CN101922708A - 一种基于强化燃烧的大型循环流化床机组协调控制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于强化燃烧的大型循环流化床机组协调控制装置，包括负荷控制中心回路、汽机主控回路和锅炉主控回路，负荷指令变化率采用了新型的限制方案：采用负荷协调模糊控制回路，根据床温及主汽压超出正常范围的程度平滑地逐步加大对负荷变化率的限制；机炉主控回路采用模糊前馈控制器与模糊自调整PID控制器相结合，共同完成机组的发电负荷及热负荷的控制，前馈控制模块的控制规则融合了运行人员及专家的经验，根据运行中不同负荷对应的锅炉主控及汽机主控的控制量，而形成模糊控制规则；在汽机主控中，加入负荷指令的模糊前馈控制器，其与模糊自调整PID控制器相结合，共同完成发电负荷的控制；在锅炉主控中，还加入了强化燃烧模糊前馈控制器。

Description

一种基于强化燃烧的大型循环流化床机组协调控制装置

技术领域

本发明涉及一种自主开发型循环流化床(CFB)锅炉的运行控制装置，尤指一种能更好地加快循环流化床锅炉燃烧、协调控制锅炉与汽机的出力，满足电网对机组AGC的要求(2％Pe/min)的机组协调控制装置。

背景技术

循环流化床(CFB)锅炉以其较清洁的燃烧、燃料适应性广、负荷调节比宽等特点，近年来得到了迅速发展，自主开发的亚临界大型(蒸发量1025t/h)CFB已投入商业运行，我国的CFB已进入亚临界参数的发展阶段，自主开发的大型CFB成为了火电厂优选的技术之一。但是，由于CFB锅炉燃烧过程特殊，大型循环流化床锅炉的热惯性远比常规煤粉炉要大，在给煤量扰动16～20min后主汽压力才有反应，而煤粉炉的迟延时间是4～6min，这就大大影响了大型CFB机组的变负荷速率。使得正常运行时对于煤粉锅炉行之有效的常规控制方法难以满足循环流化床锅炉的燃烧控制，国产CFB机组长期以来没有很好地投入AGC的控制；而自主开发的大型CFB与引进的CFB在锅炉工艺结构、操控方式等方面有很大的差异，引进型CFB行之有效的燃烧控制方案不能满足大型CFB的调控要求；如何提高这类CFB的燃烧控制品质满足电网AGC对机组的负荷响应要求，已成为这类CFB机组大规模推广应用，必须解决的关键技术。

与同级的煤粉炉相比，循环流化床锅炉具有以下差别：

1、锅炉的储热比煤粉炉要大。CFB的燃烧温度为890-900℃，即所谓的无“火焰”，燃烧方式是靠高温床料的流化与进入炉膛床上的煤粒进行混合和扰动，这样一来，煤粒要经过多次的循环，才能逐步燃尽，从而达到燃烧的效果，且其原煤颗粒度远远高于煤粉炉(流化床的原煤颗粒平均粒径可达1.5mm，而煤粉炉则基本在0.09mm以下)，因此，进入CFB的煤粒，其燃尽时间要长得多，就在炉内流化层含有大容量的储热。加上现在国产的CFB都是亚临界锅炉，还有汽包的储热。

2、锅炉侧的迟延和惯性较大。由于煤进入CFB炉内有一个受热、烘干、爆破、着火、循环的过程，表现出来蒸汽压力的变化滞后；造成机炉在适应负荷变化率上存在很大差异，锅炉的惯性和迟延很大。

3、锅炉存在较大的时变性。在低负荷时被调量的静态增益要高于高负荷时的静态增益，并且低负荷时各被调量的动态响应时间比高负荷的动态响应时间长。当锅炉负荷低时床温也较低，新加入的煤相对也较难着火，所以床温提升较慢，从而导致炉膛尾部烟道的温度提升慢，所以主汽温度、主汽压力和主汽流量提升慢。由于负荷低时锅炉蒸发量也较低，换热面吸收的热量也较少，所以床温升高幅度较大，从而低负荷时主汽温度，主汽压力和主汽流量升高幅度也较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题，就是提供一套能够对自主开发的大型循环流化床燃烧过程进行协调控制的装置，该装置可以使这类CFB机组能够长期稳定投入协调控制，机组能够满足电网AGC过程的变负荷率、变负荷范围的要求，在变负荷过程保持主汽压、床温等参数稳定，保证机组安全、经济运行。

