CN102734795B - 单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，采用间接能量平衡取代直接能量平衡，构建锅炉主控的锅炉主控静态前馈、锅炉主控负荷动态前馈、锅炉主控压力动态前馈，采用机组额定功率的2%为基本变负荷速率生成锅炉主控静态前馈机组目标负荷的锅炉侧的负荷指令，采用变负荷幅度(目标负荷减负荷指令)形成锅炉主控负荷动态前馈、采用压力变动幅度目标压力减压力指令）形成锅炉主控压力动态前馈，从而加快锅炉的响应能力，解决“机快炉慢”的问题，在燃煤煤质发生变化的情况下，通过床温调节器的输出修正系数适时合理地调整电煤比、一次风量与给煤量的配比，满足在变负荷的情况下满足电网的变负荷的速率和幅度并保证锅炉的安全经济运行。

Description

单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法

技术领域

本发明涉及循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，特别是火力发电厂的一种单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，在燃煤煤质发生变化的情况下，适时合理地调整电煤比、一次风量与给煤量的配比，防止高温结焦、提高锅炉热效率。

背景技术

循环流化床锅炉(CFB)是一种低污染、燃料适应性广、负荷调节性能好、燃烧效率高的新型锅炉，己在国内外火电厂中得到越来越广泛的应用。与普通的煤粉锅炉相比，循环流化床锅炉特性上不同于煤粉炉，主要表现在循环流化床锅炉燃烧室内流化层大热容量的热平衡特性，这种特性及其随运行工况不同而变化的特性，造成了循环流化床锅炉燃烧过程实现自动控制的困难，已成为其推广应用的主要障碍。循环流化床锅炉实现自动控制需要克服的困难主要是：

(1)循环流化床锅炉是一个非线性、时变、多变量耦合的控制对象，其自动控制系统需要完成比煤粉锅炉更复杂的控制任务；

(2)采用现代控制理论实现自动控制的前提是要求有描述受控对象的较精确的数学模型，而由于循环流化床特性的复杂性，使得难以建立其精确的燃烧数学模型；

(3)由于循环流化床燃烧的复杂性和特殊性，使得对于煤粉锅炉行之有效的常规控制方法，已难以实现循环流化床锅炉的各项控制指标；

(4)由于循环流化床自动控制系统尤其是协调控制系统难以投入自动运行或控制指标较差，使得该类型机组无法投入自动发电控制（AGC），往往带基本负荷运行。国内循环流化床机组协调控制系统的设计大多沿用普通煤粉锅炉的设计理念，即采用“直接能量平衡（DEB）”的控制策略，有的采用的是TFCCS方式，由锅炉根据机组负荷指令调节给煤量，汽轮机调节主蒸汽压力。但这两种控制方式都是负荷控制指标差，无法满足AGC运行的要求。中国专利申请号：03143920.9公开了一种“循环流化床锅炉燃烧优化控制系统”该专利以锅炉蒸汽的压力或温度为设定值，优化粒子浓度、风量和给煤量，达到稳定燃烧与节能的目标；中国专利申请号：200810022316.5公开了一种“循环流化床锅炉燃烧优化与诊断方法”，该专利根据实时运行数据建立神经网络模型和采集燃料化学分析值及其它人工实测值，利用反平衡法计算锅炉热效率，作为优化调整和诊断的依据。王德文等提出利用蒸汽煤量比作为热效率，采用自寻优算法优化风煤配比，实现循环流化床锅炉的燃烧优化（王德文等，模糊控制在循环流化床锅炉燃烧控制系统中的应用，电力情报，1997.4 : 47 -50 ）。从测试的结果上来看都不能满足AGC测试规范的要求的2%Pe/min的变负荷速率，10%Pe负荷变动幅度的负荷变动试验及负荷跟随试验的测试要求，负荷控制精度和压力控制精度都远远不能满足电网的要求，而且给锅炉的安全带来很大的危险，不能长期连续地投入运行。对于单床、无外置床的锅炉特别是煤质变化的情况床温不能得到有效的保证，主汽压力和负荷精度不能得到有效的保证，影响机组的安全运行。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，在不以牺牲机组响应时间、机组负荷控制精度和负荷调节幅度及响应速率的前提下，在燃煤煤质发生变化的情况下，适时合理地调整电煤比、一次风量与给煤量的配比，防止高温结焦、提高锅炉热效率，确保汽机的机前压力满足负荷的要求和稳定的床温，满足在变负荷的情况下满足电网的变负荷的速率和幅度并保证锅炉的安全经济运行。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，包括以机炉手动方式、锅炉跟随方式、汽机跟随方式、以锅炉跟随为基础的协调控制方式和自动运行方式构建间接能量平衡的锅炉主控指令；在不以牺牲机组响应时间、机组负荷控制精度和负荷调节幅度及响应速率的前提下，维持煤床温度在800℃至900℃正常的范围内，满足电网的调度需求；所述手动方式根据实际的给煤量和一次风量修正电煤比曲线和煤风比曲线，在自动方式下锁定手动情况下电煤的比例关系和煤风的比例关系，通过床温调节器自动修正电煤比曲线和煤风比曲线，当床温高于床温设定值时减少给煤量并增加一次风量，当床温低于床温设定值时增加给煤量减少一次风量，最终维持床温的相对稳定；所述锅炉主控指令中依靠锅炉主控的静态前馈的加速、锅炉主控负荷动态前馈的加速以及压力动态前馈的加速加快锅炉的响应，在床温发生变化的情况下，通过床温调节器联调电煤比及一次风量与煤的比例关系，维持煤床温度在正常范围内，实现自动适应煤质变化保持主汽压力的稳定。

