一、前言
近年來，我國對能源的需求迅速增加，豐富的煤炭資源和我國歷史、經(jīng)濟(jì)等方面的條件相結(jié)合，形成了我國能源利用中以煤為主的格局，因此也造成了我國煤供應(yīng)越來越緊張的局面。另外，我國煤炭資源的一個重要特點(diǎn)是高硫煤占相當(dāng)大比例，含硫量大于1％的高硫煤占總儲存量的25％以上，2003年我國二氧化硫的排放總量達(dá)到了2020萬噸，我國受酸雨侵害面積已擴(kuò)大到國土面積的50％以上。如何解決煤炭燃燒設(shè)備降低NOx\SO2大氣污染物排放、改善環(huán)保減輕溫室效應(yīng)、低成本的設(shè)備投資、提高能源利用效率、便于劣質(zhì)煤綜合利用、盡量處理固體垃圾燃料之間所存在的矛盾，成為煤炭燃燒和綜合利用設(shè)備發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵所在，循環(huán)流化床鍋爐以其優(yōu)良的環(huán)保特性（低排放）、卓越的適應(yīng)性（煤種、負(fù)荷）和突出的節(jié)能效果受到越來越多企業(yè)的青睞。
從另外一個角度來看，循環(huán)流化床鍋爐雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是對象復(fù)雜、控制難度大，尤其燃燒控制這一問題雖經(jīng)許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，但目前仍普遍缺少實(shí)現(xiàn)燃燒全自控的實(shí)際可行的控制策略。
浙大中控在循環(huán)流化床鍋爐控制方面進(jìn)行了大量的研究并積累了豐富的現(xiàn)場實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，針對各種規(guī)模的流化床鍋爐設(shè)計出了適用的控制方案，并已在多個生產(chǎn)現(xiàn)場成功實(shí)施，在這份資料中我們將多年的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)整理成冊，希望能對您在應(yīng)用流化床鍋爐進(jìn)行節(jié)能降耗、優(yōu)化運(yùn)行的生產(chǎn)過程中提供借鑒。
二、循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)及工作原理
循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)
循環(huán)流化床鍋爐主要由燃燒系統(tǒng)、氣固分離循環(huán)系統(tǒng)、對流煙道三部分組成。其中燃燒系統(tǒng)包括風(fēng)室、布風(fēng)板、燃燒室、爐膛、給煤系統(tǒng)等幾部分；氣固分離循環(huán)系統(tǒng)包括物料分離裝置和返料裝置兩部分；對流煙道包括過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等幾部分。圖1、圖2為某廠260t/h循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組監(jiān)控畫面。
圖1
圖2 循環(huán)流化床鍋爐工作原理
煤和脫硫劑被送入爐膛后，迅速被爐膛內(nèi)存在的大量惰性高溫物料（床料）包圍，著火燃燒。燃燒所需的一次風(fēng)和二次風(fēng)分別從爐膛的底部和側(cè)墻送入，物料在爐膛內(nèi)呈流態(tài)化沸騰燃燒。在上升氣流的作用下向爐膛上部運(yùn)動，對水冷壁和爐內(nèi)布置的其他受熱面放熱。大顆粒物料被上升氣流帶入懸浮區(qū)后，在重力及其他外力作用下不斷減速偏離主氣流，并最終形成附壁下降粒子流，被氣流夾帶出爐膛的固體物料在氣固分離裝置中被收集并通過返料裝置送回爐膛循環(huán)燃燒直至燃盡。未被分離的極細(xì)粒子隨煙氣進(jìn)入尾部煙道，進(jìn)一步對受熱面、空氣預(yù)熱器等放熱冷卻，經(jīng)除塵器后，由引風(fēng)機(jī)送入煙囪排入大氣。
燃料燃燒、氣固流體對受熱面放熱、再循環(huán)灰與補(bǔ)充物料及排渣的熱量帶入與帶出，形成熱平衡，使?fàn)t膛溫度維持在一定溫度水平上。大量的循環(huán)灰的存在，較好的維持了爐膛的溫度均化性，增大了傳熱。而燃料成灰、脫硫與補(bǔ)充物料以及粗渣排除維持了爐膛的物料平衡。
