1        概述

循環(huán)流化床鍋爐(CFB鍋爐) [1]以其優(yōu)良的環(huán)保性能、優(yōu)越的調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性、良好的燃料適應(yīng)性、高效的劣質(zhì)燃料燃燒和較高的灰渣綜合利用價(jià)值，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展和普及，成為燃燒福建無(wú)煙煤的首選爐型，在福建省得到較廣泛的應(yīng)用。目前，福建省已有100多臺(tái)CFB鍋爐在運(yùn)行或建設(shè)中，總?cè)萘砍^(guò)10000蒸噸，其中最大容量為1025t/h。從已經(jīng)投運(yùn)的CFB鍋爐的運(yùn)行實(shí)踐[2-3]來(lái)看，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)能夠高效燃用福建無(wú)煙煤。

由于CFB鍋爐燃料是在流化狀態(tài)下燃燒，鍋爐燃燒過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)干擾、多變量、大滯后、強(qiáng)耦合的非線性的過(guò)程控制，各個(gè)變量之間相互影響，加上物料循環(huán)系統(tǒng)，有的被調(diào)參數(shù)同時(shí)受到幾個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)的共同影響，如爐床溫度要受到給煤量、石灰石供給量、一次風(fēng)量、返料量和排渣量等多個(gè)參數(shù)的影響。同時(shí)，有的調(diào)節(jié)參數(shù)又影響多個(gè)被調(diào)參數(shù)，如給煤量不僅影響主蒸汽流量和壓力，還影響爐床溫度、爐膛溫度、空氣過(guò)剩系數(shù)及SO2排放濃度等參數(shù)[4]，見(jiàn)圖1。

由于CFB鍋爐控制的復(fù)雜性，使得鍋爐燃燒的自動(dòng)化控制水平始終很低，目前絕大多數(shù)CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)運(yùn)行在手動(dòng)操作方式，石獅熱電公司4臺(tái)CFB鍋爐就是這樣手動(dòng)操作，未達(dá)到最佳的燃燒效果，存在下列問(wèn)題：⑴手動(dòng)操作時(shí)，對(duì)不斷變化的工況調(diào)節(jié)有滯后并且不夠平滑，造成鍋爐運(yùn)行不穩(wěn)定，蒸汽壓力、汽包水位、負(fù)荷、爐膛負(fù)壓甚至排煙溫度波動(dòng)幅度大，灰渣含碳量時(shí)高時(shí)低，鍋爐熱效率較低，同時(shí)還對(duì)設(shè)備特別是汽機(jī)造成不利影響，不利于機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行；⑵運(yùn)行操作人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，并增加了人為失誤的可能性，系統(tǒng)安全性差，不利于機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)與安全性；⑶手動(dòng)操作方式大起大落，使得機(jī)組運(yùn)行嚴(yán)重依賴于操作人員的操作水平及勞動(dòng)態(tài)度，不利于科學(xué)管理；⑷手動(dòng)操作無(wú)法克服頻繁發(fā)生的工況擾動(dòng)，運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定使鍋爐根本無(wú)法達(dá)到優(yōu)化燃燒狀態(tài)，對(duì)于節(jié)能降耗缺乏實(shí)施平臺(tái)，不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這些問(wèn)題除了與總體設(shè)計(jì)水平、設(shè)備制造技術(shù)、運(yùn)行條件嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值等原因有關(guān)外，與DCS系統(tǒng)沒(méi)有充分發(fā)揮作用也有很大關(guān)系。針對(duì)CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)的現(xiàn)狀，如何在其現(xiàn)有的條件下利用當(dāng)今最先進(jìn)的自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)平臺(tái)使其燃燒效率達(dá)到最高、對(duì)環(huán)境的污染達(dá)到最低，是我們研究的對(duì)象。

北京和隆優(yōu)化控制技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐全自動(dòng)燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CFB-BCS)立足于鍋爐最基本的測(cè)控儀表，采用先進(jìn)的軟測(cè)量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過(guò)程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)及先進(jìn)的軟件接口來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐的優(yōu)化控制，從而達(dá)到各種鍋爐的安全運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的所有目標(biāo)。本文介紹CFB-BCS的技術(shù)特點(diǎn)，闡述BCS在CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用效果及其推廣價(jià)值。

