智能算法在450th CFB锅炉床温-主蒸汽压力控制中的应用

华北电力大学硕士学位论文

第一章 绪 论

1.1循环流化床的发展

循环流化床（Circulating Fluidized Bed，简称CFB）技术是80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、灰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[1]。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，21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（Friz Winkler）于1921年12月发明的，他将燃烧产生的烟气引入一个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粗颗粒床料。快速流化床是由麻省理工学院的刘易斯（Warren K.Lewis）和吉里兰（Edwin R.Gilliland）在1938年12月最早发明的，当时他们正在为流化床催化裂化过程（FCC）设想一种合适的气固接触工艺，当气流以3m/s的速度自下而上通过装有FCC颗粒（平均粒径55μm）的容器时，发现了细颗粒的聚集以及较高的气固相对速度。60年代初，埃利奥特（Douglass Elliott）与英国煤炭利用研究协会和煤炭局一起开发流化床燃煤锅炉，几年之后第一台常规流化床锅炉投入了运行[2]。 二、循环流化床燃烧

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，炭未完全燃烧损失大，燃烧效率不高。为了克服燃烧效率不高的缺点，收集飞灰再循环燃烧的流化床技术应运而生。第一台由鲁奇（Lurgi）公司开发的燃煤循环床锅炉于1982年在德国投入运行，其热功率为84MW。中国于1982年开始循环流化床燃烧技术的研究，至今有200多台循环流化床锅炉投入运行[3]。 三、增压流化床燃烧

增压流化床燃烧是当今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

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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，其发电效率可达45%，第二代增压流化床联合循环电厂，发电效率可达50%。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亦是适宜的。

循环流化床（CFB）锅炉运行参数的调节主要包括汽压、汽温、给水流量及燃烧调节和负荷调节等几个方面，由于汽温和给水流量的调节与煤粉锅炉基本相同，本文不予介绍。蒸汽压力是锅炉安全和经济运行的最重要指标之一，一般规定过热蒸汽的工作压力与额定值的偏差不得超过±（0.05～0.1）MPa，当出现外部或内部扰动时，汽压发生变动。蒸汽压力的调节是通过燃烧调节来实现的，当蒸汽压力升高时，应当减弱燃烧；当蒸汽压力降低时，应当加强燃烧。由于燃烧方式的不同，循环流化床锅炉的燃烧调节方法与煤粉炉和火床炉有着很大差别。CFB锅炉的燃烧调节，主要是通过对给煤量、一次风量、一二次风分配、床温和床高、返料量等的控制和调节，来保证锅炉稳定、连续运行以及脱硫脱硝。CFB锅炉的变负荷调节过程，是通过改变给煤量、送风量和循环物料量或外置换热器（EHE）冷热物料流量分配比例来实施的，这样可以保证在变负荷中维持床温基本稳定。但是由于CFB锅炉技术是近几年在我国发展起来的新技术，并且对象变量关系复杂，理论研究尚未达到足够的深度，难以建立精确的数学模型，所以常规控制方案很难达到理想的控制效果，因此目前特别需要的是适合我国国情的规范化的整体CFB锅炉热工自动控制系统。

1.2课题的研究背景及意义

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76%，而煤炭中有84%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越来越严重。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。

CFB锅炉是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染的清洁燃煤锅炉，它与其他类型锅炉的最主要区别在于流化状态下的燃烧过程[4]。其主要特点是：燃料及脱硫剂经多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈。它具有常规煤粉炉所没有的优点：燃烧效率高、脱硫效率高、低污染燃烧、燃料适应性广、燃烧热强度高、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[5]。虽然CFB锅炉，尤其是中小型CFB锅炉得到了大量的推广，但控制问题一直是CFB锅炉的主要问题

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之一，尤其是燃烧控制系统。目前大多数电厂的CFB锅炉燃烧控制系统基本上不能正常投运，或者自动投运率很低，实际运行中主要依靠手动调节。

