循环流化床锅炉燃烧优化控制系统技术特点及应用效果
栏目:锅炉设计 发布时间:2018-08-22

1        概述

循环流化床锅炉(CFB锅炉) [1]以其优良的环保性能、优越的调峰经济性、良好的燃料适应性、高效的劣质燃料燃烧和较高的灰渣综合利用价值,近年来在国内外得到迅速发展和普及,成为燃烧福建无烟煤的首选炉型,在福建省得到较广泛的应用。目前,福建省已有100多台CFB锅炉在运行或建设中,总容量超过10000蒸吨,其中最大容量为1025t/h。从已经投运的CFB锅炉的运行实践[2-3]来看,循环流化床燃烧技术能够高效燃用福建无烟煤。

由于CFB锅炉燃料是在流化状态下燃烧,锅炉燃烧过程是一个强干扰、多变量、大滞后、强耦合的非线性的过程控制,各个变量之间相互影响,加上物料循环系统,有的被调参数同时受到几个调节参数的共同影响,如炉床温度要受到给煤量、石灰石供给量、一次风量、返料量和排渣量等多个参数的影响。同时,有的调节参数又影响多个被调参数,如给煤量不仅影响主蒸汽流量和压力,还影响炉床温度、炉膛温度、空气过剩系数及SO2排放浓度等参数[4],见图1

 

由于CFB锅炉控制的复杂性,使得锅炉燃烧的自动化控制水平始终很低,目前绝大多数CFB锅炉燃烧系统运行在手动操作方式,石狮热电公司4CFB锅炉就是这样手动操作,未达到最佳的燃烧效果,存在下列问题:手动操作时,对不断变化的工况调节有滞后并且不够平滑,造成锅炉运行不稳定,蒸汽压力、汽包水位、负荷、炉膛负压甚至排烟温度波动幅度大,灰渣含碳量时高时低,锅炉热效率较低,同时还对设备特别是汽机造成不利影响,不利于机组长期运行;运行操作人员多、劳动强度大,并增加了人为失误的可能性,系统安全性差,不利于机组运行经济与安全性;⑶手动操作方式大起大落,使得机组运行严重依赖于操作人员的操作水平及劳动态度,不利于科学管理;⑷手动操作无法克服频繁发生的工况扰动,运行状态的不稳定使锅炉根本无法达到优化燃烧状态,对于节能降耗缺乏实施平台,不利于经济运行。这些问题除了与总体设计水平、设备制造技术、运行条件严重偏离设计值等原因有关外,与DCS系统没有充分发挥作用也有很大关系。针对CFB锅炉燃烧系统的现状,如何在其现有的条件下利用当今最先进的自动控制理论和系统平台使其燃烧效率达到最高、对环境的污染达到最低,是我们研究的对象。

北京和隆优化控制技术有限公司开发的循环流化床锅炉全自动燃烧优化控制系统(简称CFB-BCS)立足于锅炉最基本的测控仪表,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、故障诊断与容错控制技术及先进的软件接口来实现锅炉的优化控制,从而达到各种锅炉的安全运行、稳定运行和经济运行的所有目标。本文介绍CFB-BCS的技术特点,阐述BCSCFB锅炉燃烧系统中的应用效果及其推广价值。

1        CFB-BCS技术特点

CFB-BCS采用正平衡法计算表示锅炉热效率,以吨汽煤耗为优化指标,采用多维梯度法优化算法,寻找最佳的床温和二次风风量设定值,使得燃烧过程逼近最优区域,以获得经济燃烧的效果。CFB-BCS具有以下核心技术:

⑴有限条件正确相关技术。只要现场能做到在控制室手动遥控就满足了BCS的基本条件,控制量的变化必须导致测量变量的正确变化,至于变化量是否绝对准确则不是必需的,保证了现场改造最少、投资最低。

⑵软测量技术。用现有测控信号构造虚拟的测量参数,用几乎所有的有限测控信号和虚拟变量构建一个可表征当前工况下的燃烧效果变量。

⑶自寻优技术。以产等量的蒸汽量用最少的燃料量为优化目标,使锅炉燃烧状态用最合适的时间达到最佳,解决了燃烧系统的经济性问题,不需要人工输入任何燃料分析数据、负荷参数及一大堆的模型初始化参数,优化模型运行后可以自动检测各种因素引起的最佳燃烧点的偏移而自动启动寻优算法并重新将控制点拉回到燃烧效率曲线的“山顶”,见图2

 

⑷滚动优化技术。解决了如何让锅炉越烧越好的问题,即每次优化的启动都是在上一次优化的结果基础上进行的,在实现真正的全自动优化燃烧并使工人劳动强度降至最低,克服负荷变化及煤质变化的影响,使锅炉燃烧效率达到最高,燃烧效率提高1.0%~ 2.5%

⑸故障诊断与容错控制技术。仪表的不准确、执行器的故障等都不会影响系统的正常运行,在部分仪表的故障状态下,系统仍能全自动优化运行,避免因断煤而停炉的事故,实现断煤故障诊断和全自动处理,使系统的安全可靠性大为提高。

⑹智能软伺服接口。取消了硬手操及硬伺服,对阀的多种特性不敏感,不需要阀位反馈,可使各种调节阀的寿命延长五倍以上,具有模数转换功能、手操器功能、伺服放大器功能,可达到任意可能的控制精度。

⑺多炉协调优化技术。搞好4台锅炉相互之间的协调操作,合理地分配锅炉的运行负荷,以最科学的策略来稳定蒸汽母管的压力,见图3

 

