循環流化床鍋爐優化控制系統應用

夏建財，張樹江，徐永磊

（1.青島海灣化學有限公司，山東 青島 266409；2.青島市招生考試院，山東 青島 266108）

循環流化床鍋爐的燃燒是在燃料的流化狀態下進行的，是一個多變量耦合、大滯后的非線性系統，它的各個變量之間相互影響， 另外還有飛灰循環造成的影響，導致其燃燒為較復雜的過程。因此采取常規的控制手段及人為的操作干預都難以保證其各項控制指標的實現。 基于上述問題產生了針對循環流化床鍋爐燃燒特性的優化控制系統， 它的產生及發展對于循環流化床鍋爐的經濟安全運行有著至關重要的意義。

1 鍋爐優化控制系統建設

（1）行業現狀

循環流化床鍋爐的循環流化燃燒技術優點是燃料適用廣，燃燒效率較高。相比于煤粉爐等其他鍋爐而言，循環流化床鍋爐的控制回路更多，系統更加復雜， 因此循環流化床鍋爐的自動控制需要穩定主蒸汽壓力的同時， 還應保證鍋爐的經濟安全運行以及床層溫度、循環灰和料層高度的控制。

鍋爐自動化控制系統大部分采用的是DCS 控制系統，雖然已具備較高的自動化程度，但循環流化床鍋爐的控制有很多變量耦合， 這些因素的影響導致單獨的DCS 控制系統很難做到自動回路的穩定運行，因此需要更加完善、優化的控制方案才能夠彌補其自身的控制缺陷。

（2）企業現狀

青島海灣化學有限公司秉承以 “技術國際化，裝備大型化，環境生態化，管理現代化”的四化理念高標準進行建設與發展。 公司堅持走綠色、高端化工企業路線，從而實現了綠色、低碳、可持續發展的目標。

青島海灣化學有限公司熱電廠主要擔負公司各生產裝置蒸汽的供給任務， 現有2 臺130 t/h、1 臺150 t/h 高溫高壓循環流化床鍋爐， 鍋爐總蒸發量410 t/h，額定產汽量227.76 萬t/a。

2 鍋爐工藝流程

循環流化床鍋爐是采用循環流化床燃燒技術，在鍋爐的燃燒系統中， 通過給煤機將煤送入落煤管后進入爐膛燃燒， 鍋爐燃燒所需的空氣分別由一次風機和二次風機提供。 其中一次風機送出的空氣經過一次風空氣預熱器進行預熱后由左右兩側風道引至爐下的水冷風室， 通過其中的水冷布風板上的多組風帽后進入燃燒室； 二次風機送出的風經過二次風空氣預熱器預熱后， 通過分布在爐膛前后墻上的噴口噴入爐膛，進行補充空氣，達到加強擾動與混合的作用。 進入爐膛內的燃料和空氣在流化狀態下摻混燃燒，同時與受熱面進行熱交換。在爐膛內燃燒產生的攜帶有大量未燃盡的碳粒子的煙氣會在爐膛上部進一步燃燒并放熱。 煙氣在離開爐膛時會夾帶大量物料，經過蝸殼式氣冷旋風分離器后，未燃盡的物料被分離出來，再經返料器返回至爐膛，從而實現鍋爐的燃燒循環。分離后的煙氣經由轉向室、高低溫過熱器、節煤器、一次風空氣預熱器、二次風空氣預熱器后由尾部煙道排出， 再經電除塵系統和脫硫系統進行除塵、脫硫，合格的煙氣進入煙囪后實現達標排放。因采用循環流化床燃燒方式，通過向爐內進行添加石灰石的操作， 能夠顯著降低煙氣中二氧化硫的排放量， 而采用空氣分級供風和低溫的燃燒技術則能夠實現有效抑制氮氧化物的生成量。

3 鍋爐優化控制系統

鍋爐APC 先進過程控制軟件是鍋爐優化控制的專用軟件， 各項鍋爐燃燒多變量綜合優化回路設計及調試都通過PCO（Process Control Optimination）先控平臺實現。

