實(shí)用型熱力鍋爐優(yōu)化燃燒的智能控制

楊廣鑫,劉占查,宋小軍

(1.天津大沽化工股份有限公司,天津 300455;2.河北國超信息科技有限公司,河北 辛集 052360;3.霍家工業(yè)有限公司自備電廠,山西 長治 046000)

循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fludized Bed Boiler，以下簡稱CFB鍋爐)是氯堿化工等行業(yè)用電、供蒸汽的主要設(shè)備。

CFB鍋爐具有燃料適用范圍廣、爐內(nèi)脫硫效率高、NOx排放量小、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大及灰渣可綜合利用等優(yōu)點(diǎn)。

1 熱力鍋爐現(xiàn)狀

CFB鍋爐的燃燒技術(shù)以流態(tài)化原理為基礎(chǔ)，煤轉(zhuǎn)化為固定大小的顆粒，入爐后很快著火燃燒。具有能夠穩(wěn)定燃燒各種劣質(zhì)煤的特點(diǎn)，對含硫量較高的燃料，也能達(dá)到脫硫效率的97.5%。所燃用的煤質(zhì)(熱值和灰分)是影響鍋爐熱效率的主要因素。目前國內(nèi)CFB鍋爐主要用于燃燒劣質(zhì)煤，即熱值為16.72 MJ/kg以下的煤種[1]，都能達(dá)到所需的熱效率。

1.1 循環(huán)流化床鍋爐工藝流程

CFB鍋爐是由汽水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、氣固分離循環(huán)系統(tǒng)、對流煙道等組成[2]。燃燒系統(tǒng)包括給煤系統(tǒng)、返料系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、煙道和燃燒室。CFB鍋爐工藝流程如圖1所示。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of circulating fluidized bed boiler

CFB鍋爐工作原理：鍋爐燃燒所需的一次風(fēng)(主燃)和二次風(fēng)(助燃)分別從爐膛的底部和側(cè)墻送入，燃料的燃燒在爐膛內(nèi)完成，爐膛四周布置有水冷壁，用于吸收燃燒所產(chǎn)生的熱量。由氣流帶出爐膛的固體物料在旋風(fēng)(氣固)分離裝置中被收集并通過返料裝置送回爐膛[3]。

CFB鍋爐屬于低溫燃燒。燃料由爐前給煤系統(tǒng)送入爐膛，一次風(fēng)由布風(fēng)板下部送入燃燒室，確保料層流化；二次風(fēng)沿燃燒室高度分級(jí)多點(diǎn)送入，增加燃燒室的氧量，保證燃料完全燃燒。

1.2 燃燒過程操作現(xiàn)狀

1.3 燃燒過程控制升級(jí)

隨著科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，制造業(yè)提升改造在不斷地進(jìn)行。外接控制器的出現(xiàn)，給老企業(yè)自動(dòng)化水平的提高帶來了新的生機(jī)，升級(jí)改造控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 DCS外接控制器示意圖

與此同時(shí)，也會(huì)給企業(yè)帶來額外的設(shè)備投資，并增加了硬件設(shè)備的故障點(diǎn)。僅從設(shè)備與結(jié)構(gòu)組成分析，雙機(jī)運(yùn)行并非一用一備。DCS肩負(fù)著數(shù)據(jù)采集、控制指令輸出的功能，而外接控制器起到了控制回路優(yōu)化的作用，數(shù)據(jù)傳輸通過通信接口完成數(shù)據(jù)交換。雙機(jī)并行有4種組合：雙機(jī)正常運(yùn)行；雙機(jī)同時(shí)故障，控制系統(tǒng)癱瘓；外接控制器出現(xiàn)故障時(shí)，將恢復(fù)原DCS功能(喪失回路優(yōu)化控制)；DCS發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成被控對象的失控而迫使工藝停車。

從DCS的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)空間看，當(dāng)今的DCS有足夠快的運(yùn)算速度和足夠大的存儲(chǔ)空間。而目前熱力鍋爐選用的DCS，除開停車邏輯控制和安全聯(lián)鎖外，鍋爐工況的運(yùn)行過程只停留在手動(dòng)遠(yuǎn)程操作，即相當(dāng)于大型的DCS手操器。所以，對于嵌入鍋爐燃燒控制策略，完全可以滿足運(yùn)算速度和存儲(chǔ)空間。即便采用了外接控制器，同樣需要優(yōu)化燃燒的控制策略。

