12MW热电机组控制方案 1、循环流化床锅炉特点 循环流化床锅炉( Circulating Fluidized Bed Boiler)(以 下简称CFB)是一种高效率、低污染、清洁燃烧锅炉,其主 要特点是通过炉内强烈的喘流运动,使燃料和脱硫剂经过多 次循环,反复地进行低温分段燃烧和脱硫反应,从而达到约 90%的脱硫效果,燃烧效率接近煤粉炉。CFB不但燃烧完全, No的排放量低,而且燃料适应性广,可以烧劣质煤、废料 垃圾等。CFB锅炉由布风装置、密相区、稀相区、炉内受热 面、气固物料分离装置、返料装置、尾部受热面及床外热 交换器等部分组成。 CFB比起其它类型锅炉,其燃烧过程比较复杂,不但需要控 制的参数多,而且参数之间相互关联,使得操作难度加大。 如果操作不当,非但不能发挥CFB的优点,反而会造成锅炉 结焦、熄火和停产等不良后果。因此如何采取先进的控制方 案对CFB运行的重要参数如床温、一次风、二次风、给煤量 和返料量协调控制,是CFB成功运行的关键。 多年来,我们一起致力于CFB燃烧模型的研究,同时吸取了 我们在沸腾炉和35t/hCFB控制的成功经验,设计了75T/h CFB自控系统方案,并在行业内得到成功应用。该装置由数 据采集系统DAS,模拟量调节系统,顺序控制系统SCS,炉 膛安全监控系统FSSS等组成
1 12MW 热电机组控制方案 1、 循环流化床锅炉特点 循环流化床锅炉（Circulating Fluidized Bed Boiler）(以 下简称 CFB）是一种高效率、低污染、清洁燃烧锅炉，其主 要特点是通过炉内强烈的喘流运动，使燃料和脱硫剂经过多 次循环，反复地进行低温分段燃烧和脱硫反应，从而达到约 90%的脱硫效果，燃烧效率接近煤粉炉。CFB 不但燃烧完全， Nox 的排放量低，而且燃料适应性广，可以烧劣质煤、废料、 垃圾等。CFB 锅炉由布风装置、密相区、稀相区、炉内受热 面、气固物料分离 装置、返料装置、尾部受热面及床外热 交换器等部分组成。 CFB 比起其它类型锅炉，其燃烧过程比较复杂，不但需要控 制的参数多，而且参数之间相互关联，使得操作难度加大。 如果操作不当，非但不能发挥 CFB 的优点，反而会造成锅炉 结焦、熄火和停产等不良后果。因此如何采取先进的控制方 案对 CFB 运行的重要参数如床温、一次风、二次风、给煤量 和返料量协调控制，是 CFB 成功运行的关键。 多年来，我们一起致力于 CFB 燃烧模型的研究，同时吸取了 我们在沸腾炉和 35t/h CFB 控制的成功经验，设计了 75T/h CFB 自控系统方案，并在行业内得到成功应用。该装置由数 据采集系统 DAS，模拟量调节系统，顺序控制系统 SCS，炉 膛安全监控系统 FSSS 等组成
2、自控系统方案说明 21数据采集系统DAS DAS系统连续采集机组的模拟量、开关量等信息,将运 行参数、输入输出状态、操作信息和异常情况等数据实时地 提供给运行人员,指导他们安全可靠地操作,同时还进行数 据记录和储存,供事故分析。 21.1信号处理 由FB-2000NS现场控制站实现所有I/O信号的采样、滤 波、工程单位换算、累积等。本系统可处理包括4~20mA (含两线制变送配电器)、0~5vac、热电阻、热电偶等模 拟信号和有源(包括直流和交流)触点和无源触点信号。 2.1.2显示 ControlX Hmi软件基于 Windown nt2000该软件采 用了最先进的软件设计技术,具有丰富的动画功能和图形 库采用 ControlX Hmi作图软件可画出直观的工艺流程图 棒图、控制回路图、趋势图等。用户可在画面中任意定义和 绘制操作按钮,画面中每个按钮都可定义相应的热键,可通 过鼠标点击式键盘热键操作,每个操作按钮都可定义其操作 权限。可通过打开新画面、弹出式嵌入新窗口来调显不同画 面,可对画面进行缩放和改变各种风格。操作员可通过各种 风格的按钮、滑动杄、旋转指针等进行直观的参数修改操作
