循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制系統的製作方法

2023-12-04 21:04:16 2

專利名稱：循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及循環流化床鍋爐控制系統，尤其涉及一種循環流化床鍋爐穩定 運行與經濟燃燒優化控制系統。
確保鍋爐穩定運行，最重要的是控制好爐膛內的燃燒份額，以滿足鍋爐負荷
出力的要求，並防止高溫結焦；經濟燃燒需要提高鍋爐熱效率，這主要與空氣 過剩係數、煤炭的燃燒速度及在爐內的停留時間有關。
(2)
背景技術：
循環流化床燃燒技術是國內外公認的一種潔淨煤燃燒技術。循環流化床鍋爐 具有燃料適應性廣、爐內脫硫成本低、汙染物排放少、燃燒效率高、負荷調節 比大和灰渣綜合利用等獨特的優勢，成為實用化進程最為成功的潔淨燃燒技術， 目前在電力行業正向產業化、大型化方向迅速發展。據不完全統計，我國共有 35t/h以上不同容量等級的循環流化床鍋爐3000臺左右，最大機組容量已達到 300MW，現在，我國己成為世界上CFB機組數量最多、總裝機容量最大和發展 速度最快的國家。然而，我國的循環流化床鍋爐總體的運行水平還存在很多問 題，尤其是控制系統與裝置配套的自控技術還不夠成熟。電廠實際運行中，CFB 鍋爐負荷出力不足、容易產生高溫結焦運行事故、鍋爐熱效率低下等是CFB鍋 爐運行中最突出的問題，除了總體設計水平、設備製造技術、運行條件嚴重偏 離設計要求等原因外，與控制系統沒有充分發揮作用也有很大關係。
現有的循環流化床鍋爐燃燒控制技術很多，其中，廈門夏大海通自控有限公 司公開了一種循環流化床鍋爐燃燒優化控制的專利申請(專利申請號 03143920.9)，以鍋爐蒸汽的壓力或溫度為設定值，優化粒子濃度、風量和給煤 量，達到穩定燃燒與節能的目標；南京科遠控制工程有限公司公開了一種循環 流化床鍋爐燃燒優化控制的專利申請(專利申請號200510095410.X),以床溫 修正"殘炭量"，通過改變一次風控制"殘炭量"，滿足汽機側能量需求，達到 同時兼顧床溫的控制目標，根據煙氣含氧量調整二次風量，達到經濟燃燒的目 標。東南大學公開了一種循環流化床鍋爐燃燒優化與診斷的專利申請(專利申 請號200810022316.5)，根據實時運行數據建立神經網絡模型和採集燃料化學 分析值及其它人工實測值，利用反平衡法計算鍋爐熱效率，作為優化調整和診 斷的依據。王德文等提出利用蒸汽煤量比作為熱效率，採用自尋優算法優化風煤配比，實現循環流化床鍋爐的燃燒優化(王德文等，模糊控制在循環流化床
鍋爐燃燒控制系統中的應用，電力情報，1997， 4: 47~50)。
目前國內CFB鍋爐燃燒自動投運率及其低下，通常CFB的控制方案一般是 對煤粉爐控制方案的簡單修改，國內外相關控制技術主要包括，根據外界對鍋 爐負荷要求，調節給煤量，根據給煤量計算一次風和二次風流量，根據負荷計 算床溫設定值，根據床溫調節返料量或微調一次風流量，床溫過高再減少給煤 量等控制策略來控制床溫，以保證鍋爐的穩定運行；在此基礎上，通過煙氣含 氧量定值控制來調整二次風流量，以達到經濟燃燒的目的。上述控制方案在實 際應用中效果並不理想，主要存在以下幾個方面
1、 煤質不同、負荷不同，保證經濟燃燒的一個重要因素煙氣含氧量不是定 值，而是一個範圍。其二，煙氣含氧量儀表的可靠性差，很難保證煙氣含
氧量控制迴路難以長期穩定運行；
2、 煤質不同，不同負荷下的床溫設定值也應該不同，不考慮煤質的變化所 給出的床溫設定值其合理性很難保證。床溫不僅是影響鍋爐經濟燃燒一個 重要因素，同時也是關係到燃燒穩定運行的關鍵因素；
