自动控制在循环流化床锅炉中的应用

-1-自动控制在循环流化床锅炉中的应用贵州电力试验研究院付宇【550002】摘要:循环流化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、大滞后、多变量紧密耦合的被控对象,常规方法难以取得理想的控制效果；结合实际运行情况说明目前应用的循环流化床锅炉自动控制系统,床温控制理论，能够保证锅炉的安全稳定运行；参照国内外同类型锅炉控制经验，依据循环流化床锅炉动态模型,提出模糊控制思想，是循环流化床锅炉自动控制的发展趋势。关键词:循环流化床锅炉；锅炉自动控制；模糊控制ResearchofAutomaticControlSystemofCirculatingFluidizedBedBoilerGuiZhouElectricPowerTest&ResearchInstituteFuYu【550002】Abstract:Thecommonlyusedcontrolmethodcannoteffectivelycontrolthecirculatingfluidizedbedboilerwhichneedsacoordinatedcontrolsystemwithdistributionparameters,nonlinearity,timedependence,andlongtimelags.Inlightoftheactualoperationofthecurrentapplicationofautomaticcontrolsystemofcirculatingfluidizedbedboiler，controllingbedtemperaturewellandensuringtheboilerSecurityandstability.Thelightofdomesticandinternationalexperiencewiththetypeofboilercontrol,Thedynamicmodelofthecirculatingfluidizedbedboilerisanalyzedtodevelopacontrolsystembasedonfuzzycontroltheory,willbethedevelopmenttrendofautomaticcontrolsystemofcirculatingfluidizedbedboilerKeywords:circulatingfluidizedbedboiler;automaticcontrolsystemofboiler;fuzzycontrol0引言循环流化床(CirculatingFluidizedBed，以下简称CFB)技术是20世纪70年代发展起来的新技术,以其燃料适应性广、燃烧效率高、低污染、负荷调节范围宽等优点而得到广泛应用。CFB与普通煤粉锅炉有所不同,动态过程复杂,影响因素多且燃烧系统与汽水系统具有较强耦合关系,因此常规控制方法很难实现CFB的稳定控制。分散控制系统（DCS）目前在国内大中型CFB锅炉机组上已取得广泛应用，其功能包括数据采集系统（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）、炉膛安全监控系统（FSSS）等部分。-2-在以上系统功能中，差异和难度最大的为模拟量控制(MCS)，也就是我们常说的自动控制系统。贵州省首台CFB锅炉机组——毕节热电#1机组于09年2月14日正式交付使用，其采用的DCS系统以及锅炉自动控制调节回路对机组稳定运行起到了十分重要的作用，下面以该机组为实例介绍一下自动控制系统在CFB锅炉中的应用。1循环流化床（CFB）控制对象特性及工作原理CFB与常规锅炉控制对象相比,其汽水控制系统与常规锅炉相同,主要不同点在于燃烧子系统,其主要特点为:(1)燃料颗粒大,燃烧速度慢,时间长,具有较大滞后性。