循环流化床锅炉优化控制系统应用

夏建财，张树江，徐永磊

（1.青岛海湾化学有限公司，山东 青岛 266409；2.青岛市招生考试院，山东 青岛 266108）

循环流化床锅炉的燃烧是在燃料的流化状态下进行的，是一个多变量耦合、大滞后的非线性系统，它的各个变量之间相互影响， 另外还有飞灰循环造成的影响，导致其燃烧为较复杂的过程。因此采取常规的控制手段及人为的操作干预都难以保证其各项控制指标的实现。 基于上述问题产生了针对循环流化床锅炉燃烧特性的优化控制系统， 它的产生及发展对于循环流化床锅炉的经济安全运行有着至关重要的意义。

1 锅炉优化控制系统建设

（1）行业现状

循环流化床锅炉的循环流化燃烧技术优点是燃料适用广，燃烧效率较高。相比于煤粉炉等其他锅炉而言，循环流化床锅炉的控制回路更多，系统更加复杂， 因此循环流化床锅炉的自动控制需要稳定主蒸汽压力的同时， 还应保证锅炉的经济安全运行以及床层温度、循环灰和料层高度的控制。

锅炉自动化控制系统大部分采用的是DCS 控制系统，虽然已具备较高的自动化程度，但循环流化床锅炉的控制有很多变量耦合， 这些因素的影响导致单独的DCS 控制系统很难做到自动回路的稳定运行，因此需要更加完善、优化的控制方案才能够弥补其自身的控制缺陷。

（2）企业现状

青岛海湾化学有限公司秉承以 “技术国际化，装备大型化，环境生态化，管理现代化”的四化理念高标准进行建设与发展。 公司坚持走绿色、高端化工企业路线，从而实现了绿色、低碳、可持续发展的目标。

青岛海湾化学有限公司热电厂主要担负公司各生产装置蒸汽的供给任务， 现有2 台130 t/h、1 台150 t/h 高温高压循环流化床锅炉， 锅炉总蒸发量410 t/h，额定产汽量227.76 万t/a。

2 锅炉工艺流程

循环流化床锅炉是采用循环流化床燃烧技术，在锅炉的燃烧系统中， 通过给煤机将煤送入落煤管后进入炉膛燃烧， 锅炉燃烧所需的空气分别由一次风机和二次风机提供。 其中一次风机送出的空气经过一次风空气预热器进行预热后由左右两侧风道引至炉下的水冷风室， 通过其中的水冷布风板上的多组风帽后进入燃烧室； 二次风机送出的风经过二次风空气预热器预热后， 通过分布在炉膛前后墙上的喷口喷入炉膛，进行补充空气，达到加强扰动与混合的作用。 进入炉膛内的燃料和空气在流化状态下掺混燃烧，同时与受热面进行热交换。在炉膛内燃烧产生的携带有大量未燃尽的碳粒子的烟气会在炉膛上部进一步燃烧并放热。 烟气在离开炉膛时会夹带大量物料，经过蜗壳式气冷旋风分离器后，未燃尽的物料被分离出来，再经返料器返回至炉膛，从而实现锅炉的燃烧循环。分离后的烟气经由转向室、高低温过热器、节煤器、一次风空气预热器、二次风空气预热器后由尾部烟道排出， 再经电除尘系统和脱硫系统进行除尘、脱硫，合格的烟气进入烟囱后实现达标排放。因采用循环流化床燃烧方式，通过向炉内进行添加石灰石的操作， 能够显著降低烟气中二氧化硫的排放量， 而采用空气分级供风和低温的燃烧技术则能够实现有效抑制氮氧化物的生成量。

3 锅炉优化控制系统

锅炉APC 先进过程控制软件是锅炉优化控制的专用软件， 各项锅炉燃烧多变量综合优化回路设计及调试都通过PCO（Process Control Optimination）先控平台实现。

锅炉APC 先进过程控制软件包包含PCO 锅炉先进控制软件、锅炉系统性能计算软件、下位机DCS监控系统控制切换逻辑与安全保护等模块， 具备专业的先进过程模型辨识、预测控制、专家控制等智能优化控制策略， 内含的性能计算软件可实时在线评估锅炉系统运行效率与控制优化效果等， 真正做到优化控制与在线评估为一体的先进过程控制优化软件包。

锅炉先进控制软件是基于锅炉过程机理制定的先进控制方案，整个系统可分块投切，方便灵活。

循环流化床锅炉多变量燃烧优化控制的自动回路主要包括燃料给定自动、 一次风与二次风给定及配比自动、引风给定自动、床层差压排渣自动；与自动控制相关的参数包括锅炉热负荷、一次风量、二次风量、炉膛温度、炉膛负压、烟气含氧量、床层温度、床层差压。

通过不断分析循环流化床锅炉的燃烧特性，可以得出循环流化床锅炉多变量燃烧优化控制的主要原理如下。

炉床内所释放出来的热流量与床层燃料内含有的燃料量成正比， 因此可以通过一次风与二次风的配比来实现控制炉床所释放的热流量， 同时用进料量来实现控制及稳定床层燃料内的燃料量， 实现基本燃烧控制策略。

