CN110260356B - 一种流化床锅炉的节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流化床锅炉的节能控制方法，要解决的是现有流化床锅炉在自动控制中的问题。本发明的具体步骤如下：步骤一，设定基本负荷，进行煤种补偿，然后进行给煤量设定和给煤速度设定；步骤二，进行增益补偿；步骤三，将设定的给煤参数发送至给煤机，燃烧***工作时实时测量燃烧参数和风机参数；步骤四，设定锅炉的主蒸汽压力值和主蒸汽流量，在锅炉运行时进行多项优化控制。本发明从两个方面实现控制：一是以PID控制为基础，结合其它控制技术组合而成的新型PID控制策略；二是以智能控制为基础，采用模糊控制，神经网络控制、专家控制以及与其它控制策略相结合的控制技术，可以实现全自动燃烧、最经济燃烧、最环保燃烧和最安全燃烧。

Description

一种流化床锅炉的节能控制方法

技术领域

本发明涉及锅炉控制领域，具体是一种流化床锅炉的节能控制方法。

背景技术

我国是以煤炭为主的能源国家，煤炭是我国最重要的一次能源，占能源总量的70％以上。我国已探明的煤炭总量约1万亿吨，每年的煤炭产量约30亿吨，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。煤炭在经济发展中起到重要作用的同时，也给我国带来了严重的环境污染，我国每年85％的二氧化硫排放量、60％的氮氧化物排放量、70％的烟尘排放量、85％的二氧化碳排放量等都是由燃煤造成的，煤炭燃烧已成为我国最主要的污染源。

循环流化床锅炉(CFB)的自动化应用水平比其在电力行业占主流的煤粉炉要低很多，其主要原因是由于循环流化床锅炉燃烧过程十分复杂，受影响的因素多，给煤、一次风、二次风、返料风耦合性强。此外，燃烧过程的非线性和大滞后性也使控制对象更加复杂，难以建立精确的数学模型，这样对控制方案就提出了更为严格的要求。目前国内循环流化床锅炉燃烧回路能投入自动运行的寥寥无几，更不用说如何保证燃烧的经济性。

现有的流化床锅炉的燃烧***无法自动控制的原因有以下方面：第一，控制对象复杂：每一种锅炉的具体工艺、生产情况不同，其工况的变化也会有所差别，对循环流化床锅炉来说，升降一次负荷要涉及到给煤调节、送风调节、引风调节、给水调节、减温减压调节等多个控制回路；如果燃煤的发热量等参数发生变化、母管压力发生变化也同样要影响这一系列的调节回路；第二，测控仪表存在的问题：某些仪表或因为贵重、或因为仪表本身不可靠而没有安装，如单炉进煤流量、废气的烟氧测量，甚至有的单位连空气流量测量仪表也没有安装，这造成用常规的控制方案根本无法实现自动控制，另外，即便是这些信号都有，但控制回路所涉及的流量、氧含量表的精度差、滞后大及其不可靠性；手操器、伺服放大器本身的仪表精度过低、调节阀过大的死区以及仪表特性的偏移等都增大了，仪表的不准确性增加了控制的难度；第三，先进控制理论的工程化问题：将先进控制理论用于现场实际还有很多细节性的处理，比如：模糊控制的E、DE的取值一般都要经过适当的放大或缩小再进入模糊控制集；自寻优算法必须具有识别虚假极点的能力及避免掉入死区的措施等，机械套用先进控制思想只能得到一个比常规控制***还糟糕的控制效果。

人们也在进行相关方面的研究。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种流化床锅炉的节能控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种流化床锅炉的节能控制方法，具体步骤如下：

步骤一，设定基本负荷，中央处理器根据基本负荷进行煤种补偿，然后中央处理器进行给煤量设定和给煤速度设定；

步骤二，中央处理器根据给煤量设定和给煤速度设定进行增益补偿；

步骤三，中央处理器将设定的给煤参数发送至给煤机，燃烧***工作，燃烧***工作时实时测量燃烧参数和风机参数；

步骤四，中央处理器根据燃烧参数和风机参数设定锅炉的主蒸汽压力值和主蒸汽流量，在锅炉运行时进行多项优化控制即可。

作为本发明实施例进一步的方案：步骤三中燃烧参数包括流化床温度、锅炉的炉膛出口温度和烟氧含量。

作为本发明实施例进一步的方案：步骤三中风机参数包括包括一次风机、二次风机和二次返料风机的风速、运行时间和风量。

作为本发明实施例进一步的方案：步骤四中多项优化控制包括汽包水位优化控制、主汽温度优化控制、负荷-给煤优化控制、料床温度优化控制、一次风优化控制、二次风优化控制、炉膛负压优化控制和料层厚度优化控制。

