1 前言

尽管CFB锅炉在我国的出现才刚刚过去了二十多年，但无疑这种高效清洁的炉型在我国的发展速度是世界上最迅猛的，无论是锅炉的使用规模还是数量都早已成为世界第一了。尤其在近十年，我国广大电力和热电行业的科技工作者们从各自不同的角度对CFB锅炉都持续进行了深入的研究，在大型化、高效化、清洁化、安全化等诸多方面都取得了长足的发展，但也毋庸置言，CFB锅炉的自动化研究成果还很不乐观，有90%以上中小型CFB锅炉的操作都还基本长期处于手动状态，尤其是燃烧系统，尽管也出现了不少能短期投入自动控制的方案。手动操作模式下的大起大落，造成了CFB锅炉的长期不稳定运行，飞灰含碳量、炉渣含碳量忽高忽低且居高不下，影响锅炉的经济运行，结焦、爆管等事故时有发生，机组很难长周期运行。如何保证机组的安全稳定运行始终是我们一线管理者最大的心病，手动操作对燃用我们福建劣质无烟煤的CFB锅炉来说则更是雪上加霜。

尽管石狮热电公司的3#、4#锅炉（DG75/3.82-11型）在设计时就采取了低流速、高炉膛、中物料循环倍率、敷设长卫燃带等措施，并取得了良好的运行效果，但在如何实现机组长期安全可靠的全自动操作、优化操作进而进一步提高锅炉热效率方面却整整困扰了我们十年。在2008年10月福州召开的循环流化床协作网年会上，我们接触到了北京和隆优化控制技术有限公司的“通用燃烧优化控制技术（BCS）”并与他们的技术人员进行了沟通，他们在考察完我们的现场后很快完成了“BCS优化控制技术在石狮热电DG75/3.82-11型CFB锅炉上的应用方案”，并于2008年12月中旬开始在4#炉上进行实施，12月31日BCS系统投入全自动优化运行。截至2009年10月底，该系统已连续可靠运行的时间达10个月，各种运行数据都已得到；另外，我公司已与北京和隆优化签订了另外三台CFB锅炉（1#、2#为35t/hCFB，3#为75t/hCFB）的燃烧优化及多炉多机协调优化的项目合同，2009年10月底全面投入运行，预计整体机组效率会提高2%以上。下面我们就对BCS优化技术在我公司4#炉的应用情况作一个总结供同行们参考。

2 通用燃烧优化控制技术（BCS）简介

BCS是“通用燃烧优化控制技术”的英文缩写，基于先进的、高可靠性的DCS系统或高端PLC产品，立足于各种燃烧装置最基本的测控仪表，采用先进的软测量技术、多变量解耦技术、过程优化控制技术、故障诊断与自愈控制技术及先进的软件接口来实现燃烧装置的全自动优化控制，从而达到锅炉安全运行、稳定运行和经济运行的所有目标。

“通用燃烧优化控制技术(BCS)”的研发始于1996年，于七年后的2003年11月通过国家鉴定。该技术共包括六大核心技术、拥有四项自主知识产权和两项发明专利，获得过部级科技进步二等奖。目前BCS技术已被推广应用到包括链条炉、CFB锅炉等近十种燃烧装置上，见图1。

燃烧过程是一个多输入、多输出、时变性强、非线性和关联性都非常严重的复杂系统，这使得代表性燃烧装置--锅炉系统的自动化控制水平始终很低。加之在我国还具有下面的一些特殊国情：⑴基础自动化水平低。大部分中小容量锅炉只安装了一些简单的测控仪表，而且现有的很多仪表也是很不精确的；⑵我国部分企业的操作人员、维护人员目前的层次较低，非常先进的控制思想难以被广泛接受和应用；⑶燃烧问题是一个涉及到多学科的难题，燃烧过程的优化控制难题涉及到计算机、仪表、自动化理论、燃烧工艺、机械设备等专业领域，而我们尚缺乏有效的整合能力；⑷应用场所对项目成功的制约。由于锅炉装置在企业尤其是大型连续生产型企业具有举足轻重的重要性，热电锅炉后面还挂着发电的汽轮机，而使自动化集成商在现场做实验的困难增加了不少，因此很多用户宁肯手动操作也不愿冒险做过多实验；⑸先进控制理论工程化程度的制约。许多先进的控制思想如自适应控制技术、过程优化控制技术、模糊控制技术、神经源网络控制技术等控制理论在燃烧过程应用的工程化程度还远远不够，很多成果仅局限在实验室模拟所得或没有代表性的现场案例。

BCS系列技术的显著特点有三个：一是它对现场条件的要求很低，甚至不需要现场安装有燃料量、风量、废气分析等仪表；对现有的仪表精度要求也很低，只要现有的测控仪表变化趋势正确就可以；二是它的通用性很强。BCS技术已被推广应用到近十种燃烧装置上，理论上只要有燃烧就可以采用该技术；三是BCS技术的效果真实明显且是可以量化的。北京和隆优化承担节能效益达不到最低1%的全部风险。

