1 前言

盡管CFB鍋爐在我國的出現(xiàn)才剛剛過去了二十多年，但無疑這種高效清潔的爐型在我國的發(fā)展速度是世界上最迅猛的，無論是鍋爐的使用規(guī)模還是數(shù)量都早已成為世界第一了。尤其在近十年，我國廣大電力和熱電行業(yè)的科技工作者們從各自不同的角度對CFB鍋爐都持續(xù)進行了深入的研究，在大型化、高效化、清潔化、安全化等諸多方面都取得了長足的發(fā)展，但也毋庸置言，CFB鍋爐的自動化研究成果還很不樂觀，有90%以上中小型CFB鍋爐的操作都還基本長期處于手動狀態(tài)，尤其是燃燒系統(tǒng)，盡管也出現(xiàn)了不少能短期投入自動控制的方案。手動操作模式下的大起大落，造成了CFB鍋爐的長期不穩(wěn)定運行，飛灰含碳量、爐渣含碳量忽高忽低且居高不下，影響鍋爐的經(jīng)濟運行，結(jié)焦、爆管等事故時有發(fā)生，機組很難長周期運行。如何保證機組的安全穩(wěn)定運行始終是我們一線管理者最大的心病，手動操作對燃用我們福建劣質(zhì)無煙煤的CFB鍋爐來說則更是雪上加霜。

盡管石獅熱電公司的3#、4#鍋爐（DG75/3.82-11型）在設(shè)計時就采取了低流速、高爐膛、中物料循環(huán)倍率、敷設(shè)長衛(wèi)燃帶等措施，并取得了良好的運行效果，但在如何實現(xiàn)機組長期安全可靠的全自動操作、優(yōu)化操作進而進一步提高鍋爐熱效率方面卻整整困擾了我們十年。在2008年10月福州召開的循環(huán)流化床協(xié)作網(wǎng)年會上，我們接觸到了北京和隆優(yōu)化控制技術(shù)有限公司的“通用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)（BCS）”并與他們的技術(shù)人員進行了溝通，他們在考察完我們的現(xiàn)場后很快完成了“BCS優(yōu)化控制技術(shù)在石獅熱電DG75/3.82-11型CFB鍋爐上的應(yīng)用方案”，并于2008年12月中旬開始在4#爐上進行實施，12月31日BCS系統(tǒng)投入全自動優(yōu)化運行。截至2009年10月底，該系統(tǒng)已連續(xù)可靠運行的時間達10個月，各種運行數(shù)據(jù)都已得到；另外，我公司已與北京和隆優(yōu)化簽訂了另外三臺CFB鍋爐（1#、2#為35t/hCFB，3#為75t/hCFB）的燃燒優(yōu)化及多爐多機協(xié)調(diào)優(yōu)化的項目合同，2009年10月底全面投入運行，預(yù)計整體機組效率會提高2%以上。下面我們就對BCS優(yōu)化技術(shù)在我公司4#爐的應(yīng)用情況作一個總結(jié)供同行們參考。

2 通用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)（BCS）簡介

BCS是“通用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)”的英文縮寫，基于先進的、高可靠性的DCS系統(tǒng)或高端PLC產(chǎn)品，立足于各種燃燒裝置最基本的測控儀表，采用先進的軟測量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與自愈控制技術(shù)及先進的軟件接口來實現(xiàn)燃燒裝置的全自動優(yōu)化控制，從而達到鍋爐安全運行、穩(wěn)定運行和經(jīng)濟運行的所有目標(biāo)。

“通用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)(BCS)”的研發(fā)始于1996年，于七年后的2003年11月通過國家鑒定。該技術(shù)共包括六大核心技術(shù)、擁有四項自主知識產(chǎn)權(quán)和兩項發(fā)明專利，獲得過部級科技進步二等獎。目前BCS技術(shù)已被推廣應(yīng)用到包括鏈條爐、CFB鍋爐等近十種燃燒裝置上，見圖1。