2 鍋爐優(yōu)化燃燒的控制策略

在鍋爐燃燒過程中，通過調(diào)節(jié)燃料維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定，對整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要的作用。優(yōu)化燃燒控制是以主蒸汽壓力、煙氣氧量為控制對象，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入爐膛的燃料量，保持主蒸汽壓力的穩(wěn)定；調(diào)節(jié)進(jìn)入爐膛的風(fēng)量(一、二次風(fēng))，提供燃料燃燒所需要的空氣量，以提高燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性；調(diào)節(jié)引風(fēng)量，達(dá)到進(jìn)出風(fēng)量平衡、爐膛壓力穩(wěn)定。

以常規(guī)PID控制與模糊算法相結(jié)合，在PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊推理，根據(jù)被控對象的變化，實(shí)時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)是解決復(fù)雜非線性、大遲延、大慣性和多變量控制的最佳方法。燃燒系統(tǒng)調(diào)整與控制的好壞直接影響鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行、安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)成本。通過這一方法優(yōu)化燃燒控制，能夠有效地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，對工況改變、模型變化的魯棒性有較大的提高。

2.1 爐膛壓力

保證鍋爐安全運(yùn)行的最基本條件是維持合適的爐膛壓力。

對比超聲心動(dòng)圖及心臟超聲造影對心臟占位性病變的診斷情況，占位病變類型包括血栓及腫瘤，腫瘤包括良性腫瘤及惡性腫瘤[3]。

爐膛壓力位置為通風(fēng)動(dòng)力場的平衡點(diǎn)，處于爐膛折焰角、多點(diǎn)(前墻、左右側(cè)墻)分布，檢測范圍-500～500 Pa。在使用前可將多點(diǎn)信號(hào)取平均值作為被控變量；一般配備2臺(tái)(并聯(lián))調(diào)節(jié)參數(shù)的引風(fēng)機(jī)，通過變頻調(diào)整轉(zhuǎn)速達(dá)到改變風(fēng)量的目的。

設(shè)爐膛壓力p爐膛的論域?yàn)閇pmin，pL，pset，pH，pmax]，由模糊化、推理、解模糊輸出，通過改變引風(fēng)量，對爐膛壓力進(jìn)行控制。

IF(pL

IF(p爐膛≥pH) THEN 策略1。

IF(p爐膛≤pL) THEN 策略2。

策略1：2臺(tái)引風(fēng)機(jī)優(yōu)先低轉(zhuǎn)速遞增，交替調(diào)節(jié)。策略2：2臺(tái)引風(fēng)機(jī)優(yōu)先高轉(zhuǎn)速遞減，交替調(diào)節(jié)。為此達(dá)到了爐膛壓力穩(wěn)定的控制。

2.2 料層壓差

料層壓差是反映燃燒室料層厚度的參數(shù)，檢測風(fēng)室與燃燒室上界面之間的壓力差，其測量范圍0～15 kPa。以料層壓差為被控變量，可通過爐底排放底料(渣)的方法來調(diào)節(jié)料層厚度。其大小影響鍋爐的流化質(zhì)量，料層厚度過大，流化不好造成爐膛結(jié)焦或滅火。一般控制在7 000～9 000 Pa之間。

根據(jù)鍋爐燃燒燃料的不同，有爐底連續(xù)或間歇排渣2種方式。單一煤或煤泥為燃料的鍋爐，可采用連續(xù)排渣(渣多)控制；由多種燃料燃燒的鍋爐，煤氣或燃油與煤混合燃燒，可采用間歇式排渣(渣少)。無論是連續(xù)還是間歇控制，除提升機(jī)、鏈斗機(jī)、冷渣機(jī)啟停操作順序外，均以料層壓差為域，由一維模糊控制器，能夠較好地控制料層厚度。

