循环流化床锅炉自动控制系统的研究与设计
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作者: 邓新羽
摘 要 循环流化床锅炉作为燃烧适应性强、污染低、负荷调节性能好的燃煤技术，已经成为燃煤技术的主力军。随着循环流化床锅炉数量的迅速增多，给其运行的自动化提出来更高的要求。循环流化床锅炉自动控制系统要调节的变量很多，本文主要阐述循环流化床锅炉中的燃烧系统控制方案的设计和汽水系统控制方案的设计，以供同仁参考。
关键词 循环流化床锅炉；自动控制；燃烧系统；汽水系统
中图分类号 TP 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)012-0175-01
循环流化床锅炉作为燃烧适应性强、污染低、负荷调节性能好的燃煤技术，已经成为燃煤技术的主力军。随着人们对电力的需求逐渐增长，循环流化床锅炉的数量在我国呈现逐年递增的态势, 循环流化床锅炉数量的迅速增多，给其运行的自动化提出来更高的要求。循环流化床锅炉自动控制系统要调节的变量很多，有主蒸汽压力、主蒸汽温度、料床厚度、料床温度、汽包水位、一次风量、引风量、给水流量等，本文主要阐述循环流化床锅炉中的燃烧系统和汽水系统的自动控制方案。
1 循环流化床锅炉燃烧系统控制方案的设计
循环流化床锅炉燃烧控制系统的主要任务是在确保安全运行、经济燃烧以及环保的要求下，使燃料燃烧所产生的热量尽快地适应负荷的要求。循环流化床锅炉燃烧控制的难点是：①煤质煤量的变化使得燃烧控制系统不稳定甚至很难发挥作用；②负荷变化能够引起床温的显著改变；③影响燃烧效率的因素很多，例如：一、二次风配比、燃煤颗粒和床温等。针对以上难点，本文从以下几个方面进行燃烧系统设计。
1.1 氧量校正环节
为了合理燃烧和节约能源，通常采用过剩空气系数来实现低氧燃烧，过剩空气系数的理想值是1，但是由于影响循环流化床锅炉燃烧状况的因素众多，再加上各种干扰因素的频繁出现，因此在实际控制中该系数的取值范围一般为1.02～1.10。同时为了消除炉压变化引起炉子漏风、燃料热值波动、锅炉进料和出料时空气进入等干扰因素对燃烧效果的影响，在设计氧量校正环节引入排烟含氧量对过剩空气系数进行校正，从而实现氧量的闭环控制，提高了抑制干扰的能力，最终确保锅炉处于最佳燃烧状态。
1.2 负荷调节方案
由于主蒸汽压力的变化直接反映出供热负荷的改变，因此，主蒸汽压力是反映循环流化床锅炉经济、安全运行的重要参数之一。为了适应供热负荷的变化，通过调整锅炉的风量、给煤量来实现。在负荷调节方案设计时，一般采用主汽流量信号作为前馈调节，为了消除燃烧率变化引起的干扰，本文采用经过动态补偿后的能量平衡信号作为前馈补偿信号。这样就起到负荷扰动时锅炉燃烧快速响应，确保了燃烧的稳定性。
1.3 给煤调节方案
1）热量信号的组成。当主蒸汽压力不变时，通常用热量信号代替给煤量，然后再用主蒸汽流量代替热量信号。这种替代在静态情况下是合理的。但是，在动态性能下，系统的热量信号不仅包括主蒸汽压力，还包含锅炉的蓄热能量，而蓄热能量和汽包压力密切相关。因此改善循环流化床锅炉自动控制系统的动态性能，本文在设计给煤调节方案时热量信号由蒸汽流量信号和汽包压力信号两部分组成。2）负荷床温调节。由于不同的负荷，要求的锅炉床温度不同，负荷床温调节环节的主要任务是调整煤量、煤质的变化。当负荷处于稳定状态时，采用床温信号调整和补偿给煤量，确保床温信号保持在稳定的范围之内。当床温过高时，减少一点给煤量；当床温偏低时，增加一点给煤量。
1.4 风量调节方案
