CN1202371C - 循环流化床锅炉燃烧自动调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，包括排渣量、一次风量、给煤量、二次风量及引风量调节回路，各回路考虑了循环流化床锅炉(CFBB)燃烧系统流动、燃烧、换热等过程的协调，同时还综合考虑了系统被调量之间的相互影响，调节量之间的相互影响，被调量与调节量之间的相互影响。每个回路都针对多变量的综合考虑，并采用了专家系统、模糊控制、复合串级PI调节相结合的方式，中间采用超驰保护、输出限制和闭锁、分配选择、跟踪等保护策略实现人工操作思想，以实现能量、物料及动量的平衡。本系统充分利用了PI调节器的精确性和先进控制的快速性，使自动调节系统能够全部、连续和稳定经济地投入闭环运行。

Description

循环流化床锅炉燃烧自动调节系统

技术领域

本发明涉及一种对固体燃料和空气反应燃烧的工业过程进行自动调节的系统，尤指一种循环流化床锅炉燃烧的自动调节系统。

背景技术

循环流化床锅炉(CFBB)燃烧技术是一项近20年来发展起来的燃煤技术。它具有燃料适应性广、燃烧效率高、环保(氮氧化物排放低，脱硫)、负荷调节比大和负荷调节快等突出优点。

通常，循环流化床锅炉包括风板、炉膛、分离器、返料装置、给煤机、过热器、水冷壁、引风机、一次风机、二次风机、高压风机汽包等部件，其中炉膛有给煤进口、石灰石进料口、一次风入口、二次风入口、排渣口、返料口等。循环流化床锅炉燃烧时，炉膛里有一个相对固定高度的床层，称密相区。进入床层的有新加入的燃料、循环返料和底料，在运行中需维持适当的床层厚度(800mm～1500mm)和床温(850℃～1000℃)，一次风从炉膛底部经动风板吹进炉膛，床层中可燃性物料(煤)有一部分在此处开始与一次风接触燃烧，同时床层中相对细的高温颗粒被一次风吹起流动、流化，部分可燃性物料随着与一次风上升、接触、反应、燃烧，相对燃料量来说一次风提供的风量不足，为了进一步燃烧和换热要在适当炉膛高度加入二次风，二次风补足流化物料中可燃性物料燃烧需要的风量，增加燃料与风量的接触，同时加强对流化物料搅拌混合，增加换热过程系数。离开炉膛出口的气固两相流经过分离器分离，烟气进入烟气通道，固体颗粒作为返料返回炉膛，形成循环流化。锅炉燃料燃烧产生烟气和固体颗粒，产生的热量传递给汽水系统，汽包内的饱和蒸汽经过热器、减温器，形成合格压力和温度的过热蒸汽，蒸汽汇集至蒸汽母管，再供给负荷设备使用。

燃烧调节控制系统的基本任务是使燃料所产生的热量能够适应负荷的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运行。在燃烧过程中，负荷和煤种的变化是最主要的外部扰动，一般来说，调节控制系统在外部扰动下要将主汽压力、主汽温度、床温、含氧量、炉膛负压和床压稳定在适当的范围，保持适当的风煤比、一、二次风比、炉膛负压、灰浓度和炉膛出口温度，实现能量平衡、物料平衡和动量平衡，保证锅炉安全经济运行。这些参数的最优值(保护最经济燃烧)大都与负荷有关，可以通过负荷的折线函数来确定。

因为在循环流化床锅炉炉膛内同时进行着物料流动、燃烧、换热。因而循环流化床锅炉内的控制特性是一个大滞后、强耦合、时变的非线性系统。强耦合表现在：一个被调参数同时受到几个调节参数的共同影响，如床层温度要受到给煤量、石灰石供给量，一次风量、返料量及排渣量等多个参数控制；同时，一个调节参数又影响多个被调参数，如给煤量不仅影响主汽压力，还影响床温、炉膛温度、过量空气系统及SO₂含量等参数。大滞后主要反应在燃烧和换热过程中，燃料和空气接触燃烧直到燃烬需要相当长的时间，同时在换热过程中涉及因素和环节比较多，环节的容量大，造成换热大滞后。时变的非线性表现在：当CFBB在燃用不同煤种、不同负荷下其炉内燃烧及换热过程差别很大，相应的一、二次风量分配、风煤分配和灰浓度也不同。如，在燃用低挥发份的无烟煤时一次风率较低，而在燃用高挥发份的烟煤时一次风率较高。同样，同一煤种在不同负荷下其一、二次风的比例也会不同。在目前科技水平上很难建立数学模型及传递函数。

传统循环流化床锅炉燃烧控制策略采用一个调节参数控制一个被调参数或两个调节参数控制一个被调参数等片面的方法来进行控制调节，如“以给煤量来调整负荷，以给风量来调整床温”，这样造成自动调节只能在局部范围、稳定环境下运行。如果负荷或煤种或设备等外扰动发生变化，重要运行参数等内扰动有较大变化时，稳定性、快速性、准确性不能满足现场运行实际要求，造成自动调节不能长期、稳定、安全经济投入。同时原来调节系统的回路也比较紊乱，造成分析问题的出发点、着重点出现偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，能够全部、连续和稳定的投入闭环运行。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，包括排渣量调节回路、一次风量调节回路、给煤调节回路、二次风量调节回路，以及引风量调节回路，所述各调节回路采用网络分层人工智能结构，均包括输入处理部分、调节控制部分和输出处理部分，其中，