3、 燃燒優化沒有一個直接反映鍋爐熱效率的優化目標，即使有但因採用反 平衡法對其進行計算，需依靠人工分析數據，難以保證優化的在線實時運 行；
4、 燃燒優化雖然有明確的可在線計算的優化目標，但對優化的變量考慮不 全面，如只考慮風煤配比，沒有考慮床溫等參數對經濟燃燒的影響等等；
5、 穩定運行與經濟燃燒控制二個方面沒有得到有效整合。床溫不僅是表徵 經濟燃燒的因素，也是關係到燃燒穩定運行的關鍵因素。在考慮經濟燃燒 時，需協同考慮對床溫的有效閉環控制，滿足鍋爐最大負荷出力要求，防 止高溫結焦。
由於現有的控制技術沒有很好地解決以上幾個方面的問題，因此，循 環流化床鍋爐的穩定運行與經濟燃燒很難得以實現。
(3)

發明內容
本發明提供一種循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制系統。
本發明設有鍋爐熱效率優化控制器，二次風流量控制器，床溫控制器， 返料控制器、 一次風流量控制器，床壓控制器，給煤控制器。其中鍋爐熱效率優化控制器是一個用於輸出二次風流量設定值變化量和 床溫設定值變化量的優化計算裝置，以鍋爐熱效率作為優化目標，採用正平衡 法實時在線計算，其中煤的低位發熱值取一常數，優化控制算法採用二維梯度 法算法，優化計算二次風流量的變化量和床溫設定值的變化量，使得上述所述 的目標函函數取得最大值，約束條件為裝置設備能力上、下限和運行操作條件 上、下限，通過實時控制二次風流量和床溫，使得燃燒過程逼近經濟燃燒最優 區域，並達到鍋爐穩定運行的目的。
二次風流量控制器的設定值為來自優化控制器的輸出與負荷一二次風流量
設定曲線設定值之和，二次風流量採用常規單迴路PID算法進行實時閉環控制， 其中負荷一二次風流量設定曲線是根據運行經驗或鍋爐廠家提供的數據進行設 定，並根據實時二次風流量優化值進行在線動態修正。
床溫控制器的設定值為來自鍋爐熱效率優化控制器的輸出與負荷一床溫設 定曲線設定值之和，其中負荷一床溫設定曲線是根據運行經驗或鍋爐廠家提供 的數據進行設定，並根據實時床溫優化值進行在線動態修正。
床溫控制器是一個用於輸出一次風流量變化量、返料量(返料風流量)、床 壓和給煤量變化量四個控制器設定值的計算裝置，床溫控制器採用智能選擇性 一分程先進控制算法，包括智能規則選擇模塊、分程控制模塊，其特點一，智 能規則選擇模塊根據床溫變化趨勢，基於專家經驗規則設置邏輯運算，自組織
上述一次風流量、返料量、床壓和給煤量四個控制器投入調整運行的次序;其特 點二，分程控制模塊在於，上述四個迴路控制器相當於床溫控制器的多執行器， 床溫控制器與上述四路控制器構成分程控制模式，通常以設備能力上下限、工 藝運行參數上下限要求及執行器行程上下限作為分程點的設置值，各控制器採
用PID算法或其它控制算法。
床溫控制器智能選擇性一分程控制算法，建立如下規則
定義床溫的允許上限值與床溫實際測量值之差稱之為床溫的偏差Te，床溫 的變化率為ATe;
(1) 如果Te《10。C，或者Te《15。C且ATe》5。C/min，則床溫控制器輸出至 給煤量變化量，稱之為床溫一給煤控制模式；
(2) 如果Te〉15。C，或者Te〉10。C且ATe〈5。C/min，則床溫控制器輸出至返 料量控制器設定值，稱之為床溫一返料控制模式；
(3) 在床溫一返料控制模式下，依據返料執行器和一次風執行器的開度上下限或相關運行參數作為分程點，返料控制器與一次風風量控制器進行分程控制， 稱之為床溫一返料/一次風分程控制模式；