所述锅炉主控的静态前馈的加速是：机组升负荷时为1.5倍的基本变负荷速率生成机组目标负荷的锅炉侧的负荷指令，机组降负荷时为两倍的基本变负荷速率生成机组目标负荷的锅炉侧的负荷指令，所述的基本变负荷速率是机组额定功率的2%。

所述锅炉主控负荷动态前馈的加速是：目标负荷减去速率限制后负荷指令的微分，通过限制微分前馈的上下限的幅度构成负荷变动时间和量值的基本参考点，负荷变动的幅度越大动态前馈的时间越长；负荷变动幅度通过折线函数不同的变负荷幅度形成不同的前馈修正系数，在不同的负荷段形成不同的负荷动态的修正系数，二者的负荷修正系数的积形成负荷动态前馈。

所述压力动态前馈的加速是：即在90%额定发电功率以下的负荷段在机组采用变压运行方式下同时进行两种的变化即负荷变化给定和主汽压力变化给定，由于在负荷变化结束以后变压运行仍然在进行，在没有变负荷的情况下，修改偏置仍然有变压运行的存在，因此参照负荷动态前馈的方式构建锅炉主控变压动态前馈，从而形成变压与变负荷的双前馈。

所述控制方法进一步包括用锅炉主控指令通过折线函数对应一定的一次风量，同时再用锅炉主控的微分作为前馈加在一次风的指令中，形成动静两种指令之和形成一次风量指令，让一次风量率先超调动作，改变锅炉的流化效果，让流化床释放或吸收锅炉的蓄热，加快锅炉的响应，使主汽压力实际值跟随主汽压力给定值的变化，随后锅炉指令改变给煤量，维持床温的相对稳定，达到机组能量的相对平衡，满足机组负荷的变化。

所述控制方法进一步包括针对惯性滞后的循环流化床锅炉则在机前压力曲线后的压力设定值后增加由三个串联的一节惯性环节形成的三节惯性环节，从而达到在变负荷的情况下强化负荷的动态前馈弱化调节器的调节功能。 

本发明的有益效果是，自动化程度高，在燃煤煤质发生变化的情况下，适时合理地调整电煤比、一次风量与给煤量的配比，防止高温结焦、提高锅炉热效率，确保汽机的机前压力满足负荷的要求和稳定的温度，满足在变负荷的情况下满足电网的变负荷的速率和幅度并保证锅炉的安全经济运行。

