CN101551103A - 一种循环流化床锅炉燃烧自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于燃煤发电、供热或热电联产机组的循环流化床锅炉燃烧自动控制系统，它包括硬件和控制程序软件，控制程序软件包括燃料控制部分、风量控制部分、排渣控制部分，该软件能对锅炉燃料的输入量、锅炉内的含氧量以及锅炉排渣装置自动进行适时控制。本燃烧控制系统适用于各种复杂的运行工况，反应始终正确可靠，算法设计先进合理，安全有效，控制效果良好；可改善锅炉燃烧工况，提高锅炉燃烧效率，降低飞灰含碳量；使主汽压力控制平稳，锅炉跟踪负荷变化能力增强，运行安全性能大大提高；使主汽温度控制精度有效提高，避免了过热器超温，减小了低温蒸汽造成汽机水冲击的危险，提高了汽机的热效率和自动化控制的程度。
Description
技术领域：
本发明涉及一种燃煤发电、供热或热电联产机组的锅炉燃烧控制系统，尤其是一种适用于孤网运行、负荷变动大、需经常调节的承担调峰运行的循环流化床锅炉燃烧自动控制系统。
背景技术：
循环流化床(CFB)锅炉以其燃料适应性广，燃烧温度较低，负荷调节范围大，特别是能够燃烧低劣质燃煤和垃圾，并且通过炉内添加石灰石粉而达到脱硫目的，是一种清洁环保型锅炉，在工业上得到广泛应用。但循环流化床(CFB)锅炉与燃烧控制技术成熟的煤粉炉相比应用时间比较短，燃烧控制原理还不十分成熟，很多工程上的应用仍处于摸索阶段。由于其燃烧控制复杂，参数较多，各主要参数间相互耦合相互影响。另一方面，CFB锅炉没有制粉系统，燃料颗粒大，燃烧过程长，造成燃烧滞后，锅炉的热惯性大，给燃烧控制带来很大困难。
目前CFB锅炉燃烧控制主要靠人工手动调节，仅依靠运行人员经验数值，没有科学准确的控制依据。现有的自动控制也仅能实现炉膛负压、主汽温度和汽包水位的简单自动控制，虽然也有一些CFB燃烧自动控制方面的研究成果，比如普遍采用PID串级调节和模糊控制技术，但由于影响燃烧控制的因素太过复杂，目前仅停留在理论性研究上，没有实际应用价值，一些的控制方法比如采用了史密斯预估器控制、自适应控制和收敛算法等先进技术，也仅能在相对稳定负荷下短时燃烧自动控制，没有一种安全有效、完全脱离人工操作的自动燃烧控制技术。
与并网运行的电厂相比，孤立电网或承担网上调峰任务的电厂其技术构成则更加复杂，维持电网频率和电压稳定、保持能量供需平衡是首要任务，而所需能量的调节最终都要靠锅炉及时调整和补充。在任何时刻用户负荷是随机和没有预见的，负荷变动不确定性很大，严重的能量供需不平衡将有两种后果：一、电网低频减载动作造成电网甩负荷引起用户供电中断，在此过程中如果低频减载保护失灵将造成发电机保护跳闸、电网瓦解的严重后果；二、主汽压力高，紧急排汽保护动作甚至锅炉安全阀动作，在此过程中如果排汽和安全阀失灵拒动，将导致蒸汽系统超压，严重时会引起锅炉汽水系统爆炸的严重后果，造成巨大的人身和财产损失。
对于母管制运行的锅炉还存在锅炉间抢负荷、负荷分配和运行优化的问题，由于运行人员技术水平参差不齐，在对燃烧调整的技术认识和实践上见仁见智，现有的锅炉运行规程也仅限于指导性的说明，不可能作到对每一种情况、每一步操作都作出详细配方和指引，给运行人员个人的发挥余地很大；另一方面，要求运行人员每时每刻跟随负荷变化随动调节也是不可能实现的，每个人对负荷的未来走向判断不一样，调整时机和幅度也不一样，因此人工调整存在不同步的先天不足，必然会造成汽压大幅波动，甚至超出正常范围，使得运行的安全性降低。由于人工调整无法作到勤调细调，从而使得锅炉燃烧效率下降。