上述发明目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于强化燃烧的大型循环流化床机组协调控制装置，包括负荷控制中心回路、汽机主控回路和锅炉主控回路三大部分，其特征是：

所述的负荷控制中心回路为：

第一偏差计算模块(105)的输入为实际床温信号与正常床温控制值、输出至第一超差计算模块(106)；

函数发生模块(107)的输入为发电功率值、其输出产生发电功率对应的正常主汽压设定值；

第二偏差计算模块(108)的输入为函数发生模块107输出的主汽压设定值和实际主汽压、输出至第二超差计算模块(109)；

第一控制模块(104)的输入为第一、第二超差计算模块106、109的输出、输出至乘法模块(103)；

乘法模块(103)还输入变化率设定模块(102)输出的变化率设定值；

速率限制模块(101)输入乘法模块(103)和目标负荷设定值设定器AI的输出、输出综合负荷设定值。

所述的汽机主控回路为：

第二模糊控制模块(202)分别输入综合负荷设定值及经过第一微分模块(201)微分的综合负荷设定值；

第三偏差计算模块(204)输入综合负荷设定值与发电功率、输出至第二微分模块(208)；

第四、第五、第六控制模块(205、206、207)的一通道输入第二微分模块(208)的输出、二通道输入第三偏差计算模块(204)的输出；

第三控制模块(203)输入有第二模糊控制模块(202)、第四、第五、第六控制模块(205、206、207)的输出，以及综合负荷设定值与发电功率，输出汽机主控信号。

所述的锅炉主控回路为：

第四偏差计算模块(301)输入综合负荷设定值与发电功率，分别输出至第三、第五微分模块(302、311)以及第七控制模块(303)和第十、第十一、第十二控制模块(308、309、310)一通道；

第八控制模块(305)分别输入综合负荷设定值及经过第四微分模块(304)微分的综合负荷设定值；

加法模块(306)输入第七、第八控制模块(303、305)的输出、输出至第九控制模块(307)；

第十、第十一、第十二控制模块(308、309、310)还都输入有第五微分模块的输出、输出至第九控制模块(307)，第九控制模块(307)的输入还有锅炉主控的测量值和锅炉主控设定值，输出锅炉主控信号。

由于负荷指令的变化率采用了新型的限制方案：采用负荷协调模糊控制回路，根据床温及主汽压超出正常范围的程度平滑地逐步加大对负荷变化率的限制，限制汽机调门指令的变化速度，以保证锅炉燃烧稳定；加入了负荷指令与实际负荷信号的模糊前馈控制模块，前馈控制模块的控制规则融合了运行人员及专家的经验，在锅炉主控回路前馈控制模块按负荷的设定值与实际负荷信号偏差及其变化率发出适当的锅炉调控前馈指令，与反馈控制模块相结合，协调控制一次风量、二次风量、煤量；而在汽机主控中，为了充分利用流化床锅炉的储能，也加入了负荷指令与实际负荷信号的模糊前馈控制模块，按负荷的需求控制DEH的输出，为了维持负荷需求与锅炉输出能量的平衡，在汽轮机主控中的功率模糊自调整PID控制模块中还加入了模糊床温负荷协调模糊控制模块、模糊汽压负荷协调模糊控制模块，当出现床温或主汽压过度变化时，模糊负荷协调模糊控制模块，。

有益效果：本发明能使这类CFB机组能够长期稳定投入协调控制，机组能够满足电网AGC过程的变负荷率、变负荷范围的要求，在变负荷过程保持主汽压、床温等参数稳定，保证机组安全、经济运行。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明的大型循环流化床(CFB)机组协调控制系统框图；