2 2、自控系统方案说明 2.1 数据采集系统 DAS DAS 系统连续采集机组的模拟量、开关量等信息，将运 行参数、输入输出状态、操作信息和异常情况等数据实时地 提供给运行人员，指导他们安全可靠地操作，同时还进行数 据记录和储存，供事故分析。 2.1.1 信号处理 由 FB-2000NS 现场控制站实现所有 I/O 信号的采样、滤 波、工程单位换算、累积等。本系统可处理包括 4～20mA （含两线制变送配电器）、0～5Vac、热电阻、热电偶等模 拟信号和有源（包括直流和交流）触点和无源触点信号。 2.1.2 显示 ControlX HMI 软件基于 Windown NT/2000。该软件采 用了最先进的软件设计技术，具有丰富的动画功能和图形 库，采用 ControlX HMI 作图软件可画出直观的工艺流程图、 棒图、控制回路图、趋势图等。用户可在画面中任意定义和 绘制操作按钮，画面中每个按钮都可定义相应的热键，可通 过鼠标点击式键盘热键操作，每个操作按钮都可定义其操作 权限。可通过打开新画面、弹出式嵌入新窗口来调显不同画 面，可对画面进行缩放和改变各种风格。操作员可通过各种 风格的按钮、滑动杆、旋转指针等进行直观的参数修改操作
Control Hmi是基于OPC标准的客户端软件,画面中 可显示任何支持OPC标准的设备的动态数据。 21.3报警事件指示和管理 ControⅨXHMI报警事件管理软件是基于OPC报警事件 标准的客户端应用软件,可对任何来自OPC报警事件服务 器的报警、事件进行管理。 FB-2000NS报警事件服务器提供各种类型的报警和事件 监视,提供多达1000个的报警优先级,可将系统分成任意 区域构成,各监控操作站可按报警事件类型、优先级、报警 点或区域等有选择进行筛选和响应 报警事件管理软件提供灵活的检索、筛选和打印等功能。 同时可按不同的报警点和/或不同优先级设置不同声音文件, 通过操作计算机配置的多媒体音响迸行语音报警。 21.4历史数据存取、显示 Control hmi历史服务器也是OPC的客户端软件,可 实现数据的周期采集记录,定时采集记录和事件触发记录 等。 22模拟量调节系统 循环流化床锅炉控制部分的控制框图如图1
3 ControlX HMI 是基于 OPC 标准的客户端软件，画面中 可显示任何支持 OPC 标准的设备的动态数据。 2.1.3 报警事件指示和管理 ControlX HMI 报警事件管理软件是基于 OPC 报警事件 标准的客户端应用软件，可对任何来自 OPC 报警事件服务 器的报警、事件进行管理。 FB-2000NS 报警事件服务器提供各种类型的报警和事件 监视，提供多达 1000 个的报警优先级，可将系统分成任意 区域构成，各监控操作站可按报警事件类型、优先级、报警 点或区域等有选择进行筛选和响应。 报警事件管理软件提供灵活的检索、筛选和打印等功能。 同时可按不同的报警点和/或不同优先级设置不同声音文件， 通过操作计算机配置的多媒体音响进行语音报警。 2.1.4 历史数据存取、显示 ControlX HMI 历史服务器也是 OPC 的客户端软件，可 实现数据的周期采集记录，定时采集记录和事件触发记录 等。 2.2 模拟量调节系统 循环流化床锅炉控制部分的控制框图如图 1