2.3 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)是以主蒸汽壓力、煙氣氧量為被控變量，調(diào)節(jié)燃料(給煤)量、進(jìn)風(fēng)量(一、二次風(fēng))，由爐膛壓力配合調(diào)節(jié)進(jìn)出風(fēng)量。同時(shí)，以料層(爐膛)溫度修正燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)，防止?fàn)t內(nèi)結(jié)焦、停車事故發(fā)生；以爐膛壓差(爐內(nèi)固體物料濃度)為監(jiān)控參數(shù)，由排渣配合，控制好負(fù)荷下鍋爐的傳熱系數(shù)。以煤種的灰分和粒度修定爐膛壓差的上限和下限，作為啟動(dòng)和停止循環(huán)物料排放的分界點(diǎn)。

設(shè)p主汽域?yàn)閇pmin，pL，Pset，pH，pmax]、煙氣氧量A煙氣域?yàn)閇Amin，AL，Aset，AH，Amax]，設(shè)置料層(爐膛)溫度T料層的[Tmin,Tmax]上下限和爐膛壓差Δp爐膛的[Δpmin, Δpmax]上下限，根據(jù)被控對象動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)性、非線性、時(shí)變性，通過調(diào)節(jié)燃料量、進(jìn)風(fēng)量，建立并實(shí)施多變量解耦模糊控制，實(shí)現(xiàn)鍋爐優(yōu)化燃燒的目的。用敘述的方法描述控制程序如下。

①當(dāng)p主汽大于pL且小于pH時(shí)，燃料不做任何調(diào)整，轉(zhuǎn)至④；

②當(dāng)p主汽大于pH時(shí)，減少給煤量，使主蒸汽壓力下降至[pL,pH]范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)至④；

③當(dāng)p主汽小于pL時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量(二、一次風(fēng))，使煙氣氧量A煙氣大于Aset，增加給煤量，使主蒸汽壓力上升至[pL,pH]范圍內(nèi)；

④當(dāng)A煙氣大于AH時(shí)，減少進(jìn)風(fēng)量(二、一次風(fēng))，使煙氣氧量A煙氣降至[AL,AH]范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)至⑥；

⑤當(dāng)A煙氣小于AL時(shí)，增大進(jìn)風(fēng)量(二、一次風(fēng))，使煙氣氧量A煙氣升至[AL,AH]范圍內(nèi)；

⑥當(dāng)T料層高于Tmax時(shí)，減少煤量，加大進(jìn)風(fēng)量(一次風(fēng))，若燃燒系統(tǒng)被控參數(shù)無法滿足要求，則報(bào)警提醒超負(fù)荷，轉(zhuǎn)至⑧；

⑦當(dāng)T料層低于Tmin時(shí)，增加煤量、風(fēng)量，若滿足不了工況要求，須報(bào)警通知負(fù)荷過低；

⑧當(dāng)Δp爐膛高于Δpmax時(shí)，在返料量不變時(shí)降低料層厚度，返回①；

⑨當(dāng)Δp爐膛低于Δpmin時(shí)，在返料量不變時(shí)升高料層厚度，返回①。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近任意非線性函數(shù)的能力，對鍋爐的優(yōu)化燃燒進(jìn)行BP(反向傳播算法)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。以替代控制器進(jìn)行推理，具有模擬人的部分智能的特性(主要是具有非線性的自適應(yīng)性)，使神經(jīng)控制對變化的環(huán)境(外部擾動(dòng)、被控對象的時(shí)變特性)具有自適應(yīng)性，而且不依賴于模型的控制方法[4]，其優(yōu)化燃燒智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。

3 結(jié)語

鍋爐性能優(yōu)化系統(tǒng)基于先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和專家系統(tǒng)，通過優(yōu)化鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)CFB鍋爐燃燒的智能控制，從而建立并維持良好的熱循環(huán)回路。智能燃燒控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定鍋爐主汽壓力及過熱、再熱汽溫，提升運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性和效率，預(yù)防或治理結(jié)焦結(jié)渣，降低污染物(氮氧化物等)排放和燃燒煤耗，有效助力氯堿企業(yè)節(jié)能降耗。

圖3 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制構(gòu)成圖Fig.3 Diagram of control components of boiler combustion system