（控制理论与控制工程专业论文）子空间预测控制及其在cfb锅炉燃烧系统的研究.pdf

r f 1 j 钿 ，童 at h e s i si nc 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 s u b s p a c e p r e d i c t i v ec o n t r o la n di t sr e s e a r c h o nt h ec f bb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m b yl ij i n g h a o f 。 s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg a ox i a n w e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 0 j 0 ，峥j j + i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 苗 思0 学位论文作者签名： e t期：7 卯方7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 窃孩 导师签名： 签字日期： 。工 l ， ，o-、 j 东北大学硕士学位论文摘要 子空间预测控制及其在c f b 锅炉燃烧系统的研究 摘要 循环流化床( c f b ) 燃烧技术是一种高效清洁的煤燃烧技术，运行情况表明，c f b 锅炉对煤种的适应性强，燃烧效率高、强度大，负荷调节性能好，投资及运行费用低， 对环境污染小。然而，c f b 锅炉燃烧系统是一个分布参数、多变量紧密耦合、时变的控 制对象，其结构十分复杂，常规锅炉的控制方案无法再c f b 锅炉上取得很好的控制效 果，因此实现其燃烧系统的自动控制是当前的一个重要课题。 因此，本文从以上问题出发，对c f b 锅炉燃烧系统进行了控制仿真研究，主要完 成了以下几方面的研究工作： 简要介绍了c f b 锅炉的原理、发展现状及其动态特性，系统地总结了国内外循环 流化床锅炉先进控制的研究及应用情况。 从c f b 锅炉的燃烧机理及经验出发，建立了其燃烧系统的模型，详细地分析了c f b 锅炉燃烧系统的特征。并通过提出进一步的假设，对燃烧系统进行了简化，建立了以一 次风量和燃料量为系统输入，主蒸汽压力和床温为系统输出的控制模型。 简要地介绍了子空间辨识的产生、发展现状及面临的困难，扼要地介绍了广义预测 控制的基本算法的提出、优点及不足之处，并从这两个方面出发推出了子空间预测控制 的概念及其基本算法，并提出了具有比例结构的子空间预测控制算法。通过一个简单的 二输入二输出被控对象进行了算法的仿真比较，仿真结果表明了具有比例结构的子空间 预测控制算法的优越性。 最后，根据文献资料对c f b 锅炉燃烧系统进行了子空间算法系统辨识，并与经验 模型进行了比较，结果证明了子空间辨识的有效性，并在此基础上设计了床温、主蒸汽 压力的子空间预测控制系统，从仿真结果可以看到控制输出不仅做到了符合床温和主蒸 汽压力负荷控制要求，并且保证了一次风量的稳定，具有一定的鲁棒性和抗干扰性。 关键词：c f b 锅炉；燃烧系统；子空间预测控制 。 i j f ， _ 一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s u b s p a c e p r e d i c t i v ec o n t r o la n di t sa p p r o a c ho n t h ec f bb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) c o m b u s t i o ni s an e wt e c h n o l o g yo fc o a lc l e a n i n g c o m b u s t i o nw i t hh i g hb u r n i n ge f f i c i e n c y , l o wp o l l u t i o na n dw i l df u e la d a p t a b i l i t y i th a s r e c e i v e dw i l d l ya p p l i c a t i o ni nc o g e n e r a t i o ni n d u s t r y 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 ( c f b b ) c o m b u s t i o ns y s t e mi sac o m p l e xs y s t e mo fd i s t r i b u t i o np 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 i a t i o n ， s t r o n gd e l a ya n dm u l t i v a r i a b l ec o u p l i n g i t sh a r dt ob u i l dap r e c i s em a t h e m a t i cm o d e l ，a n d s o m ec o n v e n t i o n a lm e t h o dw h i c hi sw e l lo p e r a t e do ng