(2)为达到较好的脱硫效果,需把床温控制在850℃～900℃。此外床温传感器受到大颗粒燃料介质流动影响,易受损,测量不准确;床温高低还决定着炉内结焦和灭火与否,所以床温控制在CFB中至关重要。(3)影响床温的多变量强耦合,动一个变量同时影响几个变量,增加了控制难度。(4)CFB启停方式、顺序和炉膛内安全监视控制系统都有别与常规锅炉,有特殊的要求。CFB控制系统包括两大系统:汽水控制和燃烧控制系统。汽水系统分为3个子系统:汽包水位调节系统、主蒸汽温度调节系统和主汽压力调节系统。燃烧控制系统包括床温调节系统、播煤风调节系统、引风量调节系统、床层厚度调节系统和返料调节系统等5个子系统。控制系统如图1所示：汽包水位给定调节给水流量主汽温度给定调节减温水量主汽压力给定调节给煤量床层温度给定调节一次风量分离器底压给定调节返料量风室压力给定调节排渣量炉膛负压给定调节播煤风量图1控制系统控制原理图鉴于以上控制难点,在设计控制系统时必须考虑内部的耦合性,克服大滞后的影响,避免出现系统振荡。此外还要深入分析各回路的过程特点,抓住主要矛盾,以提高系统的实用性。燃烧控制系统循环流化床锅炉汽水控制系统-3-2自动控制类型2.1比例积分微分（PID）控制具有比例加积分加微分控制规律的控制器称为比例-积分-微分(PID)控制器，其输入输出之间的关系为传递函数为：实际的PID调节：当系统中加入PID控制器后，不仅能提高系统的稳态精度，而且能提高系统的稳定性，大大改善控制系统的静、动态性能。在实际应用中，一个具有通用性和实用价值的PID调节器，应考虑各种实际情况并含有多种功能。它有多种工作状态：手动、自动、串级、跟踪,这几种状态间的切换保证无扰动。手动状态下，PID单元停止演算,依操作键来改变控制输出。自动状态下，PID按公式进行定值控制运算，操作员设定的为给定值。串级状态下，以来自主回路或其它运算模块的外给定值进行PID运算。如果串级输人端没有输入信号，则不能切换到串级方式。跟踪状态下，PID单元停止演算，其值随被跟踪量变化。2.2模糊控制模糊控制因其可以模仿人类的控制经验,鲁棒性好而非常适用于CFB这种大滞后、非线性的控制对象。模糊控制系统的核心是模糊控制器，如图2所示。误差e和误差的变化ec作为控制器的输入,输出变量采用控制量u。首先根据系统采样得到系统输出值,计算模糊控制器所需要的输入值,将输入变量的精确值模糊化为模糊量；然后根据输入变量(模糊量)和模糊控制规则,按模糊推理规则计算输出量；最后模糊输出量经反模糊化计算出精确控制量,经数模转换后送给执行机构。dtteTdttdeTteKtuIDp)(1)()()(sTsKKsesuIDp11)()(sTsTsTKKsesuIDDDp111)()(-4-模糊控制器speud/dtyec图2模糊控制系统模糊控制器鲁棒特性较好，参数较为方便，但静态性不够理想，所以一般将模糊控制器和PID调节并列使用，即将模糊控制器的输出端(AV)连入PID调节器的输出补偿端(OC)，以便得到满意的性能（目前在毕热#1机组中未加入模糊控制回路）。3自动控制在循环流化床（CFB）锅炉中的应用毕热#1机组CFB锅炉其DCS系统设计了以下几条主要自动控制回路，下面逐一对各自动回路的控制方案加以介绍。3.1负荷、给煤调节CFB的燃烧系统是一个大延迟，多变量耦合的复杂系统。该厂使用的490t/hCFB锅炉在燃烧方面又具有流化燃烧的特点。床温太高，则易结焦，床温太低易熄灭，同时还得保证负荷。该厂CFB锅炉的惯性要远比常规煤粉炉要大，在给煤量扰动后，16～20分钟后主汽压力才有反应，而煤粉炉的迟延时间是4～6分钟。试验证明通过改变煤量来控制汽压，由于煤量是在炉内和炉外（外置床）通过多次循环才能燃尽，从而释放出热量，因此燃料侧扰动的纯迟延和惯性时间都较煤粉炉要大。