煤質(zhì)變化或加入石灰石均會改變爐內(nèi)熱平衡，故燃用不同煤種的循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計及運(yùn)行方面都有不同程度的差異。循環(huán)流化床鍋爐在煤種變化時，會對運(yùn)行調(diào)節(jié)帶來影響。試驗(yàn)表明，各種煤種的燃盡率差別極大，在更換煤種時，必須重新調(diào)節(jié)分段送風(fēng)和床溫，使燃燒室適應(yīng)新的煤種。
加入石灰石的目的，是為了在爐內(nèi)進(jìn)行脫硫。石灰石的主要化學(xué)成份是CaO,而煤粉燃燒后產(chǎn)生的SO2、SO3等，若直接通過煙囪排入大氣層，必然會造成污染。加入石灰石后，石灰石中的CaO與煙氣中的SO2、SO3等起化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)的CaSO3 、CaSO4（即石膏），從而減少了空氣中的硫酸類的酸性氣體的污染。另外，由于流化床鍋爐的燃燒溫度被控制在800～900℃范圍內(nèi)，煤粉燃燒后產(chǎn)生的NOx氣體也會大大減少硝酸類酸性氣體。
三、循環(huán)流化床鍋爐控制特點(diǎn) 由于循環(huán)流化床鍋爐自身的特點(diǎn)，在運(yùn)行操作時不同于層燃爐和煤粉爐，就其控制系統(tǒng)而言具有系統(tǒng)復(fù)雜、多變量輸入多變量輸出、變量關(guān)聯(lián)耦合性強(qiáng)、輸入輸出非線性、大滯后等特點(diǎn)，如果運(yùn)行中不能滿足其對熱工參數(shù)的特殊要求，極易釀成事故。
1. 多變量耦合性
由于循環(huán)流化床鍋爐燃燒中，任何一個輸入變量（如溫度、壓力、流量、液位）的改變都會影響到其他輸出變量的改變（這在控制理論中稱之為耦合性）。如燃料量（給煤量）的改變，不僅會影響到爐床溫度的變化，也會影響到主蒸汽流量、壓力和溫度的變化。
2. 輸入輸出非線性
循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中，各被控設(shè)備的輸出物理量對輸入物理量的響應(yīng)有較大的時間滯后特性，以及各被控設(shè)備的輸出物理量與輸入物理量的之間的數(shù)學(xué)特性為非線性，使得控制運(yùn)算變得復(fù)雜，這樣就必然給各物理量的控制帶來很大的困難。
四、浙大中控DCS在循環(huán)流化床上的應(yīng)用 1. 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理功能（DAS）
DAS系統(tǒng)通過I/O卡直接從過程對象中獲取數(shù)據(jù)，也可以通過SCnetⅡ或從其它子系統(tǒng)如MCS、SCS站采集和處理所有與機(jī)組有關(guān)的測點(diǎn)信號及設(shè)備狀態(tài)信號。在操作站上進(jìn)行生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視和操作, DAS系統(tǒng)具有下列功能：
—— 顯示：包括工藝流程圖顯示、操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示、趨勢顯示、報警顯示等。
—— 記錄：包括定期記錄、報警記錄、事故追記記錄、事故順序（SOE）記錄、跳閘記錄、操作記錄等。
—— 歷史數(shù)據(jù)存儲和檢索
—— 性能計算
2.模擬量自動調(diào)節(jié)控制功能（MCS）
A. 汽包水位控制
汽包水位是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，汽包水位控制是鍋爐控制中的基本控制，水位過高會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，沖擊汽輪機(jī)葉片，引起軸封破損，葉片斷損等故障；水位過低則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中的某些薄弱環(huán)節(jié)，以至局部水冷壁管燒壞，嚴(yán)重時造成爆炸。汽包水位的優(yōu)良控制有重大意義。
經(jīng)過多年工程經(jīng)驗(yàn)的積累，浙大中控獨(dú)創(chuàng)了汽包水位控制模塊FB_BoiLCon，該模塊中集成了基于直接物質(zhì)平衡的專家控制、前饋單回路控制、前饋串級控制（三沖量控制）的3種控制方案，可以很好的解決汽包水位控制。
B. 主蒸汽溫度控制
主汽溫度自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，從而保證機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。過熱汽溫過高，則過熱器易損壞，也會使汽輪機(jī)內(nèi)部引起過度的熱膨脹，嚴(yán)重影響運(yùn)行的安全；過熱汽溫低，則設(shè)備的效率低，一般汽溫每降低5～10℃，效率約降低 1% ，同時會使通過汽輪機(jī)最后幾級的蒸汽濕度增加，增加葉片磨損。