鉴于以上困难，目前国内母管制机组CFB锅炉还没有能够完全解决燃烧自动控制技术上的难题。
发明内容：
为了克服上述种种不足，本发明的目的在于提供一种控制性能稳定、安全可靠、自动化程度高并且能够提高锅炉燃烧效率的循环流化床锅炉燃烧自动控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种循环流化床锅炉燃烧自动控制系统的风量控制的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：循环流化床锅炉燃烧自动控制系统，包括硬件和控制程序软件两部分，硬件包括给煤机变频器、一次风机风量调节器、二次风机风量调节器、引风机变频器、锅炉排渣装置和计算机，给煤机变频器用于调节向锅炉内给煤的给煤机的转速，以控制给煤量；一次风机风量调节器、二次风机风量调节器、引风机变频器用于调节风机向锅炉内的送风量；锅炉排渣装置对锅炉燃烧后灰渣进行断续性排放；计算机用于接收控制参数并依据控制参数计算出给煤量、送风量，并形成控制指令对给煤机变频器、一次风机风量调节器、二次风机风量调节器、引风机变频器进行控制，控制程序软件安装在计算机中，该系统的控制程序软件包括：
——燃料控制部分：用于控制锅炉所需的燃料输入量，能够对燃料输入量作出及时、适量的调整，该部分是由锅炉效率在线计算模块、系统阻力计算模块、偏差运算模块、负荷预估模块、给煤量计算模块、给煤量修正模块、给煤量指令控制模块，其中：
锅炉效率在线计算模块依据控制参数：主汽压力、主汽温度、主汽流量、给水压力、给水温度、给水流量、给煤量、排烟温度、氧量、灰渣含碳量，根据热力计算公式得到锅炉的产汽率；
系统阻力计算模块，用于计算出锅炉的需求负荷，同时检测热力系统阻力变化的微分，
该模块需要用到计算数据有：各台锅炉总产汽负荷、主汽压力、末端用户供汽压力、各台汽机排汽压力、汽机调门；
偏差运算模块，用于对主汽压力的测量值与主汽压力的设定值进行偏差运算，得到给煤量计算的修正参数；
给煤量计算模块，用以接收锅炉效率在线计算模块的产汽率数值、系统阻力计算模块所计算出的锅炉需求负荷数值、偏差运算模块的给煤量计算的修正参数，依据上述参数计算出锅炉所需的给煤量；
负荷预估模块，用于预测外界负荷的未来变化趋势，为及时调整入炉煤量作出指导，该模块可根据每台汽机的额定功率自动平衡以及系统阻力计算模块检测热力系统阻力变化的微分，准确计算出未来负荷变化趋势，是提高燃烧控制系统动态响应特性的核心模块。用于该模块需要用到计算数据有：主汽压力、主汽流量、各台汽机复速级压力；
给煤量修正模块，依据负荷预估模块所得出的未来负荷变化趋势以及床温限制指令、负荷分配指令、负荷限制指令得出给煤量的修正参数；
给煤量指令控制模块依据给煤量计算模块所得出的锅炉所需的给煤量以及给煤量修正模块得出的给煤量修正参数，通过计算机向给煤机变频器发出控制指令。
风量控制部分：用于控制锅炉所需的空气输入量，能够对空气输入量进行有效的调节控制，该部分是由一次风机风量控制模块、二次风机风量控制模块、引风机风量控制模块构成，其中，一次风机风量控制模块，依据给煤量指令、总负荷、床压、风煤配比，得出所需的风量，同时依据床温对所求得的应输送的风量进行修正，依据修正后的所需风量向一次风机风量调节器发出风量调节指令；二次风机风量控制模块，依据总风量、一次风机风量控制模块所得的风量、负荷指令，得出二次风机应产生的风量，并利用氧量偏差对二次风机应产生的风量进行修正，依据修正后的所需风量向二次风机风量调节器发出风量调节指令；引风机风量控制模块，用于在烟道阻力系数一定的条件下通过控制引风机前压力来间接控制炉膛负压，依据一次风机风量控制模块所得出的一次风机的风量、二次风机风量控制模块所得出的二次风机的风量、给煤量得出锅炉所需的风量，同时利用总风量、引风机压力以及负压偏差得出引风量修正参数，通过引风量修正参数对锅炉所需的风量进行修正，依据修正后的锅炉所需风量向引风机风量调节器发出风量调节指令。