燃烧控制系统难以投运的主要原因在于CFB锅炉燃烧系统的复杂性，众所周知CFB锅炉燃烧控制系统是一个分布参数、非线性、时变、大滞后、多变量紧密耦合的被控对象[6]，例如：床温和主蒸汽压力都同时受到给煤量和送风量的影响，若扰动存在，当床温和主蒸汽压力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，当CFB锅炉燃烧处于不同的反应状态、氧化或还原锅炉处于不同的负荷、偏差及偏差变化率处于不同的方向时，都要采用与之相应的控制策略，这样的协调控制用常规的反馈控制系统很难达到理想的效果，又由于本身存在的非线性，使得CFB锅炉运行状态变化时，风煤比、一二次风比、送引风比、煤与石灰石比都要随之变化，这也是一般的常规控制方法所难以解决的问题。另外，由于一般CFB锅炉的负荷可在25～110%范围内变化，不同负荷以及不同工况下循环流化床锅炉本体特性的差异很大，调节手段也会随之不同，有的辅助被调参数的状态也会发生相应的变化，因此如何在不同负荷分段下实现自动控制就成为目前急需解决的问题。

本课题在提出分段线性化数学模型的基础上，采用智能算法进行控制系统的设计、仿真、组态与调试，结合实际运行经验，力求实现CFB锅炉床温－主蒸汽压力的解耦控制。使床温在允许的变化范围内保证主蒸汽压力的稳定及最佳风煤比，以取得经济燃烧和高热效率，最终实现控制床温和主蒸汽压力稳定。

1.3循环流化床锅炉自动控制研究的现状

随着人们环保意识的逐渐加强，CFB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CFB锅炉自动控制系统[7]。CFB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。

国外的Kaya提出了采用Bailey Network 90集散系统的CFB锅炉控制系统，包括负荷控制、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（SO2）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提下的最优性能，其多变量模型是通过过程输入-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）比状态空间控制策略(采用极点配置控制设计)更能满足CFB锅炉的控制要求[8]。

国内的牛培峰研究设计了一个75t/h CFB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（主蒸汽压力控制、送风控制、床温控制、

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烟气含氧量控制和炉膛负压控制）、固体物料回送控制等，以PID为主体，采用了纯滞后补偿预估、前馈、串级等控制策略[9]。叶海文沿用分层控制的方法，由基础控制完成CFB锅炉的大部分控制任务，它基本上继承了一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，负荷控制采用基于神经网络的预测控制算法[10]。郭爽对床温进行单级和串级模糊控制的设计和仿真，分别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[11]。

1.4本文的主要研究内容

通过对保定热电厂450t/h CFB锅炉燃烧控制系统的调研，了解燃烧系统运行的本体特性，根据整体运行情况，结合运行人员的经验，提出分段线性化的数学模型。在分析原燃烧控制系统所存在问题的基础上，提出解耦控制系统的设计方案并进行仿真研究，分析CFB锅炉燃烧系统在不同的负荷范围内，动态特性能否得到改善，抗干扰能力、鲁棒性等方面能否达到满意效果，最后进行现场的组态和调试，力求实现CFB锅炉的床温－主蒸汽压力的解耦控制，以取得经济燃烧和高热效率。 （1）CFB锅炉燃烧系统的机理性研究

重点分析CFB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，又由于大部分的燃烧调整是根据负荷的变化进行的，因此根据现场考察数据和送风量调节的特点将燃烧系统数学模型分为四段：①低负荷范围内（26.7～66.7%），即主汽流量为：120～300t/h运行时，基本成鼓泡流化状态；②中低负荷范围内（68.9～77.8%），即主汽流量为：310～350t/h运行时，床温上升很快，随着床温的升高和锅炉负荷的增加，应开始少量给煤；③中高负荷范围内（80～88.9%），即主汽流量为：360～400t/h运行时，一次风量即将达到上限值，一次风量稳定不继续增加，二次风量继续增加，此时基本成循环流化状态；④高负荷范围内（91.1～100%），即主汽流量为：410～450t/h运行时，燃烧工况趋于稳定，床温、主蒸汽压力、烟气含氧量等趋于稳定，循环流化状态良好。利用最小二乘法对系统的模型和参数进行辨识，进一步分析原燃烧控制系统存在的问题。 （2）控制系统的设计方案

在分析原控制系统所存在问题的基础上，对子系统的常规PID控制方案进行改进，总结常规PID控制方案的特点，为参数自整定多变量模糊解耦控制系统的设计奠定基础。针对被控对象动态特性差异大的特点，采用分段线性化数学模型的方法；针对不同负荷分段下调节手段不同的特点，采用对分段模型进行无扰切换；针对在基本模糊控制器的设计基础上，借鉴模糊PID参数自整定的思想，提出在不同负荷

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