1        概述

循環(huán)流化床鍋爐(CFB鍋爐) [1]以其優(yōu)良的環(huán)保性能、優(yōu)越的調(diào)峰經(jīng)濟性、良好的燃料適應(yīng)性、高效的劣質(zhì)燃料燃燒和較高的灰渣綜合利用價值，近年來在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展和普及，成為燃燒福建無煙煤的首選爐型，在福建省得到較廣泛的應(yīng)用。目前，福建省已有100多臺CFB鍋爐在運行或建設(shè)中，總?cè)萘砍^10000蒸噸，其中最大容量為1025t/h。從已經(jīng)投運的CFB鍋爐的運行實踐[2-3]來看，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)能夠高效燃用福建無煙煤。

由于CFB鍋爐燃料是在流化狀態(tài)下燃燒，鍋爐燃燒過程是一個強干擾、多變量、大滯后、強耦合的非線性的過程控制，各個變量之間相互影響，加上物料循環(huán)系統(tǒng)，有的被調(diào)參數(shù)同時受到幾個調(diào)節(jié)參數(shù)的共同影響，如爐床溫度要受到給煤量、石灰石供給量、一次風(fēng)量、返料量和排渣量等多個參數(shù)的影響。同時，有的調(diào)節(jié)參數(shù)又影響多個被調(diào)參數(shù)，如給煤量不僅影響主蒸汽流量和壓力，還影響爐床溫度、爐膛溫度、空氣過剩系數(shù)及SO2排放濃度等參數(shù)[4]，見圖1。

由于CFB鍋爐控制的復(fù)雜性，使得鍋爐燃燒的自動化控制水平始終很低，目前絕大多數(shù)CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)運行在手動操作方式，石獅熱電公司4臺CFB鍋爐就是這樣手動操作，未達到最佳的燃燒效果，存在下列問題：⑴手動操作時，對不斷變化的工況調(diào)節(jié)有滯后并且不夠平滑，造成鍋爐運行不穩(wěn)定，蒸汽壓力、汽包水位、負荷、爐膛負壓甚至排煙溫度波動幅度大，灰渣含碳量時高時低，鍋爐熱效率較低，同時還對設(shè)備特別是汽機造成不利影響，不利于機組長期運行；⑵運行操作人員多、勞動強度大，并增加了人為失誤的可能性，系統(tǒng)安全性差，不利于機組運行經(jīng)濟與安全性；⑶手動操作方式大起大落，使得機組運行嚴重依賴于操作人員的操作水平及勞動態(tài)度，不利于科學(xué)管理；⑷手動操作無法克服頻繁發(fā)生的工況擾動，運行狀態(tài)的不穩(wěn)定使鍋爐根本無法達到優(yōu)化燃燒狀態(tài)，對于節(jié)能降耗缺乏實施平臺，不利于經(jīng)濟運行。這些問題除了與總體設(shè)計水平、設(shè)備制造技術(shù)、運行條件嚴重偏離設(shè)計值等原因有關(guān)外，與DCS系統(tǒng)沒有充分發(fā)揮作用也有很大關(guān)系。針對CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)的現(xiàn)狀，如何在其現(xiàn)有的條件下利用當(dāng)今最先進的自動控制理論和系統(tǒng)平臺使其燃燒效率達到最高、對環(huán)境的污染達到最低，是我們研究的對象。

北京和隆優(yōu)化控制技術(shù)有限公司開發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐全自動燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)(簡稱CFB-BCS)立足于鍋爐最基本的測控儀表，采用先進的軟測量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與容錯控制技術(shù)及先進的軟件接口來實現(xiàn)鍋爐的優(yōu)化控制，從而達到各種鍋爐的安全運行、穩(wěn)定運行和經(jīng)濟運行的所有目標。本文介紹CFB-BCS的技術(shù)特點，闡述BCS在CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用效果及其推廣價值。

1        CFB-BCS技術(shù)特點

CFB-BCS采用正平衡法計算表示鍋爐熱效率，以噸汽煤耗為優(yōu)化指標，采用多維梯度法優(yōu)化算法，尋找最佳的床溫和二次風(fēng)風(fēng)量設(shè)定值，使得燃燒過程逼近最優(yōu)區(qū)域，以獲得經(jīng)濟燃燒的效果。CFB-BCS具有以下核心技術(shù)：

⑴有限條件正確相關(guān)技術(shù)。只要現(xiàn)場能做到在控制室手動遙控就滿足了BCS的基本條件，控制量的變化必須導(dǎo)致測量變量的正確變化，至于變化量是否絕對準確則不是必需的，保證了現(xiàn)場改造最少、投資最低。

