专利名称：负荷大范围变动下的循环流化床锅炉燃烧优化控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种优化控制系统，具体涉及一种负荷大范围变动下的循环流化床锅炉燃烧优化控制系统。
背景技术：
循环流化床燃烧锅炉因其高效、低污染、燃料适应性广等特点，在近十几年来得到了迅速的发展。循环流化床锅炉的燃烧系统较集中地反映了循环流化床的结构特点，其燃烧室与常规的煤粉锅炉的炉膛有较大的差异。典型的循环流化床锅炉分为上、下两部分，燃烧室的上部为氧化燃烧区，下部主要是还原燃烧和固硫区，由布风装置、密相区、床内受热面、气固物料分离装置、返料器等部分组成。其燃烧过程为煤和脱硫剂被送入炉膛后，迅速被炉膛内存在的大量惰性高温物料包围，着火燃烧，发生脱硫反应，并在上升气流作用下向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内布置的其他受热面放热。粗大粒子在被上升气流带入悬浮区后，在重力及其它外力作用下不断减速偏离主气流，并最终形成附壁下降粒子流。被夹带出炉膛的固体粒子随气流进入高温分离器，大量固体物料，包括煤粉和脱硫剂，被分离出来送回炉膛进行循环燃烧和脱硫。未被分离的极细粒子随烟气进入尾部烟道，进一步对受热面、空气预热器等放热冷却，经除尘器后由弓I风机进入烟 排出大气。但是由于循环流化床锅炉燃烧系统是一个多变量、强耦合、纯延迟大、时变的非线性难控系统，因而在负荷有较大波动的工况下，循环流化床锅炉的燃烧自动控制尤其困难。首先，用汽负荷大范围波动下的循环流化床锅炉燃烧控制需满足以下主要目标 1)燃烧的安全性保障料层的完全流化(包括炉膛内及返料器内)，即料层不结焦、返料不中止，而又不能使料层过流化；控制炉内各点温度以保证脱硫效果，且不易熄火或结焦，如床温一般维持在875士25°C。2、维持锅炉出口蒸汽压力的稳定使循环流化床锅炉在不同负荷下都能维持锅炉出口蒸汽压力的稳定，并能平稳的升降负荷。幻保障燃烧的经济性和环保性不同负荷下合理的风煤比(烟气氧含量)，合理的料层厚度(密相区物料量)和循环灰量(稀相区物料量)及炉内各部分温度的调整，保证不同负荷下燃烧的经济性并满足烟气含硫量等排放指标。其次，用汽负荷大范围波动下的循环流化床燃烧控制难点在于判断并控制炉内料层厚度、循环灰量、密相区和稀相区的碳含量。但是这些变量都难以直接测量，如现有方法多采用料层差压来表征料层厚度，由于根据测点两个界面的伯努力方程，料层差压的测量值为料层所产生的静压力和流动阻力之和，在负荷大范围变动的工况下，物料与炉壁和布风板的摩擦阻力不可忽略，所以即使物料量不变，若一次风机加大，流动阻力加大，料层差压也会增大；因而采用单一的料层差压无法准确的表征炉内的料层厚度，不适用于负荷大范围变动的工况。同时，当负荷不同时，循环流化床锅炉本身所需的炉内各部分物料量及其配比也不同，而且各部分物料量及其配比的改变是一个动态的过程，需综合考虑锅炉出口压力的稳定和燃烧的平稳来对给煤、排渣、排灰、一次风、二次风，返料风、引风等多个变量进行协调控制。现有技术无法解决在用汽负荷大范围波动下，保障循环流行化床燃烧的安全性与经济性，并且维持锅炉出口蒸汽压力稳定等问题。 发明内容本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种使循环流化床锅炉在负荷大范围波动的工况下，能够实现长期安全稳定的自动化运行，达到节能减排效果的负荷大范围变动下的循环流化床锅炉燃烧优化控制系统。