")如果沒有返料調節(如採用自平衡返料機構)，則不執行(2)、 (3)步；當Te 〉15°C，或者Te〉l(TC且ATe〈5。C/min，則床溫控制器輸出至一次風風量變化 量,稱之為床溫一一次風控制模式；
(S)如果Te〉15。C，或者Te〉10。C且ATe〈5。C/min，同時負荷在某一方向的 調整幅度累計大於10%,則床溫控制器優先輸出至床壓控制器設定值，稱之為床 溫一床壓控制模式，並與返料量和一次風量或一次風量構成分程控制。
一次風流量控制器的設定值為來自床溫控制器的輸出與負荷--一次風流量 設定曲線設定值之和， 一次風流量採用常規單迴路PID算法進行實時閉環控制， 其中負荷--一次風流量設定曲線是根據運行經驗或鍋爐廠家提供的數據進行設 定，並根據床溫控制器的輸出進行在線動態修正。
返料量控制器的設定值為來自床溫控制器的輸出，返料量採用常規單迴路 PID算法進行實時閉環控制(對於具有自平衡式返料機構的循環流化床鍋爐可不 考慮設置該控制器)。
床壓控制器的設定值為來自床溫控制器的輸出，床壓採用常規單迴路PID 算法進行實時閉環控制。
給煤量控制器的設定值為來自床溫控制器的輸出與負荷控制器輸出之和， 負荷控制器的設定值由工藝操作人員設定的鍋爐輸出蒸氣流量或熱量或鍋爐壓 力來設定，負荷控制器採用常規單迴路PID算法進行實時閉環控制。
本發明提出的一種循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制系統，關 鍵點之一在於圍繞影響鍋爐熱效率的關鍵因素，選擇了反映空氣過剩係數的二 次風流量和反映煤炭燃盡時間和停留時間的床溫作為控制變量，以熱效率為直 接優化目標，通過優化控制，達到經濟燃燒的目的。
關鍵點之二在於依據床溫是燃燒份額的直接反映，針對負荷變化以及無法 在線測量的煤質變化，所採用床溫智能選擇性一分程先進控制策略，選擇了全 面反映燃燒份額的返料量、 一次風流量以及床壓等關鍵因素作為床溫的控制變 量，通過採用先進控制，達到了鍋爐穩定運行的目的。
運行實踐證明，在不同煤質下、不同負荷下，鍋爐廠家或生產工藝人員很 難給出能夠達到最佳運行狀態下的床溫值，這是其一；其二，即使獲得了最佳 溫度控制點，因涉及的調整因素過多，依靠人工操作也很難達到對床溫和鍋爐熱效率的有效控制。本發明通過對穩定運行與經濟燃燒二個方面的有效整合， 在防止高溫結焦、滿足鍋爐負荷出力要求即保證鍋爐穩定運行的前提下，並能 實現鍋爐的經濟燃燒。
(4)


附圖為本發明實施例的控制框圖。
(5) 實施方式
本發明中的控制系統如附圖所示，裝置A是鍋爐熱效率燃燒優化控制器， 裝置B1是負荷控制器裝置，Cl給煤量控制器，裝置D1是C1的執行器，可以 是變頻器或相關調速裝置；裝置B2是床溫控制器，裝置F2為床溫設定值設定 器，是負荷一床溫設定曲線函數，裝置C2、 C3、 C4分別是一次風流量控制器、 返料量控制器和床壓控制器，其中裝置F1為一次風流量設定值的設定器，是負 荷一一次風流量設定曲線函數，裝置D2、 D3、 D4分別是一次風流量執行器、 返料量執行器和床壓執行器，裝置C5是二次風流量控制器，裝置D5是二次風 流量執行器，裝置F3為二次風流量設定值的設定器，是負荷一二次風流量設定 曲線函數，裝置E為循環流化床鍋爐裝置。
熱效率優化控制器A的PV端為過程測量變量，用於計算鍋爐熱效率，優 化控制器A並以鍋爐熱效率最大作為優化目標函數，採用二維梯度法優化算法 優化床溫和二次風，輸出端OPl和OP2分別為床溫和二次風流量設定值的變化 量。
Fl、 F2、 F3分別為一次風流量、床溫及二次風流量的設定值設定器，其PV 端為鍋爐負荷，通常為給煤量，輸出端分別為一次風流量控制器C2、床溫控制 器B1及二次風流量控制器C5的設定值SV1，設定曲線是根據運行經驗或鍋爐 廠家提供的數據進行設定。