所述各调节回路的输入处理部分根据主汽流量、床压、床温、主汽压力、含氧量、炉膛负压及炉膛出口温度的测量信号分别得到主汽流量、床压、床温、主汽压力、含氧量、炉膛负压及炉膛出口温度信号，根据炉膛上下压差测量信号得到炉膛灰浓度信号，根据一次风流量或一次风门开度和风压测量信号得到一次风总量信号，根据二次风流量或二次风门开度和风压测量信号得到二次风总量信号，根据一次风总风量信号和二次风总风量信号之和得到总风量信号，根据汽包压力测量信号得到汽包压力信号，然后对所述汽包压力信号进行微分并乘上汽包容量系数，再与主汽流量信号相加得到锅炉热量信号，并由主汽流量信号计算出相应的床压给定值、主汽压力给定值、床温给定值、氧量给定值、炉膛压力给定值；

所述排渣量调节回路的调节控制部分根据所述床压信号和床压给定值生成的偏差信号，以及床温信号运算得到总排渣量指令，作为输出处理部分的总排渣量反馈控制回路的给定值，然后从该控制回路输出控制信号到相应的执行机构；

所述一次风量调节回路的调节控制部分根据所述主汽压力信号和主汽压力给定值生成的偏差信号，以及锅炉热量信号组成热量需求信号，根据床温信号和床温给定值生成的偏差信号，以及炉膛灰浓度信号组成热量传递信号，上述热量需求信号和热量传递信号生成偏差信号，再和根据床温和床压信号组成的修正信号相加运算得到一次风总风量指令，作为输出处理部分的一次风总风量反馈控制回路的给定值，然后从该控制回路输出控制信号到相应的执行机构；

所述给煤量调节回路的调节控制部分根据主汽压力信号和主汽压力给定值生成的偏差信号，以及锅炉热量信号组成热量需求信号，除以设定的煤质燃烧热值，得到煤量需求信号，根据氧量信号和氧量给定值生成的偏差信号，以及床温、床压信号组成煤量修正信号，一次风总风量信号除以设定的一次风煤比后，和上述两个组成信号共同运算得到总给煤量指令，作为输出处理部分的给煤量反馈控制回路的给定值，然后从该控制回路输出控制信号到相应的执行机构；

所述二次风量调节回路的调节控制部分根据所述主汽压力信号和主汽压力给定值生成的偏差信号，以及锅炉热量信号组成风量需求信号，根据氧量信号和氧量给定值生成的偏差信号，以及总给煤量反馈乘以二次风煤比得到的信号组成二次风量修正信号，根据炉膛出口温度和灰浓度信号得到的输入信号和以上二个组成信号共同运算得到二次风总风量指令，作为输出处理部分的二次风总风量反馈控制回路的给定值，然后从该控制回路输出控制信号到相应的执行机构；

所述引风量调节回路的调节控制部分根据所述炉膛负压信号和炉膛负压给定值生成的偏差信号，以及总风量信号运算得到引风总风量指令，并经输出处理部分输出到相应的执行机构。

综上所述，本发明针对循环流化床锅炉的多变量，强耦合，惯性大、非线性的特点，充分考虑了循环流化床锅炉(CFBB)燃烧系统流动、燃烧、换热等过程的协调，同时还综合考虑了系统被调量之间的相互影响，调节量之间的相互影响，被调量与调节量之间的相互影响。每个回路都针对多变量的综合考虑，调节控制策略采用专家系统、模糊控制、复合串级PI(比例积分)调节相结合的方式来完成，中间采用超驰保护、输出限制、输出闭锁等保护策略来实现人工操作思想，调一调，看一看。这些策略充分利用了比例积分调节器(PI调节器)的精确性和先进控制的快速性。使自动调节系统能够全部、连续和稳定的投入闭环运行，并具有较高的快速性和准确性。

附图说明

图1A、1B、1C分别是本发明实施例排渣量调节回路的输入处理部分、调节控制部分、输出处理部分的控制流程示意图(SAMA图)；

图2A、2B是本发明实施例一次风量调节回路输入处理部分的SAMA图；

图2C是本发明实施例一次风量调节回路调节控制部分的SAMA图；

图2D是本发明实施例一次风量调节回路输出处理部分的SAMA图；

图3A、3B、3C分别是本发明实施例给煤量调节回路的输入处理部分、调节控制部分、输出处理部分的SAMA图；

图4A、4B、4C分别是本发明实施例二次风量调节回路的输入处理部分、调节控制部分、输出处理部分的SAMA图；

图5A、5B、5C分别是本发明实施例引风量调节回路的输入处理部分、调节控制部分、输出处理部分的SAMA图；以及

图6是依照本发明实施例的燃烧自动调节曲线图。

具体实施方式

在现场调节时，当一个被调量变动时，因为被调量是耦合的，要从系统的角度来调节一个或几个调节量来实现调节，在调节时很难判断哪一个被调量占主要位置。因此在本发明中，改变以前以被调量为控制回路命名和主要关注点的作法，采取以调节量为控制回路命名和主要关注点，以满足现场调节要求和符合操作习惯。据此，本发明的燃烧自动调节系统包括：排渣调节回路、一次风量调节回路、给煤调节回路、二次风量调节回路，以及引风量调节回路。为了适应工艺过程的复杂性和多样性，解决调节控制变量的困难，每个方案涉及变量比较多。但每个回路设计的基本出发点是基础的质量守衡、能量守衡和动量守衡。