e n e r a lb o i l e rc a nn o ty i e l di d e a lr e s u l t t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fc f f bh a sb e c o m et h em a i no b s t a c l ef o ri t sc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n i nv i e wo fa b o v eq u e s t i o n s ，t h i st h e s i sd o e ss o m cr e s e a r c ho na d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l o fc f f bc o m b u s t i o ns y s t e m t h em a i nw o r k so ft h i st h s i sa r ea sf o l l o w s ： t h ep r i n c i p l e ，d e v e l o p m e n ta n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc f b ba r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ， a n dt h er e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o lf o rc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d b o i l e ra th o m ea n da b r o a da r cs u m m a r i z e ds y s t e m i c a l l y o nt h eb a s i so fc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n de x p e r i e n c eo fc f b b ，am o d e lo fi t s c o m b u s t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e d w i t ht h er e a s o n a b l eh y p o t h e s i sa n ds i m p l i c i t y , b e d t e m p e r a t u r em o d e la n dm a i ns t e a mp r e s s u r em o d e la r ee s t a b l i s h e d t h es y s t e mi n p u t sa l ef u e l a n dt h ef i r s tw i n da n dt h eo u t p u t sa r et h eb e dt e m p e r a t u r ea n dt h em a i ns t e a mp r e s s u r e t h ep r i n c i p l e ，d e v e l o p m e n ta n dd i f f i c u l t i e sf a c e do ft h es u b s p a c ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ( s i m ) a r es y s t e m a t i c a li n t r o d u c e d ，s oa st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 o nt h eb a s i so ft h ea b o v et h e o r i e s ，t h eb a s i ca r i t h m e t i ca n d c o n c e p ts u b s p a c ep r e d i c t i v ec o n t r o la r ed e d u c e d i nt h i sp a r tia d v a n c eas u b s p a c ep r e d i c t i v e c o n t r o l l e rw i t hp e r c e n t & i n t e g r a ls t r u c t u r e w ep r o d u c eas i m p l et w o - i n p u t s - t w o o u t p u t s y s t e ma st h ec o n t r o l l e do b j e c t ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h en e wa r i t h m e t i ci sv a l i d i nt h el a s tp a r t ，b a s e do nl i t e r a t u r e sii d e n t i f i c a t et h ec f b bc o m b u s t i o ns y s t e mm o d e lb y s i m t h em