论文-循环流化床锅炉燃烧系统的专家模糊协调控制

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1、 循环流化床锅炉燃烧系统的专家 模糊协调控制 张小辉 崔东俊 郄永学 （北京和利时系统工程股份有限公司，100096） 摘 要：本文介绍了专家控制器和自校正模糊调节器组成专家协调控制系统，实现循环流化床锅炉燃烧子系统的安全、稳定、经济协调控制的分散控制系统。 关键词：专家控制 模糊控制 循环流化床锅炉 分散控制系统 1 循环流化床锅炉燃烧系统过程自动控制特点简介 循环流化床锅炉（Circulating Fluidized Bed Boiler，CFBB）是现代一种高效节能、低污染清洁能源，它同时还具有燃料适应性广、负荷调节性能好等优点。 循环流化床锅炉燃烧系统过程自动控制的基本任务是：首先保证

2、锅炉安全、稳定、经济运行同时，主要还是使燃料燃烧所提供的热量适应蒸汽负荷的需求，完成系统的能量平衡。 一般锅炉运行采用的运行原则：定- 滑- 定原则，即高负荷时采用定压，低负荷时采用滑压；同时也要考虑到锅炉本身性能、现场工艺和运行习惯等要求。这样在对锅炉过程自动控制时，既要考虑工艺运行时负荷的基本分配原则，一般参考运行规程 ，又要考虑锅炉本身的实际运行情况，一般参考锅炉运行说明书和运行人员的宝贵经验等因素。 1.1 CFBB 燃烧系统过程自动控制的基本要求 （1）确保锅炉运行的安全性。 （2）确保锅炉运行的床温在能稳定燃烧且处于最佳环保温度范围内。 （3）相关设备安全、稳定、经济运行。 （4）

3、均匀稳定的炉膛温度。 （5）炉膛正常的流动状态。 （6）确保炉膛压力在安全、经济范围内。 （7）确保锅炉运行的床高，满足锅炉稳定持续燃烧。 （8）系统能量平衡。 （9）环保燃烧。 （10）确保锅炉燃烧的经济性。 （11）确保汽压满足定- 滑- 定的启动原则。 1.2 CFBB 燃烧系统过程自动调节特性 552（1）燃料与风的交叉控制：为了安全、经济燃烧，燃料与风的调节正常顺序原则是：先增风，再增燃料；先减燃料，再减风。在一些异常情况下，也可以减风，同时减燃料。 （2）燃烧的协调控制：为了经济性要有一些指标要求，如最佳 Ca/S、最佳风煤比、最佳配风比、最佳燃料量与负荷之比。这要求送风量、配风、

4、给煤量、石灰石量与锅炉蒸汽量（负荷）成比例动态调节；引风量与送风量的前馈调节。协调以负荷需求和锅炉自身能力为基础，来综合各个因素来实现。 （3）超驰控制：由于锅炉及其辅助设备原因运行工况要求要对风量、燃料量工况闭锁控制，同时对；风门及燃料的选线同操和层操控制。 （4）强耦合：负荷调节与床温调节的耦合。 （5）复杂环节：大滞后、非线性、多阶、时变、多环节的连接。 1.3 CFBB 燃烧系统协调控制系统保护控制功能 （1）当锅炉安全运行出现故障时，燃烧协调系统要采取相应的动作与 FSSS 共同实现保护锅炉的安全。 （2）当锅炉部分辅机故障时，燃烧协调系统要求锅炉自动减负荷 RB（Run Back）

5、 。 （3）当机组快速降负荷时 FCB（Fast Cut Back） ，燃烧协调系统要快速调节锅炉负荷，同时机组总协调系统迅速动作减温减压器系统，要确保热用户的需求。 （4）负荷增减指令的闭锁和限制（Run Up，Run Down） ，从而保护锅炉辅机。 1.4 CFBB 燃烧系统协调控制系统的主要组成 CFBB 燃烧系统协调控制系统的组成：燃烧协调系统外部设定器、燃烧调节子系统主调器、燃烧保护子系统主控器和燃烧协调系统输出分配器。 外 部 执 行 机 构 燃烧保护子系统主控器燃烧调节子系统主调器给料 燃烧协调系统输出分配器 一次风 二次风排渣给煤引风 燃烧协调系统外部设定器 图 1 CFBB