本发明采用网络分层人工智能结构，把每个调节回路分成三层：输入处理部分(信号处理、保护和报警)，系统调节控制部分，以及输出处理部分(执行处理、保护和报警)。每个回路输入、输出处理部分的原理大致相近。下面将参照附图对各个调节回路进行详细说明。对于各回路相同的功能模块，一般只在一个回路中加以说明。

上述各调节回路均用计算机控制系统来实现，如DCS系统，通过计算机接口采样得到各调节回路的测量信号，本发明的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统处理，再将最后得到的数字控制信号转换为模拟信号后输出至现场执行机构。实施例中的比例积分调节器(PI调节器)、各种传递函数、滤波、加法器、乘法器、无忧切换模块、模糊控制器及软手操器等等模块都是数字控制系统中常用的部件，其调节和整定也十分方便。

排渣调节回路控制

排渣量直接影响到床层的物料平衡和床温，该回路主要的作用是通过调节排渣量以维持床层物料平衡，维持一个稳定的热源。

如图1A所示，排渣量调节回路的输入处理部分中，两个测点的主汽流量测量值滤波去除噪声后，送入流量温压补偿器，综合同一测点的主汽压力、主汽温度信号进行温压补偿，然后再取均值得到主汽流量信号(负荷)。而床压信号(反应床层高度)由两个不同测点的密相区床压测量值进行滤波、取均值得到。床温信号由N个不同点的床温测量值经滤波、取均值而得到。而床压给定值则是将上述得到的主汽流量信号进行折线函数运算而得到的。

滤波环节也可以放在取均值之后再进行，其效果是一样的。而当设备的测点不是两个时，同样取均就可以了。根据实际情况也可以采用取大值、取小值等方法。

为了防止发生事故或事故扩大。本实施例在对信号滤波后，都设置了一个比较器来比较滤波后的信号和原始信号，在正常情况下，两者的差值不大，而在信号丢失等故障情况下，两者的差值会超过设定的范围。这时系统将发生故障的一路信号输入切除并报警，改为直接将另一路输入信号输出(不再取均值)。当然在滤波环节后置时，须采用其它判断手段来检测报警。

而对得到的主汽流量信号、床压信号、床温信号等信号，都在一个比较器上与设置的报警值进行比较，如超出范围就进行工艺报警，工艺报警采用两级报警，一级报警提示，二级报警动作。其它调节回路输入处理部分中的总风量、炉膛负压、氧量、主汽压力、汽包压力、炉膛灰浓度、一次风量、一次风压、一次风温、炉膛出口温度、二次风量、二次风压、二次风温等信号报警和工艺报警方式都是一样的，在其它调节回路中就不再一一叙述。

因为能准确反应负荷大小的物理量应当是蒸汽的质量，蒸汽的质量无法直接测量，只能通过主汽流量来反映，而在不同的温度和压力下蒸汽的密度不同，因此利用同一测点的主汽压力和主汽温度，对主汽流量信号进行校正后可以得到更合适的主汽流量(负荷)信号。以高压(10-160公斤力/厘米²)高温(300-500℃)锅炉的主汽流量补偿公式为例，其中的F11(x，y，z)(图中的Fn()表示相应的函数)计算公式如下：

$F_S=K\sqrt{\frac{182.5\×P\×\mathrm{\ΔP}}{T+166.7-0.56\×P}}$

式中，Fs：主汽流量(单位：T/H)；K：孔板系数；T：主汽温度(单位：℃)；ΔP：主汽流量变送器差压值(单位：公斤力/厘米²)；P：主汽压力值(单位：公斤力/厘米²)。

如图1B所示，在调节控制部分中，床压信号和床压给定值信号一起送入PI调节器进行比较、运算，输出总排渣量的给定值，该PI调节器具有输出范围的限制。为了提高排渣调节回路对床温变化的反应调节速度，本发明将床温信号和它的微分信号送入PI调节器的前馈输入端，工程上可以采用微分器(或PI调节器)作为前馈控制器，而本实施例采用了鲁棒性更好的二维模糊控制器。模糊控制是一种以知识工程为指导的智能控制方法，无需知道被控对象的数据模型，在处理高度复杂性的不确定性方面具有灵活的决策方式和应变能力。本实施例二维模糊控制器的输入是床温信号和床温的微分信号，下表是根据工程实践得到的一个模糊控制表，通过查询，将当前模糊控制器输入变量量化值所对应的控制输出值作为模糊逻辑控制器的最终输出。图中在床温信号、床温微分信号和模糊控制器输出信号后都设了一乘法器，用于乘以某设定系数。