本实用新型的技术方案如下—种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于它包括DCS系统、优化控制器、专家逻辑判断电路和人机交互模块，其中所述优化控制器包括锅炉负荷调节回路和炉内物料分布估测器；所述DCS系统用于采集锅炉过程数据的测量信号，并向所述锅炉负荷调节回路、炉内物料分布估测器、专家逻辑判断电路输出所述测量信号，根据所述专家逻辑判断电路输入的控制指令，向锅炉输出控制信号；所述人机交互模块向所述锅炉负荷调节回路输入料层温度设定值、出口蒸汽压力设定值和出口氧含量设定值；所述锅炉负荷调节回路向所述炉内物料分布估测器输出一次风量计算值、二次风量计算值和燃料量计算值；所述锅炉负荷调节回路的测量信号输入端连接所述DCS系统的输出端，设定信号输入端连接所述人机交互模块的输出端，临时修正信号的输入端连接所述专家逻辑判断电路的输出端；所述炉内物料分布估测器的输入端连接所述锅炉负荷调节回路和DCS系统的输出端，向所述专家逻辑判断电路输出料层厚度判断结果，其中用以判断炉内料层厚度的床层压降ΔP可表示为ΔΡ = mg+K f (u2, h, i)其中h为频率，u为风量，i为电流，m为床层物料的总质量，κ的取值由现场实际数据拟合；所述专家逻辑判断电路中设置逻辑判断电路，其输入端连接所述炉内物料分布估测器和DCS系统的输出端，根据输入的料层厚度判断结果和测量信号，向所述DCS系统输出最终控制量，并向所述锅炉负荷调节回路输入床温临时修正值和二次风临时修正值。所述锅炉负荷调节回路中包括料层温度调节回路、蒸汽压力调节回路、烟气氧硫含量调节回路。所述锅炉负荷调节回路中包括风煤比PID控制模块和乘法器，由所述DCS系统向所述风煤比PID控制模块输入料层温度测量值，由所述人机交互模块输入的料层温度设定值和专家逻辑判断电路输入的料层温度临时修正值作为反馈，所述风煤比PID控制模块向所述乘法器输出风煤比。所述蒸汽压力调节回路中包括蒸汽压PID控制模块，由所述DCS系统向所述蒸汽压PID控制模块输入出口蒸汽压力测量值，由所述人机交互模块输入的出口蒸汽压力设定值作为反馈，由所述DCS系统输入的出口蒸汽流量测量值作为动态前馈补偿，所述蒸汽压 PID控制模块向所述炉内动力学模型输出一次风量计算值；所述一次风量计算值与所述风煤比同时输入所述乘法器，向所述炉内物料分布估测器输出燃料量。所述烟气氧含量调节回路中包括氧含量PID控制模块，由所述DCS系统向所述氧含量PID控制模块输入出口氧含量测量值，由所述人机交互模块输入出口氧含量设定值作为反馈，由所述DCS系统输入的一次风量测量值和由所述专家逻辑判断电路输入的二次风量临时修正值作为动态前馈补偿，所述氧含量PID控制模块向所述炉内物料分布估测器输出二次风量计算值。所述优化控制器中还包括炉膛负压调节回路，所述炉膛负压调节回路中包括负压 PID控制模块，由所述DCS系统输入炉膛负压测量值，由所述人机交互模块输入的炉膛负压设定值作为反馈，由所述DCS系统输入的一次风机频率、二次风机频率作为前馈，所述负压 PID控制模块向所述DCS系统输出引风机频率。所述最终控制量包括给煤频率、排渣排灰频率、一次反料风机频率、二次反料风机频率。在所述专家逻辑判断电路和DCS系统之间设置燃烧动态校正系统，根据所述专家逻辑判断电路输入的最终控制量和所述DCS系统输入的料层温度测量值校正风煤比。本实用新型的技术效果如下本实用新型的循环流化床锅炉燃烧优化控制系统中，优化控制器包括锅炉负荷调节回路和炉内物料分布估测器；其中锅炉负荷调节回路向炉内物料分布估测器输出一次风量计算值、二次风量计算值和燃料量计算值；炉内物料分布估测器向专家逻辑判断电路输出料层厚度判断结果；专家逻辑判断电路根据输入的料层厚度判断结果和过程数据的测量信号，向DCS系统输出最终控制量，并向锅炉负荷调节回路输入床温临时修正值和二次风临时修正值。根据炉内物料分布估测器中设置炉内动力学模型得出炉内料层厚度的变化趋势，进而推断出密相区、稀相区物料量，物料量结合锅炉设计参数、现场操作经验和DCS系统采集的测量信号，可准确的表征炉内的料层厚度。本实用新型根据循环流化床锅炉燃烧系统多变量、强耦合、纯延迟大、时变等特点，在炉内物料分布估测器中设置了炉内动力学模型，结合专家逻辑判断电路，来估测各部分物料量及碳浓度，动态修正风煤比。