主蒸汽溫度位控制是鍋爐控制中的基本控制，通常采用由主汽溫度、爐膛出口煙氣溫度（或主汽流量）及減溫后溫度（或噴水減溫水流量）等參數(shù)組成的串級三沖量控制系統(tǒng)。
C. 主蒸汽壓力控制
主蒸汽壓力是機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，對于蒸汽負(fù)荷控制的實(shí)現(xiàn)，最終是通過改變?nèi)剂狭縼硗瓿傻?。而燃料量的改變又必然將影響到各臺鍋爐各自的過熱器出口蒸汽壓力，并且也必將會導(dǎo)致爐床溫度及爐膛出口溫度的改變，故而控制系統(tǒng)必須考慮各參數(shù)的相互影響。我公司通過多年研究和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)積累，獨(dú)創(chuàng)了專家智能結(jié)合前饋單回路的先進(jìn)控制方案，在現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好效果。通過專家控制系統(tǒng)對平均床溫進(jìn)行分析，針對恒壓切換與恒負(fù)荷切換兩種情況將主汽流量與分析后的結(jié)果相加作為前饋量，根據(jù)是否存在負(fù)荷分配得出主汽壓力的設(shè)定值，通過調(diào)節(jié)給煤量穩(wěn)定主汽壓力值。
D. 爐膛負(fù)壓控制
爐膛負(fù)壓控制是保證鍋爐安全燃燒的首要控制對象，經(jīng)過多年工程經(jīng)驗(yàn)的積累，我公司建立了爐膛負(fù)壓控制模塊FB_NegPCon，該模塊是一前饋單回路控制，以鍋爐總進(jìn)風(fēng)量作前饋。
E.氧量控制
在循環(huán)流化床鍋爐中，一次風(fēng)為基本流化風(fēng)量，根據(jù)料層差壓進(jìn)行限幅調(diào)節(jié)，在引風(fēng)自動調(diào)節(jié)已經(jīng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可以投運(yùn)二次風(fēng)自動即氧含量自動控制，氧量控制采用串級控制，根據(jù)給煤量確定二次風(fēng)的初步設(shè)定值，再根據(jù)含氧量對二次風(fēng)量初設(shè)值進(jìn)行修正得出二次風(fēng)的設(shè)定值，同時將一次風(fēng)量作為前潰該來控制二次風(fēng)機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速。
F. 床溫控制
由于循環(huán)流化床鍋爐（CFBB）的燃燒過程十分復(fù)雜、受到多種因素的影響，不僅燃燒系統(tǒng)內(nèi)部的給煤、一、二次風(fēng)、返料耦合性強(qiáng)，而且過程的非線性和大滯后也使對象十分復(fù)雜，難于建立精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的控制方案很難得到理想的控制效果。
浙大中控經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)積累，在循環(huán)流化床燃燒控制上形成了一套成熟的模糊控制方案，把燃料量控制、料床溫度控制、主蒸汽壓力控制綜合起來考慮。這是因?yàn)闊崃ο到y(tǒng)中的燃燒控制系統(tǒng)和汽水控制系統(tǒng)是相互耦合，難以割裂開，所以專家智能方案將整個復(fù)雜的燃燒過程合理的拆分成幾個相互獨(dú)立的部分，參數(shù)間的耦合通過建立合理的數(shù)學(xué)模型，以克服循環(huán)流化床鍋爐復(fù)雜的燃燒過程特性，從根本上解決了循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制。
燃燒系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如下：
專家智能控制相對常規(guī)控制的擴(kuò)展功能
A.可以處理非數(shù)字化的、不精確的操作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行復(fù)雜控制，提高控制質(zhì)量
B.模仿人的行為，采用專家經(jīng)驗(yàn)，自動修改參數(shù)和算法，形成各種性質(zhì)算法的選擇和組合
C.當(dāng)部件失效、系統(tǒng)大擾動或出現(xiàn)突發(fā)事件時仍能進(jìn)行有效處理
專家智能控制規(guī)則庫