作为本发明实施例进一步的方案：主汽温度优化控制采用带有燃烧因素前馈算法的主汽温度-减温水流量-减温水阀串级控制算法或者带有汽温扰动观测器算法的主汽温度-减温水阀单回路控制算法,控制精度高，参考因素多。

作为本发明实施例进一步的方案：负荷-给煤优化控制为通过控制给煤变频、一次风阀、二次风阀及引风风门的开度来实现对负荷与床温的控制。

作为本发明实施例进一步的方案：一次风优化控制为通过控制一次风挡板来实现锅炉的正常流化、经济燃烧和床温控制。

作为本发明实施例进一步的方案：二次风优化控制通过控制二次风挡板来实现锅炉的氧量稳定和经济燃烧。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：

本发明设计合理，从两个方面实现控制：一是以PID控制为基础，结合其它控制技术组合而成的新型PID(智能变比例变积分给煤-配风算法)控制策略；二是以智能控制为基础，采用模糊控制，神经网络控制、专家控制以及与其它控制策略相结合的控制技术，可以实现全自动燃烧，只要工艺上允许且所涉及的测控仪表完好的控制回路均投入全自动运行，可以降低工人劳动强度，实现锅炉的准无人化操作；

本发明可以实现最经济燃烧，煤耗下降，降低了运行成本；

本发明可以实现最环保燃烧，满足燃料充分燃烧，保证锅炉稳定燃烧，在一定程度上解决了烟囱冒黑烟和SQ2、NOX因燃烧温度控制不稳而过量生成的环保问题；

本发明可以实现最安全燃烧，智能柔性纠错控制、状态报警与语音报警结合技术、指标考核体系技术三者结合，实现锅炉燃烧运行的最佳安全性，使用前景广阔。

附图说明

图1为流化床锅炉的节能控制方法的流程图。

图2为流化床锅炉的节能控制方法中汽包水位优化控制的原理图。

图3为流化床锅炉的节能控制方法中主汽温度优化控制的原理图。

图4为流化床锅炉的节能控制方法中负荷-给煤优化控制的原理图。

图5为流化床锅炉的节能控制方法中料床温度优化控制的原理图。

图6为流化床锅炉的节能控制方法中一次风优化控制的原理图。

图7为流化床锅炉的节能控制方法中二次风优化控制的原理图

图8为流化床锅炉的节能控制方法中炉膛负压优化控制的原理图。

图9为流化床锅炉的节能控制方法中料层厚度优化控制的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

一种流化床锅炉的节能控制方法，具体步骤如下：

步骤一，设定基本负荷，中央处理器根据基本负荷进行煤种补偿，然后中央处理器进行给煤量设定和给煤速度设定；

步骤二，中央处理器根据给煤量设定和给煤速度设定进行增益补偿；

步骤三，中央处理器将设定的给煤参数发送至给煤机，燃烧***工作，燃烧***工作时实时测量燃烧参数和风机参数，燃烧参数包括流化床温度、锅炉的炉膛出口温度和烟氧含量，风机参数包括包括一次风机、二次风机和二次返料风机的风速、运行时间和风量；

步骤四，中央处理器根据燃烧参数和风机参数设定锅炉的主蒸汽压力值和主蒸汽流量，在锅炉运行时进行多项优化控制即可，多项优化控制包括汽包水位优化控制、主汽温度优化控制、负荷-给煤优化控制、料床温度优化控制、一次风优化控制、二次风优化控制、炉膛负压优化控制和料层厚度优化控制。

本发明的控制目标是根据外部负荷的变化，通过改变燃料、一次风、二次风等供给量来改变炉膛内的供热量，从而改变气泡内的蒸汽产量实现快速响应负荷变化的要求，整个过程中要保证锅炉运行的安全性和经济性、保证主蒸汽压力的稳定，保证床料温度的稳定。因此，循环流化床锅炉燃烧过程控制任务有两个方面，一是能量的供给，即燃料燃烧提供的热量要能适应锅炉蒸汽负荷的需要，它主要通过燃料量的供给来实现；二是燃烧过程的经济安全，即燃烧过程的床料温度要稳定，炉膛压力要合理，燃烧过程的脱硫，氮氧化物及其它烟尘的排放效果要能保证，它主要通过送风量控制，合理调节一，二次风的比例来实现。燃烧过程中***的被控对象主要有:燃料量，送风量，主蒸汽压力，床温，引风量，炉膛压力以及二氧化硫等。他们分别对应着不同控制***，即燃料控制***、一次风控制***、二次风控制***、床料温度控制***、引风量控制***、炉膛压力控制***以及二氧化硫控制***。这几个***之间还存在不同的藕合关系。如改变一次风送风量，既会改变床料温度，也会改变炉膛压力，还会影响燃烧效率，影响主蒸汽压力，影响脱硫效果等。所以，燃烧过程需要一协调控制好以上几个变量***之间的关系。

