循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化控制研究

韓璞，周鵬遠(yuǎn)，張倫

（1.河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制工程技術(shù)研究中心（華北電力大學(xué)），河北保定071003；2.神華神東電力新疆準(zhǔn)東五彩灣發(fā)電有限公司，新疆昌吉831100）

循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化控制研究

韓璞1，周鵬遠(yuǎn)1，張倫2

（1.河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制工程技術(shù)研究中心（華北電力大學(xué)），河北保定071003；2.神華神東電力新疆準(zhǔn)東五彩灣發(fā)電有限公司，新疆昌吉831100）

循環(huán)流化床鍋爐燃燒被控對象有著非線性、時(shí)變性及多變量強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，尋常的控制方式難以達(dá)到理想的控制效果。通過利用一次風(fēng)調(diào)節(jié)的快速性來控制床溫，利用調(diào)節(jié)給煤機(jī)的供給速度來控制主汽壓，以此對原有DCS中床溫控制回路和主蒸汽壓力控制回路的SAMA圖進(jìn)行優(yōu)化，并將前饋補(bǔ)償控制的原理運(yùn)用在燃燒系統(tǒng)控制中。結(jié)合上述控制方案，利用粒子群優(yōu)化算法，對控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過對優(yōu)化前后的控制效果圖進(jìn)行比較，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)不僅能提高鍋爐控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，還對減排降耗提高能源利用率具有重要意義。

循環(huán)流化床；主蒸汽壓力；床溫；粒子群優(yōu)化算法；優(yōu)化控制

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐（CFBB）作為近年來國際上發(fā)展起來的新一代燃燒鍋爐，具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒效率高、氮氧化物排放低、脫硫率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好等特點(diǎn)，因而受到了廣泛的重視，在電力、供熱、工廠蒸汽生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

循環(huán)流化床鍋爐具有多參數(shù)、非線性、大慣性以及多變量強(qiáng)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)，使其成為一種很難控制的復(fù)雜熱工對象［2］。CFB鍋爐獨(dú)有的特點(diǎn)使其控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的煤粉爐控制系統(tǒng)存在很多差別，具有眾多的輸入輸出參數(shù)，并且參數(shù)之間關(guān)聯(lián)度強(qiáng)，這都使得CFB鍋爐的控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)煤粉爐更加復(fù)雜的控制任務(wù)［3］。這就需要綜合全面地分析循環(huán)流化床的特點(diǎn)，還要引進(jìn)新的切實(shí)可行的控制策略來改進(jìn)循環(huán)流化床的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對鍋爐安全可靠的控制，提高燃燒效率，保證穩(wěn)定的帶負(fù)荷能力，在提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提高能源的利用率［4］。

本文主要研究的控制對象是CFBB燃燒系統(tǒng)的主蒸汽壓力和床層溫度，通過利用一次風(fēng)調(diào)節(jié)的快速性來控制床溫，利用調(diào)節(jié)給煤機(jī)的供給速度來控制主汽壓，以此對原有DCS中床溫控制回路和主蒸汽壓力控制回路的SAMA圖進(jìn)行優(yōu)化，并將前饋補(bǔ)償控制的原理運(yùn)用在燃燒系統(tǒng)控制中。利用粒子群優(yōu)化算法，對控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過對優(yōu)化前后的控制效果圖進(jìn)行比較，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)不僅能提高鍋爐控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，還對減排降耗提高能源利用率具有重要意義。

1 主蒸汽壓力控制

維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定是循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制的一個(gè)重要目標(biāo)，對其控制是為了使主蒸汽壓力的變化跟隨負(fù)荷的需求。主蒸汽壓力是通過控制過熱器出口汽壓或母管汽壓來實(shí)現(xiàn)，在只有一臺鍋爐運(yùn)行時(shí)，主蒸汽壓力是通過過熱器出口壓力控制實(shí)現(xiàn)；當(dāng)幾臺鍋爐并列運(yùn)行，則通過母管汽壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。在鍋爐運(yùn)行中，如果出現(xiàn)主蒸汽壓力波動(dòng)的情況，說明產(chǎn)汽量和耗汽量不能匹配，需要采取措施來實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力的穩(wěn)定［5］。主蒸汽壓力的控制主要是通過調(diào)節(jié)燃料量來實(shí)現(xiàn)。

