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            ● 循環流化床鍋爐自動控制系統的缺陷與對策初探

            來源:恒日能轉載CHINAPOWER 作者:Herino轉載 時間:2008-06-30 Tag: 點擊:
                摘  要:根據循環流化床鍋爐燃燒的特點,分析其控制系統存在的問題,探討怎樣的控制系統能更適應循環流化床鍋爐的控制。循環流化床鍋爐所需要控制的各個變量的錯綜復雜的耦合在一起,所以我們必須找出一種更好的控制方案來為循環流化床鍋爐服務。
            主題詞:循環流化床鍋爐  煤粉爐  燃燒機理  控制系統  DCS  模糊控制

            1、前言
                  煤的循環流化燃燒技術,是20世紀60年代開始發展起來的新型燃煤技術,由于其燃料適應性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、SO2控制廉價、負荷調節比大以及負荷調節快等優點而越來越得到廣泛應用,特別是近10來,為了有效保護環境,循環流化床鍋爐得到了迅速的發展,并逐漸向高參數、大型化發展。目前,國內已經投產了300MW機組的循環流化床鍋爐。
            目前,國內中、大型循環流化床鍋爐投運數量越來越多,這些電廠一般采用DCS控制系統進行機組運行控制。DCS控制系統應用于煤粉鍋爐經驗已經很成熟,而且自動化水平、安全性都比較高。對于國內的循環流化床鍋爐,目前的DCS控制系統現狀基本是套用煤粉爐的DCS控制邏輯,只是稍加改動;另外基于國內電廠基建現狀,多數機組都是在搶工期的情況下投運的,所以留給控制系統研究人員的研究時間幾乎沒有。然而循環流化床鍋爐的燃燒機理十分復雜,循環流化床鍋爐的設計尚處于經驗設計階段,系統中變量之間的耦合比較緊密,而且具有嚴重的非線性。循環流化床鍋爐熱工自動控制,特別是燃燒自動控制方面的問題已成為其進一步推廣應用的主要障礙,循環流化床鍋爐的運行自動化已成為其走向實用的關鍵之一。

            2、現狀
                  在機組基建調試期間,大家對于控制系統一般都是只要能保證鍋爐正常啟動和停運就行了,至于控制系統的優化、邏輯的優化、自動的投入與優化、鍋爐保護的設定等都是簡單的在煤粉爐的控制理念下做一些簡單修改。然而,循環流化床鍋爐和煤粉鍋爐從燃燒機理上說有很大的區別,這就決定了控制邏輯及理念應該有很大的不同。所以套用煤粉鍋爐的控制理念往往不能適合循環流化床鍋爐。這也就是目前為什么許多循環流化床鍋爐許多自動投不上、許多保護不敢投等等,從而造成循環流化床鍋爐的運行人員數量多,勞動強度高,效率低下等,而且鍋爐的運行也極為不穩定。這就給我們的制造廠、電廠及試驗研究人員提出了一個課題:如何使DCS控制系統更加適合循環流化床鍋爐。

            3、循環流化床鍋爐燃燒過程自動控制的特點
                  循環流化床鍋爐不同于煤粉爐,其控制回路多,系統比較復雜,控制系統一般包括以下主要回路:汽包水位控制;過熱汽溫控制;燃料控制;風量及煙氣含氧量控制;爐膛負壓控制;床層溫度控制;料層高度控制;循環灰控制。對于汽包水位控制和過熱汽溫控制特性與通常的煤粉爐相同,在此不予以分析,只對與循環流化床鍋爐燃燒相關的控制系統的特點進行分析。
            循環流化床鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務是使送入鍋爐內的燃煤燃燒所提供的熱量適應鍋爐蒸汽負荷的需要,同時還要保證鍋爐安全經濟運行,燃燒控制系統的任務歸納起來有如下幾個方面:
            1)、維持主蒸汽壓力穩定。汽壓的變化表示鍋爐的蒸汽量與負荷的耗汽量不匹配,需要相應地改變燃料的供給量,以改變鍋爐的蒸發量;
            2)、保證鍋爐燃燒過程的經濟性。改變燃料量的同時,相應地調節送風量,使之與燃料量匹配,保證鍋爐燃燒的經濟性;
            3)、引風量與送風量相配合以保證爐膛壓力在正常的范圍內,保證爐膛的安全運行;
            4)、床層溫度是一個直接影響鍋爐能否安全連續運行的重要參數,同時也直接影響鍋爐運行中的脫硫效率及NOx的產生量。一般情況下860℃左右床溫是爐內脫硫的最佳溫度,同時NOx的產量也較低。床溫過低不但使鍋爐效率下降,而且是鍋爐運行不穩定容易滅火;床溫過高會使脫硫效率下降、NOx產量大大增加,同時容易造成爐膛床料結焦,無法流化燃燒而導致停爐。由此可見,床層溫度是循環流化床鍋爐運行極為重要的參數;
            5)、料層高度控制也與鍋爐安全連續運行密切相關,料層太厚,會把一次風的“風頭”壓住,使爐料不能達到完全流化狀態;料層太薄,不僅不滿足負荷要求,而且會使一次風穿透料層吹滅爐火;
            6)、循環灰控制將直接影響鍋爐的循環倍率,也對床溫有一定的影響。