F₁₃(x，Δx)：

本实施例在PI调节器后还串接了PI(比例积分)输出变化限制模块、PI输出闭锁保护模块。其中PI输出变化限制模块用于限制信号变化的步长，将PI调节器的输出值在单位时间内的变化范围作一个约束，使急剧的变化分步完成，这主要是避免产生不必要的扰动。

而PI输出闭锁保护模块则是在输入PI调节器的调节信号的变化超越某一临界值时，将该模块的输出强制为当前值不再变化，这是在多个调节量与被调量之间相互关联的情况下，建立各调节量、被调量之间的约束条件。如在床温已超过一设定值后，需增大排渣量降低床温，如果此时因为床压偏差信号的作用较强，使总排渣量指令不断减小时，就需要通过输出闭锁保护模块将其输出的总排渣量指令强制为当前值不再变化(通过计算机逻辑实现)。

此外，为了在发生工艺报警时，模拟人工操作对调节量进行大幅度快速调整，本发明采用了超驰保护的方式。如图所示，在总排渣量指令输出到输出处理部分之前，设置了床温超驰保护或床压超驰保护，当接收到床温(工艺报警编号为10)或床压(工艺报警编号为13)工艺报警信号后，根据设定的超驰保护曲线，在第一、第二加法器中将输入信号与修正信号相加后再输出，例如，在床压(床层高度)超过下限发生工艺报警时，需迅速减小排渣量以使床压升高，这时可以设定：在调节系统的第一个运算周期将其当前输出值减小20％(通过极性相反的修正信号与输入信号相加实现)，在第二个运算周期将其当前输出值再减小15％，然后是10％、5％等等。从第二加法器的输出端得到的是本实施例的总排渣量指令。

尽管各模块可以根据需要增减和变换，但该调节控制部分要完成的基本功能是根据床压信号和床压给定值生成的偏差信号，以及床温信号进行运算，得到并输出总排渣量指令信号。

如图1C所示，输出处理部分中的总排渣量指令从调节控制部分引来，总排渣量反馈信号根据各排渣机的转速测量值经转速-排渣量转换、取总值后得到。总排渣量指令和反馈值一起送入PI调节器偏差端进行比较、运算，形成单台设备输出指令(即只有一台执行机构时的指令)。本实施例有两台排渣机，因此需对单台设备指令进行两个执行机构的输出分配(一般都是平均分配)。

每一单台设备回路中还设置有一个排渣量-转速变换模块(其变换系数是转换-排渣量变换系数的倒数)，这个模块用来将分配的排渣量信号转换为排渣机的转速控制信号，这个环节也可以综合到输出处理部分的PI调节器中，但是独立出来之后，操作人员可以直接改变该变换的系数，很方便地实现对控制变量的非线性调节，以在一定程度上抵消执行机构非线性的影响。同时，由于两台排渣机的工况可能不同，即对同样的给定信号得到不同的排渣量，这时也可以通过改变该变换系数或进行偏置(如将输入转速指令放大10％)，增大排渣较少的排渣机的转速指令值，使排渣量均衡。

经排渣量-转速变换得到每台排渣机的转速指令，经无扰切换模块输出到软手操器，软手操器的输出再调节排渣机的转速(如输出到排渣机的变频器)，增大或减小排渣量，以维持床层的物料平衡和稳定的热源。

软手操器是在计算机中模拟现场的硬手操器的一种手动自动切换控制模块，主要是为了方便操作人员在控制室内进行手动调节。本实施例中的软手操器除具有手动-自动切换和手动设定输出的功能外，还具有闭锁、输出范围限制等功能，并可以手动增减其设定值，以起到保护执行器的作用。在自动时，输出由系统自动给定，在手动时，则由人工给定。

本实施例在软手操器和排渣量-转速变换模块之间设置了无扰切换模块。该模块能够在手动状态下记录输出信号值，在切换到自动状态时，可以按照设定的规则逐渐完成从手动状态值到自动控制值的过渡，从而避免了切换时输出值的急剧变化带来的扰动等不利影响。本发明实施例的各个调节回路都采用了该模块。

在输出处理部分排渣机转速反馈中，对测得的转速信号滤波后，也设置了一个比较器比较滤波后的信号和原始信号，进行信号报警(回路切除故障信号并报警)。同时，对滤波后的转速反馈信号还在另一个比较器与实时的转速指令(其中的1#和2#排渣机转速指令为对应的软手操器的输入信号，其它调节回路同此)进行比较，如差值超过一定范围，则进行设备报警，并通过软手操器进行闭锁。其它调节回路输出处理部分的引风机转速反馈、给煤机转速反馈、一次风机转速反馈、二次风机转速反馈等信号的报警方式和实现结构也是类似的，在其它回路中就不再一一叙述。

在软手操器输出到执行机构之间，还可以加上一个滤波器，滤除输出信号里的毛刺，以防止执行设备经常振动。

输出处理部分形成了一个以总排渣量为变量的反馈控制回路，其中的排渣量-设备转速变换、无忧切换、软手操器、滤波都是可选用的，在只有一台排渣时当然也不需要进行输出分配。

