中控 CFBB解決方案

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、經濟等方面的條件相結合，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越來越緊張的局面。另外，我國煤炭資源的一個重要特點是高硫煤占相當大比例，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到了2020萬噸，我國受酸雨侵害面積已擴大到國土面積的50％以上。如何解決煤炭燃燒設備降低NOx\SO2大氣污染物排放、改善環保減輕溫室效應、低成本的設備投資、提高能源利用效率、便于劣質煤綜合利用、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備發展和應用的關鍵所在，循環流化床鍋爐以其優良的環保特性（低排放）、卓越的適應性（煤種、負荷）和突出的節能效果受到越來越多企業的青睞。
從另外一個角度來看，循環流化床鍋爐雖然有許多優點，但是對象復雜、控制難度大，尤其燃燒控制這一問題雖經許多學者進行了大量的研究工作，但目前仍普遍缺少實現燃燒全自控的實際可行的控制策略。
浙大中控在循環流化床鍋爐控制方面進行了大量的研究并積累了豐富的現場實施經驗，針對各種規模的流化床鍋爐設計出了適用的控制方案，并已在多個生產現場成功實施，在這份資料中我們將多年的實施經驗整理成冊，希望能對您在應用流化床鍋爐進行節能降耗、優化運行的生產過程中提供借鑒。

二、循環流化床鍋爐結構及工作原理
循環流化床鍋爐結構
循環流化床鍋爐主要由燃燒系統、氣固分離循環系統、對流煙道三部分組成。其中燃燒系統包括風室、布風板、燃燒室、爐膛、給煤系統等幾部分；氣固分離循環系統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、空氣預熱器等幾部分。圖1、圖2為某廠260t/h循環流化床鍋爐機組監控畫面。


圖1

圖2

循環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。燃燒所需的一次風和二次風分別從爐膛的底部和側墻送入，物料在爐膛內呈流態化沸騰燃燒。在上升氣流的作用下向爐膛上部運動，對水冷壁和爐內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燃燒直至燃盡。未被分離的極細粒子隨煙氣進入尾部煙道，進一步對受熱面、空氣預熱器等放熱冷卻，經除塵器后，由引風機送入煙囪排入大氣。
燃料燃燒、氣固流體對受熱面放熱、再循環灰與補充物料及排渣的熱量帶入與帶出，形成熱平衡，使爐膛溫度維持在一定溫度水平上。大量的循環灰的存在，較好的維持了爐膛的溫度均化性，增大了傳熱。而燃料成灰、脫硫與補充物料以及粗渣排除維持了爐膛的物料平衡。
煤質變化或加入石灰石均會改變爐內熱平衡，故燃用不同煤種的循環流化床鍋爐在設計及運行方面都有不同程度的差異。循環流化床鍋爐在煤種變化時，會對運行調節帶來影響。試驗表明，各種煤種的燃盡率差別極大，在更換煤種時，必須重新調節分段送風和床溫，使燃燒室適應新的煤種。
加入石灰石的目的，是為了在爐內進行脫硫。石灰石的主要化學成份是CaO,而煤粉燃燒后產生的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等起化學反應，生成固態的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，煤粉燃燒后產生的NOx氣體也會大大減少硝酸類酸性氣體。

三、循環流化床鍋爐控制特點
由于循環流化床鍋爐自身的特點，在運行操作時不同于層燃爐和煤粉爐，就其控制系統而言具有系統復雜、多變量輸入多變量輸出、變量關聯耦合性強、輸入輸出非線性、大滯后等特點，如果運行中不能滿足其對熱工參數的特殊要求，極易釀成事故。