            4、循環流化床鍋爐燃燒過程自動控制的實現
                 循環流化床鍋爐是一個典型的多變量被控對象,但由于對它的系統的研究不夠完善,還缺乏經驗及深人的了解,所以在設計、分析、研究其控制系統時只能仍采用傳統的方法。目前循環流化床鍋爐燃燒控制系統設計仍采用常規PID控制,通常由燃料控制、總風量控制、一次風控制、二次風控制、燃燒室負壓控制、床溫控制、料層高度控制、循環灰控制等幾個有機聯系的控制單元構成。即人為地把被控對象分成許多單變量系統進行控制,這種控制方法雖然簡單、易行,局部分析是合理的,但整體考慮會存在許多問題,對進一步提高自動控制水平將存在很大的局限性,有的甚至不能滿足機組的正常運行。
            對于循環流化床鍋爐燃燒的控制,我們從宏觀上看,不管你怎么控制都要首先維持床層溫度的穩定,影響床溫的主要因素從下圖可以看出來,幾個被控對象關系的錯綜復雜。

                從圖中可以看出各個參量是互相耦合在一起的,要想實現自動化控制,靠單純的PID控制是遠遠不夠的,所以必須把先進的控制理念引進循環流化床鍋爐的控制系統,即模糊控制。這對于我們從事流化床鍋爐研究的工作者來說是一個課題,實踐證明,模糊控制能夠對時變、非線性和復雜的被控對象進行較為有效的控制。為此,應用模糊控制理論對常規PID進行改進,并與模糊控制有機結合起來,形成一種“綜合性控制方案”,再配合多種前饋控制方案,應用于循環流化床鍋爐燃燒系統這一非線性復雜對象,將達到滿意的效果。

            5、循環流化床鍋爐燃燒過程自動控制的優化方法
                 循環流化床鍋爐燃燒控制要保證鍋爐的安全運行、床溫的穩定、靈活的參與機組的協調控制,要達到上述目的,我們必須要搞清楚幾個關系即:燃煤量和負荷的關系;燃煤量和床溫的關系;負荷和床溫的關系;爐膛受熱面吸熱量和床溫、煤量的關系。另外我們必須要重視循環流化床鍋爐的熱能蓄能量。搞清楚這些,我們就不難確定我們要控制的元素,從而采用模糊控制結合DCS功能實現我們的控制目的。其實宏觀的看只要我們搞清楚循環流化床鍋爐的熱蓄能量,就可以很好的的控制鍋爐了,這也是循環流化床鍋爐不同于煤粉爐的控制,但是可惜我們很難知道運行的流化床鍋爐到底有多大的蓄能。要想有效的控制好鍋爐,我們引入模糊控制就可以解決這個問題。我們讓控制系統模仿人的經驗思維,然后再用理論計算進行校正,最后通過DCS實現我們的目的。
            舉個例子:協調控制現在要降負荷,要是人操作,就會根據經驗減煤、減風,考慮到鍋爐的蓄能量運行人員肯定會先多減一些煤,等降下來時運行人員會在把煤量加至和當前負荷相匹配的煤量,在這個過程中鍋爐的床溫、一次風、二次風、氧量、料層高度、循環灰等都會有不同程度的變化,也需要對它們進行調整。搞清楚了這個過程和上面所說的那幾個關系,我們就可以通過控制系統來實現控制系統的自動控制了。其他情況諸如升負荷、故障情況和各種不可預見的擾動因素(媒質變化等)都可以用同樣的方法實現。

            6、結 論
                  目前,國產循環流化床鍋爐燃燒過程自動控制的設計與實現,尚存在很多不完善的地方,根據循環流化床鍋爐的燃燒運行特點,對鍋爐燃燒過程自動控制系統進行優化改造,對機組安全、經濟運行是十分必要的。
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