負荷控制器B1的PV端為鍋爐輸出蒸氣流量或熱量或鍋爐壓力的測量值， SV端為由工藝操作人員設定的控制器設定值，輸出端為給煤控制器C1的設定 值SV1。給煤控制器C1的PV端為給煤流量或變頻轉速測量值，SV2為床溫控 制器B2的輸出端給煤變化量0P1， SV1+SV2作為給煤控制器C1的設定值，其 輸出端輸出到給煤執行器Dl上，以上控制器採用PID算法或其它算法。
床溫控制器B2的PV端為床溫的測量值，SV1為床溫設定值設定器F2的 輸出，SV2為優化控制器A的輸出端床溫變化量0P1， SV1+SV2作為床溫控制 器B2的設定值。床溫控制器B2的輸出0P1 0P4分別連接到控制器C1 C2的SV2端和C3 C4的SV端，由床溫控制器B2、給煤控制器C1、一次風流量控 制器C2、返料量控制器C3、床壓控制器C4及其執行器D1 D4所構成的床溫 控制系統，採用智能選擇性一分程控制算法，通常以設備能力上下限、工藝運 行參數上下限要求及執行器行程上下限作為分程點的設置值。
二次風控制器C5的PV端為二次風流量測量值，SV1為二次風流量設定值 設定器F3的輸出，SV2為優化控制器A的輸出端二次風流量的變化量OP2， SV1+SV2作為二次風流量控制器C5的設定值。二次風流量控制器C5的輸出端 輸出到二次風流量執行器D5上，控制器採用PID算法或其它算法。
一次風控制器C2的PV端為一次風流量測量值，SV1為一次風流量設定值 設定器Fl的輸出，SV2為溫度控制器B2的輸出端一次風量的變化量OP2， SV1+SV2作為一次風流量控制器B2的設定值。 一次風流量控制器C2的輸出端 輸出到一次風流量執行器D2上，控制器採用PID算法或其它算法。
返料量控制器C3的PV端為返料風流量測量值，SV為床溫控制器B2的輸 出端OP3，返料量控制器C3的輸出端輸出到返料量執行器D3上，控制器採用 PID算法或其它算法。
床壓控制器C4的PV端為床壓測量值，SV為溫度控制器B2的輸出端OP4， 床壓控制器C4的輸出端輸出到排渣執行器D4上，控制器採用PID算法或其它 算法。
權利要求
1、一種循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制系統，其特徵在於依據實時的過程測量值，在線計算鍋爐熱效率，以其為目標函數，採用二維梯度法優化算法優化床溫和二次風風量，以取得鍋爐的經濟燃燒；床溫控制採用智能選擇性-分程先進控制算法，實施對床溫的有效控制，通過對穩定運行與經濟燃燒二個方面的有效整合，可實現循環流化床鍋爐的穩定運行和燃燒的經濟性。
2、 根據權利要求1所述的一種循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制 系統，其特徵還包括在於所述的床溫設定值為床溫一負荷曲線設定值和熱效 率優化控制器床溫變化量優化輸出值之和，其中，床溫一負荷曲線是根據運行 經驗或鍋爐廠家提供的數據來進行設定，並根據實時床溫優化值進行在線動態 修正。
3、 根據權利要求1所述的一種循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制系統，其特徵還包括在於所述的二次風流量設定值為負荷一二次風流量曲線 設定值和熱效率優化控制器二次風流量變化量優化輸出值之和，其中，負荷一 二次風流量曲線是根據運行經驗或鍋爐廠家提供的數據來進行設定，並根據實 時二次風流量優化值進行在線動態修正。