以上对排渣调节回路中的各环节及这些环节的一些变换做了详细的描述，在其它的调节回路中，这些环节的功能和可能的变换是类似的。

一次风量调节回路控制

一次风量影响着床料的流态化、燃料的燃烧、热量的传递；影响热量平衡(热源的稳定、热量传递)，影响床层物料平衡，又影响炉膛内的速度、浓度和温度分布。所以系统调节控制部分要综合考虑输入各个因素的影响。

如图2A和2B所示，一次风量调节回路的输入处理部分根据主汽流量的折线函数得到一次风量回路的主汽压力给定值和床温给定值(根据主汽流量折线函数得到的主汽压力值都是一样的，只是在不同回路需乘以不同的系数加以换算)；下表中给出了负荷与床温折线函数的一个具体例子。其余参数与负荷的函数都可以直接通过查表来完成。

负荷-床温设定函数F₂₁(x)

负荷T/h	175	190	200	210	215	220	225	230	235
										床温℃	890	905	910	913	915	920	920	925	925

根据两个测点的主汽压力测量值进行滤波、取均值后得到主汽压力信号；根据两个测点的炉膛上下压差值进行滤波、取均值后，再进行压差-灰浓度折线函数的变换得到炉膛灰浓度(稀相区压差)信号；由于蒸汽受热面吸热量可用蒸汽流量和汽包压力的微分信号之和来表达，因此根据两个测点的汽包压力滤波、取均值后得到汽包压力信号，然后通过一个微分器和乘法器(在乘法器中乘上设定的汽包热容量系数)，再在与主汽流量信号相加就得到了锅炉热量信号(Q+C*dPa/dt)。

因为影响燃烧过程的空气量是空气质量而不是空气体积，因此本实施例对一次风流量信号进行温压补偿后得到一次风总量信号(二次风也如此)，其方法与主汽流量的温压补偿类似，而一次风量、一次风压、一次风温都是对两个测点的测量值进行滤波和取均值而得到的；在输入处理部分中，还对床温信号进行工艺报警。但是，设备上没有流量测量仪时，可根据风门开度和风压来近似计算风量。

如图2C所示，一次风量调节控制部分包括第一PI调节器，第二PI调节器和第三PI调节器。其中，主汽压力信号和给定值输入到第一PI调节器的偏差信号输入端，并将锅炉热量信号作为第一PI调节器前馈补偿信号，运算得到热量需求信号。床温信号和给定值送入第二PI调节器偏差信号输入端，将炉膛灰浓度信号作为前馈，组成热量传递信号(反映了能提供的热量值)，这样建立了能量之间的关系，以便适应外扰动负荷的变化。将上述热量需求信号和热量传递信号一起送入第三PI调节器生成偏差信号，并将床温和床压(床高)信号经二维模糊控制器送入第三PI调节器的前馈输入端，通过床温和床压组成修正信号(因为床高/风量反应流化速度)。第三PI调节器的输出也经过变化限制、闭锁保护，以及床温和主汽压力的超驰保护，形成一次风总风量指令。

在输入输出信号相同的情况下，中间环节的模块可以有很多种组合方式，例如锅炉热量信号和炉膛灰浓度信号可以不输入到第一、第二PI调节器的前馈端，而是分别通过一个加法器与第一、第二PI调节器的输出信号相加，把床温床压作为输入的模糊控制器的输出信号也可以通过加法器来与第三PI调节器的输出相加来形成一次风总风量指令。因为这些模块都是通过计算机程序来模拟的，可以理解，在保证的输入信号和信号之间作用关系不变的前提下，可以采用各种类型的运算模块进行处理(并不局限于PI调节器或比例积分微分调节器)，这些运算模块可以用不同的方式组合，都可以实现相同或相似的算法。本发明实施例其它回路的调节控制部分也一样，具体的PI调节器设置数量和连接方式并不局限于实施例中示出的一种。

PI调节器参数的初值可以根据经验设定，下表中给出了一次风量调节回路第一PI调节器(主汽压力)初始设定值的示例，运行时可以根据工程实践进行调整。

算法描述	一次风调节主汽压力
		比例带P	30
积分时间Ti	26
		分离/反向限	100
微分增益Kd	1
		微分时间Td	0
死区/全开关限	0
		输出上限	104000
输出下限	93500
		输出变化率	20
偏差报警限	20
		输出量程上限	220000
输出量程下限	0
		调节器类型	普通式
输出方式	位置式
		动作方向	反作用
跟踪方式	设定跟踪
		过程值输入PV	主汽压力

如图2D所示，输出处理部分中的一次风总风量指令从调节控制部分引来，一次风总风量信号从输入处理部分引来，一起送入PI调节器进行比较、运算，形成单台设备输出指令，并将其分配到两台执行机构回路中，每一单台设备回路中设置一个一次风量-转速变换模块，得到每台一次风机的转速指令，经无扰切换模块输出到软手操器。软手操器输出调节一次风机的转速，增大或减小一次风量。在输出处理部分根据一次风机的转速反馈信号还设置了信号报警和设备报警。这一部分形成了一个以一次风总风量为变量的反馈回路。