图2是本发明的协调控制系统中负荷控制中心框图；

图3是本发明的协调控制系统中汽机主控框图；

图4是本发明的协调控制系统中锅炉主控框图；

图5是本发明的负荷协调模糊控制器的控制输出曲图；

图6是本发明的强化燃烧模糊前馈控制器的控制输出曲图。

具体实施方式：

下面以1025t/h循环流化床锅炉为例来对本发明作进一步说明，参见图1至图4。该锅炉采用单炉膛结构，没有外置式换热器，主要控制回路组成见图1，其基于强化燃烧的循环流化床机组协调控制装置，包括负荷控制中心回路、汽机主控回路和锅炉主控回路三大部分。

本例子是以分散控制系统(DCS)为平台开发出来的，采用模糊前馈控制与模糊自调整PID的反馈控制相结合的控制结构。

本发明的负荷控制中心回路参见图2。其在新型循环流化床机组协调装置中的主要功能与常规协调控制相近似：形成目标负荷指令；根据机组的承受能力，对目标负荷指令的变化率进行适当限制；对机组参加电网调频所需负荷指令的做出相应调整。

但由于循环流化床锅炉的特殊性，在变负荷过程中，除了要考虑蒸汽热力参数异常变化(如汽压等)对机组负荷的变负荷过程中引起设备热应力异常变化外，还要考虑维持炉内燃烧的稳定；因此还要考虑床温对目标负荷指令的变化率进行适当限制。此外由于循环流化床锅炉需要平稳地调整燃烧；而常规协调控制系统进行负荷变化率限制时，多采用汽压参数异常闭锁负荷变化，这种控制方法，会对负荷变化造成冲击。

新型机组协调控制装置对于负荷指令的变化率采用了新型的限制方案：在常规的协调控制系统负荷控制中心上加入负荷协调模糊控制回路，根据床温及主汽压超出正常范围的程度平滑地逐步加大对负荷变化率的限制。

负荷控制中心具体回路如下：

第一偏差计算模块(105)的输入为实际床温信号与正常床温控制值、其输出至第一超差计算模块(106)；

函数发生模块(107)的输入为发电功率值、其输出产生发电功率对应的正常主汽压设定值；

第二偏差计算模块(108)的输入为函数发生模块107输出的主汽压设定值和实际主汽压、其输出至第二超差计算模块(109)；

第一控制模块(104)的输入为第一、第二超差计算模块106、109的输出、其输出至乘法模块(103)；

乘法模块(103)的输入还接收变化率设定模块(102)输出的变化率设定值；

速率限制模块(101)输入乘法模块(103)和目标负荷设定值设定器AI的输出、其输出就形成了综合负荷设定值。

经过处理后的床温信号与正常床温控制值分别输入床温偏差计算模块105，床温偏差计算模块计算出的床温偏差信号送到床温范围超差计算模块106中进行床温超差计算，范围超差计算模块设置了正常信号的范围即死区，当偏差信号小于死区范围时，超差计算模块输出为零，只有当偏差信号大于死区范围，超差计算模块输出偏差信号超出死区范围程度的信号，送到负荷协调模糊控制模块104的通道1中。

而发电功率经由函数发生模块107产生对应功率的正常主汽压控制值，同样经处理后的主汽压信号与正常主汽压控制值一同送到主汽压偏差计算模块108，经过主汽压偏差计算模块、主汽压超差计算模块输出进行主汽压超差计算，最终由主汽压超差计算模块109输出主汽压超出正常范围程度的信号，送到负荷协调模糊控制模块104的通道2中。

负荷协调模糊控制模块104的输入分别接到床温范围超差计算模块106、主汽压范围超差计算模块109，其输出接到乘法模块103。在负荷协调模糊控制模块104中，按照循环流化床锅炉的调控要求，设置了主汽压及床温超出正常范围程度模糊调控规则，当两信号开始超出正常范围时就发出限制负荷变化的调控指令，超出正常范围越严重，对负荷变化的限制越严厉，直到输出为0，禁止负荷变化；当主汽压及床温参数逐步摆脱非正常工作范围时，调控指令逐步减轻对负荷变化的限制，当主汽压及床温参数恢复到正常工作范围时，负荷协调模糊控制模块输出为1，按正常的负荷变化率调控负荷，其模糊控制规则如图5。

