循环流化床锅炉燃烧系统优化控制研究

韩璞，周鹏远，张伦

（1.河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心（华北电力大学），河北保定071003；2.神华神东电力新疆准东五彩湾发电有限公司，新疆昌吉831100）

循环流化床锅炉燃烧系统优化控制研究

韩璞1，周鹏远1，张伦2

（1.河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心（华北电力大学），河北保定071003；2.神华神东电力新疆准东五彩湾发电有限公司，新疆昌吉831100）

循环流化床锅炉燃烧被控对象有着非线性、时变性及多变量强耦合的特点，寻常的控制方式难以达到理想的控制效果。通过利用一次风调节的快速性来控制床温，利用调节给煤机的供给速度来控制主汽压，以此对原有DCS中床温控制回路和主蒸汽压力控制回路的SAMA图进行优化，并将前馈补偿控制的原理运用在燃烧系统控制中。结合上述控制方案，利用粒子群优化算法，对控制器参数进行优化。通过对优化前后的控制效果图进行比较，优化后的控制系统不仅能提高锅炉控制系统的自动化水平，还对减排降耗提高能源利用率具有重要意义。

循环流化床；主蒸汽压力；床温；粒子群优化算法；优化控制

0 引言

循环流化床锅炉（CFBB）作为近年来国际上发展起来的新一代燃烧锅炉，具有燃料适应性强、燃烧效率高、氮氧化物排放低、脱硫率高、负荷调节性能好等特点，因而受到了广泛的重视，在电力、供热、工厂蒸汽生产中得到了广泛的应用［1］。

循环流化床锅炉具有多参数、非线性、大惯性以及多变量强关联的复杂系统的特点，使其成为一种很难控制的复杂热工对象［2］。CFB锅炉独有的特点使其控制系统和传统的煤粉炉控制系统存在很多差别，具有众多的输入输出参数，并且参数之间关联度强，这都使得CFB锅炉的控制系统更加复杂，需要实现比传统煤粉炉更加复杂的控制任务［3］。这就需要综合全面地分析循环流化床的特点，还要引进新的切实可行的控制策略来改进循环流化床的控制系统，实现对锅炉安全可靠的控制，提高燃烧效率，保证稳定的带负荷能力，在提高整个系统的经济性的同时提高能源的利用率［4］。

本文主要研究的控制对象是CFBB燃烧系统的主蒸汽压力和床层温度，通过利用一次风调节的快速性来控制床温，利用调节给煤机的供给速度来控制主汽压，以此对原有DCS中床温控制回路和主蒸汽压力控制回路的SAMA图进行优化，并将前馈补偿控制的原理运用在燃烧系统控制中。利用粒子群优化算法，对控制器参数进行了优化。通过对优化前后的控制效果图进行比较，优化后的控制系统不仅能提高锅炉控制系统的自动化水平，还对减排降耗提高能源利用率具有重要意义。

1 主蒸汽压力控制

维持主蒸汽压力的稳定是循环流化床锅炉燃烧控制的一个重要目标，对其控制是为了使主蒸汽压力的变化跟随负荷的需求。主蒸汽压力是通过控制过热器出口汽压或母管汽压来实现，在只有一台锅炉运行时，主蒸汽压力是通过过热器出口压力控制实现；当几台锅炉并列运行，则通过母管汽压调节实现。在锅炉运行中，如果出现主蒸汽压力波动的情况，说明产汽量和耗汽量不能匹配，需要采取措施来实现主蒸汽压力的稳定［5］。主蒸汽压力的控制主要是通过调节燃料量来实现。

2 主蒸汽压力优化控制系统

2.1 主蒸汽压力优化控制回路

循环流化床锅炉的一个重要指标就是主蒸汽压力，主蒸汽压力会随负荷的变化而变化，通常是通过调节燃料量使得燃料燃烧释放的热量符合负荷的要求，从而保证主蒸汽压力的稳定。由于燃料量的变化会引起锅炉其他热工参数的变化，因此燃料量的控制对整个锅炉控制来说非常重要。主蒸汽压力的优化控制回路如图1所示，采用前馈—反馈控制回路，主汽压调节器采用PID调节器。