1        CFB-BCS技術(shù)特點(diǎn)

CFB-BCS采用正平衡法計(jì)算表示鍋爐熱效率，以噸汽煤耗為優(yōu)化指標(biāo)，采用多維梯度法優(yōu)化算法，尋找最佳的床溫和二次風(fēng)風(fēng)量設(shè)定值，使得燃燒過(guò)程逼近最優(yōu)區(qū)域，以獲得經(jīng)濟(jì)燃燒的效果。CFB-BCS具有以下核心技術(shù)：

⑴有限條件正確相關(guān)技術(shù)。只要現(xiàn)場(chǎng)能做到在控制室手動(dòng)遙控就滿足了BCS的基本條件，控制量的變化必須導(dǎo)致測(cè)量變量的正確變化，至于變化量是否絕對(duì)準(zhǔn)確則不是必需的，保證了現(xiàn)場(chǎng)改造最少、投資最低。

⑵軟測(cè)量技術(shù)。用現(xiàn)有測(cè)控信號(hào)構(gòu)造虛擬的測(cè)量參數(shù)，用幾乎所有的有限測(cè)控信號(hào)和虛擬變量構(gòu)建一個(gè)可表征當(dāng)前工況下的燃燒效果變量。

⑶自尋優(yōu)技術(shù)。以產(chǎn)等量的蒸汽量用最少的燃料量為優(yōu)化目標(biāo)，使鍋爐燃燒狀態(tài)用最合適的時(shí)間達(dá)到最佳，解決了燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，不需要人工輸入任何燃料分析數(shù)據(jù)、負(fù)荷參數(shù)及一大堆的模型初始化參數(shù)，優(yōu)化模型運(yùn)行后可以自動(dòng)檢測(cè)各種因素引起的最佳燃燒點(diǎn)的偏移而自動(dòng)啟動(dòng)尋優(yōu)算法并重新將控制點(diǎn)拉回到燃燒效率曲線的“山頂”，見(jiàn)圖2。

⑷滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)。解決了如何讓鍋爐越燒越好的問(wèn)題，即每次優(yōu)化的啟動(dòng)都是在上一次優(yōu)化的結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在實(shí)現(xiàn)真正的全自動(dòng)優(yōu)化燃燒并使工人勞動(dòng)強(qiáng)度降至最低，克服負(fù)荷變化及煤質(zhì)變化的影響，使鍋爐燃燒效率達(dá)到最高，燃燒效率提高1.0%~ 2.5%。

⑸故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)。儀表的不準(zhǔn)確、執(zhí)行器的故障等都不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在部分儀表的故障狀態(tài)下，系統(tǒng)仍能全自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行，避免因斷煤而停爐的事故，實(shí)現(xiàn)斷煤故障診斷和全自動(dòng)處理，使系統(tǒng)的安全可靠性大為提高。

⑹智能軟伺服接口。取消了硬手操及硬伺服，對(duì)閥的多種特性不敏感，不需要閥位反饋，可使各種調(diào)節(jié)閥的壽命延長(zhǎng)五倍以上，具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能、手操器功能、伺服放大器功能，可達(dá)到任意可能的控制精度。

⑺多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)。搞好4臺(tái)鍋爐相互之間的協(xié)調(diào)操作，合理地分配鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，以最科學(xué)的策略來(lái)穩(wěn)定蒸汽母管的壓力，見(jiàn)圖3。

這些核心技術(shù)可實(shí)現(xiàn)CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)的全自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行，使噸汽煤耗平均降低2~5kg以上，鍋爐燃燒效率提高1.0%～2.5%，達(dá)到節(jié)能降耗減排的目的。