只有控制好炉内各主要状态量，如密相区物料量、稀相区物料量、密相区碳浓度、稀相区物碳浓度、密稀相区物料比例，才能很好地控制各被控量，使得循环流化炉可在用汽负荷大范围波动下能长期稳定的投入自动运行，保持锅炉出口蒸汽压力稳定，保障循环流行化床燃烧的安全性与经济性，留出升降负荷的余量，大大提高了循环流化床锅炉燃烧过程的自控系统投运率，避免了手动操作引入的扰动。本实用新型可采用0PC、实时数据库等多种方式与各种DCS、PLC控制系统进行连接，嵌入原有锅炉控制系统，移植、实施方便。可满足热负荷的需要(稳定蒸汽压力)，使锅炉在55% 100%负荷下，控制出口蒸汽压力测量值在设定值的士0. 范围内波动；保证锅炉燃烧过程的经济性，使单位蒸汽耗煤量低于手动操作；维持料层温度测量值在设定值的士25°C范围内波动。
图1是本实用新型的循环流化床锅炉燃烧优化控制系统结构示意图图2是本实用新型的循环流化床锅炉负压调节回路流程SAMA图图3是本实用新型的循环流化床锅炉负荷调节系统流程SAMA图A图4为本实用新型的循环流化床锅炉负荷调节系统流程SAMA图B具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行说明。如图1所示，本实用新型的循环流化床锅炉燃烧优化控制系统包括DCS系统1、优化控制器2、专家逻辑判断电路3、燃烧动态校正系统4和人机交互模块5，其中优化控制器 2包括炉膛负压调节回路21、锅炉负荷调节回路22和炉内物料分布估测器23，其中锅炉负荷调节回路22中又包括料层温度调节回路221、蒸汽压力调节回路222、烟气氧硫含量调节回路223。DCS系统1是一种工业过程控制系统，用于采集循环流化床锅炉中过程数据的测量信号，并将这些测量信号输入到优化控制器2、专家逻辑判断电路3、燃烧动态校正系统4 中进行运算；同时接收燃烧动态校正系统4输出的控制策略，并将这些控制策略转换成控制信号，分别输出到相应的控制器中，对循环流化床锅炉的运行情况进行控制。优化控制器2结合人机交互模块5输入的参数设定值和DCS系统1输入的测量信号，经过其中设置的炉内物料分布估测器23的运算，向专家逻辑判断电路3输出炉内料层的物料量、碳含量以及两者的分布情况等判断结果。专家逻辑判断电路3中内置有不同输入参数范围所对应的控制策略，根据炉内物料分布估测器23输入的判断结果参数落入的范围，综合选择由床温临时修正值、二次风临时修正值等中间量、各最终控制量构成的控制策略。燃烧动态校正系统4通过DCS系统1输入的料层温度测量值，校正一次风量与燃料量的风煤比，通过烟气含氧量校正二次风量与燃料量的风煤比，实时计算当期风煤比，当有升降负荷要求时，先按照现有的风煤比作预调，然后根据料层温度、烟气含氧量作校正。操作员通过在人机交互模块5中输入炉膛负压调节回路21的炉膛负压设定值； 以及锅炉负荷调节回路22中料层温度调节回路221的料层温度设定值，蒸汽压力调节回路 222的出口蒸汽压力设定值，烟气氧含量调节回路223的出口氧含量设定值，专家逻辑判断电路3的反料温度设定值、烟气含硫量上限值。系统通过人机交互模块5，实现声音报警、弹出对话框、操作记录、历史曲线对各控制回路进行实时监控。如图2所示，由于炉膛负压调节回路21与其他燃烧回路不存在较强的耦合，因而采用单回路调节方式，由DCS系统1输入炉膛负压测量值、一次风机频率、二次风机频率，由人机交互模块5输入炉膛负压设定值；将炉膛负压测量值输入负压PID控制模块，将炉膛负压设定值作为反馈，一次风频率和二次风频率作为前馈；负压PID控制模块通过DCS系统1 输出引风机频率给外部执行机构，即引风机变频器。根据炉膛负压测量值对一次风机频率、 二次风机频率的动态响应整定前馈参数，根据炉膛负压测量值对引风机频率的动态响应整定负压PID控制模块参数，炉膛负压测量值在设定值的士20 范围内变化。