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[技术]循环硫化床锅炉控制系统的探讨

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文章出处:山西电力科学研究院 [2007/9/24 ]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:杜丽华
    煤的循环硫化床燃烧,是20世纪60年代开始发展起来的新型燃煤技术,由于其燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节比大以及负荷调节快等优点而越来越得到广泛应用,特别是近10来为了有效保护环境而迅速发展起来的环保型电站锅炉。然而这种燃烧方式的燃烧机理十分复杂,循环硫化床锅炉的设计尚处于经验设计阶段,系统中变量之间的耦合比较紧密,而且具有严重的非线性。循环硫化床锅炉热工自动控制方面的问题已成为其推广应用的主要障碍,循环硫化床锅炉的运行自动化已成为其走向实用的关键之一。

1 存在的问题
   循环硫化床锅炉自动控制的实现并不是轻而易举的事情,还存在诸多问题需要探索、研究,总结如下:
a)循环硫化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、多变量紧密耦合的控制对象,其自动控制系统需要完成较之一般锅炉更复杂的控制任务;
b)采用现代控制理论的基础是要求描述被控对象特性的较为精确的数学模型,然而由于循环硫化床锅炉燃烧特性的复杂性,使得建立其数学模型成为一件十分不易的事情;
c)由于循环硫化床锅炉燃烧的复杂性和特殊性,使得实现其自动控制变得十分困难,对一般锅炉和其它过程控制对象行之有效的常规控制方法,已难以保证循环硫化床锅炉各项控制指标的实现。
鉴于存在的上述问题及原因,研究一种适合该炉型的控制方案具有十分重要的现实意义。

2 控制系统设计及特点
   循环硫化床锅炉不同于煤粉炉和燃油锅炉,其控制回路多,系统比较复杂,控制系统设计一般包括以下主要回路:汽包水位控制;过热汽温控制;燃料控制;风量及烟气含氧量控制;炉膛负压控制;料床温度控制;料床高度控制;二级返料回料控制。
   对于汽包水位控制和过热汽温控制特性与通常的煤粉炉和燃油锅炉相同,在此不予以分析,只对与循环硫化床锅炉燃烧相关的控制系统的特点进行分析。循环硫化床锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要,同时还要保证锅炉安全经济运行,燃烧控制系统的任务归纳起来有如下几个方面: 
a)维持汽压稳定。汽压的变化表示锅炉的蒸汽量与负荷的耗汽量不相适应,需要相应地改变燃料的供应量,以改变锅炉的蒸汽量;
b)保证锅炉燃烧过程的经济性。改变燃料量的同时,相应地调节送风量,使之与燃料量匹配,保证锅炉燃烧的经济性; 字串2
c)引风量与送风量相配合以保证炉膛压力在正常的范围内,保证锅炉的安全运行;
d)料床温度是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要参数,同时也直接影响锅炉运行中的脱硫效率及NO2。的产生量。通常情况下856℃床温是炉内脱硫的最佳温度,同时NO2的产量也较低。床温过低不但使锅炉效率下降,而且运行不稳定容易灭火;床温过高会使脱硫效率下降、NO2产量大大增加,同时容易造成炉膛料床结焦,无法循环硫化燃烧而停炉。由此可见,料床温度是循环硫化床锅炉运行极为重要的参数;
e)料床高度控制也与锅炉安全连续运行密切相关,料层太厚,会把一次风的“风头”压住,使炉料不能达到完全硫化状态;料层太薄,不仅不满足负荷要求,而且会使一次风穿透料层吹灭炉火;
f)二级返料回料控制将直接影响锅炉的循环倍率,也对床温有一定的影响。

    循环硫化床锅炉是一个典型的多变量被控对象,但由于对它的系统的研究刚刚起步,还缺乏经验及深人的了解,所以在设计、分析、研究其控制系统时仍采用传统的方法。目前循环硫化床锅炉燃烧控制系统设计仍采用常规PID控制,通常由燃料控制、总风量控制、一次风控制、二次风控制、燃烧室负压控制、床温控制、料床高度控制、二级返料回料控制等8个有机联系的控制单元构成。即人为地把被控对象分成许多单变量系统进行控制,这种控制方法虽然简单、易行,局部分析是合理的,但整体考虑会存在许多问题,对进一步提高自动控制水平将存在很大的局限性,有的甚至不能满足机组的正常运行。

