循环流化床机组燃烧优化及负荷协调控制的实现

王军

(中石化股份有限公司 天津分公司，天津 300270)

随着社会经济的发展，中国已经把节能降耗、提高能源的利用率作为国家能源发展的目标。作为能源消耗与转换的热电联产企业，在生产过程中，要引入更加科学有效的生产管理和控制技术，在响应国家能源发展战略的同时，也为企业创造更高的经济和社会效益。某公司热电部3台循环流化床锅炉(CFB)由于大滞后、多变量耦合、燃料来源较多、燃料热值变化大等因素的影响，原有DCS无法实现锅炉的充分燃烧控制，多炉负荷协调控制也未能实现。经过专业论证和考察，该公司引入先进控制技术(APC)对3台CFB锅炉进行燃烧优化控制改造，通过优化锅炉燃烧过程中的给煤量和风量，及时、准确地估算和控制锅炉给煤量、密相床温、炉膛负压以及风量，在实现单炉燃烧优化的基础上，实现了多炉负荷协调控制，提高了蒸汽母管压力平稳度及锅炉热效率，实现了减少煤耗的目的。

1 机组及控制系统现状

该公司热电部现有CFB锅炉3台，100 MW抽汽发电机组2台，系统采用母管制联络方式，以供汽为主，同时兼顾发电。DCS采用OVATION 3.0.4，每台锅炉配有3台操作员站和1台工程师站；汽轮机数字电液控制系统(DEH)采用TRICONEX公司的产品。系统控制难点有如下几方面：

1) CFB锅炉的大滞后、多变量耦合以及燃料品质多变。

2) “三炉两机”的母管制系统，负荷扰动既有每台锅炉工况变化形成的内扰，也有外界负荷变化的外扰，影响因素多、控制难度大。

3) 以供汽为主，且供汽量主要由该公司大乙烯、炼油部和化工部生产需求决定，增加了锅炉系统负荷调节过程的不确定性。

4) 燃料以石油焦和燃煤掺烧，掺烧比例经常变化，燃料特性比单纯燃煤或单纯石油焦更复杂，因此增加了锅炉系统燃烧过程的不确定性。

2 先进控制系统优化目标

由于CFB锅炉机组没有投入燃烧及负荷协调自动控制，各个运行班组的调节缺乏统一的优化运行指导，无法实现锅炉生产的精细化调整，既影响了生产效益的提高，也不利于现场设备的运行和维护，实施APC的优化目标如下：

1) 提高锅炉系统的自动投用率，减轻运行人员的劳动强度，让运行人员有更多时间及早发现事故隐患，避免或减少不正常停车。

2) 延长锅炉长周期运行时间，提高蒸汽系统压力的平稳度，实现经济效益的提高。

3) 实现燃烧和一、二次风及引风的自动控制，提高锅炉主蒸汽温度的控制精度。

4) 探索和优化多炉负荷协调功能，优化机组运行参数，综合提高供热系统效率。

3 先进控制系统实施方案

APC系统主要有8个回路： 给煤量控制，通过调节给煤量，实现主蒸汽压力平均值控制在设定值的±0.2 MPa以内；一次风控制，通过调节一次风机入口挡板和A，B两侧一次风风门的开度，提供锅炉燃烧所需要的流化风量；二次风控制，通过调节二次风机入口挡板开度，实现氧平均值控制在设定值的±0.5%以内；引风控制，通过调节引风机入口挡板开度，实现炉膛负压平均值控制在设定值的±100 Pa以内；冷渣机床压控制，通过调节冷渣机变频指令，实现床压平均值控制在设定值±0.4 kPa以内；石灰石给料量控制，通过调节4台旋转给料机指令，控制脱硫塔入口SO2的质量浓度值小于1 500 mg/m3；减温水主蒸汽温度控制，通过调节减温水体积流量，实现主蒸汽温度平均值控制在设定值±3 ℃以内；多炉负荷协调控制，实现多炉之间的负荷协调控制。

