安全工程師輔導(dǎo):循環(huán)硫化床鍋爐控制系統(tǒng)的探討

　　摘要：分析了循環(huán)硫化床鍋爐控制系統(tǒng)存在的問題和難題，對其特點進(jìn)行了論述和總結(jié)，最后對循環(huán)硫化床鍋爐控制系統(tǒng)策略的發(fā)展和研究方向進(jìn)行了探討和預(yù)測。 $lesson$

　　關(guān)鍵詞：循環(huán)硫化床;數(shù)學(xué)模型;控制規(guī)律;模糊控制

　　煤的循環(huán)硫化床燃燒，是20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的新型燃煤技術(shù)，由于其燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大以及負(fù)荷調(diào)節(jié)快等優(yōu)點而越來越得到廣泛應(yīng)用，特別是近10來為了有效保護(hù)環(huán)境而迅速發(fā)展起來的環(huán)保型電站鍋爐。然而這種燃燒方式的燃燒機理十分復(fù)雜，循環(huán)硫化床鍋爐的設(shè)計尚處于經(jīng)驗設(shè)計階段，系統(tǒng)中變量之間的耦合比較緊密，而且具有嚴(yán)重的非線性。循環(huán)硫化床鍋爐熱工自動控制方面的問題已成為其推廣應(yīng)用的主要障礙，循環(huán)硫化床鍋爐的運行自動化已成為其走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵之一。

　　1　存在的問題

　　循環(huán)硫化床鍋爐自動控制的實現(xiàn)并不是輕而易舉的事情，還存在諸多問題需要探索、研究，總結(jié)如下：

　　a)循環(huán)硫化床鍋爐是一個分布參數(shù)、非線性、時變、多變量緊密耦合的控制對象，其自動控制系統(tǒng)需要完成較之一般鍋爐更復(fù)雜的控制任務(wù);

　　b)采用現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是要求描述被控對象特性的較為精確的數(shù)學(xué)模型，然而由于循環(huán)硫化床鍋爐燃燒特性的復(fù)雜性，使得建立其數(shù)學(xué)模型成為一件十分不易的事情; 把安全工程師站點加入收藏夾

　　c)由于循環(huán)硫化床鍋爐燃燒的復(fù)雜性和特殊性，使得實現(xiàn)其自動控制變得十分困難，對一般鍋爐和其它過程控制對象行之有效的常規(guī)控制方法，已難以保證循環(huán)硫化床鍋爐各項控制指標(biāo)的實現(xiàn)。

　　鑒于存在的上述問題及原因，研究一種適合該爐型的控制方案具有十分重要的現(xiàn)實意義。

　　2　控制系統(tǒng)設(shè)計及特點

　　循環(huán)硫化床鍋爐不同于煤粉爐和燃油鍋爐，其控制回路多，系統(tǒng)比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)設(shè)計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(fēng)量及煙氣含氧量控制;爐膛負(fù)壓控制;料床溫度控制;料床高度控制;二級返料回料控制。

　　對于汽包水位控制和過熱汽溫控制特性與通常的煤粉爐和燃油鍋爐相同，在此不予以分析，只對與循環(huán)硫化床鍋爐燃燒相關(guān)的控制系統(tǒng)的特點進(jìn)行分析。循環(huán)硫化床鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的需要，同時還要保證鍋爐安全經(jīng)濟運行，燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)歸納起來有如下幾個方面：

　　a)維持汽壓穩(wěn)定。汽壓的變化表示鍋爐的蒸汽量與負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng)，需要相應(yīng)地改變?nèi)剂系墓?yīng)量，以改變鍋爐的蒸汽量;

　　b)保證鍋爐燃燒過程的經(jīng)濟性。改變?nèi)剂狭康耐瑫r，相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使之與燃料量匹配，保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟性;

　　c)引風(fēng)量與送風(fēng)量相配合以保證爐膛壓力在正常的范圍內(nèi)，保證鍋爐的安全運行;

　　d)料床溫度是一個直接影響鍋爐能否安全連續(xù)運行的重要參數(shù)，同時也直接影響鍋爐運行中的脫硫效率及NO2。的產(chǎn)生量。通常情況下856℃床溫是爐內(nèi)脫硫的最佳溫度，同時NO2的產(chǎn)量也較低。床溫過低不但使鍋爐效率下降，而且運行不穩(wěn)定容易滅火;床溫過高會使脫硫效率下降、NO2產(chǎn)量大大增加，同時容易造成爐膛料床結(jié)焦，無法循環(huán)硫化燃燒而停爐。由此可見，料床溫度是循環(huán)硫化床鍋爐運行極為重要的參數(shù);

　　e)料床高度控制也與鍋爐安全連續(xù)運行密切相關(guān)，料層太厚，會把一次風(fēng)的“風(fēng)頭”壓住，使?fàn)t料不能達(dá)到完全硫化狀態(tài);料層太薄，不僅不滿足負(fù)荷要求，而且會使一次風(fēng)穿透料層吹滅爐火;

　　f)二級返料回料控制將直接影響鍋爐的循環(huán)倍率，也對床溫有一定的影響。

　　循環(huán)硫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(tǒng)的研究剛剛起步，還缺乏經(jīng)驗及深人的了解，所以在設(shè)計、分析、研究其控制系統(tǒng)時仍采用傳統(tǒng)的方法。目前循環(huán)硫化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計仍采用常規(guī)PID控制，通常由燃料控制、總風(fēng)量控制、一次風(fēng)控制、二次風(fēng)控制、燃燒室負(fù)壓控制、床溫控制、料床高度控制、二級返料回料控制等8個有機聯(lián)系的控制單元構(gòu)成。即人為地把被控對象分成許多單變量系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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。