本发明采用控制参数跟随关联技术、燃烧效果仿真技术、***诊断与柔性控制技术、先进控制工程化技术和智能算法调节技术，达到了很好的控制效果，解决了燃烧过程中强耦合、大滞后、时变性等难题。

控制参数跟随关联技术：参数跟随是利用有限但确实能正确相关的现场仪表测控信号，构建一个基于参数跟随下的燃烧效果变量的控制模型，它不需要人工输入任何燃料品质数据、负荷参数及大量的模型初始化参数，该模型即可迅速找到最佳燃烧状态并自动检测各种因素引起的最佳燃烧点的偏移而重新将控制点拉回到最佳状态，该技术是基于过程数据变化趋势的相对正确而非绝对值的正确性。关联技术是控制量的变化会导致相应测量变量的正确变化，而它们之间变化的规律可能是不精确的，但变化趋势一定是正确的。

燃烧效果仿真技术涉及虚拟相关变量和燃烧效果变量。虚拟相关变量是用现有的测控信号构造虚拟的测量参数，例如：燃料量、风量、风煤比等。燃烧效果变量是用关联测控信号和虚拟变量构建一个可以表征当前工况下的燃烧效果变量，它类似于燃烧效率但不是燃烧效率，它是变化规率与燃烧效率一致的中间变量。

***诊断与柔性控制技术使得部分仪表的故障不会造成模型瘫痪和生产安全隐患，并能在线处理部分工艺非正常运行状况和仪表设备故障导致控制策略的调整。

先进控制工程化技术集模糊控制、非线性控制和预测控制于一体，全面克服了过程本身的非线性、纯滞后和时变性及各种执行机构所存在的死区大、空行程大、调节精度低等诸多问题，延长设备使用寿命，该技术可以采用DCS(集散控制***)或者PLC(逻辑编程)控制***为硬件平台来实现，采用该技术的前后数据见表1。

表1

	蒸汽温度	烟氧含量	炉膛温度	炉膛压力	煤量
						投入前	±3℃	7-10％	±20℃	±10pa
投入后	±1℃	3-5％	±8℃	±5pa	下降2.5％

从表1中可以看出，先进控制工程化技术的使用效果较好。

智能算法调节技术选用变比例变积分优化算法，以适应锅炉这种多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的复杂的控制，解决了燃煤锅炉在有限条件下如何使燃烧效率最大的关键问题。

汽包水位优化控制采用了带有燃烧因素专家算法的三冲量控制算法。所谓燃烧因素是指当锅炉升降负荷时必须以调整炉膛燃烧强度为前提，建立了能表征炉膛燃烧强度的前馈算法并把它引入经典的三冲量控制模型中，进一步提高了该回路的抗干扰能力和汽包水位的控制精度。该回路的控制点是浮动的，即负荷高时其控制点变低，反之则变高，这有助于提高锅炉运行的安全性和经济性。

主汽温度优化控制采用了带有燃烧因素前馈算法的主汽温度-减温水流量-减温水阀串级控制算法，也可采用带有汽温扰动观测器算法的主汽温度-减温水阀单回路控制算法来达到较高精度的主汽温度控制。对有减温水流量测量且负荷足够大时也可考虑串级控制方案，对采用面式减温器的场合还要考虑与汽包水位控制阀的解耦算法。

负荷-给煤优化控制通过控制给煤变频、一次风阀、二次风阀及引风风门的开度来实现对负荷与床温的控制。操作人员可以设置一个主汽压力控制点(一般为该锅炉的额定主汽压力)和本台锅炉负荷的优化运行区间(一般为额定负荷的80～110％),协调优化模型会根据母管压力的波动情况，将给煤量、给煤变频开度都以最合理模式调节到位，当然此时其他控制回路如一次风、二次风、引风及汽水***控制回路都会自动进行相应调整。锅炉的运行方式分为调节炉和运行炉，运行炉不参与主汽压力的控制，固定煤量，按照固定的负荷运行。调节炉根据主汽压力的变化调整负荷，具有负荷调整功能。运行炉和调节炉的转换通过切换按钮来完成。调节炉最先解决的问题是应对母管压力和温度的变化，然后才是自身稳定运行和经济运行的问题。根据设定的主汽压力控制点，调整锅炉的给煤量，使锅炉能够满足负荷的要求。床温异常处理模型保证了当床温异常升高时快速加风减煤的应急处理能力。该回路还具有断煤判断、报警、自动处理、断煤处理后自动恢复等功能，当给煤量小于某个值时***判断断煤并发出语音报警，自动将发生断煤的变频器的煤量按照比例分摊到没有断煤的给煤机上，使断煤后的锅炉给煤量保持断煤前的煤量，保证锅炉负荷的稳定。当然，断煤后被分配到其他给煤机的煤量要求满足平衡床温和氧含量的需求。