如图3、图4所示，锅炉负荷调节回路22采用复合串级调节方式，由料层温度调节回路221、蒸汽压力调节回路222、烟气氧硫含量调节回路223分别向炉内物料分布估测器 23输入二次风量、燃料量和一次风量。料层温度调节回路221由DCS系统1输入料层温度测量值，由专家逻辑判断电路 3输入料层温度临时修正值，由人机交互模块5输入料层温度设定值；将料层温度测量值进行四选一和滤波处理，将处理后的标准值输入风煤比PID控制模块，料层温度设定值和料层温度临时修正值的和作为反馈，风煤比PID控制模块向乘法器输出风煤比；同时蒸汽压力调节回路222向乘法器输入一次风量计算值，最终乘法器输出燃料量。根据料层温度测量值对风煤比的动态响应特性，整定前馈补偿参数及风煤比PID控制模块参数。蒸汽压力调节回路222由DCS系统1输入出口蒸汽压力测量值和出口蒸汽流量测量值，由人机交互模块5输入出口蒸汽压力设定值；将出口蒸汽压力测量值微分后输入蒸汽压PID控制模块，出口蒸汽压力设定值作为反馈，出口蒸汽流量测量值作为动态前馈补偿，蒸汽压PID控制模块输出一次风量计算值。根据出口蒸汽压力测量值对出口蒸汽流量测量值和一次风量计算值的动态响应特性，整定前馈补偿参数及蒸汽压PID控制模块参数。烟气氧含量调节回路223由DCS系统1输入出口氧含量测量值、一次风量测量值， 由专家逻辑判断电路3输入二次风临时修正值，由人机交互模块5输入出口氧含量设定值； 将出口氧含量测量值输入氧含量PID控制模块，出口氧含量设定值作为反馈，一次风量测量值和二次风临时修正值作为动态前馈补偿，氧含量PID控制模块输出二次风量计算值。 根据出口氧含量测量值对一次风量和对二次风量计算值的动态响应特性，整定前馈补偿参数及氧含量PID控制模块参数。炉内物料分布估测器23由锅炉负荷调节回路22输入一次风量计算值、二次风量计算值与燃料量；配合DCS系统1输入的料层差压、炉膛差压、料层温度、返料温度，一次风机频率、一次风机电流，二次风机频率、二次风机电流，返料风机频率、反料风机电流；上述参数经炉内炉内动力学模型估测炉内料层的物料量、循环灰量，判断炉内现有的物料量 (渣、灰)及物料分布与比例(灰渣比)，是否满足加减负荷(即加减一次风和燃料量)的要求。从理论上分析当床层流化，全部物料颗粒处于悬浮状态，根据床层作受力分析和动量守恒定律，可求出流化床的床层压降为
权利要求1.一种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于它包括DCS系统、优化控制器、专家逻辑判断电路和人机交互模块，其中所述优化控制器包括锅炉负荷调节回路和炉内物料分布估测器；所述DCS系统用于采集锅炉过程数据的测量信号，并向所述锅炉负荷调节回路、炉内物料分布估测器、专家逻辑判断电路输出所述测量信号，根据所述专家逻辑判断电路输入的控制指令，向锅炉输出控制信号；所述人机交互模块向所述锅炉负荷调节回路输入料层温度设定值、出口蒸汽压力设定值和出口氧含量设定值；所述锅炉负荷调节回路向所述炉内物料分布估测器输出一次风量计算值、二次风量计算值和燃料量计算值；所述锅炉负荷调节回路的测量信号输入端连接所述DCS系统的输出端，设定信号输入端连接所述人机交互模块的输出端，临时修正信号的输入端连接所述专家逻辑判断电路的输出端；所述炉内物料分布估测器的输入端连接所述锅炉负荷调节回路和DCS系统的输出端， 向所述专家逻辑判断电路输出料层厚度判断结果，其中用以判断炉内料层厚度的床层压降 ΔP可表示为ΔΡ = mg+κ f (u2, h, i)其中h为频率，u为风量，i为电流，m为床层物料的总质量，κ的取值由现场实际数据拟合；所述专家逻辑判断电路中设置逻辑判断电路，其输入端连接所述炉内物料分布估测器和DCS系统的输出端，根据输入的料层厚度判断结果和测量信号，向所述DCS系统输出最终控制量，并向所述锅炉负荷调节回路输入床温临时修正值和二次风临时修正值。