排渣控制部分，用于实现锅炉的排渣控制，该部分是由断续排渣控制模块来实现的，断续排渣控制模块，以床压设定值为控制依据，当设定值为8.2KPa停止排渣，9.2KPa启动排渣，排渣受主汽压力限制。
所述的一次风机或二次风机的风量调节器，是指风机变频器或风机入口挡板调节器。
循环流化床锅炉燃烧自动控制系统的风量控制的方法，包括以下步骤：1、根据给煤量和锅炉设计的总风煤配比乘以1.2倍的过量空气系数作为总燃料需求风量；2、氧量测量值和氧量目标值(运行人员设定)进行线性化处理，产生总风量修正系数；3、利用步骤2计算的结果对步骤1所得数值进行修正，得到总需求风量；4、确定一次、二次风的比例，一般为：4∶6；5∶5；6∶4，三种比例值，依据比例值和步骤3所得的总风量，得到一次风需求量，并利用床压和锅炉负荷对一次风量进行修正，与实际一次风量进行偏差运算，依据修正后风量值对二次风机进行控制；5、总需求风量减去一次风量得到需求的二次风量，与二次风实际风量进行偏差运算得到修正后风量值，依据修正后风量值对二次风机控制，其中，PID参数设定为：比例带P＝0.8％，积分时间TI＝40S，微分时间TD＝0S；6、在烟道阻力系数一定的条件下通过控制引风机前压力来间接控制炉膛负压，依据一次风机风量控制模块所得出的一次风机的风量、二次风机风量控制模块所得出的二次风机的风量、给煤量得出锅炉所需的风量，同时利用总风量、引风机压力以及负压偏差得出引风量修正参数，通过引风量修正参数对锅炉所需的风量进行修正，依据修正后的锅炉所需风量向引风机风量调节器发出风量调节指令。
工作原理：CFB锅炉燃烧自动控制是一个多因素影响、多参数控制的复杂过程，系统热惯性很大，要求调整时必须掌握2点，一是及时，二是适量。首先给煤调整要及时，该加的时候要加，该减的时候必须减。因为煤的燃烧需要有个过程，一旦错过了时机其燃烧后产生的能量不但起不到补充作用，反而对系统造成人为扰动，加剧了主汽压力的波动。其次要求适量给煤，过多或过少都会引起超调振荡，在实际运行中靠人工准确调整是很困难的。能够作到正确给煤仅仅是第一步，如何保证这些煤迅速完全高效率燃烧，配风是关键。为使煤在炉膛内尽量完全燃烧，减少不完全燃烧热损失，必须使燃烧在过量氧的条件下完成，因此要控制锅炉的过量空气系数。但另一方面过量空气又会增加烟气量，使烟气流速加快，换热效率降低，引起排烟温度升高，降低锅炉的热效率。因此必须控制烟气含氧量在一个合理的范围内。
本发明的有益效果：1、本燃烧自动控制系统适用于各种复杂的运行工况，反应始终正确可靠，算法设计先进合理，安全有效，控制效果良好；2、可以改善锅炉燃烧工况，提高锅炉燃烧效率，降低飞灰含碳量，具有很好经济效益；3、主汽压力控制平稳，锅炉跟踪负荷变化能力增强，运行安全性能大大提高；4、主汽温度控制精度有效提高，避免了过热器超温，减小了低温蒸汽造成汽机水冲击的危险，提高了汽机的热效率；5、操作人员劳动强度下降，不需要人工干预。
附图说明：
图1为本发明循环流化床锅炉燃烧自动控制系统的结构框图。