3 BCS技术在我公司4#炉上的应用情况及运行效果

由于我公司在3#、4#锅炉已经上了浙江中控的DCS系统JX-300X，北京和隆优化控制公司针对我公司4#CFB锅炉的具体实际设计了一套基于OPC通讯标准的“CFB锅炉优化控制系统”，原DCS系统只负责数据采样和控制输出，BCS负责全部优化控制模型的计算。它们之间的关系如图2。值得一提的是，北京和隆优化控制公司还同时安装了一套安全性很高的远程服务支持系统，他们通过该系统可随时对我们的现场进行

服务。

在4#炉的优化控制系统中共设计实施了如下控制回路和优化功能及安全策略：

3．1 基本控制回路

①带燃烧因素前馈算法的汽包水位三冲量控制回路；

②带燃烧因素前馈算法的主汽温度控制回路。

由于我公司蒸汽管网除带三台汽轮发电机组外，还负责给周边五十多家漂染、染整、水洗等企业供汽，大部分用户的生产都是间歇式的，用汽量根据定单情况不断变化，随机性强，再加上我公司所燃用的福建无烟煤属典型难燃的高变质煤种，并且采购渠道多样化，煤种复杂多变，入炉煤的发热量波动较大且频繁。这些因素经常造成负荷的巨大波动，有时会突降40%负荷，尤其是每天的交接班时间，汽包水位波动幅度超过30%、主汽温度波动超过40℃。

所谓燃烧因素前馈算法就是以额定负荷下燃用设计煤种时高过前烟气温度为基准的烟气温度PD算法，将该算法引入这两个回路的主调输出中，用于提前克服因各种因素引起的炉膛内燃烧强度的变化对汽包液位和主汽温度的影响。完善后的控制精度在大负荷波动下也达到了R±20mmH2O、R±10℃(R为设定值)。

3．2 CFB锅炉燃烧优化控制回路

①锅炉负荷优化控制回路；

②一次风优化控制回路；

③二次风优化控制回路；

④炉膛负压优化控制回路；

⑤基于专家系统的床温优化控制回路。

这五个回路的设计和正常运行是锅炉经济运行的关键所在。①-④模型框图见图3。

图3中，FQ/FM1/FM2/F1F/F2F/PFY分别为该炉的蒸汽流量、给煤流量、一次风量、二次风量和炉膛负压测量信号；FQ0/FM0/F1F0分别为该炉的基本操作负荷、基本操作负荷下的给煤量和该炉一次风最小流化风量；GYFL1、GYFL2分别为全自动模式下给操作人员专门设计的一次风、二次风人工经验优化值入口；DFQ/DFM2/DUM分别为启动多炉协调功能后模型对该炉输出的负荷调整增量、煤量调整增量和给煤变频变化量；DF2F/DPFY分别为BCS燃烧优化模型输出的最佳风量增量和炉膛负压增量。

从图3可以看出，如果该炉被定为调节炉，则多炉多机协调模型根据管网负荷波动的幅度和快慢以及该炉的可调能力计算出该炉负荷变化的增量以及相对应的煤的增量和给煤变频的增量，同时一次风、二次风以及炉膛负压控制回路都会立即跟随调整；当工况接近稳定，BCS优化模型自动启动，将对新工况下的风量和炉膛负压控制点进行优化，直至燃烧效率最大。这几个回路的运行曲线参见图4～图6：

对CFB锅炉来说床温控制是最重要的一个回路，床温控制精度的高低是影响锅炉的安全运行和经济运行最大的因素，基于专家系统的床温优化控制模型是BCS技术最关键的一个模型，正是由于这个模型的保障，才使得BCS技术的其他控制算法得以能够长周期投运。

对中温返料的CFB锅炉来说，完全可以通过控制返料量来稳定床温，只是手动操作无法得到一个稳定的燃烧氛围，冲灰、断灰现象频繁发生，床温波动幅度一般都在50℃以上，波动大时还需要辅以煤量、风量的调整，这就造成了灰、渣含碳量的大幅度波动。BCS技术非常完美地解决了床温的高精度控制难题。BCS床温优化控制模型见图7。

图7中，TCW1-TCWn为密相层床温；PFL1/PFL2为返料风压；FQR/FQ分别为该炉负荷控制点和测量值；TCW0为额定负荷下基本床温控制点；PFL0为额定负荷下基本返料风压控制点；PFLJ1/2为返料器入口静压；TFL1/2为返料器料温。

BCS技术下的很多控制点都是浮动的，如汽包水位、炉膛负压、氧含量、返料风压等。床温控制点也是浮动的，该炉负荷控制点改变后床温的实际控制点随之而变，负荷高则床温高。模型主回路是床温-返料风压-返料量的串级控制，但它还包含了三部分的辅助功能：一是床温专家系统，它保证了在发生诸如冲灰、断煤、煤质急剧波动等恶劣工况下的快速反应能力，极大提高了该模型的抗干扰能力；二是监控返料器工作的不平衡故障，故障发生后及时启动返料器不平衡工况的自愈控制功能，自动恢复返料器的平衡运行；三是当发生了更为严重的问题，前两项措施都不能保证床温运行安全而有灭火或结焦危险时则紧急启动床温安全控制模型，自动切断常规负荷控制而大幅度调整风煤量。从下面的床温控制曲线可看出即使出现比较大的扰动（如发生冲灰），床温的控制精度也很快被稳定住并保持在R±5℃的高精度，见图8和图9。