1        CFB-BCS的運(yùn)行效果

在OPC的橋梁功能的支持下，CFB-BCS先在75t/hCFB鍋爐(4號(hào)鍋爐)上應(yīng)用，經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)行實(shí)踐證明，4號(hào)鍋爐整體運(yùn)行工況更趨穩(wěn)定，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴床料沸騰平穩(wěn)，床溫更加穩(wěn)定

可以這樣說(shuō)，CFB鍋爐的床溫如果控制不住，則就意味著整個(gè)BCS控制系統(tǒng)的失敗。對(duì)中溫返料(540~580℃)且返料量大(物料循環(huán)倍率K=15~20)的CFB鍋爐來(lái)說(shuō)，床溫高時(shí)可通過(guò)加大返料量來(lái)降低溫度，反之亦然，即系統(tǒng)本身具有負(fù)反饋特性，所以BCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于專家系統(tǒng)的“床溫(平均值)—返料風(fēng)壓—返料量”的串級(jí)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)了高精的床溫控制。該技術(shù)可使床溫的波動(dòng)從50℃左右降至5~10℃(見(jiàn)圖4)，顯著地改善了CFB的運(yùn)行狀態(tài)。

⑵蒸汽母管壓力運(yùn)行曲線平滑

由于石獅熱電公司以供熱為主，下游有30多個(gè)蒸汽用戶，其中很多都是間歇式生產(chǎn)，造成母管壓力波動(dòng)頻繁，對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)行很不利。CFB-BCS系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化下的鍋爐負(fù)荷優(yōu)化控制回路—多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化功能要求將多臺(tái)鍋爐的運(yùn)行模式進(jìn)行分工，即將它們分別定義為運(yùn)行爐和調(diào)節(jié)爐，運(yùn)行爐只按給它分配的蒸汽流量負(fù)荷來(lái)運(yùn)行而不管母管壓力如何變化；而調(diào)節(jié)爐則同時(shí)以母管壓力和分配給它的基本負(fù)荷流量來(lái)協(xié)調(diào)運(yùn)行，即當(dāng)母管壓力突然變低時(shí)，它要快速提高自己的運(yùn)行負(fù)荷，以穩(wěn)定母管壓力，保證汽輪機(jī)的正常運(yùn)行和蒸汽用戶的用汽穩(wěn)定，反之亦然。BCS技術(shù)在負(fù)荷控制算法中加進(jìn)了智能算法，以適應(yīng)不同幅度擾動(dòng)時(shí)采用不同的控制策略—能用一臺(tái)爐子克服干擾就用一臺(tái)，盡可能多地讓最多的爐子以穩(wěn)定的負(fù)荷運(yùn)行并實(shí)施風(fēng)煤比的優(yōu)化。該技術(shù)可使蒸汽母管壓力的波動(dòng)從3.3~3.7MPa下降至3.4~3.54MPa(90%時(shí)間)，即使在波動(dòng)最大的交接班階段這個(gè)技術(shù)也表現(xiàn)出了很好的抗干擾能力。多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)投入與解除后母管壓力的波動(dòng)情況見(jiàn)圖5。

⑶回料控制平滑，風(fēng)壓控制平穩(wěn)

由于CFB-BCS技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于專家系統(tǒng)的床溫與返料的串級(jí)控制回路，它會(huì)時(shí)刻計(jì)算床溫的變化趨勢(shì)來(lái)及時(shí)調(diào)整返料風(fēng)壓的控制點(diǎn)，既穩(wěn)定了床溫又避免了返料量的大起大落。圖6為該串級(jí)回路中返料風(fēng)壓控制副回路運(yùn)行曲線。

⑷鍋爐效率提升，飛灰含碳量降低

BCS技術(shù)中最核心的部分就是該技術(shù)基于軟測(cè)量技術(shù)構(gòu)建了可反映鍋爐燃燒效率的燃燒效果中間變量，在此基礎(chǔ)上通過(guò)自尋優(yōu)技術(shù)和滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鍋爐的最佳燃燒，這可以從噸汽煤耗的降低和飛灰含碳量的降低來(lái)得以驗(yàn)證。2009年1~6月份，4號(hào)鍋爐CFB-BCS的長(zhǎng)期自動(dòng)控制投入率在95%以上，具有良好的先進(jìn)性、安全性以及很強(qiáng)的抗干擾能力。BCS投入后，增加了爐渣排放量，當(dāng)然飛灰量也相應(yīng)減少。與去年同期相比，飛灰含碳量由19.60％降低到17.01％，降低了2.59個(gè)百分點(diǎn)，見(jiàn)表1。