有必要说明的是，有的锅炉设备里是通过改变一次风机风门的开度来调节一次风量的，这时需把风量-转速变换模块修改为风量-风门开度变换模块，还要将测速机对转速反馈信号的测量改为阀位的测量值。以下的二次风和引风量回路与此相同。

给煤调节回路控制

给煤影响着稳定燃烧、热量的产生，同时又影响物料和空气的配比。不同的煤质包含不同物质，并且物质含量不同、颗粒大小不同，这是燃烧过程中最大的外界扰动。为了减少外界扰动对系统的影响，调节控制方案需要综合考虑输入各个因素的影响。

如图3A所示，给煤调节回路的输入处理部分根据主汽流量的折线函数得到给煤量回路主汽压力给定值、氧量给定值，根据两个测点的含氧量测量值进行滤波、取均值后得到氧量信号，同时对床温和主汽压力信号进行比较和工艺报警。

如图3B所示，调节控制部分包括第一、第二及第三PI调节器。其中，第一PI调节器根据主汽压力信号和给定值生成偏差信号，并以锅炉热量信号作为前馈信号，运算得到热量需求信号送入乘法器，除以设定的煤质燃烧热值，就得到了根据能量(热量)平衡关系计算出的煤量需求信号。第二PI调节器根据氧量信号和给定值生成偏差信号，以床温和床压信号作为二维模糊控制器的输入，而将模糊控制器的输入作为前馈信号，通过氧量以及床温和床压综合反应煤和一次风比例关系，这样建立了物质之间的关系，其输出的是煤量修正信号。将上述煤量的修正信号和需求信号一起送入第三PI调节器偏差端，将一次风总风量信号送入乘法器，除以设定的一次风煤比后作为前馈信号送入该PI调节器，以建立一次风和煤之间的快速前馈关系。第三PI调节器的输出也经过变化限制、闭锁保护，以及床温和主汽压力的超驰保护，形成总给煤量指令。

如图3C所示，输出处理部分中总给煤量指令从调节控制部分引来，总给煤量反馈值根据多台给煤机的转速测量值进行转速-给煤量转换、取总值后得到。总给煤量指令和反馈值送入PI调节器进行比较、运算，形成单台设备输出指令，并自动进行多台执行机构的输出分配，每一单台设备回路中设置一个给煤量-转速变换模块，得到每台给煤机的转速指令，经无扰切换模块输出到软手操器。软手操器输出调节给煤机的转速，增大或减小给煤量。该部分形成了一个以总给煤量为变量的反馈控制回路。

在这个调节回路的第一PI调节器、第三PI调节器和软手操器都设有跟踪功能，其中第一PI调节器的跟踪端(TRACK端)跟踪第二PI调节器的输出信号，第三PI调节器的跟踪端跟踪总给煤量反馈信号，各软手操器的跟踪端跟踪相应给煤机测速机的转速测量信号，设置这些跟踪信号的都是为了减小信号中断后恢复时的扰动，即从对应信号的当前值开始变化。跟踪设置的原则如果一个PI调节器输出到下一级PI调节器的偏差端，则将它的跟踪端与下一级PI调节器偏差端的另一个输入信号相连，而软手操的跟踪端则与相应执行机构的反馈信号相连，本发明其它调节回路也设置有上述的跟踪功能(有的在图中未示出)。

二次风量调节回路控制

二次风量影响着物料充分燃烧、炉膛内压力、温度场的均匀分布。不同的燃料性质具有不同的燃煤比、配风比。所以调节控制方案要综合考虑输入各个因素的影响。

如图4A所示，二次风量调节回路的输入处理部分根据主汽流量的折线函数得到二次风量回路的主汽压力给定值和氧量给定值；根据两个测点的炉膛出口温度测量值进行滤波、取均值后得到炉膛出口温度信号；二次风总风量的信号是在风量温压补偿器中对二次风量信号进行压力和温度修正后得到的，而二次风量、二次风压、二次风温都是对两个测点的测量值进行滤波和取均值而得到的；在输入处理部分中，还对氧量信号进行工艺报警。

如图4B所示，二次风量调节控制部分包括第一、第二和第三PI调节器。其中，第一PI调节器根据氧量信号和给定值生成偏差信号，通过氧量来反应煤和二次风比例关系，并考虑了二次风煤比这个变系数，将给煤调节回路输出处理部分得到的总给煤量反馈信号乘以设定的二次风煤比，然后作为前馈送入第一PI调节器，这样建立了物质之间的关系，其输出作为二次风量修正信号。第二PI调节器根据主汽压力信号和给定值生成偏差信号，将锅炉热量信号作为前馈，组成风量需求信号。上述风量需求信号和修正信号一起送入第三PI调节器的偏差输入端，并将炉膛出口温度和炉膛灰浓度信号作为二维模糊控制器的输入，该模糊控制器输出信号送入第三PI调节器的前馈输入端，建立快速反馈关系。第三PI调节器的输出经过变化限制、闭锁保护，以及氧量和炉膛出口温度的超驰保护，形成二次风总风量指令。