锅护负荷指令 锅炉主控 燃媒主控 风量主控 燃油主控 煤机调节回路 石调节回路 回 一次风调节回路 保风调节回路 器调节回路 图1循环流化床锅炉控制部分的控制框图 22.1几个主要的控制回路 22.1.1锅炉主控 锅炉主控的调节框图如图2。 ○6○6 图2锅炉主控调节框图 图中符号说明如下 Pr锅炉压力给定值; Gc:反馈调节器的传递函数 Gf:扰动通道的传递函数; Gd:前馈补偿装置的传递函数
4 2.2.1 几个主要的控制回路 2.2.1.1 锅炉主控 锅炉主控的调节框图如图 2。 图中符号说明如下: Pr:锅炉压力给定值; Gc:反馈调节器的传递函数; Gf:扰动通道的传递函数; Gd:前馈补偿装置的传递函数;
Go控制通道的传递函数 λ(x):锅炉主控的扰动函数 Y复合调节系统的输出函数; 由控制框图可知循环流化床锅炉的主控采用前馈加反馈的 控制方式(复合调节系统)。在反馈调节系统中加入对于主要 扰动λ(×)的前馈调节构成了前馈-反馈调节系统当扰动λ() 发生后前馈调节的作用是及时地补偿扰动对被调量的影响, 而反馈调节的作用则是保证调节量的偏差在允许的约定范 围内这样系统即使在大而频繁的扰动下,依然可以获得优良 的控制品质 2.2.1.2燃煤主控 燃煤主控的调节框图如图3。 Y BTU 图3燃煤主控调节框图 图中符号说明如下: BTU: BTU补偿器; GC:反馈调节器的传递函数; 由控制框图可知燃煤主控是一个典型的反馈调节回路由于 调节系统是按被调量与给定值的偏差进行调节的因此,在调
5 Go:控制通道的传递函数; λ(x):锅炉主控的扰动函数; Y:复合调节系统的输出函数; 由控制框图可知,循环流化床锅炉的主控采用前馈加反馈的 控制方式(复合调节系统)。在反馈调节系统中加入对于主要 扰动λ(x)的前馈调节,构成了前馈-反馈调节系统,当扰动λ(x) 发生后,前馈调节的作用是及时地补偿扰动对被调量的影响, 而反馈调节的作用则是保证调节量的偏差在允许的约定范 围内,这样,系统即使在大而频繁的扰动下,依然可以获得优良 的控制品质。 2.2.1.2 燃煤主控 燃煤主控的调节框图如图 3。 图中符号说明如下: BTU:BTU 补偿器; Gc:反馈调节器的传递函数; 由控制框图可知燃煤主控是一个典型的反馈调节回路,由于 调节系统是按被调量与给定值的偏差进行调节的,因此,在调
节对象受到扰动作用时只有在被调量出现偏差后才开始调 节调节只为尽快地消除偏差。 另外,在然烧控制中,汋了提髙循环流花床锅炉燃烧效率在燃 烧控制策略中运用了双交叉燃烧控制和氧量修正调节相结 合的控制方法。 双交叉燃烧控制 双交叉燃烧控制系统是根据主蒸汽负荷对锅炉的燃烧系 统进行调节,以达到稳定蒸汽母管压力的目的。具体包括燃 料调节和风量调节两个控制部分,这两部分分别由各自的调 节器及高低选择器组成并以流量为基准信号。 燃料调节控制 自风量主控系统的总风量需求与锅炉炉主控的燃料量指令 经过低选与BTυ补偿后燃料量通过PID运算去控制所有锅 炉燃料设备。其中最主要的是两台给煤机,通过控制给煤机 的传动速度来调节给煤量。而经过低选的燃料控制需求量与 炉燃料指令的偏差假如其值小于1%,则去限制氧量修正调 节器,设置氧量修正调节器PID的偏差为0,使调节器维持 原来的状态。如果大于1%,则燃料控制系统的限制功能就 不起作用。这个具体的限制值可以根据实际的工况和要求自 己设定。氧量调节系统控制站的结果就进一步去调节风主 控,控制总风量。其工作的基本原理如下