燃燒過程是一個多輸入、多輸出、時變性強、非線性和關(guān)聯(lián)性都非常嚴重的復(fù)雜系統(tǒng)，這使得代表性燃燒裝置--鍋爐系統(tǒng)的自動化控制水平始終很低。加之在我國還具有下面的一些特殊國情：⑴基礎(chǔ)自動化水平低。大部分中小容量鍋爐只安裝了一些簡單的測控儀表，而且現(xiàn)有的很多儀表也是很不精確的；⑵我國部分企業(yè)的操作人員、維護人員目前的層次較低，非常先進的控制思想難以被廣泛接受和應(yīng)用；⑶燃燒問題是一個涉及到多學(xué)科的難題，燃燒過程的優(yōu)化控制難題涉及到計算機、儀表、自動化理論、燃燒工藝、機械設(shè)備等專業(yè)領(lǐng)域，而我們尚缺乏有效的整合能力；⑷應(yīng)用場所對項目成功的制約。由于鍋爐裝置在企業(yè)尤其是大型連續(xù)生產(chǎn)型企業(yè)具有舉足輕重的重要性，熱電鍋爐后面還掛著發(fā)電的汽輪機，而使自動化集成商在現(xiàn)場做實驗的困難增加了不少，因此很多用戶寧肯手動操作也不愿冒險做過多實驗；⑸先進控制理論工程化程度的制約。許多先進的控制思想如自適應(yīng)控制技術(shù)、過程優(yōu)化控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)源網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等控制理論在燃燒過程應(yīng)用的工程化程度還遠遠不夠，很多成果僅局限在實驗室模擬所得或沒有代表性的現(xiàn)場案例。

BCS系列技術(shù)的顯著特點有三個：一是它對現(xiàn)場條件的要求很低，甚至不需要現(xiàn)場安裝有燃料量、風(fēng)量、廢氣分析等儀表；對現(xiàn)有的儀表精度要求也很低，只要現(xiàn)有的測控儀表變化趨勢正確就可以；二是它的通用性很強。BCS技術(shù)已被推廣應(yīng)用到近十種燃燒裝置上，理論上只要有燃燒就可以采用該技術(shù)；三是BCS技術(shù)的效果真實明顯且是可以量化的。北京和隆優(yōu)化承擔(dān)節(jié)能效益達不到最低1%的全部風(fēng)險。

3 BCS技術(shù)在我公司4#爐上的應(yīng)用情況及運行效果

由于我公司在3#、4#鍋爐已經(jīng)上了浙江中控的DCS系統(tǒng)JX-300X，北京和隆優(yōu)化控制公司針對我公司4#CFB鍋爐的具體實際設(shè)計了一套基于OPC通訊標(biāo)準的“CFB鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)”，原DCS系統(tǒng)只負責(zé)數(shù)據(jù)采樣和控制輸出，BCS負責(zé)全部優(yōu)化控制模型的計算。它們之間的關(guān)系如圖2。值得一提的是，北京和隆優(yōu)化控制公司還同時安裝了一套安全性很高的遠程服務(wù)支持系統(tǒng)，他們通過該系統(tǒng)可隨時對我們的現(xiàn)場進行

服務(wù)。

在4#爐的優(yōu)化控制系統(tǒng)中共設(shè)計實施了如下控制回路和優(yōu)化功能及安全策略：

3．1 基本控制回路

①帶燃燒因素前饋算法的汽包水位三沖量控制回路；

②帶燃燒因素前饋算法的主汽溫度控制回路。

由于我公司蒸汽管網(wǎng)除帶三臺汽輪發(fā)電機組外，還負責(zé)給周邊五十多家漂染、染整、水洗等企業(yè)供汽，大部分用戶的生產(chǎn)都是間歇式的，用汽量根據(jù)定單情況不斷變化，隨機性強，再加上我公司所燃用的福建無煙煤屬典型難燃的高變質(zhì)煤種，并且采購渠道多樣化，煤種復(fù)雜多變，入爐煤的發(fā)熱量波動較大且頻繁。這些因素經(jīng)常造成負荷的巨大波動，有時會突降40%負荷，尤其是每天的交接班時間，汽包水位波動幅度超過30%、主汽溫度波動超過40℃。