乘法模块103，其输入为负荷协调模糊控制模块104及负荷变化率设定模块102的输出，其输出(负荷模糊调控变化率)接到速率限制模块101的变化速率输入端。当主汽压及床温参数在正常工作范围时，模糊控制模块104为1，乘法模块的输出就是负荷变化率设定模块的输出值，而当主汽压及床温等参数在异常工作范围时，模糊控制模块根据偏离工作范围的程度发出由1到0调控指令，经过乘法模块乘以负荷变化率，使负荷变化率逐步减小，减慢负荷的变化速度，逐步将主汽压及床温等运行参数拉回到正常工作范围。

速率限制模块101，其输入分别为经过常规负荷控制中心的处理后的负荷设定值及乘法模块103输出的负荷模糊调控变化率。这样一来，机组就能按照变负荷过程中主汽压及床温等参数的工作情况，按负荷模糊调控变化率将发电功率调控到负荷指令要求的功率。

单元机组协调控制装置的锅炉和汽机主控制回路提供对发电机组锅炉和汽轮的全面控制，参见图3锅炉主控回路和图4的汽机主控回路，主要用于协调机组发电负荷与热负荷控制的内部矛盾，即机组功率响应与主汽压力稳定之间的矛盾。为了提高负荷响应性能，应保证锅炉燃烧及热力过程稳定的前提下，充分利用机组的蓄热。也就是在负荷变动时，通过汽轮机调门的适当动作，使锅炉释放或吸收部分热能，加快机组扰动初期负荷的响应速度。与此同时，强化锅炉侧燃烧率的调节，及时恢复汽压，使锅炉蒸汽蒸发量与机组负荷变化相适应。

大型循环流化床锅炉的热惯性远比常规煤粉炉要大，大型循环流化床锅炉较强的蓄热能力对负荷初始响应有好处，但燃烧系统的大迟延导致的机组负荷响应速度降低、主蒸汽压力波动大等不利因素，很不利于大型CFB机组的滑压运行。需对常规的协调控制方案进行了必要的修改和优化，必须优化负荷指令对燃料控制前馈环节的作用。

在新型循环流化床机组协调装置中，采用模糊前馈控制模块与模糊自调整PID控制模块共同完成机组的发电负荷及热负荷的控制方案。其中，采用模糊前馈控制用以强化锅炉的燃烧，克服循环流化床燃烧的热惯性；补偿机组的动态迟延，加快负荷响应。在反馈控制中，为了克服变负荷过程中的非线性，将常规的PID改进成模糊自调整PID控制模块，其作用主要是为了便于充分利用锅炉蓄热能力，并保证汽压不超过允许范围。构成原理为：负荷控制中心发出的负荷指令信号，分别通过负荷指令模糊前馈控制模块输出相应的锅炉、汽机控制量，送到汽机主控及锅炉主控，前馈控制模块的控制规则融合运行人员及专家的经验，根据运行中不同负荷对应的锅炉主控及汽机主控的控制量，而形成模糊控制规则；在锅炉主控及汽机主控中，都采用了模糊自调整PID控制模块，以克服变负荷过程中的非线性。在锅炉主控，除采用负荷指令模糊前馈控制模块303、模糊自调整PID控制模块外，为了克服循环流化床燃烧的热惯性，强化锅炉的燃烧，还加入了强化燃烧模糊前馈控制模块305，前馈控制模块采用负荷指令与实际负荷信号的作为输入信号，控制模块按负荷的设定值与实际负荷信号偏差及其变化率发出适当的锅炉强化燃烧指令，使协调装置在加负荷前期预先投入较多的煤，而在加负荷的后期，逐步减小增大给煤量的速度，以保证快速加负荷时，主汽压力不会超压。