　　3　研究方向及具體內(nèi)容

　　近年來的研究及應(yīng)用情況表明，由于循環(huán)硫化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜性，特別是各控制變量之間的緊密耦合，常規(guī)的控制方法很難滿足循環(huán)硫化床鍋爐的自動運行及自動控制水平的進(jìn)一步提高，因此，在對循環(huán)硫化床鍋爐燃燒系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)控制理論，實現(xiàn)全局最優(yōu)地采用多變量控制的先進(jìn)控制方法具有非常重要的意義，也是當(dāng)今熱控領(lǐng)域重大研究課題之一。

　　3.1 數(shù)學(xué)模型的完善和定量化

　　進(jìn)行循環(huán)硫化床鍋爐動態(tài)多變量數(shù)學(xué)模型的完善和定量化，確定鍋爐各變量之間的量化耦合關(guān)系，為控制系統(tǒng)中控制量、被控量和干擾量的確定以及控制框架的構(gòu)筑提供數(shù)學(xué)依據(jù);為解耦控制的實施提供可靠數(shù)據(jù);為控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定提供指導(dǎo)。

　　3.2 控制規(guī)律研究

　　結(jié)合鍋爐運行方式，對循環(huán)硫化床鍋爐的控制規(guī)律進(jìn)行研究，以確定大體的控制策略。前面已經(jīng)提到循環(huán)硫化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、高效脫硫、NO2排放率低、爐膛面積小、負(fù)荷調(diào)節(jié)比例大、負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快等特點。但其燃燒機理非常復(fù)雜，爐內(nèi)的傳熱就包括氣體與固體顆粒間的傳熱、床層與水冷壁間的傳熱、床層與爐內(nèi)埋管的傳熱以及旋風(fēng)分離器或一次風(fēng)分離器內(nèi)的傳熱等四種，其中懸浮物影響傳熱;硫化速度通過影響懸浮物密度從而影響傳熱：傳熱表面垂直長度以及床溫都對傳熱有很大影響。

　　循環(huán)硫化床鍋爐這種結(jié)構(gòu)上的特殊性和燃燒機理的復(fù)雜性，使其在控制上較其它爐型復(fù)雜。除常規(guī)控制量以外，該爐型要求對料床溫度和料床高度進(jìn)行控制，其中料床溫度是循環(huán)硫化床鍋爐控制中最重要的參數(shù)。

　　在循環(huán)硫化床鍋爐控制中，由于一次風(fēng)的改變對床溫的影響比給煤量對床溫的影響大，因此采用一次風(fēng)作為調(diào)節(jié)床溫的控制變量，用調(diào)節(jié)給煤量來滿足負(fù)荷的要求。但是，改變給煤量將直接影響爐膛溫度，所以給煤量與一次風(fēng)是2個耦合非常緊密的控制量。在循環(huán)硫化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，如何協(xié)調(diào)這2個變量，實現(xiàn)自動控制。是控制方案研究的重點所在。

　　調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷必須通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)傳熱方式來實現(xiàn)，也就是調(diào)節(jié)一次風(fēng)量，以改變爐膛內(nèi)的固體濃度分布。同時，一次風(fēng)作為床溫的主要控制量，還必須兼顧床溫調(diào)節(jié)。由于在循環(huán)硫化床鍋爐內(nèi)氣、固混合比較均勻，溫度場分布較好，入爐煤能夠迅速燃燒，因而較其它爐型滯后較小，所以通過給煤是調(diào)節(jié)負(fù)荷的熱平衡較為合理。

　　3.3 控制方案

　　在上述兩項研究成果的基礎(chǔ)上.將常規(guī)控制方案和先進(jìn)控制理論有機結(jié)合起來，研究一種綜合性的循環(huán)硫化床鍋爐燃燒控制方案。

　　近年來，模糊控制技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，也出現(xiàn)了不少成功應(yīng)用的范例，實踐證明，模糊控制能夠?qū)r變、非線性和復(fù)雜的被控對象進(jìn)行較為有效的控制，但模糊控制規(guī)則的獲取受老師的經(jīng)驗和知識水平的制約，進(jìn)而影響模糊控制的效果，而且模糊控制本身不能消除靜差，再者PID控制在工業(yè)現(xiàn)場中有著成熟的應(yīng)用，并占有主導(dǎo)地位，這使得模糊控制既不可能也沒有必要完全替代PID控制。

　　為此，應(yīng)用模糊控制理論對常規(guī)PID進(jìn)行改進(jìn)，并與模糊控制有機結(jié)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(yīng)用于循環(huán)硫化床鍋爐燃燒系統(tǒng)這一非線性復(fù)雜對象，將達(dá)到滿意的效果。

　　4 結(jié)論

　　循環(huán)硫化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)研究的目標(biāo)，就是在大量現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，對其動態(tài)多變量數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完善和量化，確定各變量之間的量化耦合關(guān)系，結(jié)合鍋爐運行方式，對循環(huán)硫化床鍋爐的控制規(guī)律進(jìn)行研究，并在?，F(xiàn)的反饋、前饋PID控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引用模糊控制理論形成一種綜合性的循環(huán)硫化床鍋爐燃燒控制方案，并在實際應(yīng)用中逐步完善。

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