下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。

附图说明

图1是锅炉主控的构成的SAMA图；

图2是床温调节器的构成及一次风量指令的形成的SAMA图；

图3是锅炉主控主汽压力调节器变参数SAMA图；

图4是燃料主控的SAMA图。

具体实施方式

一种单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，包括以机炉手动方式、锅炉跟随方式、汽机跟随方式、以锅炉跟随为基础的协调控制方式和自动运行方式构建间接能量平衡的锅炉主控指令；在不以牺牲机组响应时间、机组负荷控制精度和负荷调节幅度及响应速率的前提下，维持煤床温度在800℃至900℃正常的范围内，满足电网的调度需求；所述手动方式根据实际的给煤量和一次风量修正电煤比曲线和煤风比曲线，在自动方式下锁定手动情况下电煤的比例关系和煤风的比例关系，通过床温调节器自动修正电煤比曲线和煤风比曲线，当床温高于床温设定值时减少给煤量并增加一次风量，当床温低于床温设定值时增加给煤量并减少一次风量，最终维持床温的相对稳定；所述锅炉主控指令中依靠锅炉主控的静态前馈的加速、锅炉主控负荷动态前馈的加速以及压力动态前馈的加速加快锅炉的响应，在床温发生变化的情况下，通过床温调节器联调电煤比及一次风量与煤的比例关系，维持煤床温度在正常范围内，实现自动适应煤质变化保持主汽压力的稳定。

其中，所述锅炉主控的静态前馈的加速是：机组升负荷时为1.5倍的基本变负荷速率生成机组目标负荷的锅炉侧的负荷指令，机组降负荷时为两倍的基本变负荷速率生成机组目标负荷的锅炉侧的负荷指令，所述的基本变负荷速率是机组额定功率的2%。

其中，所述锅炉主控负荷动态前馈的加速是：目标负荷减去速率限制后负荷指令的微分，通过限制微分前馈的上下限的幅度构成负荷变动时间和量值的基本参考点，负荷变动的幅度越大动态前馈的时间越长；负荷变动幅度通过折线函数不同的变负荷幅度形成不同的前馈修正系数，在不同的负荷段形成不同的负荷动态的修正系数，二者的负荷修正系数的积形成负荷动态前馈。

其中，所述压力动态前馈的加速是：即在90%额定发电功率以下的负荷段在机组采用变压运行方式下同时进行两种的变化即负荷变化给定和主汽压力变化给定，由于在负荷变化结束以后变压运行仍然在进行，在没有变负荷的情况下，修改偏置仍然有变压运行的存在，因此参照负荷动态前馈的方式构建锅炉主控变压动态前馈，从而形成变压与变负荷的双前馈。

其中，所述控制方法进一步包括用锅炉主控指令通过折线函数对应一定的一次风量，同时再用锅炉主控的微分作为前馈加在一次风的指令中，形成动静两种指令之和形成一次风量指令，让一次风量率先超调动作，改变锅炉的流化效果，让流化床释放或吸收锅炉的蓄热，加快锅炉的响应，使主汽压力实际值跟随主汽压力给定值的变化，随后锅炉指令改变给煤量，维持床温的相对稳定，达到机组能量的相对平衡，满足机组负荷的变化。

在135MW、150MW及300MW机组上采用本实施例控制方案，选择BFCCS运行方式、滑压运行、采用2%Pe负荷变化速率，在10%Pe的负荷变动幅度作变负荷试验及负荷跟随试验，结果均取得满意的效果，在静态压力控制精度±0.25MPa,负荷控制精度<0.5%Pe,在动态压力控制精度±0.35MPa,负荷控制精度<1%Pe，负荷响应时间低于50s。锅炉压力及床温得到了有效的掌控，机组连续运行，煤耗没有提高，得到了用户的好评。

上述实施例是通过协调控制系统来完成的，其中：

1）协调控制系统中的调节器保持常规设计的机炉手动方式、锅炉跟随方式（BF）、汽机跟随方式（TF）、以锅炉跟随为基础的协调控制方式（BFCCS）四种控制方式；机组正常运行时采用BFCCS方式，此时可投入AGC（自动发电控制）运行；

2）构建间接能量平衡的锅炉主控：以负荷定煤量、以煤量定风量为最佳，联调风煤比保证床温的满足最佳流化效果。

其中，锅炉主控的构成：

如图1所示，锅炉主控由锅炉主控指令的静态前馈、锅炉主控指令的负荷动态前馈、锅炉主控指令的压力动态前馈和主汽压力调节器构成。

1）静态前馈的构成：传统意义上的静态前馈是汽机的负荷指令通过折线函数对应一定的煤量而形成的。这样就只能与变负荷同步进行锅炉动作，因而锅炉总是慢汽机一步。为了达到在锅炉侧先行一步的目的，真正形成前馈，重新构建锅炉的静态前馈，区别与锅炉汽机两侧不同的速率，锅炉侧采用机组的额定功率的2%为基本的变负荷速率，机组升负荷时采用1.5倍的基本变负荷速率、在降负荷时采用两倍与基本变负荷速率，达到先于机组负荷动作的目的，克服锅炉的迟延与滞后。

