CN103727531B - 一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法，该方法根据布风板特性数据拟合函数及实际一次风量计算布风板压降，进一步获得更准确衡量床料量的修正床压降；以两侧修正床压降差作为反馈量，利用自抗扰控制算法，计算主动一次风设定值修正；将总一次风量设定值的1/2分别加减修正量作为调节两侧风量的两个控制器设定值，通过此两个调节器控制两侧一次风调门开度；将炉膛进出口总压降加正偏置量作为调节风压的控制器设定值，与一次风母管压力反馈比较，通过该调节器控制一次风机导叶开度，提供足够的风压，配合一次风量控制正常运行。本发明所设计的一次风控制系统，可自动调节床料平衡，有效缩短床料不平衡对系统造成不良影响的持续时间。

Description

一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法

技术领域

本发明涉及循环流化床锅炉机组控制技术领域，尤其涉及一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法。

背景技术

从能源结构角度来说，我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，而煤在燃烧过程中，尤其是燃烧效率不够高时，会产生的大量的灰渣、粉尘、废水、SO₂、NO_x等污染物，如未能妥善处理，将会严重的干扰生态环境，甚至造成永久性的破坏。此外，虽然中国煤炭资源丰富，但突出特点为种类多样化，且优质焦煤较为稀缺，因此对燃煤锅炉的燃料适应性提出了更高的要求；从长远角度考虑，优质煤必然将成为稀缺品种，剩余的劣质煤比例会逐渐增大，这对发电机组选用的设备也提出了更大的挑战。循环流化床锅炉（CFBB：CirculatingFluidizedBedBoiler）是洁净煤发电技术之一，集洁净燃烧、降低污染排放、利于资源循环利用等优点于一体，相较于其他清洁煤燃烧技术而言，具有成本相对较低，多地域可实现性强的优势，并能适应以上所述的中国当前煤炭现状，因此目前在我国的发电领域正迅速发展。

循环流化床锅炉不同于普通煤粉炉，因其特有的流化床燃烧方式，与传统煤粉炉具有很大不同，因此在风煤配合的运行方式上与普通煤粉炉有较大的区别，并且国内外CFBB技术较煤粉炉而言尚不成熟，在运行手段、控制方式等方面都有待研究。因此研究循环流化床锅炉，尤其是新型大型化的循环流化床锅炉机组的相关控制问题具有很大意义。随着循环流化床锅炉大型化发展，锅炉容量逐渐增大，循环流化床的炉膛截面尺寸较大，增大了二次风穿透床料射入炉膛中心的阻力。为了解决二次风穿透问题,改善炉膛内燃料和二次风的混合，Alstom公司采用了裤衩腿型的炉膛结构。国内投入工业应用的300MW循环流化床锅炉很大一部分也采用了裤衩腿型的炉膛结构，又由于其在炉膛放大方面具有的明显优势，该结构也成为600MW超临界循环流化床锅炉的首选炉型。但是，该炉型存在特有的“翻床”现象，即，由于炉内物料流化过程中的流体动力学特性和压降特性，两侧的不平衡因素的扰动会导致两侧物料浓度不平衡，最终发生物料都偏向裤衩腿一侧，另一侧被吹空的现象，该过程中，两侧温度、流化状态等发生恶劣变化，甚至导致停炉等安全事故，不利于锅炉运行的经济性和安全性。因此对床料平衡影响最大的一次风控制策略研究，对“翻床”现象的抑制和避免起到非常重要的作用。

现有的裤衩腿型CFB机组一次风控制系统设计，一部分尚未针对“翻床”问题做出相应改进，主要仅依靠左右侧独立的两个控制器进行一次风量的控制，在发生物料不平衡时往往无法及时进行纠正；另一部分控制系统的设计虽针对床料平衡问题进行了部分改进，例如加入两侧一次风调门开度的相应补偿或修正，但大多基于现场经验，依赖人工判断和调整，进行两侧风量的补偿，未能充分利用自动控制的优势，方法适用性不强，对操作员的技能依赖性较高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法，以改进现有的一次风控制技术，有效减少“翻床”事故发生的可能性。