o d e lp r o v e s t ob ev a l i dc o m p a r e dt oe x p e r i e n c em o d e l t h e nis i m u l a t e t h eb e d t e m p e r a t u r ea n dm a i ns t e a mp r e s s u r es u b s p a c ep r e d i c t i v es y s t e m t h es i m u l a t i o np r o v e st h a t t h i ss y s t e mn o to n l ys u i tf o rt h em a i ns t e a mp r e s s u r eb u r d e n ，b u ta l s oa s s u r e dt h es t a b i l i t yo f t h ef i r s tw i n d t h en e wa r i t h m e t i ci sr o b u s ta n da n t i d i s t u r b a n c e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h es y s t e mi sv a l i d k e y w o r d s ：c f bb o i l e r ；c o m b u s t i o ns y s t e m ；s u b s p a c ep r e d i c t i v ec o n t r o l i i i - - 么；j 一 一 l 石 r 。 一 r 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要l i a b s t r a c t i l l 第l 章绪论。1 1 1 国内外循环流化床技术的发展及存在的问题1 1 2 子空间预测控制产生及发展现状2 1 3 本文主要工作4 第2 章循环流化床锅炉燃烧系统5 2 1 循环流化床锅炉的特点。5 2 2 循环流化床锅炉工艺简介6 2 2 1 循环流化床锅炉主要结构。6 2 2 2 循环流化床锅炉工艺过程8 2 3 循环流化床锅炉燃烧控制系统。9 2 3 - 1 循环流化床锅炉燃烧系统控制任务9 2 3 2 循环流化床锅炉燃烧控制特点1 0 2 3 3 循环流化床锅炉燃烧系统的控制研究。1 1 2 4 循环流化床锅炉燃烧系统的控制研究发展现状1 3 2 5 本章小结1 4 第3 章子空间预测控制。1 5 3 1 预备知识。1 5 3 1 1 子空间辨识基础1 5 3 1 2 广义预测控制基本算法一2 1 3 2 子空间预测控制基本算法2 3 3 3 具有p i 结构的子空间预测控制：2 5 3 4 改进后的算法分析比较2 8 3 4 1 改进算法的参数分析2 8 一i v 东北大学硕士学位论文目录 3 4 2 改进算法与基本算法的仿真比较3 0 3 5 本章小结3 4 第4 章c f b 锅炉燃烧系统子空间预测控制仿真研究3 5 4 1 引言。3 5 4 2c f b 锅炉燃烧系统的数据采集及处理3 5 4 2 1 数据的采集3 6 4 2 2 数据清洗3 6 4 3c f b 锅炉燃烧系统的模型3 8 4 3 1 循环流化床锅炉的经验模型3 8 4 3 2 子空间辨识循环流化床模型3 9 4 4c f b 锅炉燃烧系统的仿真。4 0 4 4 1p i d 控制4 0 4 4 2 具有p i 结构的子空间预测控制4 2 4 5 本章小结4 6 第5 章总结与展望4 9 5 1 总结4 9 5 2 展望4 9 参考文献。5 1 致谢5 5 一v 一 一一 ! ： j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 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 o i l e r ) 是近3 0 年来发展起来的一 种新型煤燃烧技术。它具有常规煤粉炉所没有的优点1 1 l ：燃烧效率高，燃料适应性广， 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，灰渣可综合利用。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。循环流化床真正得到应用始于7 0 年代末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 0 t h 商用循环流化锅炉投入运行。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：( 1 ) 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 画、l c n t j e s 和b a b c o c k 公司三家公司联合成立了l l b 公司，拥有h 画型和c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉。( 2 ) 芬兰奥斯龙公司( 1 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。