所謂燃燒因素前饋算法就是以額定負荷下燃用設(shè)計煤種時高過前煙氣溫度為基準的煙氣溫度PD算法，將該算法引入這兩個回路的主調(diào)輸出中，用于提前克服因各種因素引起的爐膛內(nèi)燃燒強度的變化對汽包液位和主汽溫度的影響。完善后的控制精度在大負荷波動下也達到了R±20mmH2O、R±10℃(R為設(shè)定值)。

3．2 CFB鍋爐燃燒優(yōu)化控制回路

①鍋爐負荷優(yōu)化控制回路；

②一次風(fēng)優(yōu)化控制回路；

③二次風(fēng)優(yōu)化控制回路；

④爐膛負壓優(yōu)化控制回路；

⑤基于專家系統(tǒng)的床溫優(yōu)化控制回路。

這五個回路的設(shè)計和正常運行是鍋爐經(jīng)濟運行的關(guān)鍵所在。①-④模型框圖見圖3。

圖3中，FQ/FM1/FM2/F1F/F2F/PFY分別為該爐的蒸汽流量、給煤流量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量和爐膛負壓測量信號；FQ0/FM0/F1F0分別為該爐的基本操作負荷、基本操作負荷下的給煤量和該爐一次風(fēng)最小流化風(fēng)量；GYFL1、GYFL2分別為全自動模式下給操作人員專門設(shè)計的一次風(fēng)、二次風(fēng)人工經(jīng)驗優(yōu)化值入口；DFQ/DFM2/DUM分別為啟動多爐協(xié)調(diào)功能后模型對該爐輸出的負荷調(diào)整增量、煤量調(diào)整增量和給煤變頻變化量；DF2F/DPFY分別為BCS燃燒優(yōu)化模型輸出的最佳風(fēng)量增量和爐膛負壓增量。

從圖3可以看出，如果該爐被定為調(diào)節(jié)爐，則多爐多機協(xié)調(diào)模型根據(jù)管網(wǎng)負荷波動的幅度和快慢以及該爐的可調(diào)能力計算出該爐負荷變化的增量以及相對應(yīng)的煤的增量和給煤變頻的增量，同時一次風(fēng)、二次風(fēng)以及爐膛負壓控制回路都會立即跟隨調(diào)整；當(dāng)工況接近穩(wěn)定，BCS優(yōu)化模型自動啟動，將對新工況下的風(fēng)量和爐膛負壓控制點進行優(yōu)化，直至燃燒效率最大。這幾個回路的運行曲線參見圖4～圖6：

對CFB鍋爐來說床溫控制是最重要的一個回路，床溫控制精度的高低是影響鍋爐的安全運行和經(jīng)濟運行最大的因素，基于專家系統(tǒng)的床溫優(yōu)化控制模型是BCS技術(shù)最關(guān)鍵的一個模型，正是由于這個模型的保障，才使得BCS技術(shù)的其他控制算法得以能夠長周期投運。

對中溫返料的CFB鍋爐來說，完全可以通過控制返料量來穩(wěn)定床溫，只是手動操作無法得到一個穩(wěn)定的燃燒氛圍，沖灰、斷灰現(xiàn)象頻繁發(fā)生，床溫波動幅度一般都在50℃以上，波動大時還需要輔以煤量、風(fēng)量的調(diào)整，這就造成了灰、渣含碳量的大幅度波動。BCS技術(shù)非常完美地解決了床溫的高精度控制難題。BCS床溫優(yōu)化控制模型見圖7。

圖7中，TCW1-TCWn為密相層床溫；PFL1/PFL2為返料風(fēng)壓；FQR/FQ分別為該爐負荷控制點和測量值；TCW0為額定負荷下基本床溫控制點；PFL0為額定負荷下基本返料風(fēng)壓控制點；PFLJ1/2為返料器入口靜壓；TFL1/2為返料器料溫。