本发明的技术方案如下：一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）根据布风板压降特性实验数据，采用线性插值拟合得到布风板压降与一次风量的函数关系Δp_ad=f(v_pa)，以炉膛底部两侧一次风量测量值v_{pa_1}和v_{pa_2}作为函数自变量，实时计算两侧近似的布风板压降Δp_{ad_1}=f(v_{pa_1})和Δp_{ad_2}=f(v_{pa_2})；再利用布风板压降与炉膛两侧入口测点至出口测点的总压降Δp_{pt_1}和Δp_{pt_2}求差，得到修正床压降，即Δp_{mod_1}=Δp_{pt_1}-f(v_{pa_1})和Δp_{mod_2}=Δp_{pt_2}-f(v_{pa_2})；

2）将步骤1）中计算所得的修正床压降求差，得到Δp_{mod_1}-Δp_{mod_2}；利用一阶线性自抗扰控制算法，设计主动风量设定值修正控制器，以y=Δp_{mod_1}-Δp_{mod_2}作为该控制器的过程变量输入，所述控制器设定值恒定为0，即r=0，通过该控制器的计算输出得到一次风量设定值修正量u_{_ADRC}；

3）以总一次风量设定值r_pa的1/2分别作为第一PI控制器和第二PI控制器的两侧风量一次风量原始设定值；将步骤2）中计算所得的一次风量设定值修正量u_{_ADRC}分别加减两侧一次风量原始设定值，得到第一PI控制器和第二PI控制器的实际设定值输入，即和将两侧裤衩腿下部炉膛入口处测得的实际一次风量值v_{pa_1}和v_{pa_2}分别作为第一PI控制器和第二PI控制器的过程变量值输入，计算得到第一PI控制器和第二PI控制器的输出值u_{pa_1}和u_{pa_2}，进而调整两侧风道燃烧器一次热风调门开度；

4）将步骤1）中的总压降Δp_{pt_1}和Δp_{pt_2}中的较大值加正裕量值b_ppa，作为控制一次风机导叶开度的第三PI控制器的设定值输入，即r_ppa=max(Δp_{pt_1},Δp_{pt_2})+b_ppa，此处正裕量b_ppa的大小根据实际机组情况进行调整，需使得风量调整过程中一次热风调门开度保持30%—40%；采集现场测得的热一次风母管压力y_ppa作为第三PI控制器的过程变量值输入，计算得到第三PI控制器输出值u_fan，进而调整两侧一次风机导叶开度。

上述技术方案中，所述的一阶线性自抗扰控制算法包括以下步骤：

1）设计线性扩张状态观测器，以过程变量值y=Δp_{mod_1}-Δp_{mod_2}和一次风量设定值修正量u_{_ADRC}为输入，以y的跟踪值z₁和系统所受总扰动z₂的观测值为输出，具体数学模型形式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_1=z_2+{\mathrm{\β}}_1(y-z_1)+b_0{u}_{\_\mathrm{ADRC}}\\ {\stackrel{\·}{z}}_2={\mathrm{\β}}_2(y-z_1)\end{array}\right.$

其中，β₁，β₂及b₀为观测器的系数；

2）根据线性扩张状态观测器实时估计出的系统所受总扰动z₂进行扰动前馈补偿，得到最终控制量，实现自抗扰功能，设计控制律为如下形式：

$u_{\_\mathrm{ADRC}}=\frac{k_p(r-z_1)-z_2}{b_0}$

其中，k_p为控制律的系数，r为主动风量设定值修正控制器的设定值0。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本发明在原一次风量控制基础上，加入根据床料量差自动调整的两侧一次风量设定值偏差，结合原始一次风量设定值，控制两侧一次风调门开度，并通过改进控制风机导叶开度的控制器设定值，提供足够的一次风压。在初始物料不平衡以及单侧风量控制发生一定时间故障而造成物料不平衡的情况下，本发明的控制方法具有较快的一次风量调节能力，比未经改进的一次风量控制方法具有更短的两侧床料、床压及一次风恢复平衡时间，缩短炉膛两侧床料量不平衡对系统造成恶劣影响的时间；同时减小控制器输出的波动时间，有助于减小翻床发生的可能性，同时降低执行机构能耗，提升系统的安全性及节能型。