3.1 给煤量控制

给煤量控制由主蒸汽压力-给煤控制系统、给煤机自动控制系统组成，以主蒸汽压力控制为主，用密相床温和外界蒸汽体积流量变化作前馈控制。

控制器输出的总燃料量按跟踪平均分配的方法分配给4台给煤机，即未投自动时，给煤机控制器输出跟踪给煤机手动操作指令，投入自动后控制系统将增减的给料量平均分配给4台给煤机，由控制器自动输出控制指令，实现燃烧优化系统控制下给煤机控制的手/自动无扰切换与控制。控制方案如图1所示。

图1 给煤量控制方案示意

在单台给煤机控制中，操作工可以根据设备情况，选择可以投入自动控制的给煤机将其投自动，APC系统会根据每台给煤机的手/自动状态，识别投入自动的给煤机，实现总给煤量自动分配调节，不投自动的给煤机由操作工手动操作。

3.2 一次风控制

一次风为CFB锅炉燃烧提供足够的流化风量，并保持合适的一次风压力。该控制回路分为两部分：

1) 一次风风压控制，根据不同工况下的风压设定值调节一次风机入口挡板，维持适合的风压。在风压控制过程中，加入了风压、一次风机电流以及炉膛负压的上、下限保护，如在负压超低限时，不下调风机入口挡板；当负压超高限时，不上调风机入口挡板，保护锅炉的正常运行。

2) 一次风流化风量控制。根据一次风流化风量设定值，及时调节A、B两侧一次风门开度，保持合适的流化风量。在自动控制下，系统会根据燃料量、负荷的变化，自动校正流化风量，当燃料量和负荷变化时，既能保证合适的流化风量，又能根据燃料量、负荷和风压的变化，及时地调节流化风量。在流化风量控制过程中，也加入了风压、一次风机电流以及炉膛负压的上、下限保护。一次风控制方案如图2所示。

图2 一次风控制方案示意

3.3 二次风控制

根据锅炉负荷和给料量的变化，自动调节二次风机入口挡板开度，提供合适的二次风量来维持氧气体积分数在设定值范围内，保证炉内燃料的充分燃烧，提高锅炉效率。二次风控制分为二次风风压控制和氧气体积分数控制两部分，根据设定的二次风风压，自动调节二次风机入口挡板开度；根据操作工设定省煤器出口氧气体积分数，自动调节二次风环管电动门开度。二次风环管电动门自动调节时，将二次风风压等运行参数作为保护条件，避免二次风风压过高或过低。二次风控制方案如图3所示。

图3 二次风控制方案示意

3.4 引风控制

根据炉膛负压的设定值，自动调节引风机入口挡板开度，维持炉膛负压在设定值允许的范围内波动。在方案的实施过程中，加入一次风和二次风反馈作为引风控制的前馈信号，可以减小一、二次风变化时炉膛负压的波动范围。引风控制方案如图4所示。

图4 引风控制方案示意

3.5 冷渣机床压控制

床压控制采用单回路控制方式，根据床压设定值，计算出床压控制总指令，通过联锁给定计算算法自动调节A，B冷渣机变频转速，维持床压的稳定，控制器算法为IFAP算法，即无辩识自适应控制。冷渣机床压控制方案如图5所示。

图5 冷渣机床压控制方案示意

操作工可以根据单台冷渣机设备状态选择是否投入自动，系统对投入自动的冷渣机进行控制，运行方式灵活可控，可根据设备状态或排渣量选择1台或2台投入自动控制，使系统有更好的适应性。

3.6 石灰石给料量控制

根据脱硫塔入口SO2的质量浓度调节4台旋转给料机的指令，控制石灰石的给料量，减少脱硫塔入口SO2的质量浓度以及波动范围，减小炉后脱硫的调节难度。脱硫控制系统主要根据SO2的质量浓度调整石灰石的给料量，由于炉内石灰石反应存在滞后，在控制方案中加入预估校正控制，通过对SO2的质量浓度的预估，解决反应过程滞后的问题。根据SO2的质量浓度设定值，计算出石灰石给料量控制总指令，通过联锁给定计算算法，调节4台旋转给料机的转速，控制石灰石投入量，控制器算法为IFAP算法，控制方案如图6所示。