( 3 ) 美国福斯特惠勒( f 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 哂技术，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，逐渐达到与煤粉炉容量相 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开发研究 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1 0 0 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 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 燃煤种外，其飞灰含碳量仍略高于煤粉炉。 ( 2 ) 对固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 的金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 o x 生成物大大高于常规的煤粉燃烧系统。n o x 是燃烧过程 中的中间产物，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 o x 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 到与常规煤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。 循环流化床锅炉虽然具有较其它类型锅炉更为优越的性能和特点，但在其商用化和 大型化的过程中还存在着许多急待解决的问题。这些困难除了循环流化床锅炉本体设计 和结构本身存在的问题之外，如：炉膛和返料器的设计、炉衬的选择、旋风分离器和烟 气除尘的效率等，还有循环流化床锅炉在动态特性上不同于煤粉炉和重油炉，这主要表 现在循环流化床锅炉燃烧室内流化床的大热容量的热平衡特性。 循环流化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、多变量耦合紧密的控制对象。在 扰动存在的情况下，要保持床温在一定范围变化，需要调节给煤量或送风量。给煤量的 大小与负荷密切相关。如果调节送风量控制床温，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) 。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。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。 到目前为止，还难以建立循环流化床锅炉燃烧系统的精确数学模型，传统控制方法 无法发挥其自身的优越性。即使由于众多研究人员的努力，目前已经建立了c f b 锅炉 的复杂的数学模型，但从工程应用角度来说，也必须进行简化，从而难以保证模型的精 度。此外c f b 锅炉运行状态、内部参数等因素的不确定性，使得基于现代控制理论的 最优控制在实际上往往不能保持最优，有时甚至会引起控制品质的严重下降。 j 1 2 子空间预测控制产生及发展现状 子空间方法1 2 叫是2 0 世纪末提出的一类新的状态空间模型辨识方法，由于子空间方 法在辨识中对模型结构先验知识需求较少，在数值计算中具有一定的鲁棒性，以及对多 一，一 z 一。 - - ； ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 变量系统的广泛适用，从提出至今的十几年中，子空间方法得到了辨识和控制领域的广 泛关注【5 。9 】。子空间方法综合了系统理论、线性代数和统计学三方面的思想，相比于传 统的辨识方法，诸如预报误差法和辅助变量法，它有如下优点：( 1 ) 不需要参数化；( 2 ) 不需要迭代优化；( 3 ) 算法实现仅依赖于一些简单可靠的线性代数工具，如q r 分解、 s v d 分解等；( 4 ) 直接估计状态空间模型，适用于多变量系统辨识。 从提出至今的十余年来，子空间辨识方法得到了迅速发展，在理论和应用上都取得 了很多成果。许多国际著名的学术期刊不断出版专刊讨论子空间辨识方法，在一些国际 国内辨识和控制会议上，子空间方法也成为一个受到广泛关注的研究课题。在理论研究 的基础上，子空间方法的应用也取得了许多成果。譬如，在过程工业如化工、钢铁、造 纸等行业，机械工程如一些机械结构的模态和振动分析，以及数据融合、动态纹理等领 域，子空间方法都得到了广泛的应用。所有这些都为推动子空间辨识的发展做出了重要 贡献，也预示着子空间辨识方法成为系统辨识领域一个新的热点研究问题。 在算法实现方面，对子空间方法的研究不断拓展，从开始针对线性时不变系统的辨 识问题【1 2 1 ，到特殊非线性如双线性系统【1 3 】、非线性w i n e n e r 模型1 1 4 】等的辨识，从开环模 型辨识到闭环系统辨识【1 5 】。近几年来递推子空间辨识1 1 4 】【1 6 】也成为一个研究的热点问题， 特别是这些方法已经在故障检测、自适应控制中得到了很好的应用1 1 7 】。 在算法性能方面，对子空间方法的性能分析主要包括算法的统计特性分析和估计精 度两方面【1 8 】。由于子空间辨识算法的研究还处于初期阶段，有关这两方面的研究成果还 不是很多，尤其在精度估计方面。一方面由于在子空间方法中得到的结果是关于某个相 似变换等价；另一方面也在于算法推导过程中需要满足一定的秩条件，该条件关联到对 输入信号所作的假设，因此到目前为止还没有比较好的精度估计方法。 