如图4C所示，二次风总风量指令从调节控制部分引来，二次风总风量信号从输入处理部分引来，一起送入PI调节器进行比较、运算，形成单台设备输出指令，并将其分配到两台执行机构回路中，每一单台设备回路中设置一个二次风量-转速变换模块，得到每台二次风机的转速指令，经无扰切换模块输出到软手操器。软手操器输出调节二次风机的转速，增大或减小二次风量。在输出处理部分还根据二次风机转速反馈信号进行信号报警和设备报警。该部分形成了一个以二次风总量为变量的反馈控制回路。

引风量调节回路

炉膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行，一般要求炉膛压力略低于大气压力，该调节回路主要是维持气体平衡，维持一个稳定的燃烧、流动和换热环境。

如图5A所示，引风量调节回路输入处理部分得到炉膛压力给定值、炉膛负压和总风量信号。其中，炉膛压力给定值由主汽流量和设定的主汽流量与引风量回路炉膛压力折线函数得到；炉膛负压信号由两个测点的炉膛负压测量值经滤波器滤波、取均值后得到；作为前馈信号的总风量由一次风总风量和二次风总风量求和后得到。

如图5B所示，在调节控制部分中，炉膛负压信号与给定值一起送入PI调节器的偏差输入端进行比较、运算，并对运算结果进行变化限制和闭锁。由于总风量发生变化时，需经过一段时间炉膛负压才发生变化，故在引风量控制系统中把总风量和它和微分信号先送入一个二维模糊控制器，该模糊控制器的输出再送入PI调节器的前馈输入端，以提高一、二次风量变化时控制系统响应的快速性。与排渣量调节回路类似，本回路也设置了串接的两个加法器，分别与炉膛负压超弛保护模块和总风量超驰保护模块相连。最后得到引风总风量指令。

如图5C所示，引风总风量指令从调节控制部分引来，总风量信号从输入处理部分引来，一起送入PI调节器进行比较、运算，然后形成单台设备指令，本发明有两台引风机，因此需对单台设备指令进行两个执行机构的输出分配，每一单台设备回路中设置一个引风量-转速变换模块，将引风量指令转换为转速指令输出到软手操器。手操器输出再调节引风机的转速，增大或减小引风量，从而控制炉膛负压满足机组运行要求。同时根据引风机转速反馈信号进行信号报警和设备报警。这个部分并非真正的反馈控制回路，因为总风量信号已作为前馈输入，在输出处理部分也可以不设置PI调节器。当设备上设有引风流量测试仪表时，最好将引风量总风量的反馈值与引风总风量指令生成偏差信号。

需要说明的是，在上面的描述中将各测量得到的信号的处理均归在某个调节回路的输入处理部分，事实上很多信号，如主汽压力、主汽流量、床温等等，在几个回路中都作为输入信号参与计算，因此，也可以把上述各个回路的输入处理部分合并起来，作为整个CFBB燃烧自动调节系统的输入处理部分。

综上所述，本发明针对循环流化床锅炉的多变量，强耦合，惯性大、非线性的特点，充分考虑了循环流化床锅炉(CFBB)燃烧系统流动、燃烧、换热等过程的协调，同时还综合考虑了系统被调量之间的相互影响，调节量之间的相互影响，被调量与调节量之间的相互影响。每个回路都针对多变量的综合考虑，调节控制策略采用专家系统、模糊控制、复合串级PI调节相结合的方式来完成，中间采用超驰保护、输出限制、输出闭锁等保护策略来实现人工操作思想，调一调，看一看。这些策略充分利用了PI调节器的精确性和先进控制的快速性，并对各种非正常工况设置了仿人工的自动处理方式。因而，本发明的自动调节系统能够全部、连续和稳定的投入闭环运行。

对于煤种的扰动，在运算中采用预先设定的煤质燃烧值、二次风煤比、一次风煤比等系数进行预先的调整。对于负荷的扰动，通过负荷的折线函数改变各参数的给定值，从而能快速适应外部扰动，并且稳定经济的运行。

图6所示是在循环流化床锅炉上采用本发明实施例的燃烧自动调节回路进行运行实验得到的燃烧自动调节曲线。从图中可以看出，该循环流化床锅炉的燃烧实现了全部、连续和稳定的投入闭环运行。

Claims (10)

1、一种循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，包括排渣量调节回路、一次风量调节回路、给煤调节回路、二次风量调节回路，以及引风量调节回路，其特征在于：所述各调节回路采用网络分层人工智能结构，均包括输入处理部分、调节控制部分和输出处理部分，其中，

所述各调节回路的输入处理部分根据主汽流量、床压、床温、主汽压力、含氧量、炉膛负压及炉膛出口温度的测量信号分别得到主汽流量、床压、床温、主汽压力、含氧量、炉膛负压及炉膛出口温度信号，根据炉膛上下压差测量信号得到炉膛灰浓度信号，根据一次风流量或一次风门开度和风压测量信号得到一次风总量信号，根据二次风流量或二次风门开度和风压测量信号得到二次风总量信号，根据一次风总风量信号和二次风总风量信号之和得到总风量信号，根据汽包压力测量信号得到汽包压力信号，然后对所述汽包压力信号进行微分并乘上汽包容量系数，再与主汽流量信号相加得到锅炉热量信号，并由主汽流量信号计算出相应的床压给定值、主汽压力给定值、床温给定值、氧量给定值、炉膛压力给定值；