1）总风量调节。循环流化床锅炉总风量的调节是通过一次风量调节和二次风量的调节来实现的，其中一、二次风的分配率要根据锅炉厂的资料进行确定，在实际的控制过程中，也可根据现场的实际情况做适当的调整。2）一次风量调节。对于循环流化床锅炉而言，一次风的作用是用来保证物料处于良好的流化状态，从而维持正常的物料循环。一般情况下，一次风量要占到总风量的40%～60%之间，由于不同的锅炉该数值不一，在实际的应用过程中还要进行适当的调整。由于循环流化床锅炉的正常燃烧要求床温维持在一定的范围之内，因此，一次风量的设计还要综合考虑床温控制。3）二次风量调节。循环流化床锅炉中二次风的主要作用是协助悬浮段中微小煤炭粒子充分燃烧。二次风量调节通过控制二次风挡板的开度实现，从而确保燃料的充分燃烧。
2 循环流化床锅炉汽水系统控制方案的设计
循环流化床锅炉汽水控制的目标是在确保锅炉和汽机安全、经济运行的前提下，控制锅炉主蒸汽温度在合理范围内、锅炉给水流量能够满足蒸汽负荷的要求。根据汽水系统特性，本文从主蒸汽温度控制和汽包水位控制两个方面阐述汽水系统的控制方案设计。
2.1 主蒸汽温度控制方案的设计
1）主蒸汽温度特性分析。对于热电厂中循环流化床锅炉而言，主蒸汽温度过高会导致汽机高压缸和过热器承受过高的热应力而损坏；主蒸汽温度过低，则会降低机组的热效率，影响锅炉的经济性能。因此，主蒸汽温度控制系统是确保机组稳定运行和提高机组热效率的重要组成部分，由于影响主蒸汽温度的因素很多，例如减温水流量、进入过热器的热焓、蒸汽负荷、火焰中心位置等。在各种扰动因素的影响下，汽温调节对象的动态特性有一定的惯性和滞后特性，因此主蒸汽温度的控制也是循环流化床锅炉各个控制对象中较复杂、困难的一项。2）主蒸汽温度模糊控制器的设计。为了确保主蒸汽温度在大多数情况下维持在480℃，通常情况下主蒸汽温度控制方案采用串级PID控制器，该方案具有容易实现、结构简单等特点。但是由于主蒸汽温度的对象特性具有滞后性、非线性、不确定性、变化性等特点，再加上各种扰动因素的影响，采用串级PID控制器的控制品质得不到保证。为了提高PID控制的自适应性，本文将模糊控制引入到主蒸汽温度串级控制中，主调节器采用Fuzzy-PI复合模糊控制器，当主蒸汽温度偏差较大时，采用模糊控制和适当的PI作用能起到抑制干扰因素的作用，从而确保系统在稳定后还没有稳态误差。
2.2 汽包水位控制方案的设计
1）汽包水位特性分析。由于汽包水位间接地表现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系，因此，汽包水位也是确保锅炉稳定、经济运行的重要参数之一。循环流化床锅炉汽包水位控制的主要任务是：①保持给水量在负荷不变时的相对稳定；②维护汽包水位在合理的范围之内。2）加权因子模糊控制器的设计。由于锅炉蒸汽负荷变化会造成的虚假水位现象，再加上汽包水位系统是一个非线性的滞后系统。为了保证锅炉汽包水位的偏差在±25 mm的范围之内，本文采用加权因子模糊控制器的设计思路，选取锅炉汽包实际水位和给定水位值之差和其变化率作为控制器的输入，自调整加权因子作为控制的输出。
3 结束语
为了实现锅炉稳定、安全、高效地运行，开发研究循环流化床锅炉自动控制技术具有重要的现实意义和经济价值。随着循环流化床锅炉的逐渐普及、计算机和人工智能技术的逐渐发展、操作人员的经验日益丰富、模糊控制和人工神经网络等智能控制方法逐步应用，循环流化床锅炉自动控制系统的设计会逐渐完善。
参考文献
[1]周俊霞,付松.循环流化床锅炉床温控制建模与仿真[J].华北电力大学学报,2003,01.
[2]王哲,倪维斗.循环流化床全工况实时动态数学模型的研究[J].动力工程,2000,01.
作者简介
邓新羽（1973―），男，籍贯：浙江江山，学历：大专，职称：工程师，主要研究方向：仪表自动化。
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