附图说明

图1为裤衩腿型循环流化床锅炉一次风系统示意图。

图2为裤衩腿型循环流化床锅炉机组主动设定值修正一次风控制策略结构。

图3为一阶线性自抗扰控制器原理图。

图中：1-炉膛出口；2-左侧旋风分离器；3-右侧旋风分离器；4-炉膛出口压力测点；5-左右两侧横向物料交换；6-左侧物料（煤颗粒、石灰石等）进口；7-右侧物料（煤颗粒、石灰石等）进口；8-左侧一次风机；9-右侧一次风机；10-左侧一次风机导叶（开度可调）；11-右侧一次风机导叶（开度可调）；12-左一次风道空气预热器；13-右一次风道空气预热器；14-左侧一次热风调门；15-右侧一次热风调门；16-左一次风入口处压力测点；17-右一次风入口处压力测点；18-左侧排渣；19-右侧排渣；20-热一次风母管压力测点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法做详细说明：

本发明所设计的一次风量控制系统，一般需要控制4个调门的开度，在实现过程中，主要包括如图1中所示中两侧两台一次风机的导叶，以及两侧风道燃烧器一次热风调门。其中，两侧风机同时供给两侧一次热风，通过一次风调门之前，两路通道为连通状态，因此两侧一次风机的导叶开度由同一个PI控制器进行控制，即第三PI控制器；左右侧一次风调门需要分别控制进入炉膛两侧的一次风量，因此分别由两个PI控制器发出控制指令，即第一PI控制器和第二PI控制器。

该一次风控制系统总体设计方案如图2所示，其主要设计步骤包括以下几点：

1）由于主动风量设定值修正控制器的过程变量输入需要能够较为准确反映床料量的压降，而现场炉膛左右两侧入口测点至出口测点的总压降Δp_pt实际是包括一次风室、布风板以及炉膛压降的总压降，真正反映床存量的是炉膛压降Δp_ms，一次风室的压降相对于其他两部分可以忽略，但布风板压降Δp_ad不可忽略，且和一次风量成一定函数关系。因此已有一些对“翻床“的判断手段中直接采用Δp_pt来衡量两侧的床料存量，在某些情况下可能会存在较大误差。

本发明中，采用如下方式计算得到修正床压降，以更准确的反映两侧床料量：如图2中虚线框-21部分所示，根据相应机组的布风板特性实验结果，通过布风板压降与一次风量的关系线性插值拟合得出布风板压降与一次风量的函数关系；根据此函数，将循环流化床锅炉炉膛裤衩腿底部左右两侧一次风量测量值v_{pa_1}、v_{pa_2}作为函数自变量，计算左右两侧布风板压降Δp_{ad_1}和Δp_{ad_2}，即：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ad}\_1}=f\left(v_{\mathrm{pa}\_1}\right)\\ \mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ad}\_2}=f\left(v_{\mathrm{pa}\_2}\right)\end{array}\left(1\right)\right.$

从而通过布风板压降Δp_{ad_1}和Δp_{ad_2}与总压降Δp_{pt_1}和Δp_{pt_2}分别求差，得到两侧修正床压降，即：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{mod}\_1}=\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{pt}\_1}-f\left(v_{\mathrm{pa}\_1}\right)\\ \mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{mod}\_2}=\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{pt}\_2}-f\left(v_{\mathrm{pa}\_2}\right)\end{array}\right.\left(2\right)$

根据上述分析，此修正压降可以近似衡量两侧床料量的炉膛压降，即：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ms}\_1}\≈\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{mod}\_1}\\ \mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ms}\_2}\≈\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{mod}\_2}\end{array}\left(3\right)\right.$

2）将步骤1）中计算所得的两侧炉膛压降求差，得到Δp_{mod_1}-Δp_{mod_2}，输入主动风量设定值修正控制器，作为该控制器的过程变量输入，即y=Δp_{mod_1}-Δp_{mod_2}；控制器设定值恒定为0，即r=0，通过该控制器的计算输出得到一次风量设定值修正量u_{_ADRC}。