6、 燃烧协调控制系统图 （1）燃烧协调系统外部设定器 模拟量调节系统 MCS（Modulation Control System）中的每个调节回路的给定值应是负荷553指令的函数，即调节系统都是随动系统。燃烧协调控制系统外部设定器通过接受母管压力、负荷指令以及锅炉自身及辅机的实际能力计算出 CFBB 燃烧协调控制系统的各个调节系统给定值， （对每个锅炉系统来说有相对独立性） 。 实现多个被调测量值的选择策略：如汽包压力、炉膛负压的三选一，烟气含氧量二选一等，这样既要考虑多个测量的统计要求，又要区分测量工况点的故障和测量通道的故障，减少因测量通道故障对调节的影响，同时在测量故障时要采用分级报警策略

7、，迅速报警，完成调节参数报警功能。 （2）燃烧调节子系统主调器 不同负荷工况条件下要求调节策略不同，这样要有多组调节方案，燃烧调节子系统主调器由专家控制系统组成，来自动选择调节策略系统，实现多个执行器的切换，确保各种切换是无扰的，同时完成运行范围提示、运行状态提示、切换提示，确保操作人员对工况状态详细了解。 调节回路的调节策略采用自整定的模糊控制、专家控制与自整定的 PID 调节器组成 （3）燃烧保护子系统主控器 不同运行工况条件下要求控制策略不同，这样要有多组控制方案，燃烧保护子系统主调器由专家控制系统组成，来自动选择控制策略系统。不同的运行、故障和保护工况下，采用不同的系统控制策略，实现设

8、备的控制保护，提示设备的运行状态，设备保护，确保操作人员对工况状态详细了解。 控制回路的控制策略采用优先级与顺序控制组成。 （4）燃烧协调系统输出分配器 开关量控制的超驰控制调节：燃烧协调系统是一个多功能、分层次的整体控制系统，模拟量调节系统与开关量控制系统 SCS（Sequence Control System） 、FSSS（Furnace Safeguard Supervisory System）有超驰控制接口，使电厂 DCS 成为一个系统整体动作，保护设备，增加运行安全功能（如送、引风机的调节与其跳闸的超驰调节，给煤机的超驰调节） 。 实现多个执行器的控制选择：送风机、引风机的两个执行器

9、选择调节；燃料执行机构给煤机的选择（层操、同操）调节。同时在执行器故障时要采用分级报警策略迅速报警。 实现手/自动切换策略：模拟量调节的手/自动无扰切换策略是与 DCS 功能、操作盘（硬手操） 、报警策略设计密切相关的。总的原则：模拟量一级报警时，要产生提示操作人员的报警，并指出报警原因；模拟量二级报警或执行器故障时，应把 DCS 中的软手操切为手动，提示报警原因；模拟量三级报警时 DCS 应强制把主要调节回路的硬手操切为手动，提示报警原因。 输出分配器的作用是把主调器、主控器的输出信号综合考虑后送到现场执行机构上，最终完成系统协调控制。 2 CFBB 燃烧系统专家模糊自动控制系统 这里主要介

10、绍 CFBB 燃烧系统协调控制系统中的主控器。 主控器主要包括模糊控制、 专家控制和自整定。 2.1 模糊控制方案 CFBB 燃烧是一个复杂的多参数过程，各参数之间相互影响，同时又是一个大滞后环节，采用554数学模型难以精确描述这个过程，其主要调节目标是满足负荷变动这一处扰要求。锅炉受热面吸热量一般简化公式为： QK*H*T=K*H*(Ti- Tb) K传热系数 H- - 受热面积 Ti床料温度 Tb工质温度 因此 Q 的变化应通过 K、H、T 三个变量来补偿。而 K 难以调节，H 的变化要通过床料积累量变化来调整，十分缓慢，目前为了满足负荷要求可以根据涵义模糊的语言变量例如： “高” 、 “