附图标记：
1-给煤机变频器，2-一次风机风量调节器，3-二次风机风量调节器，4-引风机变频器，5-锅炉排渣装置，6-计算机，7-控制程序软件，8-燃料控制部分，9-给煤量指令控制模块，10-给煤量计算模块，11-锅炉效率在线计算模块，12-系统阻力计算模块，13-偏差运算模块，14-负荷预估模块，15-给煤量修正模块，16-风量控制部分，17-一次风机风量控制模块，18-二次风机风量控制模块，19、引风机风量控制模块，20-排渣控制部分
具体实施方式：
如图1所示，循环流化床锅炉燃烧自动控制系统，包括硬件和控制程序软件两部分，硬件包括给煤机变频器1、一次风机风量调节器2、二次风机风量调节器3、引风机变频器4、锅炉排渣装置5和计算机6，给煤机变频器1用于调节向锅炉内给煤的给煤机的转速，以控制给煤量；一次风机风量调节器2、二次风机风量调节器3、引风机变频器4用于调节风机向锅炉内的送风量；锅炉排渣装置5对锅炉燃烧后灰渣进行断续性排放；计算机6用于接收控制参数并依据控制参数计算出给煤量、送风量，并形成控制指令对给煤机变频器1、一次风机风量调节器2、二次风机风量调节器3、引风机变频器4、锅炉排渣装置5进行控制，控制程序软件7安装在计算机6中，该系统的控制程序软件包括：
燃料控制部分8：用于控制锅炉所需的燃料输入量，能够对燃料输入量作出及时、适量的调整，该部分是由锅炉效率在线计算模块11、系统阻力计算模块12、偏差运算模块13、负荷预估模块14、给煤量计算模块10、给煤量修正模块15、给煤量指令控制模块9，其中：
锅炉效率在线计算模块11依据控制参数：主汽压力、主汽温度、主汽流量、给水压力、给水温度、给水流量、给煤量、排烟温度、氧量、灰渣含碳量，根据热力计算公式得到锅炉的产汽率；
系统阻力计算模块12，用于计算出锅炉的需求负荷，同时检测热力系统阻力变化的微分，
该模块需要用到计算数据有：各台锅炉总产汽负荷、主汽压力、末端用户供汽压力、各台汽机排汽压力、汽机调门；
偏差运算模块13，用于对主汽压力的测量值与主汽压力的设定值进行偏差运算，得到给煤量计算的修正参数；
给煤量计算模块10，用以接收锅炉效率在线计算模块11的产汽率数值、系统阻力计算模块12所计算出的锅炉需求负荷数值、偏差运算模块13的给煤量计算的修正参数，依据上述参数计算出锅炉所需的给煤量；
负荷预估模块14，用于预测外界负荷的未来变化趋势，为及时调整入炉煤量作出指导，该模块可根据每台汽机的额定功率自动平衡以及系统阻力计算模块检测热力系统阻力变化的微分，准确计算出未来负荷变化趋势，是提高燃烧控制系统动态响应特性的核心模块。用于该模块需要用到计算数据有：主汽压力、主汽流量、各台汽机复速级压力；
给煤量修正模块15，依据负荷预估模块14所得出的未来负荷变化趋势以及床温限制指令、负荷分配指令、负荷限制指令得出给煤量的修正参数；
给煤量指令控制模块9依据给煤量计算模块10所得出的锅炉所需的给煤量以及给煤量修正模块15得出的给煤量修正参数，向给煤机变频器1发出控制指令。
