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    循環流化床鍋爐燃燒優化控制系統技術特點及應用效果

    欄目:鍋爐設計 發布時間:2018-08-22

    1        概述

    循環流化床鍋爐(CFB鍋爐) [1]以其優良的環保性能、優越的調峰經濟性、良好的燃料適應性、高效的劣質燃料燃燒和較高的灰渣綜合利用價值,近年來在國內外得到迅速發展和普及,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用。目前,福建省已有100多臺CFB鍋爐在運行或建設中,總容量超過10000蒸噸,其中最大容量為1025t/h。從已經投運的CFB鍋爐的運行實踐[2-3]來看,循環流化床燃燒技術能夠高效燃用福建無煙煤。

    由于CFB鍋爐燃料是在流化狀態下燃燒,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,加上物料循環系統,有的被調參數同時受到幾個調節參數的共同影響,如爐床溫度要受到給煤量、石灰石供給量、一次風量、返料量和排渣量等多個參數的影響。同時,有的調節參數又影響多個被調參數,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、空氣過剩系數及SO2排放濃度等參數[4],見圖1。

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    由于CFB鍋爐控制的復雜性,使得鍋爐燃燒的自動化控制水平始終很低,目前絕大多數CFB鍋爐燃燒系統運行在手動操作方式,石獅熱電公司4CFB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:手動操作時,對不斷變化的工況調節有滯后并且不夠平滑,造成鍋爐運行不穩定,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,同時還對設備特別是汽機造成不利影響,不利于機組長期運行;運行操作人員多、勞動強度大,并增加了人為失誤的可能性,系統安全性差,不利于機組運行經濟與安全性;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度,不利于科學管理;⑷手動操作無法克服頻繁發生的工況擾動,運行狀態的不穩定使鍋爐根本無法達到優化燃燒狀態,對于節能降耗缺乏實施平臺,不利于經濟運行。這些問題除了與總體設計水平、設備制造技術、運行條件嚴重偏離設計值等原因有關外,與DCS系統沒有充分發揮作用也有很大關系。針對CFB鍋爐燃燒系統的現狀,如何在其現有的條件下利用當今最先進的自動控制理論和系統平臺使其燃燒效率達到最高、對環境的污染達到最低,是我們研究的對象。

    北京和隆優化控制技術有限公司開發的循環流化床鍋爐全自動燃燒優化控制系統(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、多變量解耦技術、過程優化控制技術、故障診斷與容錯控制技術及先進的軟件接口來實現鍋爐的優化控制,從而達到各種鍋爐的安全運行、穩定運行和經濟運行的所有目標。本文介紹CFB-BCS的技術特點,闡述BCSCFB鍋爐燃燒系統中的應用效果及其推廣價值。

    1        CFB-BCS技術特點

    CFB-BCS采用正平衡法計算表示鍋爐熱效率,以噸汽煤耗為優化指標,采用多維梯度法優化算法,尋找最佳的床溫和二次風風量設定值,使得燃燒過程逼近最優區域,以獲得經濟燃燒的效果。CFB-BCS具有以下核心技術:

    ⑴有限條件正確相關技術。只要現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,保證了現場改造最少、投資最低。

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

    ⑶自尋優技術。以產等量的蒸汽量用最少的燃料量為優化目標,使鍋爐燃燒狀態用最合適的時間達到最佳,解決了燃燒系統的經濟性問題,不需要人工輸入任何燃料分析數據、負荷參數及一大堆的模型初始化參數,優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算法并重新將控制點拉回到燃燒效率曲線的“山頂”,見圖2。

