摘要：循环流化床锅炉具有高效燃烧和低污染排放等特点，在国内外得到广泛的推广及应用。但由于循环流化床锅炉具有分布参数、非线性、时变、大滞后、多变量强祸合等特性，给对其的建模和控制都带来了很大的困难。建立循环流化床锅炉数学模型对其的设计和控制研究都有重要意义，根据建模方法的不同，目前循环流化床锅炉的模型可分为机理模型和辨识模型，这两种模型都是目前研究的热点。由于燃烧方式、物料循环比普通的煤粉炉更为复杂，因此，循环流化床锅炉的控制比普通的煤粉炉难度更大、要求更高。本文主要分析循环流化床锅炉控制系统先进控制技术应用。
关键词：循环流化床锅炉；控制系统；先进控制技术
1、循环流化床锅炉结构
典型的CFB锅炉在结构上可分为两大部分，第一部分包含炉膛（燃烧室）、布风装置、分离器、回料器、冷渣器、外置式换热器等。第二部分为对流烟道，布置有高低温过热器、省煤器和空气预热器等，与常规煤粉锅炉相近，起到吸收烟气中的热量的作用。CFB锅炉的主要结构如图1所示。
图1循环流化床结构图
CFB锅炉的炉膛既是燃烧设备、热交换器，又是脱硫、脱氮设备。CFB锅炉炉膛以二次风的入口为界分为稀相区和密相区两个区：上部为稀相区，主要为小粒子氧化气氛燃烧区；下部分为密相区，主要为大粒子还原气氛燃烧区。燃料的燃烧过程、脱硫过程、氮氧化物的生成及分解过程在炉膛中完成，燃料释放的大约50％的热量被炉膛中的受热面所吸收，过程中包含流化、燃烧、传热、脱硫及脱硝，所以称炉膛是CFB锅炉燃烧系统的主体。
2、系统方案
2.1、燃烧（给煤）控制回路方案
该控制回路采用串级调节方案，在串级控制方案中，主汽压力设定值作为主控制器的给定，主控制器用于调节主汽压力，该控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器主要用来控制锅炉的床温，副控制器的输出作为锅炉总给煤量的输出值。
主汽压力、床温串级调节控制的实现：参考锅炉密相床温以及屏过温度变化的基础上，综合锅炉的主汽流量来预估主汽压力的变化，然后针对预估的结果进行搜寻得出比较合适的提前判断，根据主汽压力当前的设定值，采用无辨识自适应控制器输出得到调节下一时刻的锅炉密相床温的给定值。
床温调节同样采用预估搜寻的思想，结合当前的给煤总量以及当前时刻锅炉密相床的平均温度和过去一段时间内锅炉密相床温的值来预估锅炉密相床温的变化，其次利用预估搜寻的算法计算出比较合理的参数，依据主汽压力调节回路的控制器输出作为床温控制回路的给定值，通过控制器的计算得到锅炉下一时刻所需的总给煤量。在床温控制回路中由于控制器给定是由主汽压力调节回路的控制器输出来决定，作为控制器输出，可以根据不同的炉况适当调整该控制器的上下限，来调节床温控制器响应的灵敏性。
2.2、一次风自动控制回路
一次风的作用是保证物料处于良好流化状态，同时供给燃料室的燃料分段燃烧，并有助与控制床温。一次风控制的主要目的是维持风煤比稳定，这里风煤比＝一次风量/总给煤量，故控制的一次风量会随着给煤量的增减而自动增减。风煤比的给定值在控制器处于“手动”位置时会自动跟踪实际的风煤比值的10min平均值（5s计算一次），一旦控制器处于“自动”状态，风煤比给定值即为投入自动时的风煤比平均值，在自动控制状态下，根据煤质和密相温度对风煤比给定进行在线修正。
在控制回路中，参与计算的量包括一次风总量、总给煤量，一次风自动控制回路通过无辨识自适应控制器来实现，修正的风煤比作为控制器的给定，实时的风煤比作为控制器的输入，输出为一次风控制的指令，实现对一次风量的调节。
3、循环流化床锅炉控制系统先进控制技术应用
3.1、智能语音报警功能
BCS将CFB锅炉的主要运行故障都纳进了智能语音报警模型，当某种故障发生或将要发生，BCS会以不同的模仿真人声音进行报警，直接定位到点，如“二号皮带机给煤异常，可能发生断煤，请进行处理!”，如此就可以在第一时间判断故障发生的地点，从而准确判断，并采取有效措施｡而一般情况下DCS会发出按照事故等级的声音报警，还需要在控制画面上查找报警位号，根据报警位号找到报警画面，再确定报警的位置｡
3.2、通信故障自动切换功能
当BCS与DCS的OPC通信出现异常且在一定时间内没有自动恢复时，BCS会自动将控制权无扰切换到DCS侧并报警。
3.3、安全限幅功能
BCS为每个控制回路都设计了锅炉正常运行的安全开度，避免出现测量异常导致模型计算错误或人为误操作造成的安全隐患。当然，模型本身也作了很多必要的安全限幅。
3.4、部分仪表故障的自动处理
仪表故障的处理主要有三种情形:测量仪表不准确，BCS会根据其变化趋势实施有效的优化操作;BCS可以自动剔除完全损坏的仪表，如密相层温度，并自动消除由此带来的突变影响或可切换至软测量模型；设计了智能控制器用于处理那些特性不好的阀门或伺服执行机构等。
3.5、部分工艺故障的自动处理
BCS已完成了如下工艺故障的自动处理模型：断煤自动处理模型；左右两侧床温或氧含量不平衡处理模型｡BCS加入这2个模型以后极大地减轻了操作人员的劳动强度，缩短了故障的判断时间，提高了生产效率，降低了生产过程中的安全风险。
3.6、统计技术应用
主要针对每一个班次的主要运行参数、运行稳定性等关键运行参数进行统计显示，同时还对本班次的各个回路的自控率及总自控率、操作质量等进行统计，可以直观地显示本班、上班及本月的统计结果，让运行人员能够了解上班及以前的操作水平，为其运行提供参考。
该锅炉采用BCS技术改造后实现了最佳的运行效果，并解决了现场存在的一系列问题｡解决了DCS的PID回路在进行调节时，由于循环流化床锅炉所特有的燃烧过程滞后大、多变量耦合严重、燃料特性多变、燃烧过程具有很强的非线性特性等因素影响，燃烧系统自动控制一直运行不佳，以及风机挡板调节输出非线性，难以平稳控制等突出问题。
总之，循环流化床锅炉由于具有大滞后，煤质多变，燃烧过程非线性的特性，现有的DCS系统运用基于PID算法的控制方案很难实现其燃烧过程的自动控制，所以目前此类锅炉自动化的程度都很低。随着各工厂对生产过程的自动化要求程度的提高，这就需要一种更优的控制算法和解决方案来实现。厦大海通先进控制组态软件XD-APC集成具有自主知识产权的CFBB优化控制系统（中国发明专利号LZ.03143920.9），全面解决循环流化床锅炉燃烧自动控制，并能对燃烧过程进行优化，给工厂同时带来经济和社会效益。
参考文献：
[1]云苏和.循环流化床锅炉控制系统先进控制技术应用[J].石油化工自动化,2018,54(02):33-36
[2]郑龙.循环流化床锅炉先进控制系统的研究与应用[D].浙江大学,2007
论文作者:李效奎
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/6
标签：锅炉论文; 流化床论文; 控制器论文; 回路论文; 模型论文; 炉膛论文; 故障论文; 《电力设备》2018年第12期论文;