1. 多變量耦合性
由于循環流化床鍋爐燃燒中，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
循環流化床鍋爐燃燒過程中，各被控設備的輸出物理量對輸入物理量的響應有較大的時間滯后特性，以及各被控設備的輸出物理量與輸入物理量的之間的數學特性為非線性，使得控制運算變得復雜，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在循環流化床上的應用
1. 數據采集與數據處理功能（DAS）
DAS系統通過I/O卡直接從過程對象中獲取數據，也可以通過SCnetⅡ或從其它子系統如MCS、SCS站采集和處理所有與機組有關的測點信號及設備狀態信號。在操作站上進行生產過程的集中監視和操作, DAS系統具有下列功能：
—— 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。
—— 歷史數據存儲和檢索
—— 性能計算

2.模擬量自動調節控制功能（MCS）
A. 汽包水位控制
汽包水位是確保安全生產和提供優質蒸汽的重要參數，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鍋爐汽水循環系統中的某些薄弱環節，以至局部水冷壁管燒壞，嚴重時造成爆炸。汽包水位的優良控制有重大意義。
經過多年工程經驗的積累，浙大中控獨創了汽包水位控制模塊FB_BoiLCon，該模塊中集成了基于直接物質平衡的專家控制、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
主汽溫度自動調節的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內，從而保證機組運行的安全性和經濟性。過熱汽溫過高，則過熱器易損壞，也會使汽輪機內部引起過度的熱膨脹，嚴重影響運行的安全；過熱汽溫低，則設備的效率低，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）等參數組成的串級三沖量控制系統。

C. 主蒸汽壓力控制
主蒸汽壓力是機組運行的關鍵參數，對于蒸汽負荷控制的實現，最終是通過改變燃料量來完成的。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，并且也必將會導致爐床溫度及爐膛出口溫度的改變，故而控制系統必須考慮各參數的相互影響。我公司通過多年研究和現場經驗積累，獨創了專家智能結合前饋單回路的先進控制方案，在現場應用取得了良好效果。通過專家控制系統對平均床溫進行分析，針對恒壓切換與恒負荷切換兩種情況將主汽流量與分析后的結果相加作為前饋量，根據是否存在負荷分配得出主汽壓力的設定值，通過調節給煤量穩定主汽壓力值。

D. 爐膛負壓控制
爐膛負壓控制是保證鍋爐安全燃燒的首要控制對象，經過多年工程經驗的積累，我公司建立了爐膛負壓控制模塊FB_NegPCon，該模塊是一前饋單回路控制，以鍋爐總進風量作前饋。

E.氧量控制
在循環流化床鍋爐中，一次風為基本流化風量，根據料層差壓進行限幅調節，在引風自動調節已經穩定的基礎上，可以投運二次風自動即氧含量自動控制，氧量控制采用串級控制，根據給煤量確定二次風的初步設定值，再根據含氧量對二次風量初設值進行修正得出二次風的設定值，同時將一次風量作為前潰該來控制二次風機變頻器轉速。

F. 床溫控制
由于循環流化床鍋爐（CFBB）的燃燒過程十分復雜、受到多種因素的影響，不僅燃燒系統內部的給煤、一、二次風、返料耦合性強，而且過程的非線性和大滯后也使對象十分復雜，難于建立精確的數學模型，常規的控制方案很難得到理想的控制效果。

浙大中控經過多年經驗積累，在循環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。這是因為熱力系統中的燃燒控制系統和汽水控制系統是相互耦合，難以割裂開，所以專家智能方案將整個復雜的燃燒過程合理的拆分成幾個相互獨立的部分，參數間的耦合通過建立合理的數學模型，以克服循環流化床鍋爐復雜的燃燒過程特性，從根本上解決了循環流化床鍋爐的燃燒控制。

燃燒系統控制結構圖如下：




專家智能控制相對常規控制的擴展功能

A.可以處理非數字化的、不精確的操作經驗，進行復雜控制，提高控制質量
B.模仿人的行為，采用專家經驗，自動修改參數和算法，形成各種性質算法的選擇和組合
C.當部件失效、系統大擾動或出現突發事件時仍能進行有效處理

專家智能控制規則庫