改变一次风和二次风量，可以快速地提高机组的负荷响应特性，通过给煤量保持不变工况下的送风扰动试验发现，送风量对于主汽压力的迟延和惯性时间为3～4分钟。基于上述原因，在流化床锅炉的负荷调整中，应保持煤量与负荷指令间的对应关系，机前压力调节器仅在一定范围内修正给煤量定值；风量定值不用锅炉热负荷或主汽流量计算，而由给煤量生成。进行给煤调节时，在机组加负荷中，应遵循先加风后加煤的原则；减负荷则先减煤后减风，故采用DEB方式的燃料调节是接受小选出的锅炉指令和折算的风量信号，调节6台给煤机输出指令，最终使被调量热量信号（HR）满足锅炉指令要求。3.2炉膛负压输入量化模糊化模糊推理非模糊化输出量A/D传感器被控对象执行机构D/A模糊规则-5-炉膛负压是反应锅炉流化效果好坏的一个重要参数。炉膛负压的调整主要是通过调整引风量来实现的，但是一、二次风量对其的作用也不可忽视。该机组引风控制采用了常规控制方式，目的是维持一定的炉膛上部压力。为了提高引风控制在送风动作时的响应速度，引风控制中设有一、二次送风量的前馈信号。CFB锅炉对引风控制要求不高，只要能保证炉膛烟气的正常排放，炉膛上部压力允许有几百帕的变化，锅炉燃烧不会受太大影响。3.3一次风量一次风在CFB锅炉中，用于调整流化、炉膛温度和料层差压以及播煤。主要是随着负荷的大小变动而改变，并呈现出一定的阶跃性，所以该回路是一个单调节回路。3.4二次风量二次风的合理使用关系到整个炉子的经济运行，二次风太小会使炉膛稀相区颗粒燃烧不完全，到达返料器后重新燃烧升温使返料器温度过高；二次风太大又会使过剩空气系数增大，排烟热损失增加，效率降低。二次风量主要是随着负荷大小的变化而改变的，且呈现出一定的阶跃性。所以说，二次风量自动控制系统是一个单调节回路。3.5主汽温度调节该厂调节汽温的手段是喷水式减温，所使用的减温水是给水。经观察发现，采用喷水调节汽温时，被控对象在调节作用下，其过渡过程的滞后和时间常数较大，如果只根据温度偏差来改变喷水量往往不能满足工艺要求，因此在组成调节系统时，应加入可超前反应汽温扰动的前馈补偿信号，如主汽流量信号等。当扰动出现后，在过热汽温还未发生明显变化的时候就进行调节，能及早消除扰动对汽温造成的影响，从而有效地控制汽温变化。根据以上思路，决定采用串级系统来实现主汽温度的自动调节。副调节器控制输出减温水调门执行机构，使减温器出口汽温满足主调节器输出的设定要求；主调节器的输出作为副调节器的设定，目标是使汽温被调量满足设定值要求。3.6汽包水位CFB锅炉的汽包水位调节与常规煤粉炉机组的调节类似，这里就不作介绍。4总结根据CFB锅炉机组的控制，尤其是燃烧控制的一些文献、资料，结合常规煤粉炉机组在自动控制系统上成功应用的经验，针对CFB机组锅炉的自动控制方案，应该着重解决CFB锅炉的大迟延、强耦合、非线性的特性控制：-6-（1）被控对象特性试验。深入研究国内外CFB锅炉被控对象特性试验的内容、方法和步骤，提高自动投用率和控制品质。（2）进行DCS系统实现模糊控制的可行性和实施研究，以实现DCS的智能控制在CFB锅炉机组上的应用。模糊控制具有对控制对象时变特性的适应强，参数自适应控制，控制品质优异等许多优点，其应用在CFB锅炉机组有较大的优势。参考文献：[1]牛培峰.循环流化床锅炉热工自动控制系统与展望[J].动力工程.1998.1[2]郑祖坤.循环流化床（CFB）锅炉控制策略.2002[3]张冀,马永光,高建强,王兵树,曹文亮.循环流化床锅炉燃烧系统动态特性分析.能源研究与信息.2001[4]胡一倩,张铁军,等.模糊控制在锅炉热工控制中的应用简介及研究前景[J].工业控制计算机.2002.4[5]郝继红，阎润生审编.循环流化床（CFB）机组技术交流论文集1-4.全国电力行业CFB机组技术交流服务协作网.2004