在算法应用方面，主要和预测控制、自适应控制等方法结合有了初步的应用【1 9 2 1 】。 因此，结合本文的主要研究内容和问题背景，本节从算法实现、性能分析和控制应用几 方面分别综述子空间辨识方法的新进展。 预测控制的产生具有深刻的意义和实际背景，且已在过程控制中得到了广泛的应 用，成为现代控制的主要方法之一1 2 2 - 2 3 1 。预测控制是一种基于模型的控制算法，根据模 型来预测系统行为并进行优化问题的求解。在控制器的设计中，模型精度对控制器的性 能有很大影响。在实际的工业过程中，往往只有可测输入输出数据已知，因此如何在仅 有的数据信息基础上，将系统建模步骤包含其中，来进行预测控制器的设计，并使得设 计的控制器适应被控系统特性的需要且具有良好的性能，无论在理论研究还是在工业应 用中都具有重要的意义。 子空问方法作为一种新型辨识方法，直接基于一段时间滚动窗口的输入输出数据， 不需要任何模型结构与系统阶次等先验知识，可以直接得到预测输出形式的子空间预估 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 器模型。辨识中以多步预测误差的最小化为目标，而且，由于子空间方法在辨识中利用 了线性代数工具，与传统的辨识方法如预报误差方法相比，不需要非线性的迭代及搜索 过程。因此，子空间预估器模型不仅具备了预测控制对模型的要求，而且包含了适于用 作预测模型的特剧弘2 5 1 。 一般来说，若仅已知系统输入输出数据，预测控制器的设计一般包括三个独立的步 骤：第一是通过系统辨识获得系统参数；第二是根据模型参数设计k a l m a n 滤波器获得 系统状态估计；最后将状态估计值应用于预测控制器的设计中。f a v o r e e l 等1 1 9 j 首先将子 空间辨识技术应用于l q g 控制器的设计中，将上述三个步骤由一步q r 分解和s v d 分 解获得。将l q g 的控制器设计归入无模型的控制器设计范畴。随后基于子空间辨识的 预测控制设计方法出现在不同的研究中，它们或基于子空间预估器矩阵，或使用子空间 辨识获得的状态空间模型作为预测模型，但是在这些方法中，预测控制的一些典型特征 并没有得到充分的考虑与设计，如：在g p c 框架内控制率的描述、前向控制作用对可 测噪声的补偿、约束的处理能力以及基于噪声模型的调节问题等。k a d a l i 等【硎中提出一 种利用子空间预估器直接设计预测控制的方法，并将上述预测控制的典型特征包含其 中。为进一步讨论子空间方法在预测控制中的应用，b r u c e 等【2 6 j 将无模型的概念扩展到 h 。控制器的设计中。文中指出子空间辨识与控制器之间的相互关系减少了设计中输入 变量的个数，因此这种无模型的方法很容易成为自适应控制算法的基础。因此，基于子 空间辨识方法，将日。性能指标应用于控制的设计中，提出一种新的自适应控制器的设 计。这一新的自适应控制机制的特点是基于不断更新的试验数据，得到最优的预测性能 指标m i n ，为系统闭环性能的估计提供一个即时的量测指标。 1 3 本文主要工作 本文的主要工作可以大致分成以下三方面：首先，本文在介绍了循环流化床锅炉的 原理、结构、特点的基础上，设计了循环流化床锅炉燃烧控制系统的方案。另外，在研 究了现有的子空间预测算法后，针对其不足，对其进行了改进。其次，结合文献数据， 先利用子空间辨识算法辨识了循环流化床锅炉燃烧系统的模型，并将辨识模型与基于机 理和经验的文献模型2 7 l 进行了比较，验证了子空间辨识方法的有效性。最后，子空间预 测控制对进行了仿真研究，仿真结果表明子空间预测控制在循环流化床锅炉燃烧系统中 有着较好的控制效果和广阔的应用前景。 一4 一 、j；， n ， 东北大学硕士学位论文第2 章循环流化床锅炉燃烧系统 第2 章循环流化床锅炉燃烧系统 2 1 循环流化床锅炉的特点 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。我国是产煤大国，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。常规煤炭燃烧装置对 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，使它在锅炉上得以广泛应用。循环流化床是处于煤的层燃燃烧和煤粉燃烧之间的一 。， 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点，其优点主要如 下： ( 1 ) 燃料适应性广萝 这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床 料的1 3 ，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣或砂。循环流化床锅炉的特 殊流体动力特性使得气固和固固混合非常好，因此燃料进入炉膛后很快与大量床料 混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而同时床层温度没有明显降低。只要燃料的热 值大于加热燃料本身和燃烧所需的空气至着火温度所需的热量，上述特点就可以使得循 环流化床锅炉不需辅助燃料而燃用任何燃料。循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃 用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以及油 页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、垃圾等。 ( 2 ) 燃烧效率高 循环流化床锅炉的燃烧效率通常在9 7 5 9 9 5 范围内，可与煤粉锅炉相媲美。 ( 3 ) 高效脱硫 流化床低温燃烧的特点使其能够与多数天然石灰石的最佳燃烧脱硫温度相一致。循 环流化床锅炉在结构设计合理、运行操作适当以及添加合适品种和粒度的石灰石等条件 下，可以达到9 0 的脱硫效率。 ( 4 ) 氮氧化物( n o x ) 排放低 氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。一是低温燃烧，此时 一气一 东北大学硕士学位论文第2 章循环流化床锅炉燃烧系统 空气中的氮一般不会生成n o x ，二是分段燃烧，抑制燃料中的氮转化为n o x 并使部分 已生成的n o x 得到还原。 ( 5 ) 燃烧强度高，炉膛截面积小 炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的主要优点之一。循环流化床锅炉的 截面热负荷约为3 5 4 5m w m 2 ，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉 需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2 - 3 倍。 ( 6 ) 给煤点少 循环流化床锅炉的炉膛截面积较小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给 煤点数大大减少。在循环流化床锅炉中，燃料经常给入返料管内，这样在进入炉膛前经 历一个预热过程，既有利于燃烧，也简化了给煤系统。 ( 7 ) 燃料预处理系统简单 循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于1 2m m 。因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破 碎系统大为简化。此外，循环流化床锅炉能直接燃用高水分煤( 水分可达到3 0 以上) ， 当然用高水分燃料时也不需要专门的处理系统。 ( 8 ) 易于实现灰渣综合利用 循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭 量低，属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用。如灰渣作为水泥掺和料或做建筑材料、 同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。 ( 9 ) 负荷调节范围大、负荷调节速度快 当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那 样采用分床压火技术。一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达3 4 ：1 。此外， 由于截面风速高和吸热控制容易，循环流化床锅炉的负荷调节速率也很快，一般可达每 分钟4 。 ( 1 0 ) 投资和运行费用适中 循环流化床锅炉的投资和运行费用略高于常规煤粉锅炉，但比配置脱硫装置的煤粉炉低 1 5 - - 2 0 。 2 2 循环流化床锅炉工艺简介 2 2 1 循环流化床锅炉主要结构 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、 飞灰分离装置、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。 一6 东北大学硕士学位论文 第2 章循环流化床锅炉燃烧系统 一次风粗灰 l - 燃烧室 2 飞灰分离器 3 - 飞灰l 叫送器4 尾部烟道5 过热器 6 - 省煤器7 - 空气预热器8 除尘器 9 汽包1 0 减温器 图2 1 循环流化床锅炉主要结构不意图 f i g 2 1c f bb o i l e rm a i ns t r u c t u r es k e t c hm a p 。 ( 1 ) 燃烧室 。一 循环流化床锅炉的燃烧室与常规煤粉锅炉的炉膛有较大差异，以二次风喷口为界， 下部为密相还原燃烧区，上部为稀相氧化燃烧区。还原燃烧区布置有燃料、石灰石、循 环灰进口。燃烧室底部有布风板，其作用是使一次风均匀地被送入炉内。有的形式的循 环流化床锅炉，其燃烧室上都布置有过热器或再热器等受热面。 ( 2 ) 物料分离器 目前，大型c f b 锅炉一般都采用高温旋风分离器。高温旋风分离器是一个内敷有 耐火、隔热两层材料的钢制件。与烟气接触的外层用耐高温、耐磨材料制成，内层用轻 质保温材料填充。高温旋风分离器是循环流化床锅炉在结构上的特征之一，其高温分离 性能对循环流化床锅炉的正常运行有较大的影响。高温旋风分离器的分离效率通常用切 割直径来表示，其定义为在给定颗粒特性和操作条件下分离效率为5 0 时的颗粒直径。 大于此直径的颗粒极有可能在高温旋风分离器中被分离出来，而小于这一直径的颗粒被 分离的可能性就小得多。分离器的分离效率和分离器的阻力是评价高温旋风分离器性能 的主要指标。影响高温旋风分离器性能的因素有烟气温度和分离器尺寸。烟气温度越高， 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章循环流化床锅炉燃烧系统 分离器的分离效率越低。分离器直径越大，其分离效率越低。