4、 根據權利要求1所述的一種循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制 系統，其特徵還包括在於所述的床溫設定值為負荷一床溫曲線設定值和熱效 率優化控制器床溫變化量優化輸出值之和，其中，負荷一床溫曲線是根據運行 經驗或鍋爐廠家提供的數據來進行設定，並根據實時床溫優化值進行在線動態 修正。
5、 根據權利要求1所述的一種循環流化床鍋爐的穩定運行與經濟燃燒優化控 制系統，其特徵還包括在於所述的床溫控制採用智能選擇性一分程先進控制 算法，包括智能規則選擇模塊、分程控制模塊，其特點一，智能規則選擇模塊 根據床溫變化趨勢，基於專家經驗規則設置邏輯運算，自組織上述一次風流量、返料量、床壓和給煤量四個控制器投入調整運行的次序；其特點二，分程控制模塊在於，上述四個迴路控制器相當於床溫控制器的多執行器，床溫控制器與 上述四路控制器構成分程控制模式，通常以設備能力上下限、工藝運行參數上下限要求及執行器行程上下限作為分程點的設置值，各控制器採用PID算法或 其它控制算法。
6、 根據權利要求1和權利要求5所述的床溫控制器智能選擇性一分程先進控制算法，其特徵還包括設定床溫的允許上限值與床溫實際測量值之差為床溫的偏差Te,床溫的變化率為ATe，智能規則選擇模塊遵循如下規則(1) 如果Te《10。C，或者Te《15。C且ATe》5。C/min，則床溫控制器輸出至 給煤量變化量，稱之為床溫一給煤控制模式；(2) 如果Te〉15。C，或者Te〉l(TC且ATe〈5。C/min，則床溫控制器輸出至返 料量控制器設定值，稱之為床溫一返料控制模式；(3) 在床溫一返料控制模式下，依據返料執行器和一次風執行器的開度上下 限及相關運行參數作為分程點，返料控制器與一次風風量控制器進行分程控制， 稱之為床溫一返料、 一次風分程控制模式；(4) 如果沒有返料調節(如採用自平衡返料機構)，則不執行(2)、 (3)步，當Te >15°C，或者Te〉10。C且ATe〈5'C/min，則床溫控制器輸出至一次風風量變化 量，稱之為床溫一 一次風控制模式；(5) 如果Te〉15"C，或者Te〉10。C且ATe〈5。C/min，同時負荷調整幅度累計 大於10%，則床溫控制器優先輸出至床壓控制器設定值，稱之為床溫一床壓控制 模式，並與返料量和一次風量或一次風量構成分程控制。
7、根據權利要求1和權利要求6所述的一次風流量控制，其特徵還包括一 次風流量設定值為負荷一一次風流量曲線設定值和床溫控制器一次風流量變化 量輸出值之和，其中，負荷一一次風流量曲線是根據運行經驗或鍋爐廠家提供 的數據來進行設定，並根據床溫控制器輸出的一次風風量變化值進行在線動態 修正。
全文摘要
本發明公開了一種循環流化床鍋爐穩定運行與經濟燃燒優化控制系統。包括設有鍋爐熱效率優化控制器、床溫控制器、一次風風量控制器、二次風風量控制器、返料量控制器、床壓控制器、給煤控制器。圍繞影響經濟燃燒的關鍵因素為空氣過剩係數、燃燒速率和停留時間，以鍋爐熱效率為目標函數，採用二維梯度法優化算法優化床溫和二次風風量，在此基礎上床溫控制採用智能選擇性—分程先進控制算法，實施對床溫的有效控制。依據本發明的技術方案，通過對穩定運行與經濟燃燒二個方面的有效整合，可實現循環流化床鍋爐的穩定運行和燃燒的經濟性。
文檔編號F23C10/00GK101556038SQ20091014361
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月27日 優先權日2009年5月27日
發明者於現軍, 周龍軍, 高瑞峰 申請人:北京和隆優化控制技術有限公司