一、前言
近年來(lái)，我國(guó)對(duì)能源的需求迅速增加，豐富的煤炭資源和我國(guó)歷史、經(jīng)濟(jì)等方面的條件相結(jié)合，形成了我國(guó)能源利用中以煤為主的格局，因此也造成了我國(guó)煤供應(yīng)越來(lái)越緊張的局面。另外，我國(guó)煤炭資源的一個(gè)重要特點(diǎn)是高硫煤占相當(dāng)大比例，含硫量大于1％的高硫煤占總儲(chǔ)存量的25％以上，2003年我國(guó)二氧化硫的排放總量達(dá)到了2020萬(wàn)噸，我國(guó)受酸雨侵害面積已擴(kuò)大到國(guó)土面積的50％以上。如何解決煤炭燃燒設(shè)備降低NOx\SO2大氣污染物排放、改善環(huán)保減輕溫室效應(yīng)、低成本的設(shè)備投資、提高能源利用效率、便于劣質(zhì)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(shè)備發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵所在，循環(huán)流化床鍋爐以其優(yōu)良的環(huán)保特性（低排放）、卓越的適應(yīng)性（煤種、負(fù)荷）和突出的節(jié)能效果受到越來(lái)越多企業(yè)的青睞。
從另外一個(gè)角度來(lái)看，循環(huán)流化床鍋爐雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)象復(fù)雜、控制難度大，尤其燃燒控制這一問(wèn)題雖經(jīng)許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，但目前仍普遍缺少實(shí)現(xiàn)燃燒全自控的實(shí)際可行的控制策略。
浙大中控在循環(huán)流化床鍋爐控制方面進(jìn)行了大量的研究并積累了豐富的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)各種規(guī)模的流化床鍋爐設(shè)計(jì)出了適用的控制方案，并已在多個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施，在這份資料中我們將多年的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)整理成冊(cè)，希望能對(duì)您在應(yīng)用流化床鍋爐進(jìn)行節(jié)能降耗、優(yōu)化運(yùn)行的生產(chǎn)過(guò)程中提供借鑒。

二、循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)及工作原理
循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)
循環(huán)流化床鍋爐主要由燃燒系統(tǒng)、氣固分離循環(huán)系統(tǒng)、對(duì)流煙道三部分組成。其中燃燒系統(tǒng)包括風(fēng)室、布風(fēng)板、燃燒室、爐膛、給煤系統(tǒng)等幾部分；氣固分離循環(huán)系統(tǒng)包括物料分離裝置和返料裝置兩部分；對(duì)流煙道包括過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等幾部分。圖1、圖2為某廠260t/h循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組監(jiān)控畫面。


圖1

圖2

循環(huán)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(nèi)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(fēng)和二次風(fēng)分別從爐膛的底部和側(cè)墻送入，物料在爐膛內(nèi)呈流態(tài)化沸騰燃燒。在上升氣流的作用下向爐膛上部運(yùn)動(dòng)，對(duì)水冷壁和爐內(nèi)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(qū)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(guò)返料裝置送回爐膛循環(huán)燃燒直至燃盡。未被分離的極細(xì)粒子隨煙氣進(jìn)入尾部煙道，進(jìn)一步對(duì)受熱面、空氣預(yù)熱器等放熱冷卻，經(jīng)除塵器后，由引風(fēng)機(jī)送入煙囪排入大氣。
燃料燃燒、氣固流體對(duì)受熱面放熱、再循環(huán)灰與補(bǔ)充物料及排渣的熱量帶入與帶出，形成熱平衡，使?fàn)t膛溫度維持在一定溫度水平上。大量的循環(huán)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(bǔ)充物料以及粗渣排除維持了爐膛的物料平衡。
煤質(zhì)變化或加入石灰石均會(huì)改變爐內(nèi)熱平衡，故燃用不同煤種的循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計(jì)及運(yùn)行方面都有不同程度的差異。循環(huán)流化床鍋爐在煤種變化時(shí)，會(huì)對(duì)運(yùn)行調(diào)節(jié)帶來(lái)影響。試驗(yàn)表明，各種煤種的燃盡率差別極大，在更換煤種時(shí)，必須重新調(diào)節(jié)分段送風(fēng)和床溫，使燃燒室適應(yīng)新的煤種。
加入石灰石的目的，是為了在爐內(nèi)進(jìn)行脫硫。石灰石的主要化學(xué)成份是CaO,而煤粉燃燒后產(chǎn)生的SO2、SO3等，若直接通過(guò)煙囪排入大氣層，必然會(huì)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(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)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(nèi)，煤粉燃燒后產(chǎn)生的NOx氣體也會(huì)大大減少硝酸類酸性氣體。

三、循環(huán)流化床鍋爐控制特點(diǎn)
由于循環(huán)流化床鍋爐自身的特點(diǎn)，在運(yùn)行操作時(shí)不同于層燃爐和煤粉爐，就其控制系統(tǒng)而言具有系統(tǒng)復(fù)雜、多變量輸入多變量輸出、變量關(guān)聯(lián)耦合性強(qiáng)、輸入輸出非線性、大滯后等特點(diǎn)，如果運(yùn)行中不能滿足其對(duì)熱工參數(shù)的特殊要求，極易釀成事故。


1. 多變量耦合性
由于循環(huán)流化床鍋爐燃燒中，任何一個(gè)輸入變量（如溫度、壓力、流量、液位）的改變都會(huì)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(huì)影響到爐床溫度的變化，也會(huì)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(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中，各被控設(shè)備的輸出物理量對(duì)輸入物理量的響應(yīng)有較大的時(shí)間滯后特性，以及各被控設(shè)備的輸出物理量與輸入物理量的之間的數(shù)學(xué)特性為非線性，使得控制運(yùn)算變得復(fù)雜，這樣就必然給各物理量的控制帶來(lái)很大的困難。