循环流化床锅炉多变量燃烧优化综合控制模型的主要特征是通过以反映循环流化床锅炉燃烧所产生的“蓄热池”来储存热量的床层温度信号为基础，在各运行参数额定设计的约束限制范围内， 风量根据炉膛出口温度，炉膛压差的变化调整物料浓度，快速稳定锅炉热负荷的变化； 通过以风煤配比实现快速调整给煤量来稳定锅炉负荷， 同时通过调整床层温度，达到维持锅炉内燃烧储存热量稳定的目的；以最佳氧含量来保证经济性； 以风量前馈及炉膛压力信号调整负压； 通过排渣的自动调节在不同的负荷下稳定在相应的最佳床压定值。

4 锅炉优化控制系统建设

4.1 锅炉优化控制系统搭建

海湾化学锅炉优化控制系统项目自2018 年11月22 日启动， 于12 月16 日进入连续投运保稳阶段。经过一个月的系统保稳与参数优化工作， 锅炉优化控制系统已具备连续长期稳定运行能力， 并可快速响应外界负荷大幅波动， 工艺指标波动幅度较人工操作有明显降低，系统平稳性大幅提升，自动控制效果良好，自动投运率超过90%。

4.2 锅炉优化控制系统实现方法

循环流化床锅炉燃烧是一个非常典型的多变量耦合的被控对象， 由于对循环流化床锅炉燃烧系统的研究还不够系统完善， 因此实现循环流化床锅炉燃烧的自动控制单靠PID 控制算法是难以实现的。要想实现自动化控制， 引入先进控制理念至循环流化床锅炉的燃烧控制系统（即模糊控制）至关重要。通过大量实践表明，模糊控制能够有效对非线性、时变性和复杂的被控对象进行控制。

通过应用模糊控制的理论方法对常规PID 控制进行改进， 将常规PID 控制与模糊控制有机结合，形成一种“综合性控制方案”，再配合多种前馈控制方案， 继而应用于循环流化床锅炉燃烧系统这一非线性、多变量耦合的复杂被控对象，实现较为满意的控制效果。

循环流化床锅炉燃烧控制的实现必须要理清各个变量之间的关系，即煤与负荷、床温之间的关系；负荷与床层温度之间的关系；炉膛吸热量与煤、床层温度之间的关系。 通过采用模糊控制的方法并结合DCS 控制功能来实现锅炉燃烧控制目的。 因此引入模糊控制可以实现较为理想的燃烧控制， 模糊控制的基本方法是通过控制系统算法来模仿人的经验思维，继而通过理论计算的方法进行进一步的校正，最后再通过DCS 控制系统来实现自动控制的目的。

4.3 锅炉优化控制系统回路投用

投入运行的自动控制回路如下。

（1）汽包液位优化控制

三冲量串级控制， 通过主给水阀自动调节实现汽包液位稳定控制。

（2）主汽温度优化控制

串级控制， 通过减温水阀自动调节实现主汽温度稳定控制。通过串级回路调节减温水输出，以总风量、总给煤量、负荷信息为前馈量增强反应速率，实现主汽温度的精确跟踪。

（3）锅炉负荷-给煤优化控制

锅炉热负荷采用典型热量计算（或炉膛出口温度简化）表征，充分考虑到炉内灰浓度等信息，通过给煤自动结合适量配风实现锅炉负荷稳定控制。

锅炉的热量信号由主汽压力与汽包压力微分组合计算得出，作为锅炉负荷表征。锅炉负荷调整可选两种调节模式，调压模式与定量模式。 调压模式下，锅炉参与母管压力调节， 锅炉热量设定值由母管协调控制模块修正；定量模式下，锅炉带固定负荷，锅炉热量值可由人工设定。

锅炉负荷回路的调整由给煤、 一次风和二次风三个控制手段共同实现， 其中给煤根据负荷调整需求计算得出， 通过适当的风煤比计算得出一次风调节量，再通过一二次风配比调整二次风，从而通过三者的协调控制实现锅炉负荷的跟踪调整。

（4）二次风优化控制

烟气中的氧含量可以通过二次风的调节实现稳定控制。

针对锅炉不同的负荷状态， 实时计算出当前最佳氧量设定值，该值可由人工设定。在风煤配比不合适的情况下，实际氧量与设定值会有差距，通过调整二次风输出可实现氧量的精确跟踪。

（5）床层温度-一次风优化控制

床层温度通过一次风调节实现稳定控制。 床层温度可根据需求选择随负荷自动调整， 或是人工设置。主要通过一次风调整实现床层温度的精确跟踪，通过引入给煤量与一次风、 二次风配比的床温修正协调， 平衡床温调整与锅炉负荷与烟气含氧量调整的关系。