2 主蒸汽壓力優(yōu)化控制系統(tǒng)

2.1 主蒸汽壓力優(yōu)化控制回路

循環(huán)流化床鍋爐的一個(gè)重要指標(biāo)就是主蒸汽壓力，主蒸汽壓力會隨負(fù)荷的變化而變化，通常是通過調(diào)節(jié)燃料量使得燃料燃燒釋放的熱量符合負(fù)荷的要求，從而保證主蒸汽壓力的穩(wěn)定。由于燃料量的變化會引起鍋爐其他熱工參數(shù)的變化，因此燃料量的控制對整個(gè)鍋爐控制來說非常重要。主蒸汽壓力的優(yōu)化控制回路如圖1所示，采用前饋—反饋控制回路，主汽壓調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)器。

圖1 主蒸汽壓力優(yōu)化控制回路

圖2 主蒸汽壓力前饋控制SAMA圖

選取給煤機(jī)的給煤量為控制量，被控量為主蒸汽壓力，而床溫和管路中的主蒸汽流量作為前饋信號，通過圖2的前饋SAMA圖可以清楚反映出前饋控制的構(gòu)成。因?yàn)榇矞剡^高或者過低都會影響鍋爐的運(yùn)行效率，甚至造成安全隱患，床溫過高可能會導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)焦，影響脫硫效率；溫度過低會降低爐內(nèi)的燃燒效率，嚴(yán)重時(shí)會造成滅火事故，因此需選擇床溫作為前饋信號。主蒸汽流量的波動(dòng)會影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)性，因此需選其作為前饋信號來避免波動(dòng)的發(fā)生。

通過圖3主蒸汽壓力優(yōu)化控制回路SAMA圖，可以看出對于主蒸汽壓力的控制可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)切換。手動(dòng)自動(dòng)切換需滿足兩個(gè)條件：PID的輸出跟蹤手操器的輸出；在手動(dòng)切換自動(dòng)時(shí)，PID的設(shè)定值需與此時(shí)的過程量相等。PID控制器只有在自動(dòng)時(shí)具有控制作用，此時(shí)手操器閑置，對輸出量的控制是通過PID控制的輸入設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)，PID控制器起到減小設(shè)定值和輸出值差距的作用。而在手動(dòng)操作時(shí)，是通過手操器給予設(shè)定值，PID控制器只起到跟隨手操器輸出的作用，不具備控制作用。

圖3 主蒸汽壓力控制回路SAMA圖

2.2 主蒸汽壓力控制系統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化

在燃料量的擾動(dòng)下，主蒸汽壓力被控對象的動(dòng)態(tài)特性可用如下傳遞函數(shù)表示［6］

在采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行PID參數(shù)優(yōu)化時(shí)，需要分析系統(tǒng)特性，給出與之對應(yīng)的PID參數(shù)的上下限范圍，這關(guān)系到優(yōu)化過程能否快速得到最優(yōu)參數(shù)，保證了所得解的可行性和最優(yōu)性。主蒸汽壓力系統(tǒng)的控制器采用的是PI控制，因此需要提前給出比例帶和積分時(shí)間的范圍，采用的方法是：以控制器最初的PI參數(shù)為中心，適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大參數(shù)范圍，通過在Matlab中粒子群優(yōu)化算法主程序和目標(biāo)函數(shù)的子程序的運(yùn)行，多次實(shí)驗(yàn)得到比例帶、積分時(shí)間的范圍是：

經(jīng)過調(diào)試仿真實(shí)驗(yàn)，觀察目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化前后響應(yīng)曲線圖4，整定出一組最優(yōu)PID參數(shù)［0.16，286.56］。