2.如权利要求1所述的一种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于所述锅炉负荷调节回路中包括料层温度调节回路、蒸汽压力调节回路、烟气氧硫含量调节回路。
3.如权利要求2所述的一种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于所述锅炉负荷调节回路中包括风煤比PID控制模块和乘法器，由所述DCS系统向所述风煤比PID 控制模块输入料层温度测量值，由所述人机交互模块输入的料层温度设定值和专家逻辑判断电路输入的料层温度临时修正值作为反馈，所述风煤比PID控制模块向所述乘法器输出风煤比。
4.如权利要求2所述的一种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于所述蒸汽压力调节回路中包括蒸汽压PID控制模块，由所述DCS系统向所述蒸汽压PID控制模块输入出口蒸汽压力测量值，由所述人机交互模块输入的出口蒸汽压力设定值作为反馈，由所述DCS系统输入的出口蒸汽流量测量值作为动态前馈补偿，所述蒸汽压PID控制模块向所述炉内动力学模型输出一次风量计算值；所述一次风量计算值与所述风煤比同时输入所述乘法器，向所述炉内物料分布估测器输出燃料量。
5.如权利要求2所述的一种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于所述烟气氧含量调节回路中包括氧含量PID控制模块，由所述DCS系统向所述氧含量PID控制模块输入出口氧含量测量值，由所述人机交互模块输入出口氧含量设定值作为反馈，由所述 DCS系统输入的一次风量测量值和由所述专家逻辑判断电路输入的二次风量临时修正值作为动态前馈补偿，所述氧含量PID控制模块向所述炉内物料分布估测器输出二次风量计算值。
6.如权利要求1所述的一种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于所述优化控制器中还包括炉膛负压调节回路，所述炉膛负压调节回路中包括负压PID控制模块， 由所述DCS系统输入炉膛负压测量值，由所述人机交互模块输入的炉膛负压设定值作为反馈，由所述DCS系统输入的一次风机频率、二次风机频率作为前馈，所述负压PID控制模块向所述DCS系统输出引风机频率。
7.如权利要求1所述的一种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于所述最终控制量包括给煤频率、排渣排灰频率、一次反料风机频率、二次反料风机频率。
8.如权利要求1或2所述的一种循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于在所述专家逻辑判断电路和DCS系统之间设置燃烧动态校正系统，根据所述专家逻辑判断电路输入的最终控制量和所述DCS系统输入的料层温度测量值校正风煤比。
专利摘要本实用新型涉及一种负荷大范围变动下的循环流化床锅炉燃烧优化控制系统，其中优化控制器包括锅炉负荷调节回路和炉内物料分布估测器；其中锅炉负荷调节回路向炉内物料分布估测器输出一次风量计算值、二次风量计算值和燃料量计算值；炉内物料分布估测器向专家逻辑判断电路输出料层厚度判断结果；专家逻辑判断电路根据输入的料层厚度判断结果和过程数据的测量信号，向DCS系统输出最终控制量，并向锅炉负荷调节回路输入床温临时修正值和二次风临时修正值。本实用新型根据循环流化床锅炉燃烧系统多变量、强耦合、纯延迟大、时变等特点，在炉内物料分布估测器中设置了炉内动力学模型，结合专家逻辑判断电路，来估测各部分物料量及碳浓度，动态修正风煤比。
文档编号F22B35/00GK202032573SQ20112009443
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者王平, 胡乐, 魏志 申请人:北京三博中自科技有限公司