具体的汽机主控回路如下：

第二模糊控制模块(202)分别输入综合负荷设定值及经过第一微分模块(201)微分的综合负荷设定值；

第三偏差计算模块(204)输入综合负荷设定值与发电功率、输出至第二微分模块(208)；

第四、第五、第六控制模块(205、206、207)的一通道输入第二微分模块(208)的输出、二通道输入第三偏差计算模块(204)的输出；

第三控制模块(203)输入有第二模糊控制模块(202)、第四、第五、第六控制模块(205、206、207)的输出，以及综合负荷设定值与发电功率，输出汽机主控信号。

汽机主控回路主要由模糊负荷前馈控制回路、模糊自调整PID反馈控制回路构成(如图3)。

汽机主控回路中，为了补偿循环流化床锅炉燃烧的迟缓性，加入了负荷指令与实际负荷信号的模糊负荷前馈控制模块201，当变负荷时，模糊前馈控制模块按负荷指令及负荷指令变化率发出对应的DEH调控指令，通过汽机主控输出直接调整DEH调控指令紧跟负荷中心发出的负荷要求改变发电量，及时响应电网的发电量需求。

为了克服变负荷过程中的非线性，将常规的PID改进成模糊自调整PID控制模块203，汽机主控的测量值与设定值分别接到比例增益模糊自调整控制模块205、积分参数模糊自调整控制模块206、微分参数模糊自调整控制模块207，参数模糊自调整控制模块的输出分别通过，PID的外部比例增益(P)、积分参数(I)、微分参数(D)输入端接入，实现由各参数模糊自调整控制模块调整P、I、D参数；参数模糊自调整控制模块各自设置了在不同设定值下对应不同偏差及其变化率的比例增益、积分参数、微分参数的调控规则，当设定值变化或测量值与设定值的偏差出现时，比例增益、积分参数、微分参数模糊自调整控制模块就会根据模糊调控规则进行参数调整。

具体的锅炉主控回路如下：

第四偏差计算模块(301)输入综合负荷设定值与发电功率，分别输出至第三、第五微分模块(302、311)以及第七控制模块(303)和第十、第十一、第十二控制模块(308、309、310)一通道；

第八控制模块(305)分别输入综合负荷设定值及经过第四微分模块(304)微分的综合负荷设定值；

加法模块(306)输入第七、第八控制模块(303、305)的输出、输出至第九控制模块(307)；

第十、第十一、第十二控制模块(308、309、310)还都输入有第五微分模块的输出、输出至第九控制模块(307)，第九控制模块(307)的输入还有锅炉主控的测量值和锅炉主控设定值，输出锅炉主控信号。

模糊负荷前馈控制模块的构成：由负荷控制中心计算出来的综合负荷设定值与发电功率分别送到负荷偏差计算模块301进行发电功率偏差计算，将功率偏差送到微分模块302计算出负荷偏差变化率，然后将功率偏差及其变化率送到强化燃烧前馈控制模块303，以使协调装置在加负荷前期预先投入较多的煤，而在加负荷的后期，逐步减小增大给煤量的速度；综合负荷设定值还送到负荷指令微分模块304，计算出负荷强指令的变化率，然后将负荷设定值及其变化率送到模糊负荷前馈控制模块305，当变负荷时，模糊前馈控制模块按负荷指令及负荷指令变化率发出对应的燃烧调控指令。模糊控制规则融合运行人员及专家的经验，模糊控制规则如图6：在加负荷期间，等待投入的煤燃着后，增大给煤量，将提升热负荷所需要的大部分煤量在加负荷前期投入流化床内燃烧，以克服流化床燃烧的迟延；随着实际负荷逐步接近负荷指令逐步减小增大给煤量的速度，直到零；这样一来，由于加负荷前期预先投入较多的煤，在其后的加负荷过程中逐步放热，就能在加负荷过程中不断提升热负荷，提高主汽压力，而在加负荷的后期，逐步减小增大给煤量的速度，不会让过多的煤在实际负荷接近负荷指令时还在炉内燃烧，造成主汽压力过高；