鑒于CFB-BCS在4號(hào)鍋爐上取得了良好的效果，石獅熱電公司已經(jīng)計(jì)劃在其余3臺(tái)CFB鍋爐上推廣應(yīng)用CFB-BCS技術(shù)，有效提高發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化水平，促進(jìn)企業(yè)的科技進(jìn)步。

1        CFB-BCS的推廣價(jià)值

目前，福建省已有100多臺(tái)CFB鍋爐在運(yùn)行中，總?cè)萘考s為10000t/h。若這些CFB鍋爐全部使用BCS，按照噸汽煤耗平均降低2kg、鍋爐年運(yùn)行時(shí)間5500h計(jì)算，則每年可節(jié)約標(biāo)煤78571t，為企業(yè)節(jié)省開(kāi)支5500萬(wàn)元(標(biāo)煤價(jià)格取人民幣700元/t)。同時(shí)，每年可以減少SO2排放1643t，減少NOX排放1032t，減少粉塵排放10490t，減少CO2排放196955t，將給國(guó)家和企業(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益、廣泛的社會(huì)效益。

2        結(jié)束語(yǔ)

⑴CFB鍋爐燃燒過(guò)程是一個(gè)多輸入、多輸出、時(shí)變性強(qiáng)、非線性和關(guān)聯(lián)性都非常嚴(yán)重的復(fù)雜系統(tǒng)，這使得CFB鍋爐燃燒的自動(dòng)化控制水平始終很低。

⑵CFB-BCS采用先進(jìn)的軟測(cè)量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過(guò)程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)及先進(jìn)的軟件接口等六大核心技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)CFB鍋爐的自動(dòng)優(yōu)化控制運(yùn)行。

⑶75t/hCFB鍋爐應(yīng)用BCS后，達(dá)到預(yù)期的效果：床溫更加穩(wěn)定，波動(dòng)幅度從30~50℃降低到5~10℃；蒸汽母管壓力運(yùn)行曲線平滑，壓力波動(dòng)幅度從±0.3MPa下降至±0.1MPa；回料控制平滑，風(fēng)壓控制的變頻調(diào)節(jié)平穩(wěn)；飛灰含碳量降低了2.59個(gè)百分點(diǎn)。

⑷若福建省現(xiàn)有100多臺(tái)CFB鍋爐全部使用CFB-BCS技術(shù)，每年可節(jié)約標(biāo)煤78571t，減少SO2排放1643t，減少NOX排放1032t，減少粉塵排放10490t，減少CO2排放196955t。

參考文獻(xiàn)

[1] 岑可法，倪明江，駱仲泱，等．循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M]．北京:中國(guó)電力出版社，1998.05．

[2] 吳劍恒．福建無(wú)煙煤在循環(huán)流化床鍋爐中的優(yōu)化燃燒[J]．鍋爐技術(shù)，2004，35(6):39-42．

[3] 何宏舟．CFB鍋爐潔凈燃燒福建無(wú)煙煤的理論與試驗(yàn)研究[D]．浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，杭州:2005．

[4] 楊景棋，趙偉杰，郭  榮，等．循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[J]．動(dòng)力工程，2005，25(4):517-522．

作者簡(jiǎn)介：吳劍恒(1975～)，男，工程師，河南省西華縣人，1997年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，福建省電力安全監(jiān)管技術(shù)委員會(huì)專家，現(xiàn)任福建省石獅熱電有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部主任，長(zhǎng)期從事電廠生產(chǎn)運(yùn)行和技術(shù)管理工作。

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文章作者：福建省循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)協(xié)作網(wǎng)