⑵軟測量技術(shù)。用現(xiàn)有測控信號構(gòu)造虛擬的測量參數(shù)，用幾乎所有的有限測控信號和虛擬變量構(gòu)建一個可表征當(dāng)前工況下的燃燒效果變量。

⑶自尋優(yōu)技術(shù)。以產(chǎn)等量的蒸汽量用最少的燃料量為優(yōu)化目標，使鍋爐燃燒狀態(tài)用最合適的時間達到最佳，解決了燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟性問題，不需要人工輸入任何燃料分析數(shù)據(jù)、負荷參數(shù)及一大堆的模型初始化參數(shù)，優(yōu)化模型運行后可以自動檢測各種因素引起的最佳燃燒點的偏移而自動啟動尋優(yōu)算法并重新將控制點拉回到燃燒效率曲線的“山頂”，見圖2。

⑷滾動優(yōu)化技術(shù)。解決了如何讓鍋爐越燒越好的問題，即每次優(yōu)化的啟動都是在上一次優(yōu)化的結(jié)果基礎(chǔ)上進行的，在實現(xiàn)真正的全自動優(yōu)化燃燒并使工人勞動強度降至最低，克服負荷變化及煤質(zhì)變化的影響，使鍋爐燃燒效率達到最高，燃燒效率提高1.0%~ 2.5%。

⑸故障診斷與容錯控制技術(shù)。儀表的不準確、執(zhí)行器的故障等都不會影響系統(tǒng)的正常運行，在部分儀表的故障狀態(tài)下，系統(tǒng)仍能全自動優(yōu)化運行，避免因斷煤而停爐的事故，實現(xiàn)斷煤故障診斷和全自動處理，使系統(tǒng)的安全可靠性大為提高。

⑹智能軟伺服接口。取消了硬手操及硬伺服，對閥的多種特性不敏感，不需要閥位反饋，可使各種調(diào)節(jié)閥的壽命延長五倍以上，具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能、手操器功能、伺服放大器功能，可達到任意可能的控制精度。

⑺多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)。搞好4臺鍋爐相互之間的協(xié)調(diào)操作，合理地分配鍋爐的運行負荷，以最科學(xué)的策略來穩(wěn)定蒸汽母管的壓力，見圖3。

這些核心技術(shù)可實現(xiàn)CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)的全自動優(yōu)化運行，使噸汽煤耗平均降低2~5kg以上，鍋爐燃燒效率提高1.0%～2.5%，達到節(jié)能降耗減排的目的。

1        CFB-BCS的運行效果

在OPC的橋梁功能的支持下，CFB-BCS先在75t/hCFB鍋爐(4號鍋爐)上應(yīng)用，經(jīng)過半年的運行實踐證明，4號鍋爐整體運行工況更趨穩(wěn)定，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

⑴床料沸騰平穩(wěn)，床溫更加穩(wěn)定

可以這樣說，CFB鍋爐的床溫如果控制不住，則就意味著整個BCS控制系統(tǒng)的失敗。對中溫返料(540~580℃)且返料量大(物料循環(huán)倍率K=15~20)的CFB鍋爐來說，床溫高時可通過加大返料量來降低溫度，反之亦然，即系統(tǒng)本身具有負反饋特性，所以BCS系統(tǒng)設(shè)計了基于專家系統(tǒng)的“床溫(平均值)—返料風(fēng)壓—返料量”的串級控制技術(shù)來實現(xiàn)了高精的床溫控制。該技術(shù)可使床溫的波動從50℃左右降至5~10℃(見圖4)，顯著地改善了CFB的運行狀態(tài)。

⑵蒸汽母管壓力運行曲線平滑

由于石獅熱電公司以供熱為主，下游有30多個蒸汽用戶，其中很多都是間歇式生產(chǎn)，造成母管壓力波動頻繁，對汽輪機的運行很不利。CFB-BCS系統(tǒng)中設(shè)計了多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化下的鍋爐負荷優(yōu)化控制回路—多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化功能要求將多臺鍋爐的運行模式進行分工，即將它們分別定義為運行爐和調(diào)節(jié)爐，運行爐只按給它分配的蒸汽流量負荷來運行而不管母管壓力如何變化；而調(diào)節(jié)爐則同時以母管壓力和分配給它的基本負荷流量來協(xié)調(diào)運行，即當(dāng)母管壓力突然變低時，它要快速提高自己的運行負荷，以穩(wěn)定母管壓力，保證汽輪機的正常運行和蒸汽用戶的用汽穩(wěn)定，反之亦然。BCS技術(shù)在負荷控制算法中加進了智能算法，以適應(yīng)不同幅度擾動時采用不同的控制策略—能用一臺爐子克服干擾就用一臺，盡可能多地讓最多的爐子以穩(wěn)定的負荷運行并實施風(fēng)煤比的優(yōu)化。該技術(shù)可使蒸汽母管壓力的波動從3.3~3.7MPa下降至3.4~3.54MPa(90%時間)，即使在波動最大的交接班階段這個技術(shù)也表現(xiàn)出了很好的抗干擾能力。多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)投入與解除后母管壓力的波動情況見圖5。