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    ⑷滾動優化技術。解決了如何讓鍋爐越燒越好的問題,即每次優化的啟動都是在上一次優化的結果基礎上進行的,在實現真正的全自動優化燃燒并使工人勞動強度降至最低,克服負荷變化及煤質變化的影響,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。儀表的不準確、執行器的故障等都不會影響系統的正常運行,在部分儀表的故障狀態下,系統仍能全自動優化運行,避免因斷煤而停爐的事故,實現斷煤故障診斷和全自動處理,使系統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,可使各種調節閥的壽命延長五倍以上,具有模數轉換功能、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多爐協調優化技術。搞好4臺鍋爐相互之間的協調操作,合理地分配鍋爐的運行負荷,以最科學的策略來穩定蒸汽母管的壓力,見圖3。

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    這些核心技術可實現CFB鍋爐燃燒系統的全自動優化運行,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%,達到節能降耗減排的目的。

    1        CFB-BCS的運行效果

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

    ⑴床料沸騰平穩,床溫更加穩定

    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控制系統的失敗。對中溫返料(540~580℃)且返料量大(物料循環倍率K=15~20)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,即系統本身具有負反饋特性,所以BCS系統設計了基于專家系統的床溫(平均值)—返料風壓返料量的串級控制技術來實現了高精的床溫控制。該技術可使床溫的波動從50℃左右降至5~10℃(見圖4),顯著地改善了CFB的運行狀態。

     

     

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    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,造成母管壓力波動頻繁,對汽輪機的運行很不利。CFB-BCS系統中設計了多爐協調優化下的鍋爐負荷優化控制回路多爐協調優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節爐,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;而調節爐則同時以母管壓力和分配給它的基本負荷流量來協調運行,即當母管壓力突然變低時,它要快速提高自己的運行負荷,以穩定母管壓力,保證汽輪機的正常運行和蒸汽用戶的用汽穩定,反之亦然。BCS技術在負荷控制算法中加進了智能算法,以適應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定的負荷運行并實施風煤比的優化。該技術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也表現出了很好的抗干擾能力。多爐協調優化技術投入與解除后母管壓力的波動情況見圖5。

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    ⑶回料控制平滑,風壓控制平穩

    由于CFB-BCS技術設計了一個基于專家系統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整返料風壓的控制點,既穩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技術中最核心的部分就是該技術基于軟測量技術構建了可反映鍋爐燃燒效率的燃燒效果中間變量,在此基礎上通過自尋優技術和滾動優化技術實現了鍋爐的最佳燃燒,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。20091~6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,當然飛灰量也相應減少。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。

     

     

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    鑒于CFB-BCS4號鍋爐上取得了良好的效果,石獅熱電公司已經計劃在其余3CFB鍋爐上推廣應用CFB-BCS技術,有效提高發電機組的自動化水平,促進企業的科技進步。

    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,總容量約為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,則每年可節約標煤78571t,為企業節省開支5500萬元(標煤價格取人民幣700/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,將給國家和企業創造顯著的經濟效益、廣泛的社會效益。

    2        結束語

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

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

    75t/hCFB鍋爐應用BCS后,達到預期的效果:床溫更加穩定,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,風壓控制的變頻調節平穩;飛灰含碳量降低了2.59個百分點。

    ⑷若福建省現有100多臺CFB鍋爐全部使用CFB-BCS技術,每年可節約標煤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.循環流化床鍋爐理論設計與運行[M].北京:中國電力出版社,1998.05

    [2] 吳劍恒.福建無煙煤在循環流化床鍋爐中的優化燃燒[J].鍋爐技術,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].浙江大學博士學位論文,杭州:2005

    [4] 楊景棋,趙偉杰,郭  榮,等.循環流化床鍋爐控制系統的分析與設計[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年畢業于中國礦業大學機電學院,獲工學學士學位,福建省電力安全監管技術委員會專家,現任福建省石獅熱電有限責任公司生產技術部主任,長期從事電廠生產運行和技術管理工作。

    單位:福建省石獅熱電有限責任公司

    地址:福建省石獅市大堡工業區362700

    電話:059588906821()

    手機:13906992438

    Emailwjh23456789@163.com    

     

    文章作者:福建省循環流化床鍋爐技術協作網

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