模糊负荷前馈控制模块：为了平稳地调整循环流化床燃烧，加入了负荷指令与实际负荷信号的模糊负荷前馈控制模块305。当变负荷时，模糊前馈控制模块按负荷指令及负荷指令变化率发出对应的燃烧调控指令，通过锅炉主控输出直接改一次风量、二次风量、煤量，控制风量、煤量紧跟发电量变化引起的热负荷需求变化，平稳地调整循环流化床燃烧，及时调整燃料量，响应发电量变化对应的热负荷。

强化燃烧前馈控制模块303及负荷前馈控制模块305的输出送到加法模块306，计算出综合前馈控制指令，然后将该前馈控制指令通过模糊自调整PID控制模块307的前馈通道送出，形成模糊前馈控制+PID反馈控制的综合燃烧调控指令；锅炉主控的测量值与设定值分接到模糊自调整PID控制模块307的PV及SP端进行PID反馈调控。

为了克服变负荷过程中的非线性，将常规的PID改进成模糊自调整PID控制模块，锅炉主控的测量值与设定值分别接到比例增益模糊自调整控制模块308、积分参数模糊自调整控制模块309、微分参数模糊自调整控制模块309，参数模糊自调整控制模块的输出分别通过，PID的外部比例增益(P)、积分参数(I)、微分参数(D)输入端接入，实现由各参数模糊自调整控制模块调整P、I、D参数；参数模糊自调整控制模块各自设置了在不同设定值下对应不同偏差及其变化率的比例增益、积分参数、微分参数的调控规则，当设定值变化或测量值与设定值的偏差出现时，比例增益、积分参数、微分参数模糊自调整控制模块就会根据模糊调控规则进行参数调整。

Claims (2)

1.一种基于强化燃烧的大型循环流化床机组协调控制装置，包括负荷控制中心回路、汽机主控回路和锅炉主控回路三大部分，其特征是所述的负荷控制中心回路为：

第一偏差计算模块(105)的输入为实际床温信号与正常床温控制值、其输出至第一超差计算模块(106)；

函数发生模块(107)的输入为发电功率值、其输出产生发电功率对应的正常主汽压设定值；

第二偏差计算模块(108)的输入为函数发生模块107输出的主汽压设定值和实际主汽压、其输出至第二超差计算模块(109)；

第一控制模块(104)的输入为第一、第二超差计算模块106、109的输出、其输出至乘法模块(103)；

乘法模块(103)的输入还接收变化率设定模块(102)输出的变化率设定值；

速率限制模块(101)输入乘法模块(103)和目标负荷设定值设定器AI的输出、其输出就形成了综合负荷设定值。

2.根据权利要求1所述的基于强化燃烧的大型循环流化床机组协调控制装置，其特征是所述的汽机主控回路为：

第二模糊控制模块(202)分别输入综合负荷设定值及经过第一微分模块(201)微分的综合负荷设定值；

第三偏差计算模块(204)输入综合负荷设定值与发电功率、输出至第二微分模块(208)；

第四、第五、第六控制模块(205、206、207)的一通道输入第二微分模块(208)的输出、二通道输入第三偏差计算模块(204)的输出；

第三控制模块(203)输入有第二模糊控制模块(202)、第四、第五、第六控制模块(205、206、207)的输出，以及综合负荷设定值与发电功率，输出汽机主控信号。

3报据权利要求1所述的基于强化燃烧的大型循环流化床机组协调控制装置，其特征是所述的锅炉主控回路为：

第四偏差计算模块(301)输入综合负荷设定值与发电功率，分别输出至第三、第五微分模块(302、311)以及第七控制模块(303)和第十、第十一、第十二控制模块(308、309、310)一通道；

第八控制模块(305)分别输入综合负荷设定值及经过第四微分模块(304)微分的综合负荷设定值；

加法模块(306)输入第七、第八控制模块(303、305)的输出、输出至第九控制模块(307)；

第十、第十一、第十二控制模块(308、309、310)还都输入有第五微分模块的输出、输出至第九控制模块(307)，第九控制模块(307)的输入还有锅炉主控的测量值和锅炉主控设定值，输出锅炉主控信号。

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