风量控制部分16：用于控制锅炉所需的空气输入量，能够对空气输入量进行有效的调节控制，该部分是由一次风机风量控制模块17、二次风机风量控制模块18、引风机风量控制模块19构成，其中，一次风机风量控制模块17，依据给煤量指令、总负荷、床压、风煤配比，得出所需的风量，同时依据床温对所求得的应输送的风量进行修正，依据修正后的所需风量向一次风机风量调节器1发出风量调节指令；二次风机风量控制模块18，依据总风量、一次风机风量控制模块17所得的风量、负荷指令，得出二次风机应产生的风量，并利用氧量偏差对二次风机应产生的风量进行修正，依据修正后的所需风量向二次风机风量调节器3发出风量调节指令；引风机风量控制模块19，用于在烟道阻力系数一定的条件下通过控制引风机前压力来间接控制炉膛负压，依据一次风机风量控制模块17所得出的一次风机的风量、二次风机风量控制模块18所得出的二次风机的风量以及给煤量得出锅炉所需的风量，同时利用总风量、引风机压力以及负压偏差得出引风量修正参数，通过引风量修正参数对锅炉所需的风量进行修正，依据修正后的锅炉所需风量向引风机风量调节器4发出风量调节指令。
排渣控制部分20，用于实现锅炉的排渣控制，该部分是由断续排渣控制模块来实现的，断续排渣控制模块对锅炉排渣装置5进行控制，以床压设定值为控制依据，当设定值为8.2KPa停止排渣，9.2KPa启动锅炉排渣装置5排渣。
所述的一次风机或二次风机的风量调节器，采用风机变频器。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (4)
1、一种循环流化床锅炉燃烧自动控制系统，包括硬件和控制程序软件两部分，硬件包括给煤机变频器(1)、一次风机风量调节器(2)、二次风机风量调节器(3)、引风机变频器(4)、锅炉排渣装置(5)和计算机(6)，给煤机变频器(1)用于调节向锅炉内给煤的给煤机的转速，以控制给煤量；一次风机风量调节器(2)、二次风机风量调节器(3)、引风机变频器(4)用于调节风机向锅炉内的送风量；锅炉排渣装置(5)用于对锅炉燃烧后灰渣进行断续性排放；计算机(6)用于接收控制参数并依据控制参数计算出给煤量、送风量，并形成控制指令对给煤机变频器(1)、一次风机风量调节器(2)、二次风机风量调节器(3)、引风机变频器(4)、锅炉排渣装置(5)进行控制，控制程序软件(7)安装在计算机(6)中，其特征在于，该系统的控制程序软件(7)包括：
燃料控制部分(8)：用于控制锅炉所需的燃料输入量，能够对燃料输入量作出及时、适量的调整，该部分包括锅炉效率在线计算模块(11)、系统阻力计算模块(12)、偏差运算模块(13)、负荷预估模块(14)、给煤量计算模块(10)、给煤量修正模块(15)、给煤量指令控制模块(9)，其中：
锅炉效率在线计算模块(11)，依据控制参数，根据热力计算公式得到锅炉的产汽率；
系统阻力计算模块(12)，用于计算出锅炉的需求负荷，同时检测热力系统阻力变化的微分；
偏差运算模块(13)，用于对主汽压力的测量值与主汽压力的设定值进行偏差运算，得到给煤量计算的修正参数；
给煤量计算模块(10)，用以接收锅炉效率在线计算模块(11)的产汽率数值、系统阻力计算模块(12)所计算出的锅炉需求负荷数值、偏差运算模块(13)的给煤量计算的修正参数，依据上述参数计算出锅炉所需的给煤量；
负荷预估模块(14)，用于预测外界负荷的未来变化趋势，为及时调整入炉煤量作出指导，该模块可根据每台汽机的额定功率自动平衡以及系统阻力计算模块(12)检测热力系统阻力变化的微分，准确计算出未来负荷变化趋势；
给煤量修正模块(15)，依据负荷预估模块(14)所得出的未来负荷变化趋势以及床温限制指令、负荷分配指令、负荷限制指令得出给煤量的修正参数；
给煤量指令控制模块(9)，依据给煤量计算模块(10)所得出的锅炉所需的给煤量以及给煤量修正模块(15)得出的给煤量修正参数，通过计算机(6)向给煤机变频器(1)发出控制指令；