图1 主蒸汽压力优化控制回路

图2 主蒸汽压力前馈控制SAMA图

选取给煤机的给煤量为控制量，被控量为主蒸汽压力，而床温和管路中的主蒸汽流量作为前馈信号，通过图2的前馈SAMA图可以清楚反映出前馈控制的构成。因为床温过高或者过低都会影响锅炉的运行效率，甚至造成安全隐患，床温过高可能会导致炉内结焦，影响脱硫效率；温度过低会降低炉内的燃烧效率，严重时会造成灭火事故，因此需选择床温作为前馈信号。主蒸汽流量的波动会影响锅炉的经济性，因此需选其作为前馈信号来避免波动的发生。

通过图3主蒸汽压力优化控制回路SAMA图，可以看出对于主蒸汽压力的控制可以实现手动自动切换。手动自动切换需满足两个条件：PID的输出跟踪手操器的输出；在手动切换自动时，PID的设定值需与此时的过程量相等。PID控制器只有在自动时具有控制作用，此时手操器闲置，对输出量的控制是通过PID控制的输入设定值来实现，PID控制器起到减小设定值和输出值差距的作用。而在手动操作时，是通过手操器给予设定值，PID控制器只起到跟随手操器输出的作用，不具备控制作用。

图3 主蒸汽压力控制回路SAMA图

2.2 主蒸汽压力控制系统PID参数优化

在燃料量的扰动下，主蒸汽压力被控对象的动态特性可用如下传递函数表示［6］

在采用粒子群优化算法进行PID参数优化时，需要分析系统特性，给出与之对应的PID参数的上下限范围，这关系到优化过程能否快速得到最优参数，保证了所得解的可行性和最优性。主蒸汽压力系统的控制器采用的是PI控制，因此需要提前给出比例带和积分时间的范围，采用的方法是：以控制器最初的PI参数为中心，适当地扩大参数范围，通过在Matlab中粒子群优化算法主程序和目标函数的子程序的运行，多次实验得到比例带、积分时间的范围是：

经过调试仿真实验，观察目标函数优化前后响应曲线图4，整定出一组最优PID参数［0.16，286.56］。

图4 主蒸汽压力优化前后响应曲线

可以看出经过优化后的系统动态性能得到了明显提升，控制策略可以满足燃料量—主蒸汽压力系统的控制需求。

3 床温控制

床温控制是CFB锅炉所独有的控制系统，对系统安全稳定高效运行起着至关重要的作用。床温过低将会导致锅炉燃料不完全燃烧，致使炉膛热量损失；床温过高将会导致炉膛有高温结焦的风险，并且会脱离炉膛内脱硫的最佳运行温度，致使脱硫效率变低，同时烟气中氮氧化物含量也会升高。这些因素床温控制对于CFB锅炉而言是必不可少的，而且床温还必须控制在适当的范围内。根据以往研究表明在炉内能以最佳效率去除SO2以及NOx的最适温度区间是850~950℃。床温作为一个重要的热工控制参数，影响其变化的条件很多，比如给煤粒度的粗细、排渣系统的排渣量、返料系统的返料量以及煤质变化过大等等。在现场控制中想要将床温稳定在某一固定的最佳运行温度是难上加难，通常做法是将温度控制在合适的温度范围之间。因此针对CFB锅炉的特性常用的床温控制方式有改变排渣量、改变一二次风量配比、改变燃料量等。

4 床温优化控制系统

4.1 床温优化控制回路

通过控制一次风量来调节床温，可以通过调节一次风量挡风板的开度来实现一次风量的调节。一次风量和一次风量挡板开度的数学关系式为［7］

通过前面分析，床温控制系统的前馈—反馈优化控制回路如图5所示。

图5 床温优化控制回路

系统中主、副控制器都选择PID控制器，外回路中床温作为被控量，通过床温PID调节器控制在合理的范围内。内回路中通过风量调节器来控制风量，一次风量作为输入量发生扰动时，通过调节能够实现快速动作来消除扰动的影响。前馈控制信号引入一次风室压力、总燃料量以及床温的最大值。引入一次风室压力是因为其反映了一次风量的变化，又因为床温对一次风量是一个逆向响应的过程，引入作为前馈信号可以消除一次风量的影响；为了克服燃料量对床温影响具有滞后的特点，将燃料量引入到前馈信号使其超前反映到调节器上，使控制品质得到改善；当炉内的床温过高时，容易导致炉内结焦，因此将床温最大值加入前馈信号，防止床温过高带来的不良影响。图6和图7分别是床温前馈逻辑SAMA图和床温控制回路逻辑SAMA图。