这些核心技术可实现CFB锅炉燃烧系统的全自动优化运行,使吨汽煤耗平均降低2~5kg以上,锅炉燃烧效率提高1.0%2.5%,达到节能降耗减排的目的。

1        CFB-BCS的运行效果

OPC的桥梁功能的支持下,CFB-BCS先在75t/hCFB锅炉(4号锅炉)上应用,经过半年的运行实践证明,4号锅炉整体运行工况更趋稳定,主要体现在以下几个方面:

⑴床料沸腾平稳,床温更加稳定

可以这样说,CFB锅炉的床温如果控制不住,则就意味着整个BCS控制系统的失败。对中温返料(540~580℃)且返料量大(物料循环倍率K=15~20)CFB锅炉来说,床温高时可通过加大返料量来降低温度,反之亦然,即系统本身具有负反馈特性,所以BCS系统设计了基于专家系统的床温(平均值)—返料风压返料量的串级控制技术来实现了高精的床温控制。该技术可使床温的波动从50℃左右降至5~10℃(见图4),显著地改善了CFB的运行状态。

 

 

⑵蒸汽母管压力运行曲线平滑

由于石狮热电公司以供热为主,下游有30多个蒸汽用户,其中很多都是间歇式生产,造成母管压力波动频繁,对汽轮机的运行很不利。CFB-BCS系统中设计了多炉协调优化下的锅炉负荷优化控制回路多炉协调优化功能要求将多台锅炉的运行模式进行分工,即将它们分别定义为运行炉和调节炉,运行炉只按给它分配的蒸汽流量负荷来运行而不管母管压力如何变化;而调节炉则同时以母管压力和分配给它的基本负荷流量来协调运行,即当母管压力突然变低时,它要快速提高自己的运行负荷,以稳定母管压力,保证汽轮机的正常运行和蒸汽用户的用汽稳定,反之亦然。BCS技术在负荷控制算法中加进了智能算法,以适应不同幅度扰动时采用不同的控制策略能用一台炉子克服干扰就用一台,尽可能多地让最多的炉子以稳定的负荷运行并实施风煤比的优化。该技术可使蒸汽母管压力的波动从3.3~3.7MPa下降至3.4~3.54MPa(90%时间),即使在波动最大的交接班阶段这个技术也表现出了很好的抗干扰能力。多炉协调优化技术投入与解除后母管压力的波动情况见图5

 

⑶回料控制平滑,风压控制平稳

由于CFB-BCS技术设计了一个基于专家系统的床温与返料的串级控制回路,它会时刻计算床温的变化趋势来及时调整返料风压的控制点,既稳定了床温又避免了返料量的大起大落。图6为该串级回路中返料风压控制副回路运行曲线。

 

⑷锅炉效率提升,飞灰含碳量降低

BCS技术中最核心的部分就是该技术基于软测量技术构建了可反映锅炉燃烧效率的燃烧效果中间变量,在此基础上通过自寻优技术和滚动优化技术实现了锅炉的最佳燃烧,这可以从吨汽煤耗的降低和飞灰含碳量的降低来得以验证。20091~6月份,4号锅炉CFB-BCS的长期自动控制投入率在95%以上,具有良好的先进性、安全性以及很强的抗干扰能力。BCS投入后,增加了炉渣排放量,当然飞灰量也相应减少。与去年同期相比,飞灰含碳量由19.60%降低到17.01%,降低了2.59个百分点,见表1

 

 

鉴于CFB-BCS4号锅炉上取得了良好的效果,石狮热电公司已经计划在其余3CFB锅炉上推广应用CFB-BCS技术,有效提高发电机组的自动化水平,促进企业的科技进步。

1        CFB-BCS的推广价值

目前,福建省已有100多台CFB锅炉在运行中,总容量约为10000t/h。若这些CFB锅炉全部使用BCS,按照吨汽煤耗平均降低2kg、锅炉年运行时间5500h计算,则每年可节约标煤78571t,为企业节省开支5500万元(标煤价格取人民币700/t)。同时,每年可以减少SO2排放1643t,减少NOX排放1032t,减少粉尘排放10490t,减少CO2排放196955t,将给国家和企业创造显著的经济效益、广泛的社会效益。

2        结束语

CFB锅炉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CFB锅炉燃烧的自动化控制水平始终很低。

CFB-BCS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、故障诊断与容错控制技术及先进的软件接口等六大核心技术来实现CFB锅炉的自动优化控制运行。

75t/hCFB锅炉应用BCS后,达到预期的效果:床温更加稳定,波动幅度从30~50℃降低到5~10℃;蒸汽母管压力运行曲线平滑,压力波动幅度从±0.3MPa下降至±0.1MPa;回料控制平滑,风压控制的变频调节平稳;飞灰含碳量降低了2.59个百分点。

⑷若福建省现有100多台CFB锅炉全部使用CFB-BCS技术,每年可节约标煤78571t,减少SO2排放1643t,减少NOX排放1032t,减少粉尘排放10490t,减少CO2排放196955t

 

参考文献

[1] 岑可法,倪明江,骆仲泱,等.循环流化床锅炉理论设计与运行[M].北京:中国电力出版社,1998.05

[2] 吴剑恒.福建无烟煤在循环流化床锅炉中的优化燃烧[J].锅炉技术,200435(6):39-42

[3] 何宏舟.CFB锅炉洁净燃烧福建无烟煤的理论与试验研究[D].浙江大学博士学位论文,杭州:2005

[4] 杨景棋,赵伟杰,郭  荣,等.循环流化床锅炉控制系统的分析与设计[J].动力工程,200525(4):517-522

 

作者简介:吴剑恒(1975),男,工程师,河南省西华县人,1997年毕业于中国矿业大学机电学院,获工学学士学位,福建省电力安全监管技术委员会专家,现任福建省石狮热电有限责任公司生产技术部主任,长期从事电厂生产运行和技术管理工作。

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文章作者:福建省循环流化床锅炉技术协作网