图6 石灰石给料量控制方案示意

3.7 减温水主蒸汽温度控制

主蒸汽温度控制根据工艺规程，采用两级双回路协调控制，控制方案如图7所示。

图7 减温水主蒸汽温度控制方案

3.8 多炉负荷协调控制

多炉负荷协调控制是在APC单炉燃烧优化控制实现的基础上进行的多炉负荷协调优化控制的应用，分别应用于1台、2台或者3台锅炉投入燃烧优化自动后的负荷协调优化分配，目的是提高母管系统上多台锅炉对负荷调节的响应。多炉负荷协调控制方案如图8所示。

多炉负荷协调通过对每台锅炉主控模式的判断，采用控制模式计算、负荷协调分配功能块；结合每台锅炉的负荷分配矩阵，根据每台锅炉的主控模式计算出每台锅炉在母管系统蒸汽压力及外界负荷变化时，该台锅炉需要在总负荷中分配的变化量；通过该台锅炉自动燃烧系统自动调节该台锅炉的燃烧系统，达到优化分配的目的，既提高了锅炉系统对外界负荷变化的响应速度，也充分发挥了每台锅炉的效率。

图8 多炉负荷协调控制方案示意

4 先进控制系统运行平台

4.1 系统配置原则

为了确保装置生产的安全，装置的APC系统结构均采取上位机方式，通信接口实现上位机与DCS之间数据的实时交换。多变量预估控制器、工艺计算在上位机运行，APC输出控制指令通过DCS执行器的手操器来实现。

4.2 APC平台配置

该公司CFB锅炉装置的DCS采用OVATION系统，APC平台配置： 3台OPC接口服务器，读写数据点数在3 000点以上，安装OVATION系统OPC服务器，提供APC与DCS之间的数据双向通信。增设3台APC服务器，安装APC软件，实现APC控制的组态和运算控制。网络拓扑连接如图9所示。

图9 APC平台配置网络拓扑连接示意

5 系统运行效果分析

2018年6月6日监测的一次风量自动实时控制运行曲线如图10所示，从图中可以看到自动控制方式下，一次风量跟踪速度快，控制精度高。

图10 一次风量控制效果示意

由图10分析可知，随着锅炉主蒸汽流量的变化，一次风总风量给定值发生变化后，一次风机入口挡板控制指令能够快速精确地响应一次风量变化。

2018年1月25日监测的二次风氧气体积分数自动实时控制运行如图11所示。由图11分析可知，当氧体积分数设定值发生变化后，二次风风压控制和二次风氧体积分数控制指令能够快速精确地响应氧体积分数设定值变化，控制精度高。

图11 二次风控制效果示意

6 经济效益分析

投用APC自动后的效益分析，采用统计数据分析的方法，分别取投用APC系统前后各5个月的实时统计数据分析见表1所列。

表1 APC系统投用前后经济效益数据统计

通过表1对锅炉装置投用APC系统前后运行参数的统计分析可以看到： 投用APC后锅炉的飞灰含碳质量分数下降了0.24个百分点；主蒸汽温度提高了0.64 ℃；吨汽耗燃料量降低了1.596 kg/t。

7 结束语

该公司热电部CFB锅炉燃烧优化控制系统实现了燃烧过程的自动控制，提高了锅炉运行的自动化水平，减少了运行人员的工作量，锅炉及相关装置运行更加平稳，提高了锅炉的热效率，降低了煤耗，取得了明显的经济效益。通过多炉负荷协调控制，解决了母管控制系统中多炉之间负荷分配协调的难题，进一步提高了蒸汽系统的可靠性和稳定性。