图6 床温前馈控制SAMA图

4.2 床温控制系统PID参数优化

在一次风量扰动下，床温被控对象的动态特性可用如下传递函数表示［8］

循环流化床床温控制的主、副控制器采用的都是PI控制，在寻优前需要给出主、副控制器的PI参数范围。以开始得到的较为合理的参数为中心，在合适的范围内调整其上下限范围，在Matlab中编写粒子群优化算法主程序和目标函数子程序，经过反复实验确定主、副控制器PI参数的上下限为

参数依次为主控制器比例带、主控制器积分时间、副控制器比例带、副控制器积分时间。

经过调试仿真实验，观察目标函数优化前后响应曲线图8所示，整定出一组最优PID参数［0.004 2，279.3，1.64，76.64］。

图7 床温控制回路SAMA图

图8 床温控制优化前后响应曲线

可以看出经过优化后的系统动态性能得到了明显的提升，调节速度变快，超调量变小，控制策略可以满足一次风量—床温系统的控制需求。

5 结语

结合循环流化床主蒸汽压力和床温控制的特点，引入前馈补偿，分析出前馈—反馈控制系统理论上的可行性，同时研究主蒸汽压力和床温的控制逻辑的特性。选择出合适的目标函数，利用粒子群优化算法对控制回路中的PID参数进行寻优。最终将改进的控制系统和整定后的PID参数在仿真系统中加以实验，通过扰动实验后主蒸汽压力和床温的响应曲线证明控制效果得到了改善，减小了超调量，提升了系统稳定性。

［1］刘艳萍.电力与经济协调发展的辩证关系［J］.北方经济，2012（12）：32－33.

［2］杨福涛.抛煤机链条炉和煤粉炉改循环流化床锅炉技术研究［D］.济南：山东大学，2006.

［3］刘媛.国产化300 MW循环流化床机组锅炉燃烧系统研究［D］.北京：华北电力大学，2012.

［4］闫琦.循环流化床锅炉燃烧系统建模与控制应用研究［D］.南京:东南大学，2012.

［5］张兴.大型循环流化床锅炉的控制策略研究［D］.北京：华北电力大学，2012.

［6］常莉莉.模糊神经网络在循环流化床中的应用［D］.北京：华北电力大学，2007.

［7］韩璞，董泽，王东风，等.智能控制理论及应用［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［8］EDWARD B，MAGRAB，LI Xinye，et al.MATLAB principle and engineering application［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2002.

Optimal Control Research of Circulating Fluidized Bed Boiler Combustion System

HAN Pu1，ZHOU Pengyuan1，ZHANG Lun2
（1.Hebei Engineering Research Center of Simulation&Optimized Control for Power Generation（North China Electric Power University），Baoding 071003,China；2.Shenhua God East Power in Xinjiang ZhunDong Multicoloured Bay Power Generation Co.，Ltd.，Changji 831100，China）

The circulating fluidized bed boiler has characteristics of nonlinearity，time variation and multi variable strong coupling，which causes that the conventional control method is difficult to achieve the desired control effect.Therefore，in the light of those problems，in this study，the primary air is used to control the bed temperature based on characteristics of its rapidity，the main steam pressure is controlled by monitoring the supply speed of the coal feeder.Then the SAMA diagrams of the original bed temperature control circuit and the main steam pressure control circuit are optimized and the feedforward compensation control is exploited in combustion system control.Combined with the above control scheme and using the particle swarm optimization algorithm，the controller parameters are optimized.By comparing the control results before and after optimization，it is found that the optimized control system can improve the automation level of boiler control system and has significance for improving the energy efficiency

circulating fluidized bed boiler；main steam pressure；bed temperature；PSO；optimal control

TK323

A

1007－9904（2016）12－0067－05

2016-11-10

韩璞（1959），男，教授、博士研究生导师，从事火电机组建模与仿真研究工作；

山西省煤基重点科技攻关项目（MD2014-03-06-02）国家自然科学基金（71471060）

周鹏远（1990），男，硕士研究生，从事火电机组建模与仿真研究工作；

张伦（1972），男，工程师，从事电厂技术管理工作。