BCS技術(shù)下的很多控制點都是浮動的，如汽包水位、爐膛負壓、氧含量、返料風(fēng)壓等。床溫控制點也是浮動的，該爐負荷控制點改變后床溫的實際控制點隨之而變，負荷高則床溫高。模型主回路是床溫-返料風(fēng)壓-返料量的串級控制，但它還包含了三部分的輔助功能：一是床溫專家系統(tǒng)，它保證了在發(fā)生諸如沖灰、斷煤、煤質(zhì)急劇波動等惡劣工況下的快速反應(yīng)能力，極大提高了該模型的抗干擾能力；二是監(jiān)控返料器工作的不平衡故障，故障發(fā)生后及時啟動返料器不平衡工況的自愈控制功能，自動恢復(fù)返料器的平衡運行；三是當(dāng)發(fā)生了更為嚴重的問題，前兩項措施都不能保證床溫運行安全而有滅火或結(jié)焦危險時則緊急啟動床溫安全控制模型，自動切斷常規(guī)負荷控制而大幅度調(diào)整風(fēng)煤量。從下面的床溫控制曲線可看出即使出現(xiàn)比較大的擾動（如發(fā)生沖灰），床溫的控制精度也很快被穩(wěn)定住并保持在R±5℃的高精度，見圖8和圖9。

3．3 CFB鍋爐緊急處理回路

①斷煤故障診斷與全自動處理控制回路；

②返料系統(tǒng)故障診斷與自愈控制回路。

很多原因會導(dǎo)致鍋爐斷煤，斷煤的頻繁發(fā)生不僅大大增加了工人的勞動強度，還是對鍋爐穩(wěn)定運行狀態(tài)的極大干擾。我公司4#爐2#給煤系統(tǒng)發(fā)生斷煤的頻率是很大的，有時一個班多達十次以上。BCS技術(shù)中斷煤自動處理功能可靠地解決了這一問題，故障處理與恢復(fù)過程都是很平穩(wěn)的，幾乎對床溫的影響為零。斷煤處理曲線見圖10 。

由于燃燒狀態(tài)的不穩(wěn)定、返料器設(shè)備性能的變化以及返料系統(tǒng)測控儀表的問題等會時常發(fā)生兩個返料器返料量不平衡的問題，不及時處理可能會積累造成返料器不下灰的故障，該故障處理不當(dāng)易形成大沖灰又會造成床溫比較大的波動，BCS技術(shù)中“返料系統(tǒng)故障診斷與自愈控制回路”則在某一返料器剛剛發(fā)生返料不暢時就根據(jù)其趨勢增加其返料風(fēng)壓，將其消滅在萌芽狀態(tài)，慢慢恢復(fù)至兩返料器均勻回料狀態(tài)達到故障自愈的效果，見圖11。

從曲線可看出：當(dāng)診斷出返料器不平衡現(xiàn)象發(fā)生后（兩返料器溫差大于15℃）則以一定的速率將返料不暢的返料器返料風(fēng)壓慢慢增加，直至返料暢通。過一定時間后就發(fā)現(xiàn)返料溫差（綠線，光標(biāo)處）就在0℃附近了，此時該返料器的返料風(fēng)壓比另一返料器高出0.34kPa，再穩(wěn)定一定時間后自愈控制器就將該風(fēng)壓增量清零。

3．4 安全控制技術(shù)

①安全運行空間設(shè)計；

②智能語音報警技術(shù)；

③安全聯(lián)鎖—既保留了原DCS系統(tǒng)安全聯(lián)鎖功能的完整性，又設(shè)計出了安全可靠的BCS-DCS系統(tǒng)間的無擾切換功能。

4#爐作為調(diào)節(jié)爐出現(xiàn)時，將它的負荷變化區(qū)間設(shè)置為60～85t/h，相應(yīng)地通過BCS的安全限幅功能又把所有變頻器、閥的最大運行區(qū)間的上下限根據(jù)它來進行設(shè)置以確保全自動運行狀態(tài)下的安全生產(chǎn)。