本发明中，设定值修正的控制器选用一阶线性自抗扰控制算法（LinearActiveDisturbanceRejectionControl,LADRC），该控制算法具有对系统的不确定及未知扰动进行实时估计，并主动补偿的效果，因此具有抗扰能力强、鲁棒性强，且不依赖具体模型进行控制器设计的特点，尤其在快速对象中具有良好的控制效果，适合该床料平衡过程的控制特点。

考虑现场的可实现性，采用形式较为简单，参数易于调整的一阶线性自抗扰控制器，该控制算法原理见图3所示，其中y为过程变量输入，u为控制器输出，r为设定值输入，G_P(s)为被控对象。在该控制算法设计框架下，被控过程被看作一个广义对象：

$\stackrel{\·}{y}=f(y,\stackrel{\·\·}{y},...,t)+\mathrm{bu}\left(4\right)$

其中，y为过程变量，u为控制控制器输出，b为控制量放大系数，f为包含高阶、时变、耦合、非线性等多种不确定性总扰动。

首先设计线性扩张状态观测器（linearextendedstateobserver,LESO）如下形式：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_1=z_2+{\mathrm{\β}}_1(y-z_1)+b_{0}u\\ {\stackrel{\·}{z}}_2={\mathrm{\β}}_2(y-z_1)\end{array}\left(5\right)\right.$

其中，β₁，β₂及b₀为观测器参数，z₁和z₂分别为y和系统总扰动f的跟踪值。

其次，设计控制律为如下形式：

$u=(u_0-z_2)/b_0\left(6\right)$

当参数调整合适，使得z₁和z₂较为准确快速跟踪y和系统总扰动f，b₀接近于b，则过程变量y和虚拟控制量u₀的关系被转化为不含各类未知扰动的纯积分环节：

$\stackrel{\·}{y}=f(y,\stackrel{\·\·}{y},...t,w)+\mathrm{bu}\≈z_2+b(u_0-z_2)/b_0\≈u_0\left(7\right)$

进一步设计虚拟控制量u₀，如以下形式：

$u_0=k_p(r-z_1)\left(8\right)$

其中，k_p为可调参数。最终通过参数调整，可使得预期闭环响应动态为理想的一阶惯性环节特性，从而达到一定的设定值跟踪和抗扰效果。

3）以总一风量设定值r_pa的1/2作为图2中所示的第一PI控制器和第二PI控制器的原始设定值，再将步骤2）中计算所得的一次风量设定值修正量u_{_ADRC}分别加减左右侧控制器原始设定值，得到第一PI控制器和第二PI控制器的实际设定值r_{pa_1}和r_{pa_2}，即：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{pa}\_1}=\frac{1}{2}{r}_{\mathrm{pa}}+u_{\_\mathrm{ADRC}}\\ r_{\mathrm{pa}\_2}=\frac{1}{2}{r}_{\mathrm{pa}}-u_{\_\mathrm{ADRC}}\end{array}\left(9\right)\right.$

将两侧裤衩腿下部炉膛入口处测得的实际一次风量值v_{pa_1}和v_{pa_2}分别作为第一PI控制器和第二PI控制器的过程变量值输入，通过此处两个PI控制器的计算得到u_{pa_1}和u_{pa_2}，分别调整相应侧风道燃烧器一次热风调门开度，第一PI控制器和第二PI控制器的输入输出信号连接方式如图2中虚线框-22所示。

4）为配合一次风量的控制系统在正常范围内工作，需要提供足够的一次风压，需再设计合适的控制器以控制风机导叶开度，即图2中的第三PI控制器。该控制器的输入输出端口信号设计如图2中虚线框-23所示，由于一次风进入布风板之前还需经过一段管道以及空气预热器等压力元件，以及供给压力较实际需求量需具有一定裕量，分别利用两侧裤衩腿下部炉膛入口压力和顶部出口压力差，即总压降Δp_{pt_1}和Δp_{pt_2}的较大值，再加入一定裕量值b_ppa，作为控制一次风机导叶开度的第三PI控制器的设定值输入，即：