鍋爐APC 先進過程控制軟件包包含PCO 鍋爐先進控制軟件、鍋爐系統性能計算軟件、下位機DCS監控系統控制切換邏輯與安全保護等模塊， 具備專業的先進過程模型辨識、預測控制、專家控制等智能優化控制策略， 內含的性能計算軟件可實時在線評估鍋爐系統運行效率與控制優化效果等， 真正做到優化控制與在線評估為一體的先進過程控制優化軟件包。

鍋爐先進控制軟件是基于鍋爐過程機理制定的先進控制方案，整個系統可分塊投切，方便靈活。

循環流化床鍋爐多變量燃燒優化控制的自動回路主要包括燃料給定自動、 一次風與二次風給定及配比自動、引風給定自動、床層差壓排渣自動；與自動控制相關的參數包括鍋爐熱負荷、一次風量、二次風量、爐膛溫度、爐膛負壓、煙氣含氧量、床層溫度、床層差壓。

通過不斷分析循環流化床鍋爐的燃燒特性，可以得出循環流化床鍋爐多變量燃燒優化控制的主要原理如下。

爐床內所釋放出來的熱流量與床層燃料內含有的燃料量成正比， 因此可以通過一次風與二次風的配比來實現控制爐床所釋放的熱流量， 同時用進料量來實現控制及穩定床層燃料內的燃料量， 實現基本燃燒控制策略。

循環流化床鍋爐多變量燃燒優化綜合控制模型的主要特征是通過以反映循環流化床鍋爐燃燒所產生的“蓄熱池”來儲存熱量的床層溫度信號為基礎，在各運行參數額定設計的約束限制范圍內， 風量根據爐膛出口溫度，爐膛壓差的變化調整物料濃度，快速穩定鍋爐熱負荷的變化； 通過以風煤配比實現快速調整給煤量來穩定鍋爐負荷， 同時通過調整床層溫度，達到維持鍋爐內燃燒儲存熱量穩定的目的；以最佳氧含量來保證經濟性； 以風量前饋及爐膛壓力信號調整負壓； 通過排渣的自動調節在不同的負荷下穩定在相應的最佳床壓定值。

4 鍋爐優化控制系統建設

4.1 鍋爐優化控制系統搭建

海灣化學鍋爐優化控制系統項目自2018 年11月22 日啟動， 于12 月16 日進入連續投運保穩階段。經過一個月的系統保穩與參數優化工作， 鍋爐優化控制系統已具備連續長期穩定運行能力， 并可快速響應外界負荷大幅波動， 工藝指標波動幅度較人工操作有明顯降低，系統平穩性大幅提升，自動控制效果良好，自動投運率超過90%。

4.2 鍋爐優化控制系統實現方法

循環流化床鍋爐燃燒是一個非常典型的多變量耦合的被控對象， 由于對循環流化床鍋爐燃燒系統的研究還不夠系統完善， 因此實現循環流化床鍋爐燃燒的自動控制單靠PID 控制算法是難以實現的。要想實現自動化控制， 引入先進控制理念至循環流化床鍋爐的燃燒控制系統（即模糊控制）至關重要。通過大量實踐表明，模糊控制能夠有效對非線性、時變性和復雜的被控對象進行控制。

通過應用模糊控制的理論方法對常規PID 控制進行改進， 將常規PID 控制與模糊控制有機結合，形成一種“綜合性控制方案”，再配合多種前饋控制方案， 繼而應用于循環流化床鍋爐燃燒系統這一非線性、多變量耦合的復雜被控對象，實現較為滿意的控制效果。

循環流化床鍋爐燃燒控制的實現必須要理清各個變量之間的關系，即煤與負荷、床溫之間的關系；負荷與床層溫度之間的關系；爐膛吸熱量與煤、床層溫度之間的關系。 通過采用模糊控制的方法并結合DCS 控制功能來實現鍋爐燃燒控制目的。 因此引入模糊控制可以實現較為理想的燃燒控制， 模糊控制的基本方法是通過控制系統算法來模仿人的經驗思維，繼而通過理論計算的方法進行進一步的校正，最后再通過DCS 控制系統來實現自動控制的目的。