四、浙大中控DCS在循環(huán)流化床上的應(yīng)用
1. 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理功能（DAS）
DAS系統(tǒng)通過(guò)I/O卡直接從過(guò)程對(duì)象中獲取數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)SCnetⅡ或從其它子系統(tǒng)如MCS、SCS站采集和處理所有與機(jī)組有關(guān)的測(cè)點(diǎn)信號(hào)及設(shè)備狀態(tài)信號(hào)。在操作站上進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的集中監(jiān)視和操作, DAS系統(tǒng)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(shì)顯示、報(bào)警顯示等。
—— 記錄：包括定期記錄、報(bào)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索
—— 性能計(jì)算

2.模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能（MCS）
A. 汽包水位控制
汽包水位是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，汽包水位控制是鍋爐控制中的基本控制，水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)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(jī)葉片，引起軸封破損，葉片斷損等故障；水位過(guò)低則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中的某些薄弱環(huán)節(jié)，以至局部水冷壁管燒壞，嚴(yán)重時(shí)造成爆炸。汽包水位的優(yōu)良控制有重大意義。
經(jīng)過(guò)多年工程經(jīng)驗(yàn)的積累，浙大中控獨(dú)創(chuàng)了汽包水位控制模塊FB_BoiLCon，該模塊中集成了基于直接物質(zhì)平衡的專家控制、前饋單回路控制、前饋串級(jí)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(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，從而保證機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。過(guò)熱汽溫過(guò)高，則過(guò)熱器易損壞，也會(huì)使汽輪機(jī)內(nèi)部引起過(guò)度的熱膨脹，嚴(yán)重影響運(yùn)行的安全；過(guò)熱汽溫低，則設(shè)備的效率低，一般汽溫每降低5～10℃，效率約降低 1% ，同時(shí)會(huì)使通過(guò)汽輪機(jī)最后幾級(jí)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(shù)組成的串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)。

C. 主蒸汽壓力控制
主蒸汽壓力是機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于蒸汽負(fù)荷控制的實(shí)現(xiàn)，最終是通過(guò)改變?nèi)剂狭縼?lái)完成的。而燃料量的改變又必然將影響到各臺(tái)鍋爐各自的過(guò)熱器出口蒸汽壓力，并且也必將會(huì)導(dǎo)致爐床溫度及爐膛出口溫度的改變，故而控制系統(tǒng)必須考慮各參數(shù)的相互影響。我公司通過(guò)多年研究和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)積累，獨(dú)創(chuàng)了專家智能結(jié)合前饋單回路的先進(jìn)控制方案，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好效果。通過(guò)專家控制系統(tǒng)對(duì)平均床溫進(jìn)行分析，針對(duì)恒壓切換與恒負(fù)荷切換兩種情況將主汽流量與分析后的結(jié)果相加作為前饋量，根據(jù)是否存在負(fù)荷分配得出主汽壓力的設(shè)定值，通過(guò)調(diào)節(jié)給煤量穩(wěn)定主汽壓力值。

D. 爐膛負(fù)壓控制
爐膛負(fù)壓控制是保證鍋爐安全燃燒的首要控制對(duì)象，經(jīng)過(guò)多年工程經(jīng)驗(yàn)的積累，我公司建立了爐膛負(fù)壓控制模塊FB_NegPCon，該模塊是一前饋單回路控制，以鍋爐總進(jìn)風(fēng)量作前饋。

E.氧量控制
在循環(huán)流化床鍋爐中，一次風(fēng)為基本流化風(fēng)量，根據(jù)料層差壓進(jìn)行限幅調(diào)節(jié)，在引風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)已經(jīng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可以投運(yùn)二次風(fēng)自動(dòng)即氧含量自動(dòng)控制，氧量控制采用串級(jí)控制，根據(jù)給煤量確定二次風(fēng)的初步設(shè)定值，再根據(jù)含氧量對(duì)二次風(fēng)量初設(shè)值進(jìn)行修正得出二次風(fēng)的設(shè)定值，同時(shí)將一次風(fēng)量作為前潰該來(lái)控制二次風(fēng)機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速。

F. 床溫控制
由于循環(huán)流化床鍋爐（CFBB）的燃燒過(guò)程十分復(fù)雜、受到多種因素的影響，不僅燃燒系統(tǒng)內(nèi)部的給煤、一、二次風(fēng)、返料耦合性強(qiáng)，而且過(guò)程的非線性和大滯后也使對(duì)象十分復(fù)雜，難于建立精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的控制方案很難得到理想的控制效果。

浙大中控經(jīng)過(guò)多年經(jīng)驗(yàn)積累，在循環(huán)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(lái)考慮。這是因?yàn)闊崃ο到y(tǒng)中的燃燒控制系統(tǒng)和汽水控制系統(tǒng)是相互耦合，難以割裂開，所以專家智能方案將整個(gè)復(fù)雜的燃燒過(guò)程合理的拆分成幾個(gè)相互獨(dú)立的部分，參數(shù)間的耦合通過(guò)建立合理的數(shù)學(xué)模型，以克服循環(huán)流化床鍋爐復(fù)雜的燃燒過(guò)程特性，從根本上解決了循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制。

燃燒系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如下：




專家智能控制相對(duì)常規(guī)控制的擴(kuò)展功能

A.可以處理非數(shù)字化的、不精確的操作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行復(fù)雜控制，提高控制質(zhì)量
B.模仿人的行為，采用專家經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)修改參數(shù)和算法，形成各種性質(zhì)算法的選擇和組合
C.當(dāng)部件失效、系統(tǒng)大擾動(dòng)或出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)仍能進(jìn)行有效處理

專家智能控制規(guī)則庫(kù)