$r_{\mathrm{ppa}}=\max (\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{pt}\_1},\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{pt}\_2})+b_{\mathrm{ppa}}\left(10\right)$ 其中，b_ppa为正值，其大小根据实际机组情况进行调整，需使得风量调整过程中一次热风调门开度保持30%—40%，使得一次风量调节能力较强，且节流损失小。采集现场测得的热一次风母管压力y_ppa，作为第三PI控制器的过程变量值输入；进而通过该控制器的计算，得到输出值u_fan，调整两侧一次风机导叶开度。

Claims (2)

1.一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)根据布风板压降特性实验数据，采用线性插值拟合得到布风板压降与一次风量的函数关系Δp_ad＝f(v_pa)，以炉膛底部两侧一次风量测量值v_{pa_1}和v_{pa_2}作为函数自变量，实时计算两侧近似的布风板压降Δp_{ad_1}＝f(v_{pa_1})和Δp_{ad_2}＝f(v_{pa_2})；再利用两侧近似的布风板压降与炉膛两侧入口测点至出口测点的总压降Δp_{pt_1}和Δp_{pt_2}求差，得到修正床压降，即Δp_{mod_1}＝Δp_{pt_1}-f(v_{pa_1})和Δp_{mod_2}＝Δp_{pt_2}-f(v_{pa_2})；

2)将步骤1)中计算所得的修正床压降求差，得到Δp_{mod_1}-Δp_{mod_2}；利用一阶线性自抗扰控制算法，设计主动风量设定值修正控制器，以y＝Δp_{mod_1}-Δp_{mod_2}作为该控制器的过程变量输入，所述控制器设定值恒定为0，即r＝0，通过该控制器的计算输出得到一次风量设定值修正量u_{_ADRC}；

3)以总一次风量设定值r_pa的1/2分别作为第一PI控制器和第二PI控制器的两侧一次风量原始设定值；将两侧一次风量原始设定值分别加减步骤2)中计算所得的一次风量设定值修正量u_{_ADRC}，得到第一PI控制器和第二PI控制器的实际设定值输入，即和将炉膛底部两侧一次风量测量值v_{pa_1}和v_{pa_2}分别作为第一PI控制器和第二PI控制器的过程变量值输入，计算得到第一PI控制器和第二PI控制器的输出值u_{pa_1}和u_{pa_2}，进而调整两侧风道燃烧器一次热风调门开度；

4)将步骤1)中的总压降Δp_{pt_1}和Δp_{pt_2}中的较大值加正裕量值b_ppa，作为控制一次风机导叶开度的第三PI控制器的设定值输入，即r_ppa＝max(Δp_{pt_1},Δp_{pt_2})+b_ppa，此处正裕量b_ppa的大小根据实际机组情况进行调整，需使得风量调整过程中一次热风调门开度保持30％—40％；采集现场测得的一次热风母管压力y_ppa作为第三PI控制器的过程变量值输入，计算得到第三PI控制器输出值u_fan，进而调整两侧一次风机导叶开度。

2.根据权利要求1所述的一种裤衩腿型循环流化床锅炉床料平衡的控制方法，其特征在于：步骤2)中所述的一阶线性自抗扰控制算法包括以下步骤：

1)设计线性扩张状态观测器，以过程变量值y＝Δp_{mod_1}-Δp_{mod_2}和一次风量设定值修正量u_{_ADRC}为输入，以y的跟踪值z₁和系统所受总扰动z₂的观测值为输出，具体数学模型形式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_1=z_2+{\mathrm{\β}}_1\left(y-z_1\right)+b_0{u}_{\_ADRC}\\ {\stackrel{\·}{z}}_2={\mathrm{\β}}_2\left(y-z_1\right)\end{array}\right.$

其中，β₁，β₂及b₀为观测器的系数；

2)根据线性扩张状态观测器实时估计出的系统所受总扰动z₂进行扰动前馈补偿，得到最终控制量，实现自抗扰功能，设计控制律为如下形式：

$u_{\_ADRC}=\frac{k_p(r-z_1)-z_2}{b_0}$

其中，k_p为控制律的系数，r为主动风量设定值修正控制器的设定值0。