高温旋风分离器通常敷设 大量的耐火材料。这些耐火材料的加热和冷却需要很长的时间，因而锅炉的启动也需要 很长的时间。高温旋风分离器表面的温度相对很高，所以对流和辐射损失很大。为了解 决这个问题，高温旋风分离器采用水或蒸汽冷却，这样，分离器能减少使用耐火材料的 数量，也能减少高温旋风分离器外表面的辐射热损失，同时还能缩短锅炉的启动时间。 不仅如此，这种超薄的带细小龟裂裂纹的耐火耐磨层使水、汽冷分离器成为锅炉追加受 热面，有利于大型c f b 锅炉受热面布置。 ( 3 ) 飞灰回送装置( 回料器) 回料器的作用是将高温旋风分离器分离下来的高温灰，从分离器下部的低压侧( 一 般为负压) 输送到燃烧室下部的高压侧( 正压) 。经过几十年的发展，u 形结构的非机 械式回料器成为c f b 锅炉的回料装置的主要形式，常见的有u 阀和j 阀。实现这种输 送的动力来自流化后的物料重力。因此，分离器与回料器之间的立管高度和料位高度对 回送的实现非常重要。 ( 4 ) 外部低速流化床换热器 有的形式的循环流化床锅炉，设置有外部流化床( f b h e ) 换热器。部分从高温旋 风分离器分离出来回送至炉膛的高温固体颗粒，可分流到流化床换热器中，其数量可以 通过机械阀来控制。f b h e 除了可以增加受热面布置外，还有助于锅炉的变负荷运行， 增加锅炉对燃料的适应性。采用外部低速流化床热交换器的重要原因之一是为了将锅炉 的燃烧过程与传热过程分开，便于调节燃烧室温度和锅炉负荷。外部低速流化床热交换 器实质上是一个细颗粒鼓泡床冷却器，流化风速通常为0 1 5 - - - 0 4 5 m s ，用来将高温循环 灰从9 0 0 左右冷却到5 0 0 左右，之后经送灰器送入床内再燃烧。它一般由几个分床 组成。省煤器、蒸发器、过热器分别布置在不同的分床内。 2 2 2 循环流化床锅炉工艺过程 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自动排渣机和冷渣机放出。 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 锅炉燃烧相比，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 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章循环流化床锅炉燃烧系统 它们送回炉内再次参与燃烧过程，反复循环地组织燃烧。很显然，燃料在炉膛内燃烧的 时间延长了。在这样地燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度地限制，一般保持 在8 5 0 。c - - 9 5 0 0 c 之间。这样的温度远低于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 3 循环流化床锅炉燃烧控制系统 2 3 1 循环流化床锅炉燃烧系统控制任务 c f b 锅炉燃烧过程控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷 的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行及环保要求。每台锅炉燃烧过程的具体控制任 务及控制系统的选择因燃料种类、燃烧设备以及锅炉的运行方式的不同而有所区别，燃 烧控制系统的任务归纳起来有以下几个方面： ( 1 ) 维持锅炉主蒸汽压力。如果只有一台锅炉运行，则维持过热器出口汽压，如果 几台锅炉同时运行，则维持母管汽压。汽压的变化表示锅炉的蒸汽产量与负荷的耗汽量 不相适应。这时必须相应的改变燃料的供应量，以改变锅炉的供汽产量。 ( 2 ) 保证锅炉燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它 与燃料相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。到目前为止，锅炉的燃烧效率不能直接 测量出来，经常用一些间接地方法来判断燃烧效率，如用烟气含氧量来修正过量空气系 数。 ( 3 ) 引风量与送风量相配合以保证炉膛压力在一定的范围内( 对于负压炉为1 9 6 4 9 p a ) 。炉膛压力的高低，关系着锅炉的安全经济运行。 ( 4 ) 料床温度是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要控制参数，同时也直接 影响着锅炉运行中的脱硫效率及崛的产生量。c f b 锅炉要保证安全稳定运行，床温必 须保持在其设计的范围内，根据石灰石与氧气和二氧化硫之间的吸收反应所确定的最佳 床温应在( 8 5 0 - - 9 5 0 ) o c 之间。在这个温度范围内，可以保证正常的流化燃烧工况， 最佳的脱硫效率，较低的崛生成量及较高的燃烧效率。床温过高会造成床料结渣，过 低则易发生低温结焦及灭火。由此可见，床体温度参数的控制是极为重要的控制参数。 ( 5 ) 床高控制也是与锅炉的安全运行联系密切。料层太厚，会把一次风的“风头”压 住，使床料不能达到完全流化的状态；料层太薄首先不能满足带负荷的要求，其次会使 一9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章循环流化床锅炉燃烧系统 一次风穿透料层吹灭炉火。 ( 6 ) 二级返料回灰量控制。该量控制的好坏，将直接影响c f b 锅炉的循环倍率， 另外床体温度对其也有影响。 2 3 2 循