3 研究方向及具体内容
    近年来的研究及应用情况表明,由于循环硫化床锅炉燃烧系统的复杂性,特别是各控制变量之间的紧密耦合,常规的控制方法很难满足循环硫化床锅炉的自动运行及自动控制水平的进一步提高,因此,在对循环硫化床锅炉燃烧系统深入研究的基础上,采用先进控制理论,实现全局最优地采用多变量控制的先进控制方法具有非常重要的意义,也是当今热控领域重大研究课题之一。

3.1 数学模型的完善和定量化
    进行循环硫化床锅炉动态多变量数学模型的完善和定量化,确定锅炉各变量之间的量化耦合关系,为控制系统中控制量、被控量和干扰量的确定以及控制框架的构筑提供数学依据;为解耦控制的实施提供可靠数据;为控制系统参数的设定提供指导。
3.2 控制规律研究
    结合锅炉运行方式,对循环硫化床锅炉的控制规律进行研究,以确定大体的控制策略。前面已经提到循环硫化床锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、高效脱硫、NO2排放率低、炉膛面积小、负荷调节比例大、负荷调节速度快等特点。但其燃烧机理非常复杂,炉内的传热就包括气体与固体颗粒间的传热、床层与水冷壁间的传热、床层与炉内埋管的传热以及旋风分离器或一次风分离器内的传热等四种,其中悬浮物影响传热;硫化速度通过影响悬浮物密度从而影响传热:传热表面垂直长度以及床温都对传热有很大影响。
    循环硫化床锅炉这种结构上的特殊性和燃烧机理的复杂性,使其在控制上较其它炉型复杂。除常规控制量以外,该炉型要求对料床温度和料床高度进行控制,其中料床温度是循环硫化床锅炉控制中最重要的参数。
    在循环硫化床锅炉控制中,由于一次风的改变对床温的影响比给煤量对床温的影响大,因此采用一次风作为调节床温的控制变量,用调节给煤量来满足负荷的要求。但是,改变给煤量将直接影响炉膛温度,所以给煤量与一次风是2个耦合非常紧密的控制量。在循环硫化床锅炉燃烧控制系统中,如何协调这2个变量,实现自动控制。是控制方案研究的重点所在。
    调节锅炉负荷必须通过调节炉内传热方式来实现,也就是调节一次风量,以改变炉膛内的固体浓度分布。同时,一次风作为床温的主要控制量,还必须兼顾床温调节。由于在循环硫化床锅炉内气、固混合比较均匀,温度场分布较好,入炉煤能够迅速燃烧,因而较其它炉型滞后较小,所以通过给煤是调节负荷的热平衡较为合理。

3.3 控制方案
    在上述两项研究成果的基础上.将常规控制方案和先进控制理论有机结合起来,研究一种综合性的循环硫化床锅炉燃烧控制方案。
    近年来,模糊控制技术获得了长足的发展,也出现了不少成功应用的范例,实践证明,模糊控制能够对时变、非线性和复杂的被控对象进行较为有效的控制,但模糊控制规则的获取受专家的经验和知识水平的制约,进而影响模糊控制的效果,而且模糊控制本身不能消除静差,再者PID控制在工业现场中有着成熟的应用,并占有主导地位,这使得模糊控制既不可能也没有必要完全替代PID控制。
    为此,应用模糊控制理论对常规PID进行改进,并与模糊控制有机结合起来,形成一种“综合性控制方案”,再配合多种前馈控制方案,应用于循环硫化床锅炉燃烧系统这一非线性复杂对象,将达到满意的效果。

4 结论
    循环硫化床锅炉燃烧控制系统研究的目标,就是在大量现场试验的基础上,对其动态多变量数学模型进行完善和量化,确定各变量之间的量化耦合关系,结合锅炉运行方式,对循环硫化床锅炉的控制规律进行研究,并在常现的反馈、前馈PID控制结构的基础上,引用模糊控制理论形成一种综合性的循环硫化床锅炉燃烧控制方案,并在实际应用中逐步完善。
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