4.3 鍋爐優化控制系統回路投用

投入運行的自動控制回路如下。

（1）汽包液位優化控制

三沖量串級控制， 通過主給水閥自動調節實現汽包液位穩定控制。

（2）主汽溫度優化控制

串級控制， 通過減溫水閥自動調節實現主汽溫度穩定控制。通過串級回路調節減溫水輸出，以總風量、總給煤量、負荷信息為前饋量增強反應速率，實現主汽溫度的精確跟蹤。

（3）鍋爐負荷-給煤優化控制

鍋爐熱負荷采用典型熱量計算（或爐膛出口溫度簡化）表征，充分考慮到爐內灰濃度等信息，通過給煤自動結合適量配風實現鍋爐負荷穩定控制。

鍋爐的熱量信號由主汽壓力與汽包壓力微分組合計算得出，作為鍋爐負荷表征。鍋爐負荷調整可選兩種調節模式，調壓模式與定量模式。 調壓模式下，鍋爐參與母管壓力調節， 鍋爐熱量設定值由母管協調控制模塊修正；定量模式下，鍋爐帶固定負荷，鍋爐熱量值可由人工設定。

鍋爐負荷回路的調整由給煤、 一次風和二次風三個控制手段共同實現， 其中給煤根據負荷調整需求計算得出， 通過適當的風煤比計算得出一次風調節量，再通過一二次風配比調整二次風，從而通過三者的協調控制實現鍋爐負荷的跟蹤調整。

（4）二次風優化控制

煙氣中的氧含量可以通過二次風的調節實現穩定控制。

針對鍋爐不同的負荷狀態， 實時計算出當前最佳氧量設定值，該值可由人工設定。在風煤配比不合適的情況下，實際氧量與設定值會有差距，通過調整二次風輸出可實現氧量的精確跟蹤。

（5）床層溫度-一次風優化控制

床層溫度通過一次風調節實現穩定控制。 床層溫度可根據需求選擇隨負荷自動調整， 或是人工設置。主要通過一次風調整實現床層溫度的精確跟蹤，通過引入給煤量與一次風、 二次風配比的床溫修正協調， 平衡床溫調整與鍋爐負荷與煙氣含氧量調整的關系。

（6）爐膛負壓優化控制

爐膛負壓通過引風調節， 考慮到一二次風前饋影響，最終實現穩定調節。

爐膛負壓可保證燃料合理的停留時間， 根據實際路況可進行爐膛溫度的人工設定。 通過調節引風輸出匹配送風量，實現爐膛負壓的精確跟蹤。

爐膛負壓回路控制爐膛負壓， 其控制手段為引風量，通過實時接收來自一次風、二次風變化前饋的處理結果，通過非線性算法，實現爐膛負壓的精確、快速、穩定控制。

（7）床層壓差-料層厚度（排渣）控制

床層壓差表征密相區料層厚度信息， 對負荷穩定控制極為重要，因此將其納入整體控制系統，采用排渣機自動調節實現。

由鍋爐空床阻力特性試驗實現獲得的測試數據，結合實時一次風量，完全流化狀態下計算出料層厚度（即床層壓差），料層厚度與床層溫度共同決定了當前爐底蓄熱量大小， 這與鍋爐負荷調整密切相關，因此料層厚度定值隨鍋爐負荷情況實時調整，也可人工進行偏置設置。 料層厚度調整通過排渣機調節實現床層厚度的精確跟蹤。

目前公司鍋爐優化控制系統在現場工況正常，設備運行良好的基礎上，可實現全部系統自動，各指標連續自動運行。適應煤質變化，快速跟蹤負荷，通過鍋爐優化控制系統的自尋優系統實現鍋爐燃燒的最優控制，使鍋爐燃燒的效率最大化，最終實現項目目標。