所述排渣量调节回路的调节控制部分根据所述床压信号和床压给定值生成的偏差信号，以及床温信号运算得到总排渣量指令，作为输出处理部分的总排渣量反馈控制回路的给定值，然后从该控制回路输出控制信号到相应的执行机构；

所述一次风量调节回路的调节控制部分根据所述主汽压力信号和主汽压力给定值生成的偏差信号，以及锅炉热量信号组成热量需求信号，根据床温信号和床温给定值生成的偏差信号，以及炉膛灰浓度信号组成热量传递信号，上述热量需求信号和热量传递信号生成偏差信号，再和根据床温和床压信号组成的修正信号相加运算得到一次风总风量指令，作为输出处理部分的一次风总风量反馈控制回路的给定值，然后从该控制回路输出控制信号到相应的执行机构；

所述给煤量调节回路的调节控制部分根据主汽压力信号和主汽压力给定值生成的偏差信号，以及锅炉热量信号组成热量需求信号，除以设定的煤质燃烧热值，得到煤量需求信号，根据氧量信号和氧量给定值生成的偏差信号，以及床温、床压信号组成煤量修正信号，一次风总风量信号除以设定的一次风煤比后，和上述两个组成信号共同运算得到总给煤量指令，作为输出处理部分的给煤量反馈控制回路的给定值，然后从该控制回路输出控制信号到相应的执行机构；

所述二次风量调节回路的调节控制部分根据所述主汽压力信号和主汽压力给定值生成的偏差信号，以及锅炉热量信号组成风量需求信号，根据氧量信号和氧量给定值生成的偏差信号，以及总给煤量反馈乘以二次风煤比得到的信号组成二次风量修正信号，根据炉膛出口温度和灰浓度信号得到的输入信号和以上二个组成信号共同运算得到二次风总风量指令，作为输出处理部分的二次风总风量反馈控制回路的给定值，然后从该控制回路输出控制信号到相应的执行机构；

所述引风量调节回路的调节控制部分根据所述炉膛负压信号和炉膛负压给定值生成的偏差信号，以及总风量信号运算得到引风总风量指令，并经输出处理部分输出到相应的执行机构。

2、如权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述输入处理部分中，对各测量信号均进行滤波处理，对多测点的测量信号作取均值处理，对主汽流量信号、一次风总风量信号、二次风总风量信号均进行温压补偿，并设置有信号报警和工艺报警。

3、如权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述总排渣量、一次风总风量、给煤量及二次风总风量输出处理部分均包括一个比例积分调节器，其偏差输入端分别接受总排渣量、一次风总风量、给煤量及二次风总风量指令和反馈信号，上述比例积分调节器的输出信号通过一分配模块形成对应于单台执行机构的控制信号。

4、如权利要求3所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述排渣量、一次风量、给煤量、二次风量及引风量调节回路的执行机构分别为排渣机、一次风机、给煤机、二次风机及引风机，所述对应于单台执行机构的控制号还经过控制量-转速变换模块生成转速控制信号，且该模块的变换系数可以手动整定。

5、如权利要求3所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述控制信号输出到执行机构之前，还经过一软手操器模块，该模块具有手动-自动切换和手动设定输出、闭锁及输出范围限制功能，并可以手动增减其设定值。

6、如权利要求5所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述在所述软手操器模块之前还设有一无忧切换模块，可使手动自动切换时信号按设定的规则过渡。

7、如权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述排渣量、一次风量、给煤量、二次风量和引风量调节回路的调节控制部分输出指令到输出处理部分前，均设有闭锁保护模块。

8、如权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述排渣量、一次风量、给煤量、二次风量和引风量调节回路的调节控制部分在输出指令到输出处理部分前，均设有两个用于超驰保护的加法器，其中排渣量、一次风量、给煤量、二次风量和引风量调节回路中分别实现对床温和床压、主汽压力和床温、主汽压力和床温、氧量和炉膛出口温度、总风量和炉膛负压的超驰保护。

9、如权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述各调节回路的调节控制部分采用比例积分调节器对各信号进行组合运算，其中各信号和它们的给定值均一起送入比例积分调节器的偏差输入端，而排渣量调节回路的床温信号和它的微分信号、一次风量调节回路的床温信号和床压信号、给煤量调节回路的床温信号和床压信号、二次风量调节回路的炉膛出口温度信号和灰浓度信号以及排渣量调节回路的总风量信号和它的微分信号均分别作为一个二维模糊控制器的两个输入信号，各二维模糊控制器的输出信号再输入比例积分调节器参与运算。

10、如权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧自动调节系统，其特征在于，所述各调节回路中，输出信号到下一级比例积分调节器偏差端的比例积分调节器的跟踪端与下一级比例积分调节器偏差端的另一个输入信号相连，软手操器的跟踪端则与相应执行机构的反馈信号相连。

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