（6）炉膛负压优化控制

炉膛负压通过引风调节， 考虑到一二次风前馈影响，最终实现稳定调节。

炉膛负压可保证燃料合理的停留时间， 根据实际路况可进行炉膛温度的人工设定。 通过调节引风输出匹配送风量，实现炉膛负压的精确跟踪。

炉膛负压回路控制炉膛负压， 其控制手段为引风量，通过实时接收来自一次风、二次风变化前馈的处理结果，通过非线性算法，实现炉膛负压的精确、快速、稳定控制。

（7）床层压差-料层厚度（排渣）控制

床层压差表征密相区料层厚度信息， 对负荷稳定控制极为重要，因此将其纳入整体控制系统，采用排渣机自动调节实现。

由锅炉空床阻力特性试验实现获得的测试数据，结合实时一次风量，完全流化状态下计算出料层厚度（即床层压差），料层厚度与床层温度共同决定了当前炉底蓄热量大小， 这与锅炉负荷调整密切相关，因此料层厚度定值随锅炉负荷情况实时调整，也可人工进行偏置设置。 料层厚度调整通过排渣机调节实现床层厚度的精确跟踪。

目前公司锅炉优化控制系统在现场工况正常，设备运行良好的基础上，可实现全部系统自动，各指标连续自动运行。适应煤质变化，快速跟踪负荷，通过锅炉优化控制系统的自寻优系统实现锅炉燃烧的最优控制，使锅炉燃烧的效率最大化，最终实现项目目标。

5 锅炉优化控制系统的效果

（1）投用前后控制参数对比

公司锅炉下游用户有氯碱厂、氯乙烯厂、聚氯乙烯厂及苯乙烯厂等用汽生产装置， 并且聚氯乙烯装置为间歇生产， 负荷波动频繁， 且每次波动幅度不同，变化量为10～20 t，锅炉负荷波动大造成人工手动操作很难。

通过锅炉APC 先进控制系统实现了各工艺指标稳定运行，对比前后趋势发现，显著提高了锅炉系统稳定性，控制效果良好，自动投运率高。 锅炉自动系统各工艺指标平均波动幅度较手动时平均下降30%以上，工艺指标平稳性大幅提升。

自连续投运以来，锅炉APC 先进控制系统一直处于自动运行状态，控制稳定，参数平稳。 整个回路运行至今出现2 次切除状态， 均为操作人员手动切除，切除了燃烧系统（主汽压力、烟氧含量、炉膛负压、床层温度），总共切除时间为22 min，切除原因为二次风量下限设定偏大和锅炉负荷波动过大造成，操作人员担心系统调不过来， 实际还在系统可控范围之内，可不用切除系统。

（2）投用后对节能降耗、优化操作产生的效益分析

锅炉优化控制系统的投入使用，实现了锅炉燃烧与汽水系统全自动， 自动控制系统整体投运率高，自动控制回路可长期在自动方式下运行， 投入自动后，明显降低了DCS 操作人员的干预频次及操作强度，可以使操作人员把更多精力投入到对现场运行设备及关键位置巡检和对工艺关键控制指标的关注上。

各项燃烧优化控制自动的投入，通过低氧燃烧、正压燃烧及一次、 二次风合理配比对炉膛燃烧份额的优化等措施，实现炉内传热、传质过程有效强化，锅炉炉膛贫氧区内的燃烧状况得到有效改善， 同等负荷工况下，排烟温度有所降低，同等负荷下同比排烟温度可以降低1.0～2.0 ℃，降低煤耗0.05%～0.10%。

锅炉实现了“薄料床燃烧”，解决了锅炉的一次风室压力偏高、负压状态不稳的问题；使“稀相区”的磨损状况得到改观， 从而解决了运行周期较短的问题。实现了锅炉“飞灰含碳量”、“炉渣含碳量”的有效下降， 锅炉运行经济指标好转—实现锅炉床层温度自动控制，床层温度控制误差10～15 ℃；自动控制系统在线率达到90%以上。

热电厂的运行管理、设备管理、经济指标的管理及锅炉技术人员流动的管理都有了提升， 锅炉实现“压红线运行”，使“煤耗量”节约1%以上。

总之，锅炉自动投入运行后，可以尽可能挖掘在运锅炉的潜能， 由于脱硫效率与锅炉效率在运行时有矛盾之处，提高锅炉效率会牺牲脱硫效率指标。需在兼顾脱硫效率平衡的情况下， 锅炉效率运行在最佳状态，锅炉可以降低煤耗在1%左右。 同时通过实现锅炉燃烧系统的自动控制， 大幅减少工艺控制参数的偏差， 既降低工艺操作人员的操作频次及人为原因造成误操作的概率，又延长设备的使用周期，实现锅炉长期安全、稳定、经济运行。

6 结语

循环流化床锅炉的燃烧优化控制系统与原有的完全依赖于DCS 操作人员的经验而进行的人为干预相比， 循环流化床锅炉的燃烧优化控制系统无论是在确保锅炉各设备运行的协调性， 还是提高设备运行管理水平和降低设备运维成本上都有明显优势。 循环流化床锅炉的燃烧优化控制系统在保证设备主要运行参数稳定、锅炉充分燃烧的基础上，实现锅炉排烟热损失降低，实现了节能降耗、环保减排，实现了长周期自动投运， 该优化控制系统可有效提升循环流化床锅炉的自动化水平，实现设备的安全、稳定、经济运行目标。