6 节对象受到扰动作用时,只有在被调量出现偏差后才开始调 节,调节只为尽快地消除偏差。 另外,在燃烧控制中,为了提高循环流花床锅炉燃烧效率,在燃 烧控制策略中运用了双交叉燃烧控制和氧量修正调节相结 合的控制方法。 双交叉燃烧控制 双交叉燃烧控制系统是根据主蒸汽负荷对锅炉的燃烧系 统进行调节，以达到稳定蒸汽母管压力的目的。具体包括燃 料调节和风量调节两个控制部分，这两部分分别由各自的调 节器及高低选择器组成并以流量为基准信号。 燃料调节控制： 自风量主控系统的总风量需求与锅炉炉主控的燃料量指令 经过低选与 BTU 补偿后燃料量通过 PID 运算去控制所有锅 炉燃料设备。其中最主要的是两台给煤机，通过控制给煤机 的传动速度来调节给煤量。而经过低选的燃料控制需求量与 炉燃料指令的偏差假如其值小于 1%，则去限制氧量修正调 节器，设置氧量修正调节器 PID 的偏差为 0，使调节器维持 原来的状态。如果大于 1%，则燃料控制系统的限制功能就 不起作用。这个具体的限制值可以根据实际的工况和要求自 己设定。氧量调节系统控制站的结果就进一步去调节风主 控，控制总风量。其工作的基本原理如下：
BTU补偿后燃料量 风主控的总风量[(x)口低选 PID 炉主控的燃料指令 LSL 燃料主控 △偏差 「限制风量调节 风量调节控制 燃料主控系统的总燃料需求量与锅炉炉主控的风量指令 经过高选与经氧量修正调节系统解耦后的需求量通过PID 调节控制风量主控。而经高选后的值与炉主控指令的偏差如 果小于0%,则去限制氧量修正调节器,使其维持原状,不 起作用。假如大于0%,氧量调节器就去控制二次风调节风 门,间接的控制总风量。其工作的基本原理如下: 最小风量限制 燃料主控的总燃料量(x高选选择风量 开关 PID 炉主控的风量控制 sL偏差口主控 经氧量修正调节器解耦 偏差 限制风量调节 炉主控的燃料指令、风量指令都是经过对主蒸汽压力与主 蒸汽流量函数调节运算后得岀的,然后直接与燃料主控、风 主控相连,调节通道短。但是由于燃料主控控制的设备相对 较多,反应的时间就相对较长。所以从风量控制系统、燃料 控制系统工作原理可看出,当负荷增加时,首先提高风量主 控的给定值。风量流量增加,然后燃料流量调节器的给定值 才随着上升;当负荷下降时,燃料流量的设定值首先下降
7 风量调节控制 燃料主控系统的总燃料需求量与锅炉炉主控的风量指令 经过高选，与经氧量修正调节系统解耦后的需求量，通过 PID 调节控制风量主控。而经高选后的值与炉主控指令的偏差如 果小于 0%，则去限制氧量修正调节器，使其维持原状，不 起作用。假如大于 0%，氧量调节器就去控制二次风调节风 门，间接的控制总风量。其工作的基本原理如下： 炉主控的燃料指令、风量指令都是经过对主蒸汽压力与主 蒸汽流量函数调节运算后得出的，然后直接与燃料主控、风 主控相连，调节通道短。但是由于燃料主控控制的设备相对 较多，反应的时间就相对较长。所以从风量控制系统、燃料 控制系统工作原理可看出，当负荷增加时，首先提高风量主 控的给定值。风量流量增加，然后燃料流量调节器的给定值 才随着上升；当负荷下降时，燃料流量的设定值首先下降