BCS的智能語音報警功能將所出現(xiàn)的各級別報警都快速定位到點，比如“二號給煤系統(tǒng)發(fā)生斷煤，請注意！”在全自動的情況下，操作人員不必時刻盯著屏幕，只聽報警聲音就可以了，極大地降低了工人的勞動強度。

由于BCS設(shè)計了OPC鏈路異常報警及全自動無擾切換功能，整個通訊所涉及到的DCS操作員站、DCS控制站、BCS優(yōu)化站、網(wǎng)絡(luò)等有一點出現(xiàn)故障都會立即切換到DCS手動狀態(tài)，可保安全過渡。

3．5 其他

①鍋爐運行及操作質(zhì)量評價系統(tǒng)；

②遠程服務(wù)支持系統(tǒng)。

如何評價BCS技術(shù)運行的效果或操作人員的技術(shù)水平也是我們所非常關(guān)注的。BCS系統(tǒng)設(shè)計了“鍋爐運行及操作質(zhì)量評價系統(tǒng)”，見圖12和圖13：

無論是手動生產(chǎn)還是自動運行都可啟動評價功能，“隨機考核”可用來隨時對操作者進行若干時間的操作水平評估，“連續(xù)考核”可持續(xù)評價每個班的操作效果。上圖中綠框內(nèi)的“燃燒效率”、“運行穩(wěn)定性參數(shù)”及“操作質(zhì)量參數(shù)”可以作為評價時間內(nèi)鍋爐運行的重要評價指標(biāo)。需要說明的是“燃燒效率”是基于一個人工輸入的燃煤的低位發(fā)熱值在線計算出來的，它不是一個準確的實時數(shù)據(jù)，操作人員平時用它來判斷煤質(zhì)是否發(fā)生了突變。

燃燒優(yōu)化的調(diào)整是一個相對長周期的工作，現(xiàn)場調(diào)試時間一般會持續(xù)一個月以上，和隆優(yōu)化為此設(shè)計了遠程服務(wù)支持系統(tǒng)來實現(xiàn)對用戶的零響應(yīng)時間的不間斷服務(wù)，他們的技術(shù)專家無論何時何地都可通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)于我們，當(dāng)然他們也已經(jīng)充分考慮到了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩珕栴}。

4 結(jié)束語

石獅熱電公司4#爐的BCS優(yōu)化控制技術(shù)改造取得了預(yù)期的效果，實現(xiàn)了全部的預(yù)期目標(biāo)：

(1)在65～85t/h負荷范圍內(nèi)實現(xiàn)了汽包水位、主汽溫度、鍋爐負荷、一次風(fēng)、二次風(fēng)、爐膛負壓和床溫等七個回路的全部自動控制和優(yōu)化運行，長期可靠自控率超過90％；

(2)蒸汽母管壓力的控制精度達到R±0.1MPa，床溫控制精度達到R±10℃（90%時間都在5℃以內(nèi)），廢氣含氧量達到R±0.5%；

(3)能可靠處理斷煤故障和返料器的不平衡故障；

(4)爐渣含碳量降低0.2%，飛灰含碳量降低3%，放渣量比原來手動操作增加20%以上，燃燒效率提高了1.5%以上。

最后需要說明的是BCS技術(shù)也有三個最基本的應(yīng)用條件：一是現(xiàn)場必須已經(jīng)安裝了支持OPC通訊協(xié)議的DCS或高端PLC系統(tǒng)；二是鼓風(fēng)、引風(fēng)能力還有可調(diào)節(jié)余地，一般要求在額定負荷下閥門或變頻開度還不大于70%；三是要求一次風(fēng)、二次風(fēng)、返料風(fēng)、引風(fēng)等的控制是用電動閥門的現(xiàn)場，要求閥門的精度滿足1.5%，否則它會影響優(yōu)化控制效果。

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