11、低” 、“适中”的大致关系进行调节。模糊控制就是模仿熟练的人工的思维进行调节，例如： 如果汽压低，且床料温度高时，给煤适中； 如果汽压高，且床料温度也高时，减少给煤； 模糊控制的基本原理由图2、 3所示。 在CFBB燃烧协调系统中采用自整定PID和自整定FUZZY联合调节。联合调节原则是在每个稳定工况范围内，采用自整定 PID，保持稳定、经济性运行；在大的变工况条件下，采用可整定 FUZZY 调节，保证快速性。 以蒸汽压力为例： （1）PID 功能的具体实施 风量 给定 给煤量 蒸汽压力 图 2 PID 调节器参数值整定： 在调试过程中，利用经典的 Cohen- Coon 整定公式计算出：主

12、PID 中 Kp1、Ti1 的初时值和副PID 中 Kp2 的初时值： A、K*Kp1=0.9(t/T)*(- 1)+0.082 B、Ti1/T=3.33(t/T)+0.3(t/T)*2/1+2.2(t/T) C、K*Kp2=(t/T)*(- 1)+0.333 式中：K、T、t 为对象动态参数。 （2）FUZZY 控制器原则 1）把本次采样得到的系统的输入值，根据不同的输入变量要求计算出相应的值。 5552）将输入变量的精确量变成模糊量。 3）根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，控制规则可根据长期运行的经验得到，按模糊合成规则计算出控制量（模糊量） 。 4）把上述得到的模糊控制量计算成精确量

13、。 模糊控制器输入变量的个数称为维数，一般的二维控制器为表 1 所示，即模糊控制器一般是以输入量的误差信号及误差变化的快慢信号作为输出判断的依据。 图 3 表 1 FUZZY 控制器参数值整定表 - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 5 6 6 7 7 7 7 7 7 7 4 4 3 0 0 0 5 7 7 7 7 7 7 7 4 4 3 0 0 0 4 7 7 7 7 7 7 7 4 4 3 0 0 0 3 6 6 6 6 6 6 6 4 4 3 0 0 0 2 4 4 4 4 4 4 4 0 0 - 1 - 1 - 1 - 1 1 4 4 4 4 4 4 4

14、0 0 - 1 - 2 - 2 - 2 0 4 4 4 3 1 1 0 - 1 - 1 - 3 - 4 - 4 - 4 - 1 2 2 2 1 0 0 - 4 - 4 - 4 - 4 - 4 - 4 - 4 - 2 1 1 1 1 0 0 - 4 - 4 - 4 - 4 - 4 - 4 - 4 - 3 0 0 0 - 3 - 4 - 4 - 6 - 6 - 6 - 6 - 6 - 6 - 6 - 4 0 0 0 - 3 - 4 - 4 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 - 5 0 0 0 - 3 - 4 - 4 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 -

15、6 0 0 0 - 3 - 4 - 4 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 - 7 Ke、Kd 和 Ku 是 FUZZY 控制器可调系数，可在线调整。 2.2 专家控制系统 （1）负荷与床温解耦 循环流化床锅炉燃烧系统主要输入信号为汽压 P（负荷）及床料温度 T，输出的控制量为给煤量 B 和一次风量 F1。 单靠 P 或 T 的输入值与给定值的误差变化都不能较全面地完成调节控制要求，为了既能全面控制，又不使之变成多维输入的控制规则，使问题复杂化，系统可以采用 P 与 T 的误差为两个输入变量，进行专家控制。 控制规则库的形式如下： IF （P 很高且 T 很高） THEN （B最低

16、值，F1最低值） IF （P 很高且 T 略高）THEN （B略高于最低值，F1最低值） 556IF （P 很高且 T 适中）THEN （B较低值，F1略高于最低值） IF （P 适中且 T 很高）THEN （B较低值，F1略高于最低值） IF （P 很低且 T 很低）THEN （B最高值，F1最高值） 。 这样就得到一系列连续调节控制规则库。 当出现设备故障和工艺故障时，要采用一系列的事故（跳跃）控制规则库： IF （MFT 或 RB 或 FCB）THEN （B较低值，F1略高于最低值） 推理机： 因为外界变化可分为两种：一般连续变化和设备故障时阶跃变化。对于一般连续变化推理机采用动态深度搜索法；对于设备故障时阶跃变化推理机采用动态广度搜索法。 （2）一二次风配比 把燃烧需要的空气分成一、二次风从不同位置分别送入流化床燃烧室，在密相床内形成还原性气氛，稀相区完成氧化燃烧，实现分段燃烧，可大大降低热力型 NOX的形成。