流量减小,尔后风主控流量的设定值随之下降。同时燃料、 风量进一步控制的氧量修正系统反过来又控制风主控系统, 层层相扣。正是通过锅炉主蒸汽压力与流量相互交叉作用燃 料、流量控制部分的。 交叉控制系统自动的投入也是如此,首先必须投入风主控 自动,然后是然料主控,最后才是炉主控。当发生故障,使 得风主控撤岀自动,炉主控、燃料主控随之撤出自动。 双交叉控制的好处在于:即使负荷不稳定,燃料流量信号 干扰大,燃烧仍能维护在无黑烟状态,同时提高了系统的负 载响应。因此双交叉燃料控制系统无论在负荷上升或下降 时,能满足“负荷增加时,先增加风量,后增加燃料量;负 荷减少时先减少燃料量,后减少空气量”的工艺要求。 双交叉燃烧控制系统是根据主蒸汽负荷对锅炉的燃烧系 统进行调节,以达到稳定蒸汽母管压力的目的。它具体又分 为双交叉燃料调节和双交叉风量调节两个控制部分。 从双交叉燃料和风量调节框图我们可以看出采用双交叉控 制的好处在亍∶即使负荷不稳定燃料流量信号干扰大燃烧仍 能维护在无黑烟状态,同时提高了系统的负载响应。因此双 交叉燃料控制系统无论在负荷上升或下降时,能满足“负荷 增加时,先增加风量,后增加燃料量;负荷减少时先减少燃 料量,后减少空气量”的工艺要求。而循环流化床锅炉控制 策略中运用氧量修正调节是为了能够更平稳的控制燃烧系
8 流量减小，尔后风主控流量的设定值随之下降。同时燃料、 风量进一步控制的氧量修正系统反过来又控制风主控系统， 层层相扣。正是通过锅炉主蒸汽压力与流量相互交叉作用燃 料、流量控制部分的。 交叉控制系统自动的投入也是如此，首先必须投入风主控 自动，然后是燃料主控，最后才是炉主控。当发生故障，使 得风主控撤出自动，炉主控、燃料主控随之撤出自动。 双交叉控制的好处在于：即使负荷不稳定，燃料流量信号 干扰大，燃烧仍能维护在无黑烟状态，同时提高了系统的负 载响应。因此双交叉燃料控制系统无论在负荷上升或下降 时，能满足“负荷增加时，先增加风量，后增加燃料量；负 荷减少时先减少燃料量，后减少空气量”的工艺要求。 双交叉燃烧控制系统是根据主蒸汽负荷对锅炉的燃烧系 统进行调节，以达到稳定蒸汽母管压力的目的。它具体又分 为双交叉燃料调节和双交叉风量调节两个控制部分。 从双交叉燃料和风量调节框图我们可以看出采用双交叉控 制的好处在于:即使负荷不稳定,燃料流量信号干扰大,燃烧仍 能维护在无黑烟状态，同时提高了系统的负载响应。因此双 交叉燃料控制系统无论在负荷上升或下降时，能满足“负荷 增加时，先增加风量，后增加燃料量；负荷减少时先减少燃 料量，后减少空气量”的工艺要求。而循环流化床锅炉控制 策略中运用氧量修正调节是为了能够更平稳的控制燃烧系
统使控制更加精确,而且使锅炉的风燃比一直保持在一定的 范围保证了燃料燃烧的更彻底。 氧量修正调节 燃烧控制系统中,增加的氧量修正调节系统为了能够更平稳 的控制燃烧系统,使控制更加精确,而且使锅炉的风燃比- 直保持在一定的范围,保证了燃料燃烧的更彻底 从引风机送往大气的烟气中,检测出氧量大小,O2量过 大,说明风量过剩,会导致能量不必要的损失,造成床温过 低;氧量过小,会引起燃料不完全燃烧,严重的引起锅炉熄 火。所以2溶度的高低是衡量锅炉热效率的重要指标之- 而且通过对o2溶度的检测和控制是实现节能的主要手段。 从锅炉的燃烧过程来看,空气进入炉膛与燃料起燃烧 后,经过炉膛、对流层、过热器和空气预热器后,再经烟道 由烟囱排入大气 当空气流量岀现扰动后,需经过较长的滞后时间才能反映 在O2溶度分析仪上,其特征是:纯滞后时间长,调节通道 长而干扰通道短。对于这种特征的控制对象若采用常规PID 进行调节,易波动,达不到平稳控制的工艺要求。为此,采 用直接插入型氧化錯O2溶度分析仪和采用采样PI控制的方 式及实行燃料、风量相互交叉限制氧量调节器。 氧量控制采用采样P控制方法可以克服纯滞后对系统调节 品质的影响,采用P控制法是指在每一个采样周期内,控制