所述系统的控制程序软件(7)还包括风量控制部分(16)，该部分用于控制锅炉所需的空气输入量，能够对空气输入量进行有效的调节控制，风量控制部分(16)是由一次风机风量控制模块(17)、二次风机风量控制模块(18)、引风机风量控制模块(19)构成，其中，一次风机风量控制模块(17)，依据给煤量指令、总负荷、床压、风煤配比，得出所需的风量，同时依据床温对所得的应输送的风量进行修正，依据修正后的所需风量向一次风机风量调节器(1)发出风量调节指令；二次风机风量控制模块(18)，依据总风量、一次风机风量控制模块(17)所得的风量、负荷指令，得出二次风机应产生的风量，并利用氧量偏差对二次风机应产生的风量进行修正，依据修正后的所需风量向二次风机风量调节器(3)发出风量调节指令；引风机风量控制模块(19)，用于在烟道阻力系数一定的条件下通过控制引风机前压力来间接控制炉膛负压，依据一次风机风量控制模块(17)所得出的一次风机的风量、二次风机风量控制模块(18)所得出的二次风机的风量以及给煤量得出锅炉所需的风量，同时利用总风量、引风机压力以及负压偏差得出引风量修正参数，通过引风量修正参数对锅炉所需的风量进行修正，依据修正后的锅炉所需风量向引风机风量调节器(4)发出风量调节指令。
2、根据权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动控制系统，其特征在于：所述系统的控制程序软件还包括排渣控制部分(20)，用于实现锅炉的排渣控制，该部分是由断续排渣控制模块来实现的，断续排渣控制模块对锅炉排渣装置(5)进行控制，以床压设定值为控制依据，当设定值为8.2KPa停止排渣，9.2KPa启动锅炉排渣装置(5)排渣。
3、根据权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动控制系统，其特征在于：所述的一次风机风量调节器(2)、二次风机风量调节器(3)，是指风机变频器或风机入口挡板调节器。
4、权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动控制系统的风量控制的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1、根据给煤量和锅炉设计的总风煤配比乘以1.2倍的过量空气系数作为总燃料需求风量；2、对运行人员设定的氧量测量值和氧量目标值进行线性化处理，产生总风量修正系数；3、利用步骤2计算的结果对步骤1所得数值进行修正，得到总需求风量；4、确定一次、二次风的比例，一般为：4∶6；5∶5；6∶4，三种比例值，依据比例值和步骤3所得的总风量，得到一次风需求量，并利用床压和锅炉负荷对一次风量进行修正，与实际一次风量进行偏差运算，依据修正后风量值对二次风机进行控制；5、总需求风量减去一次风量得到需求的二次风量，与二次风实际风量进行偏差运算得到修正后风量值，依据修正后风量值对二次风机控制，其中，PID参数设定为：比例带P＝0.8％，积分时间TI＝40S，微分时间TD＝0S；6、在烟道阻力系数一定的条件下通过控制引风机前压力来间接控制炉膛负压，依据一次风机风量控制模块所得出的一次风机的风量、二次风机风量控制模块所得出的二次风机的风量、给煤量得出锅炉所需的风量，同时利用总风量、引风机压力以及负压偏差得出引风量修正参数，通过引风量修正参数对锅炉所需的风量进行修正，依据修正后的锅炉所需风量向引风机风量调节器发出风量调节指令。
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