2）负荷动态前馈的提速与量值的修正：

过去很多对于负荷动态前馈的处理方法采用的是机组负荷指令的微分来构建的，该种方法在亚临界中储式汽包路中是可以运用的，但在循环流化床锅炉来讲则缺点很多，不能够在AGC方式下满足各种负荷变动幅度的需求的，而且不能达到真正意义上的前馈的目的，不能有效地解决循环流化床锅炉迟延与惯性的目的。为此采用了与目标负荷相关联的负荷变动幅度即目标负荷减去速率限制后的负荷指令的微分，通过限制微分前馈的上下限的幅度构成负荷变动的时间和量值的基本参考点，负荷变动的幅度越大动态前馈的时间越长；负荷变动幅度通过折线函数不同的的变负荷幅度形成不同的前馈修正系数，在不同的负荷段形成不同的负荷动态的修正系数，二者的负荷修正系数的积形成最终修正量值，形成真正意义上的负荷动态前馈，确保AGC各种工况的需求，满足各种指标。

3）主汽压力变压运行动态前馈的提速与量值的修正：

机组在机组的变负荷过程中有定压运行和滑压运行两种方式，正常的运行方式采用滑压运行方式，滑压指令的形成是负荷指令通过折线函数形成定-滑-定的两种工作阶段；在90%Pe以下的负荷段在机组采用变压运行方式下同时进行两种的变化即负荷变化给定和主汽压力变化给定，而且在负荷变化结束以后变压运行仍然在进行，在没有变负荷的情况下，运行人员修改偏置仍然有变压运行的存在，因此参照负荷动态前馈的方式构建锅炉主控变压动态前馈，从而形成变压与变负荷的双前馈。

4）主汽压力指令的构成：

一般机组主控主汽压力指令是负荷指令折线函数形成定滑定的主汽压力的给定值，然后经过运行人员设定的速率限制形成主汽压力指令。针对惯性滞后较大的循环流化床锅炉则在机前压力曲线后的压力设定值后增加由三个串联的一节惯性环节形成的三节惯性环节，从而达到在变负荷的情况下强化负荷的动态前馈弱化调节器的调节功能。

锅炉主控压力控制器变参数的构成：

如图3所示，在不同的负荷段、不同的主汽压力指令与实际主汽压力的偏差通过折线函数，不同的偏差对应比例系数、不同的积分时间、不同的微分系数和微分时间。

由于循环流化床锅炉存在着多非线性多耦合的锅炉，从试验中很明显地表现出来的，所以主控压力控制器的PID变参数是控制主汽压力行之有效的办法。对于在不同的负荷段、不同的主汽压力指令与实际主汽压力的偏差通过折线函数，不同的偏差对应比例系数、不同的积分时间、不同的微分系数和微分时间，有效调节主汽压力避免主汽压力的震荡和过调。

一次风量的运用：

如图2所示， 床温调节器的构成：设计意图是通过调整一次风量与给煤量的配比确保主汽压力，维持最佳床温最佳流化；床温设定：负荷指令通过折线函数对应在不同负荷下对应的床温，再对锅炉指令对应的一次风量指令进行乘法修正，最终形成一次风量的指令。

循环流化床机组与正常的燃煤机组相比，其主要的蓄能来自两个方面：一是汽包，二是床料的蓄能。通过对一次风的扰动试验来看，验证了流化床锅炉的大迟延、大惯性的特点。同时从实验结果也看到了床温及床压的变化，尤其是床温的变化很明显，但如果能及时补充煤量，随着能量的相对平衡，床温即可能维持相对的稳定。由此得出结论：一次风的增减直接影响流化床锅炉的流化效果，直接导致锅炉出力的大小，这对机组的变负荷的影响明显。用锅炉主控指令通过折线函数对应一定的一次风量，同时再用锅炉主控的微分作为前馈加在一次风的指令中，形成动静两种指令之和形成一次风量指令，让一次风量率先超调动作，改变锅炉的流化效果，让流化床释放或吸收锅炉的蓄热，使主汽压力实际值跟随主汽压力给定值的变化，随后锅炉指令改变给煤量，维持床温的相对稳定，达到机组能量的相对平衡，满足机组负荷的变化。