圖4 主蒸汽壓力優(yōu)化前后響應(yīng)曲線

可以看出經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到了明顯提升，控制策略可以滿足燃料量—主蒸汽壓力系統(tǒng)的控制需求。

3 床溫控制

床溫控制是CFB鍋爐所獨(dú)有的控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。床溫過低將會導(dǎo)致鍋爐燃料不完全燃燒，致使?fàn)t膛熱量損失；床溫過高將會導(dǎo)致爐膛有高溫結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)，并且會脫離爐膛內(nèi)脫硫的最佳運(yùn)行溫度，致使脫硫效率變低，同時(shí)煙氣中氮氧化物含量也會升高。這些因素床溫控制對于CFB鍋爐而言是必不可少的，而且床溫還必須控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。根據(jù)以往研究表明在爐內(nèi)能以最佳效率去除SO2以及NOx的最適溫度區(qū)間是850~950℃。床溫作為一個(gè)重要的熱工控制參數(shù)，影響其變化的條件很多，比如給煤粒度的粗細(xì)、排渣系統(tǒng)的排渣量、返料系統(tǒng)的返料量以及煤質(zhì)變化過大等等。在現(xiàn)場控制中想要將床溫穩(wěn)定在某一固定的最佳運(yùn)行溫度是難上加難，通常做法是將溫度控制在合適的溫度范圍之間。因此針對CFB鍋爐的特性常用的床溫控制方式有改變排渣量、改變一二次風(fēng)量配比、改變?nèi)剂狭康取?/p>

4 床溫優(yōu)化控制系統(tǒng)

4.1 床溫優(yōu)化控制回路

通過控制一次風(fēng)量來調(diào)節(jié)床溫，可以通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)量擋風(fēng)板的開度來實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)。一次風(fēng)量和一次風(fēng)量擋板開度的數(shù)學(xué)關(guān)系式為［7］

通過前面分析，床溫控制系統(tǒng)的前饋—反饋優(yōu)化控制回路如圖5所示。

圖5 床溫優(yōu)化控制回路

系統(tǒng)中主、副控制器都選擇PID控制器，外回路中床溫作為被控量，通過床溫PID調(diào)節(jié)器控制在合理的范圍內(nèi)。內(nèi)回路中通過風(fēng)量調(diào)節(jié)器來控制風(fēng)量，一次風(fēng)量作為輸入量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)快速動(dòng)作來消除擾動(dòng)的影響。前饋控制信號引入一次風(fēng)室壓力、總?cè)剂狭恳约按矞氐淖畲笾?。引入一次風(fēng)室壓力是因?yàn)槠浞从沉艘淮物L(fēng)量的變化，又因?yàn)榇矞貙σ淮物L(fēng)量是一個(gè)逆向響應(yīng)的過程，引入作為前饋信號可以消除一次風(fēng)量的影響；為了克服燃料量對床溫影響具有滯后的特點(diǎn)，將燃料量引入到前饋信號使其超前反映到調(diào)節(jié)器上，使控制品質(zhì)得到改善；當(dāng)爐內(nèi)的床溫過高時(shí)，容易導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)焦，因此將床溫最大值加入前饋信號，防止床溫過高帶來的不良影響。圖6和圖7分別是床溫前饋邏輯SAMA圖和床溫控制回路邏輯SAMA圖。

圖6 床溫前饋控制SAMA圖

4.2 床溫控制系統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化

在一次風(fēng)量擾動(dòng)下，床溫被控對象的動(dòng)態(tài)特性可用如下傳遞函數(shù)表示［8］

循環(huán)流化床床溫控制的主、副控制器采用的都是PI控制，在尋優(yōu)前需要給出主、副控制器的PI參數(shù)范圍。以開始得到的較為合理的參數(shù)為中心，在合適的范圍內(nèi)調(diào)整其上下限范圍，在Matlab中編寫粒子群優(yōu)化算法主程序和目標(biāo)函數(shù)子程序，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定主、副控制器PI參數(shù)的上下限為