⑶回料控制平滑，風(fēng)壓控制平穩(wěn)

由于CFB-BCS技術(shù)設(shè)計了一個基于專家系統(tǒng)的床溫與返料的串級控制回路，它會時刻計算床溫的變化趨勢來及時調(diào)整返料風(fēng)壓的控制點，既穩(wěn)定了床溫又避免了返料量的大起大落。圖6為該串級回路中返料風(fēng)壓控制副回路運行曲線。

⑷鍋爐效率提升，飛灰含碳量降低

BCS技術(shù)中最核心的部分就是該技術(shù)基于軟測量技術(shù)構(gòu)建了可反映鍋爐燃燒效率的燃燒效果中間變量，在此基礎(chǔ)上通過自尋優(yōu)技術(shù)和滾動優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)了鍋爐的最佳燃燒，這可以從噸汽煤耗的降低和飛灰含碳量的降低來得以驗證。2009年1~6月份，4號鍋爐CFB-BCS的長期自動控制投入率在95%以上，具有良好的先進性、安全性以及很強的抗干擾能力。BCS投入后，增加了爐渣排放量，當(dāng)然飛灰量也相應(yīng)減少。與去年同期相比，飛灰含碳量由19.60％降低到17.01％，降低了2.59個百分點，見表1。

鑒于CFB-BCS在4號鍋爐上取得了良好的效果，石獅熱電公司已經(jīng)計劃在其余3臺CFB鍋爐上推廣應(yīng)用CFB-BCS技術(shù)，有效提高發(fā)電機組的自動化水平，促進企業(yè)的科技進步。

1        CFB-BCS的推廣價值

目前，福建省已有100多臺CFB鍋爐在運行中，總?cè)萘考s為10000t/h。若這些CFB鍋爐全部使用BCS，按照噸汽煤耗平均降低2kg、鍋爐年運行時間5500h計算，則每年可節(jié)約標煤78571t，為企業(yè)節(jié)省開支5500萬元(標煤價格取人民幣700元/t)。同時，每年可以減少SO2排放1643t，減少NOX排放1032t，減少粉塵排放10490t，減少CO2排放196955t，將給國家和企業(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益、廣泛的社會效益。

2        結(jié)束語

⑴CFB鍋爐燃燒過程是一個多輸入、多輸出、時變性強、非線性和關(guān)聯(lián)性都非常嚴重的復(fù)雜系統(tǒng)，這使得CFB鍋爐燃燒的自動化控制水平始終很低。

⑵CFB-BCS采用先進的軟測量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與容錯控制技術(shù)及先進的軟件接口等六大核心技術(shù)來實現(xiàn)CFB鍋爐的自動優(yōu)化控制運行。

⑶75t/hCFB鍋爐應(yīng)用BCS后，達到預(yù)期的效果：床溫更加穩(wěn)定，波動幅度從30~50℃降低到5~10℃；蒸汽母管壓力運行曲線平滑，壓力波動幅度從±0.3MPa下降至±0.1MPa；回料控制平滑，風(fēng)壓控制的變頻調(diào)節(jié)平穩(wěn)；飛灰含碳量降低了2.59個百分點。

⑷若福建省現(xiàn)有100多臺CFB鍋爐全部使用CFB-BCS技術(shù)，每年可節(jié)約標煤78571t，減少SO2排放1643t，減少NOX排放1032t，減少粉塵排放10490t，減少CO2排放196955t。

參考文獻

[1] 岑可法，倪明江，駱仲泱，等．循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計與運行[M]．北京:中國電力出版社，1998.05．

[2] 吳劍恒．福建無煙煤在循環(huán)流化床鍋爐中的優(yōu)化燃燒[J]．鍋爐技術(shù)，2004，35(6):39-42．

[3] 何宏舟．CFB鍋爐潔凈燃燒福建無煙煤的理論與試驗研究[D]．浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，杭州:2005．

[4] 楊景棋，趙偉杰，郭  榮，等．循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J]．動力工程，2005，25(4):517-522．

作者簡介：吳劍恒(1975～)，男，工程師，河南省西華縣人，1997年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，福建省電力安全監(jiān)管技術(shù)委員會專家，現(xiàn)任福建省石獅熱電有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部主任，長期從事電廠生產(chǎn)運行和技術(shù)管理工作。

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文章作者：福建省循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)協(xié)作網(wǎng)