，投入第二支床下风道燃烧器，按升温速度表( 表】) 升温，适 时更换油枪雾化片或调节油压。调节去暖风器的汽量，以确保空气预热器出口处的 烟气温度大于9 0 。调节对空排汽调节阀，使排汽流量大于i o m c r ，防止过热器 超温，维持汽包上下壁温差小于4 0 。c ，如壁温差超限，要停止升压，开大排汽，加 强上、放水。当床温达到4 0 0 。c 5 0 06 c 或风道燃烧器无法继续提升床温时，投入第 一支床上启动燃烧器，并且在现场巡检着火情况。按升温速度表，视床温变化情况， 对称启动其它床上启动燃烧器，并维持整个炉膛温度均衡。视汽温、气压情况，联 系汽机适时投入减温减压器。床温6 0 0 。c 时，按“脉冲”方式启动第一台给煤机， 给煤机投运按“先中间，后两侧”顺序进行。在预启动给煤机最低转速下，启动6 0 9 0 秒后停止给煤机，大约3 5 分钟后，观察床温是否以6 m i n 的速率开始快速 上升，同叫氧量显示减少，可以判断为给煤的点火是否成功。该给煤机按“脉冲” 方式给煤三次，获得同样结果后，可手动连续少量给煤。床温以l o 1 2 m in 的 速率稳定i 二升。然后在最低转速下投运第二台给煤机。根据氧量指示，逐渐增加一、 二次风流量。视床温、气压情况，启动其它给煤机。两台以上给煤机稳定运行，床 温达到8 0 0 。c 且床温稳定，切除第支床下风道燃烧器，同时增加给煤量。然后手 动方式投运石灰石给料系统。视床温稳定情况，逐个切除余下的启动燃烧器。随锅 炉负荷增加相应增加给煤量及风量，若达到主汽压力和温度定值，投入风主控、给 煤控制和锅炉主控控制，石扶石给料机投“自动”，投入s o ：控制。通过冷渣器或添 加床料的手段，维持流化床压在5 5 o 2 k p a 。 2 3 12 温态启动 在温态启动过程中，由于床温小于6 5 0 。c ，所以不能直接投煤，首先通过一、 二次风进行点火前的锅炉吹扫：然后，将床上启动燃烧器投入运行。接下来，机组 即可按冷态启动的方式带负荷。 2 3 1 3 热态启动 如果床温大于6 5 0 时，就可以进行热态启动。立即启动给煤机，在给煤机最 低转速下投煤后，床温上升，增加给煤量和风量，约3 0 分钟后，锅炉即可带到满 负荷。 1 3 华北电力人学硕士学位论文 时f l l j ( h )相应的温度( )时间( h )相应的温度( ) 1 09 5 2 01 1 5 3 o2 1 5 4 02 7 5 5 o3 5 5 6 03 9 5 7 04 8 5 8 0 5 7 5 9 0 6 6 51 0 0 7 8 5 i i 08 5 5120 2 5 r = 4 0 且： 6 8 _ 3 7 且： 7 5 1 且：( 1 0 0 时对象的近似参数：r k = l o ，。= 2 0 0 s ，留= 4 5 s ； ”2 4 ， 1 口：l5 0 s ，r m ：6 0 s ： 足：一2 5 ，7 k i = 1 6 0 s ，珞2 = 4 0 s ； k p f 一5 ，一 ：= l o o s ，7 ，f = 2 0 s 。 仿真曲线如图所示： 雌自2 i 缝口e 嘧啡 由仿真结果可以看出，循环流化床锅炉燃烧控锻系统中的床温控毒4 系统和主汽 压力控制系统，在四个不同负荷下成功进行了模型参数的切换。模型参数切换后， 4 3 华北电力人学硕七学位论文 系统具有很强的抗干扰能力，并仍能迅速达到稳定可见其具有很强的鲁棒性。 5 7本章小结 本章结合循环流化床锅炉燃烧系统的具体模型，运用上章提出的基于神经网络 解耦控制算法，对其进行了仿真实验研究，通过仿真结果可以看出神经网络解耦控 制器可以很好的刘循环流化床锅炉燃烧系统进行控制。且具有较强的鲁棒性和抗干 扰能力。通过全工况控制仿真实验可以看出，在不同工况下，当被控对象的传递函 数模型的参数发生变化时，该控制系统可进行模型切换，且当模型切换后有较强的 鲁棒性和抗干扰能力。 华北电力火学硕士学位论文 第六章结束语 循环流化床锅炉的自动控制尤其是燃烧系统的自动控制对与机组的安全、经济 运行至关重要。循环流化床锅炉的工艺特点和本身结构及燃烧运行特性决定，其燃 烧系统是一个多变量、强耦合、大惯性、长迟延的非线性时变系统，采用常规的控 制方法很难达到理想的控制效果，因此对其燃烧系统自动控制的研究具有重要的理 论意义和实际应用价值。由于循环流化床锅炉燃烧的复杂性，目前还难于建立循环 流化床锅炉精确的数学模型，而基于模型的传统控制方法和现代控制理论无法发挥 其自身的优越性。 本文通过对循环流化床锅炉燃烧系统的深入研究，把燃烧系统看作一个整体对 象，根据不同的负荷变化情况将燃烧系统分为四段，提出负荷分段线性化模型，列 循环流化床锅炉燃烧控制系统进行研究。在常规燃烧控制系统设计的基础上，运用 神经网络自适应的解耦算法，设计神经网络自适应开环解祸补偿器，来解决循环流 化床锅炉燃烧系统的紧密耦合问题，再结合神经网络自适应p i d 控制算法对解耦后 的再设计神经网络自适应p i d 控制器，对解耦后的广义对象进行神经网络自适应 p i d 控制，把循环流化床锅炉燃烧控制品质提高到一个新的层次。 由于时刚及条件的限制，本人的设想未能得到实际的验证与实施，没有进行现 场的调试运行，这有待于今后的工作来完成。还需进行大量工作，首先应继续对循 环流化床锅炉数学模型尤其是燃烧系统模型的研究。其次神经网络解耦控制器虽然 进行了对象特性变化情况下的仿真试验，取得了良好的控制效果，但没有现场进行 实际验证的条件，其控制策略仍需迸一步验证、完善。 华北电力大学硕+ 学位论文 参考文献 【1 刘德昌，流化床燃烧