參數(shù)依次為主控制器比例帶、主控制器積分時(shí)間、副控制器比例帶、副控制器積分時(shí)間。

經(jīng)過調(diào)試仿真實(shí)驗(yàn)，觀察目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化前后響應(yīng)曲線圖8所示，整定出一組最優(yōu)PID參數(shù)［0.004 2，279.3，1.64，76.64］。

圖7 床溫控制回路SAMA圖

圖8 床溫控制優(yōu)化前后響應(yīng)曲線

可以看出經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到了明顯的提升，調(diào)節(jié)速度變快，超調(diào)量變小，控制策略可以滿足一次風(fēng)量—床溫系統(tǒng)的控制需求。

5 結(jié)語

結(jié)合循環(huán)流化床主蒸汽壓力和床溫控制的特點(diǎn)，引入前饋補(bǔ)償，分析出前饋—反饋控制系統(tǒng)理論上的可行性，同時(shí)研究主蒸汽壓力和床溫的控制邏輯的特性。選擇出合適的目標(biāo)函數(shù)，利用粒子群優(yōu)化算法對控制回路中的PID參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。最終將改進(jìn)的控制系統(tǒng)和整定后的PID參數(shù)在仿真系統(tǒng)中加以實(shí)驗(yàn)，通過擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)后主蒸汽壓力和床溫的響應(yīng)曲線證明控制效果得到了改善，減小了超調(diào)量，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

［1］劉艷萍.電力與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的辯證關(guān)系［J］.北方經(jīng)濟(jì)，2012（12）：32－33.

［2］楊福濤.拋煤機(jī)鏈條爐和煤粉爐改循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.

［3］劉媛.國產(chǎn)化300 MW循環(huán)流化床機(jī)組鍋爐燃燒系統(tǒng)研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2012.

［4］閆琦.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)建模與控制應(yīng)用研究［D］.南京:東南大學(xué)，2012.

［5］張興.大型循環(huán)流化床鍋爐的控制策略研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2012.

［6］常莉莉.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在循環(huán)流化床中的應(yīng)用［D］.北京：華北電力大學(xué)，2007.

［7］韓璞，董澤，王東風(fēng)，等.智能控制理論及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［8］EDWARD B，MAGRAB，LI Xinye，et al.MATLAB principle and engineering application［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2002.

Optimal Control Research of Circulating Fluidized Bed Boiler Combustion System

HAN Pu1，ZHOU Pengyuan1，ZHANG Lun2
（1.Hebei Engineering Research Center of Simulation&Optimized Control for Power Generation（North China Electric Power University），Baoding 071003,China；2.Shenhua God East Power in Xinjiang ZhunDong Multicoloured Bay Power Generation Co.，Ltd.，Changji 831100，China）

The circulating fluidized bed boiler has characteristics of nonlinearity，time variation and multi variable strong coupling，which causes that the conventional control method is difficult to achieve the desired control effect.Therefore，in the light of those problems，in this study，the primary air is used to control the bed temperature based on characteristics of its rapidity，the main steam pressure is controlled by monitoring the supply speed of the coal feeder.Then the SAMA diagrams of the original bed temperature control circuit and the main steam pressure control circuit are optimized and the feedforward compensation control is exploited in combustion system control.Combined with the above control scheme and using the particle swarm optimization algorithm，the controller parameters are optimized.By comparing the control results before and after optimization，it is found that the optimized control system can improve the automation level of boiler control system and has significance for improving the energy efficiency

circulating fluidized bed boiler；main steam pressure；bed temperature；PSO；optimal control

TK323

A

1007－9904（2016）12－0067－05

2016-11-10

韓璞（1959），男，教授、博士研究生導(dǎo)師，從事火電機(jī)組建模與仿真研究工作；

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（MD2014-03-06-02）國家自然科學(xué)基金（71471060）

周鵬遠(yuǎn)（1990），男，碩士研究生，從事火電機(jī)組建模與仿真研究工作；

張倫（1972），男，工程師，從事電廠技術(shù)管理工作。