煤质变化的解决：

如图4所示， 锅炉指令由于是采用间接能量平衡，锅炉指令就是燃料主控的指令，由于考虑到煤质变化的要求所以锅炉主控指令再经过床温调节器的修正形成燃料主控的最终指令，通过燃料主控调节器调节个给煤机的出力维持燃料的给定。

间接能量平衡的关键是经验曲线，合理有效实时修正经验曲线，是本方案的关键。在手动方式下运行人员手动维持各重要参数在正常的范围内，经验曲线根据实际的两值自动修正电煤比曲线、煤风比曲线；在自动方式下锁定手动情况下的比例关系，依靠调节器自动修正电煤比曲线，煤风比曲线，实现双态自动修正经验曲线，自动适应煤质变化。

循环流化床锅炉运行中对床温要求较高，要求控制在800℃至900℃之间，即钙流化反应的最佳温度，同时NOX排放量最低。从锅炉特性试验结果来看，一次风量对床温影响较大，且与给煤量对床温的影响相反，在调整中充分考虑了给煤量和一次风量的协调动作，以保证变负荷过程中床温的相对稳定，这是流化床机组协调及AGC长期投用的关键。煤质的变化主要在床温上体现出来，主要的原因是一次风量与给煤量比例的失调，由于没有外置床，只有通过调节风煤比例，床温高了减少给煤量增加一次风量，床温低了增加给煤量减少一次风量最终维持床温的相对稳定；然而一次风量的变化随之而来的是主气压力的变化，所以床温的修正系数改变，修正了一次风量的指令，同时反向修正锅炉指令中的动态前馈和静态前馈，这样就形成了“强煤弱风”，实现稳主汽压力保床温的意图“稳压保温”，很好地解决了煤质变化的问题。 

Claims (3)

1.单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，包括以机炉手动方式、锅炉跟随方式、汽机跟随方式、以锅炉跟随为基础的协调控制方式和自动运行方式构建间接能量平衡的锅炉主控指令；在不以牺牲机组响应时间、机组负荷控制精度和负荷调节幅度及响应速率的前提下，维持煤床温度在800℃至900℃正常的范围内，满足电网的调度需求；所述手动方式根据实际的给煤量和一次风量修正电煤比曲线和煤风比曲线，在自动方式下锁定手动情况下电煤的比例关系和煤风的比例关系，通过床温调节器自动修正电煤比曲线和煤风比曲线，当床温高于床温设定值时减少给煤量并增加一次风量，当床温低于床温设定值时增加给煤量并减少一次风量，最终维持床温的相对稳定；其特征在于，所述锅炉主控指令中依靠锅炉主控的静态前馈的加速、锅炉主控负荷动态前馈的加速以及压力动态前馈的加速加快锅炉的响应，在床温发生变化的情况下，通过床温调节器联调电煤比及一次风量与煤的比例关系，维持煤床温度在正常范围内，实现自动适应煤质变化保持主汽压力的稳定；

所述锅炉主控的静态前馈的加速是：机组升负荷时为1.5倍的基本变负荷速率生成机组目标负荷的锅炉侧的负荷指令，机组降负荷时为两倍的基本变负荷速率生成机组目标负荷的锅炉侧的负荷指令，所述的基本变负荷速率是机组额定功率的2%；

所述锅炉主控负荷动态前馈的加速是：目标负荷减去速率限制后负荷指令的微分；

所述压力动态前馈的加速是：在90%额定发电功率以下的负荷段在机组采用变压运行方式下同时进行两种的变化即负荷变化给定和主汽压力变化给定。

2.根据权利要求1所述的单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括用锅炉主控指令通过折线函数对应一定的一次风量，同时再用锅炉主控的微分作为前馈加在一次风的指令中，形成动静两种指令之和形成一次风量指令，让一次风量率先超调动作，改变锅炉的流化效果，让流化床释放或吸收锅炉的蓄热，加快锅炉的响应，使主汽压力实际值跟随主汽压力给定值的变化，随后锅炉指令改变给煤量，维持床温的相对稳定，达到机组能量的相对平衡，满足机组负荷的变化。

3.根据权利要求1所述的单床、无外置床的循环流化床自适应煤质变化协调控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括针对惯性滞后的循环流化床锅炉则在机前压力曲线后的压力设定值后增加由三个串联的一节惯性环节形成的三节惯性环节，从而达到在变负荷的情况下强化负荷的动态前馈弱化调节器的调节功能。