3．3 CFB锅炉紧急处理回路

①断煤故障诊断与全自动处理控制回路；

②返料系统故障诊断与自愈控制回路。

很多原因会导致锅炉断煤，断煤的频繁发生不仅大大增加了工人的劳动强度，还是对锅炉稳定运行状态的极大干扰。我公司4#炉2#给煤系统发生断煤的频率是很大的，有时一个班多达十次以上。BCS技术中断煤自动处理功能可靠地解决了这一问题，故障处理与恢复过程都是很平稳的，几乎对床温的影响为零。断煤处理曲线见图10 。

由于燃烧状态的不稳定、返料器设备性能的变化以及返料系统测控仪表的问题等会时常发生两个返料器返料量不平衡的问题，不及时处理可能会积累造成返料器不下灰的故障，该故障处理不当易形成大冲灰又会造成床温比较大的波动，BCS技术中“返料系统故障诊断与自愈控制回路”则在某一返料器刚刚发生返料不畅时就根据其趋势增加其返料风压，将其消灭在萌芽状态，慢慢恢复至两返料器均匀回料状态达到故障自愈的效果，见图11。

从曲线可看出：当诊断出返料器不平衡现象发生后（两返料器温差大于15℃）则以一定的速率将返料不畅的返料器返料风压慢慢增加，直至返料畅通。过一定时间后就发现返料温差（绿线，光标处）就在0℃附近了，此时该返料器的返料风压比另一返料器高出0.34kPa，再稳定一定时间后自愈控制器就将该风压增量清零。

3．4 安全控制技术

①安全运行空间设计；

②智能语音报警技术；

③安全联锁—既保留了原DCS系统安全联锁功能的完整性，又设计出了安全可靠的BCS-DCS系统间的无扰切换功能。

4#炉作为调节炉出现时，将它的负荷变化区间设置为60～85t/h，相应地通过BCS的安全限幅功能又把所有变频器、阀的最大运行区间的上下限根据它来进行设置以确保全自动运行状态下的安全生产。

BCS的智能语音报警功能将所出现的各级别报警都快速定位到点，比如“二号给煤系统发生断煤，请注意！”在全自动的情况下，操作人员不必时刻盯着屏幕，只听报警声音就可以了，极大地降低了工人的劳动强度。

由于BCS设计了OPC链路异常报警及全自动无扰切换功能，整个通讯所涉及到的DCS操作员站、DCS控制站、BCS优化站、网络等有一点出现故障都会立即切换到DCS手动状态，可保安全过渡。

3．5 其他

①锅炉运行及操作质量评价系统；

②远程服务支持系统。

如何评价BCS技术运行的效果或操作人员的技术水平也是我们所非常关注的。BCS系统设计了“锅炉运行及操作质量评价系统”，见图12和图13：

无论是手动生产还是自动运行都可启动评价功能，“随机考核”可用来随时对操作者进行若干时间的操作水平评估，“连续考核”可持续评价每个班的操作效果。上图中绿框内的“燃烧效率”、“运行稳定性参数”及“操作质量参数”可以作为评价时间内锅炉运行的重要评价指标。需要说明的是“燃烧效率”是基于一个人工输入的燃煤的低位发热值在线计算出来的，它不是一个准确的实时数据，操作人员平时用它来判断煤质是否发生了突变。

燃烧优化的调整是一个相对长周期的工作，现场调试时间一般会持续一个月以上，和隆优化为此设计了远程服务支持系统来实现对用户的零响应时间的不间断服务，他们的技术专家无论何时何地都可通过互联网服务于我们，当然他们也已经充分考虑到了网络传输的安全问题。

4 结束语

石狮热电公司4#炉的BCS优化控制技术改造取得了预期的效果，实现了全部的预期目标：

(1)在65～85t/h负荷范围内实现了汽包水位、主汽温度、锅炉负荷、一次风、二次风、炉膛负压和床温等七个回路的全部自动控制和优化运行，长期可靠自控率超过90％；

(2)蒸汽母管压力的控制精度达到R±0.1MPa，床温控制精度达到R±10℃（90%时间都在5℃以内），废气含氧量达到R±0.5%；

(3)能可靠处理断煤故障和返料器的不平衡故障；

(4)炉渣含碳量降低0.2%，飞灰含碳量降低3%，放渣量比原来手动操作增加20%以上，燃烧效率提高了1.5%以上。

最后需要说明的是BCS技术也有三个最基本的应用条件：一是现场必须已经安装了支持OPC通讯协议的DCS或高端PLC系统；二是鼓风、引风能力还有可调节余地，一般要求在额定负荷下阀门或变频开度还不大于70%；三是要求一次风、二次风、返料风、引风等的控制是用电动阀门的现场，要求阀门的精度满足1.5%，否则它会影响优化控制效果。

参考文献：

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福建省石狮热电有限责任公司 福建石狮 362700 俞金树 吴剑恒 张金光