料床温度优化控制：其床温的控制手段首先体现在对返料量的控制上。由于该回路的控制精度达到了R±5℃，完全可以进行高床温下的卡边控制以获得高效率。

一次风优化控制通过控制一次风挡板(或其他控制设备)来实现锅炉的正常流化、经济燃烧和床温控制。一次风量主要包含了两部分，一是流化风量，二是床温保护风量。流化风量为能保持流化状态的最小风量，这个值的大小与给煤量(可以选择此功能是否启用)和最小的临界一次风量有关。通过调整一次风挡板或者变频来完成风量的调整。

二次风优化控制通过控制二次风挡板(或其他控制设备)来实现锅炉的氧量稳定和经济燃烧。二次风量的控制包含五部分：基本二次风量(实际一次风量乘以优化二次风率)、氧量补偿风量(在优化不启动时以固定氧含量控制二次风量，氧量控制点是经过优化而浮动的)、煤量修正二次风风量增量、二次风优化风量(在煤质、负荷、仪表精度等发生变化时自动计算出风量的增量来修正二次风量，从而达到经济燃烧)和经验优化风量(给有经验的操作人员设计的在全自动状态下的经验二次风量增量，***可学习)。

炉膛负压优化控制引入了风量前馈补偿算法以完善其控制指标，即当一次风或二次风量有变化时则同时改变引风量。当有两台引风机时可选择挂一个或两个阀投入自动，另一个投在手动位置。

料层厚度优化控制通过控制冷渣机变频来实现锅炉料层差压的控制要求，以达到给煤输入与煤渣输出的动态平衡。通过当前炉内料层差压与料层差压设定值的比较计算，得出变频的最佳开度，使锅炉料层差压稳定在燃烧需要的范围之内。另外，该回路还设计了当冷渣出口水温过高而自动降低冷渣机转速以保护冷渣机的功能，同时还设计了用于匹配***阻力的偏执功能。

本发明实施例的工作原理是：本发明依据模糊控制和人工智能理论，运用***模糊控制自寻优的算法，成功开发了流化床锅炉节能控制方法，该方法与集散控制***(DCS)达成有机结合，并集合了先进的控制参数跟随关联技术、多变量解耦技术、过程优化控制技术、故障诊断与柔性控制技术、状态报警与语音报警结合技术，实现了燃煤锅炉的全自动节能运行，从而使燃煤循环流化床锅炉达到安全运行、稳定运行和经济运行的目的，是集科学性、通用性、先进性、实用性、安全性和经济性于一身的锅炉燃烧节能控制方法，可使锅炉运行更安全、更稳定、更节能、更环保。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种流化床锅炉的节能控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，设定基本负荷，中央处理器根据基本负荷进行煤种补偿，然后中央处理器进行给煤量设定和给煤速度设定；

步骤二，中央处理器根据给煤量设定和给煤速度设定进行增益补偿；

步骤三，中央处理器将设定的给煤参数发送至给煤机，燃烧***工作，燃烧***工作时实时测量燃烧参数和风机参数；

步骤四，中央处理器根据燃烧参数和风机参数设定锅炉的主蒸汽压力值和主蒸汽流量，在锅炉运行时进行多项优化控制即可。

2.根据权利要求1所述的流化床锅炉的节能控制方法，其特征在于，所述步骤三中燃烧参数包括流化床温度、锅炉的炉膛出口温度和烟氧含量。

3.根据权利要求1或2所述的流化床锅炉的节能控制方法，其特征在于，所述步骤三中风机参数包括包括一次风机、二次风机和二次返料风机的风速、运行时间和风量。

4.根据权利要求1所述的流化床锅炉的节能控制方法，其特征在于，所述步骤四中的多项优化控制包括汽包水位优化控制、主汽温度优化控制、负荷-给煤优化控制、料床温度优化控制、一次风优化控制、二次风优化控制、炉膛负压优化控制和料层厚度优化控制。

5.根据权利要求4所述的流化床锅炉的节能控制方法，其特征在于，所述主汽温度优化控制采用带有燃烧因素前馈算法的主汽温度-减温水流量-减温水阀串级控制算法或者带有汽温扰动观测器算法的主汽温度-减温水阀单回路控制算法。

6.根据权利要求4所述的流化床锅炉的节能控制方法，其特征在于，所述负荷-给煤优化控制为通过控制给煤变频、一次风阀、二次风阀及引风风门的开度来实现对负荷与床温的控制。

7.根据权利要求4或5所述的流化床锅炉的节能控制方法，其特征在于，所述一次风优化控制为通过控制一次风挡板或者变频来实现锅炉的正常流化、经济燃烧和床温控制。

8.根据权利要求4所述的流化床锅炉的节能控制方法，其特征在于，所述二次风优化控制通过控制二次风挡板来实现锅炉的氧量稳定和经济燃烧。

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