9 统,使控制更加精确,而且使锅炉的风燃比一直保持在一定的 范围,保证了燃料燃烧的更彻底。 氧量修正调节： 燃烧控制系统中，增加的氧量修正调节系统为了能够更平稳 的控制燃烧系统，使控制更加精确，而且使锅炉的风燃比一 直保持在一定的范围，保证了燃料燃烧的更彻底。 从引风机送往大气的烟气中，检测出氧量大小，O2 量过 大，说明风量过剩，会导致能量不必要的损失，造成床温过 低；氧量过小，会引起燃料不完全燃烧，严重的引起锅炉熄 火。所以 O2 溶度的高低是衡量锅炉热效率的重要指标之一， 而且通过对 O2 溶度的检测和控制是实现节能的主要手段。 从锅炉的燃烧过程来看，空气进入炉膛与燃料一起燃烧 后，经过炉膛、对流层、过热器和空气预热器后，再经烟道 由烟囱排入大气。 当空气流量出现扰动后，需经过较长的滞后时间才能反映 在 O2 溶度分析仪上，其特征是：纯滞后时间长，调节通道 长而干扰通道短。对于这种特征的控制对象，若采用常规 PID 进行调节，易波动，达不到平稳控制的工艺要求。为此，采 用直接插入型氧化鋯O2溶度分析仪和采用采样PI控制的方 式及实行燃料、风量相互交叉限制氧量调节器。 氧量控制采用采样 PI 控制方法可以克服纯滞后对系统调节 品质的影响，采用 PI 控制法是指在每一个采样周期内，控制
作用只在周期开始时的短时间内动作的一种控制方式,采样 值P的动作如图2。 偏差 时间 输出保持 P+工积分动作 操作量 采样时间 通常为了减小超调,希望采样周期ST取大一点,如果加于 生产过程的主要干扰的最短周期小于采样周期ST时,则不 能有效地抑制扰动因此采样PI控制的限制条件是采样周期 ST须小于主要干扰最短周期具体限制值依实际运行情况而 定 锅炉维持在最佳燃烧状态,需一个合理的理论风燃比系数和 最低的过剩空气率(μ) 1KG燃料燃烧的实际空气量21 过剩空气率(μ)= 1KG燃料燃烧的理论空气量21-[O2] [O是指排烟中的O2含量 由上式可看出过剩空气率(u)与[O2]有明确的函数关系, 所以μ由○2量调节器进行控制,通过对氧量调节器输出 的修正,得到空气过剩率(μ),然后补正空气流量调节器
10 作用只在周期开始时的短时间内动作的一种控制方式，采样 值 PI 的动作如图 2。 通常为了减小超调，希望采样周期 ST 取大一点，如果加于 生产过程的主要干扰的最短周期小于采样周期 ST 时，则不 能有效地抑制扰动，因此采样 PI 控制的限制条件是采样周期 ST 须小于主要干扰最短周期，具体限制值依实际运行情况而 定。 锅炉维持在最佳燃烧状态，需一个合理的理论风燃比系数和 最低的过剩空气率（μ）： 1KG 燃料燃烧的实际空气量 21 过剩空气率（μ）= = 1KG 燃料燃烧的理论空气量 21-[O2] [O2]是指排烟中的 O2 含量 由上式可看出过剩空气率（μ）与[O2]有明确的函数关系， 所以μ则由 O2 量调节器进行控制，通过对氧量调节器输出 的修正，得到空气过剩率（μ），然后补正空气流量调节器