5 鍋爐優化控制系統的效果

（1）投用前后控制參數對比

公司鍋爐下游用戶有氯堿廠、氯乙烯廠、聚氯乙烯廠及苯乙烯廠等用汽生產裝置， 并且聚氯乙烯裝置為間歇生產， 負荷波動頻繁， 且每次波動幅度不同，變化量為10～20 t，鍋爐負荷波動大造成人工手動操作很難。

通過鍋爐APC 先進控制系統實現了各工藝指標穩定運行，對比前后趨勢發現，顯著提高了鍋爐系統穩定性，控制效果良好，自動投運率高。 鍋爐自動系統各工藝指標平均波動幅度較手動時平均下降30%以上，工藝指標平穩性大幅提升。

自連續投運以來，鍋爐APC 先進控制系統一直處于自動運行狀態，控制穩定，參數平穩。 整個回路運行至今出現2 次切除狀態， 均為操作人員手動切除，切除了燃燒系統（主汽壓力、煙氧含量、爐膛負壓、床層溫度），總共切除時間為22 min，切除原因為二次風量下限設定偏大和鍋爐負荷波動過大造成，操作人員擔心系統調不過來， 實際還在系統可控范圍之內，可不用切除系統。

（2）投用后對節能降耗、優化操作產生的效益分析

鍋爐優化控制系統的投入使用，實現了鍋爐燃燒與汽水系統全自動， 自動控制系統整體投運率高，自動控制回路可長期在自動方式下運行， 投入自動后，明顯降低了DCS 操作人員的干預頻次及操作強度，可以使操作人員把更多精力投入到對現場運行設備及關鍵位置巡檢和對工藝關鍵控制指標的關注上。

各項燃燒優化控制自動的投入，通過低氧燃燒、正壓燃燒及一次、 二次風合理配比對爐膛燃燒份額的優化等措施，實現爐內傳熱、傳質過程有效強化，鍋爐爐膛貧氧區內的燃燒狀況得到有效改善， 同等負荷工況下，排煙溫度有所降低，同等負荷下同比排煙溫度可以降低1.0～2.0 ℃，降低煤耗0.05%～0.10%。

鍋爐實現了“薄料床燃燒”，解決了鍋爐的一次風室壓力偏高、負壓狀態不穩的問題；使“稀相區”的磨損狀況得到改觀， 從而解決了運行周期較短的問題。實現了鍋爐“飛灰含碳量”、“爐渣含碳量”的有效下降， 鍋爐運行經濟指標好轉—實現鍋爐床層溫度自動控制，床層溫度控制誤差10～15 ℃；自動控制系統在線率達到90%以上。

熱電廠的運行管理、設備管理、經濟指標的管理及鍋爐技術人員流動的管理都有了提升， 鍋爐實現“壓紅線運行”，使“煤耗量”節約1%以上。

總之，鍋爐自動投入運行后，可以盡可能挖掘在運鍋爐的潛能， 由于脫硫效率與鍋爐效率在運行時有矛盾之處，提高鍋爐效率會犧牲脫硫效率指標。需在兼顧脫硫效率平衡的情況下， 鍋爐效率運行在最佳狀態，鍋爐可以降低煤耗在1%左右。 同時通過實現鍋爐燃燒系統的自動控制， 大幅減少工藝控制參數的偏差， 既降低工藝操作人員的操作頻次及人為原因造成誤操作的概率，又延長設備的使用周期，實現鍋爐長期安全、穩定、經濟運行。

6 結語

循環流化床鍋爐的燃燒優化控制系統與原有的完全依賴于DCS 操作人員的經驗而進行的人為干預相比， 循環流化床鍋爐的燃燒優化控制系統無論是在確保鍋爐各設備運行的協調性， 還是提高設備運行管理水平和降低設備運維成本上都有明顯優勢。 循環流化床鍋爐的燃燒優化控制系統在保證設備主要運行參數穩定、鍋爐充分燃燒的基礎上，實現鍋爐排煙熱損失降低，實現了節能降耗、環保減排，實現了長周期自動投運， 該優化控制系統可有效提升循環流化床鍋爐的自動化水平，實現設備的安全、穩定、經濟運行目標。