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1、500t/h CFB 锅炉床温模糊PID控制系统的设计摘 要循环流化床锅炉具有燃料适应性广、截面热强度高、污染物排放少、锅炉负荷适应性高、燃料制备系统相对简单等优点。正是由于循环流化床锅炉具有如此多的优点，从而加快了循环流化床锅炉的商业化发展。但是循环流化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、大迟延、多变量耦合紧密的控制对象，这也就给循环流化床锅炉的运行控制提出了更高的要求。本文首先从循环流化床原理入手，简要说明了循环流化床锅炉的结构和优点，并且分析了锅炉的控制模型。针对锅炉床温控制难题，设计了基于模糊逻辑的循环流化床模糊解耦控制器，说明了控制器的优缺点，并进行仿真对比。从仿真结果来看，控制器达
2、到了比较令人满意的效果，控制器在稳定性、适应性、鲁棒性等控制特性上比常规PID控制要好。关键词： 锅炉炉膛负压； PID 控制； 模糊PID 控制； 仿真 DESIGN OF 500t/h CFB BOILER BED TEMPERATUREFUZZY PID CONTROL SYSTEMABSTRACT Circulating Fluidized Bed Boiler(CFBB or CFB Boiler)have fuel adaptability,The warmhearted intensity of section is high,The contaminant places in
3、proper order a moment.Boiler burden adaptability is good.The fuel is prepared the system distinguishing feature such as easy relatively and so on.As we know,CFBB is a control object that points of distributing parameter and nonlinear and timevariable and strong delay and coupling tightly multivariab
4、le,So the higher demand CFBB automation is proposed Here by introducing the theory of CFBB,briefly illustrates the structure and advantages of CFBB,meantime analyses the control model of CFBBFocusing on complex dynamic characteristic involved in combustion process of CFBB,proposes fuzzy logic based
5、CFB fuzzy decouple controller.The statements of the controllers advantage and disadvantage are made.The simulation is proceeded.The result shows that synthetically fuzzy controller can provide US a better control quality,robust,speediness than the general PID control systemKey words：boiler furnace p
6、ressure； pid control； fuzzy pid control； simulation目 录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 循环流化床燃烧控制的特点21.3 本课题设计的目的31.4 本课题设计的重点与难点31.4.1 重点31.4.2难点41.5 本文内容安排42 循环流化床锅炉原理52.1 循环流化床工作原理52.2 床温控制模型床温被控对象动态特性62.3 床温被控对象的动态特性分析83 锅炉床温模糊PID控制系统设计93.1 模糊控制简介93.2 模糊控制原理103.3 锅炉床温模糊控制总体设计方案103.4 模糊控制器简介123. 5 PID控制器简介
7、133. 6 PID参数对系统性能的影响143. 7 锅炉床温模糊控制器的详细设计153.7.1 模糊化设计153.7.2 模糊控制规则173.7.3 模糊逻辑推理193.7.4 确定模糊化和解模糊化204 锅炉床温模糊控制系统仿真21 4. 1 模糊控制器的仿真实现224. 2 锅炉床温模糊控制系统仿真254. 3仿真结果分析274.3.1 与常规PID控制效果的比较274.3.2 扰动性分析284.3.3 鲁棒性分析30结束语32参考文献33致谢34附录1：开题报告35附录2：外文翻译36 500t/h CFB锅炉床温模糊PID控制系统的设计1 绪论1.1 课题研究的背景和意义循环流化床锅
8、炉CFBB(Circulating fluidized bed boiler)是近30年来发展起来的一种新型煤燃烧技术。它具有常规煤粉炉所没有的优点：燃烧效率高，燃料适应性广，低污染燃烧，脱硫效率高，燃烧热强度大，炉膛体积小，床内传热系数高，负荷调节性能好，灰渣可综合利用。因此在短短的30年间，流化床技术得到了飞速发展，由最初的鼓泡流化床发展到了循环流化床，其应用也由小型锅炉发展到容量与煤粉炉大体相当的大型电站锅炉。循环流化床真正得到应用始于70年代末80年代初。1979年，芬兰奥斯龙(Ahlstrom)公司开发的世界首台20t/h商用循环流化锅炉投入运行。此后，循环流化床锅炉技术发展很快，已
9、有许多不同的流派和形式，从技术上可以分为三家：(1)德国鲁奇(Lurgi)、法国(Stein)、美国(ABBCE)型CFBB，采用鲁奇技术。1992年德国Lurgi、Lentjes和Babcock公司三家公司联合成立了LLB公司，拥有Lurgi型和Circofluid型循环流化床锅炉。(2)芬兰奥斯龙公司的Pyroflow型循环流化床锅炉。(3)美国福斯特惠勒(Fw)公司自有型循环流化床锅炉。其中，带有外置式热交换器的循环流化床锅炉有：鲁奇循环流化床锅炉，ABBCE型循环床锅炉和福斯特惠勒循环流化床锅炉；不带外置式热交换器的循环床锅炉主要有Pyroflow循环流化床锅炉和Circofluid型
10、循环硫化床锅炉。目前，世界上发电容量为l00Mw250Mw的循环流化床电站锅炉已有数十台投入运行，其中容量最大的是采用鲁奇Lurgi技术，由法国Stein公司制造，安装在法国Gardanne电厂的250MW(700t/h)循环流化床锅炉，于1995年5月投入运行。美国ABB，CE公司，FW公司等主要循环流化床锅炉的制造商都在开发300350MW等级的产品，可以说，目前国外大型循环流化床技术正日趋成熟，逐渐达到与煤粉炉容量相当的水平。国内中小型循环流化床锅炉技术也已相当成熟，但在大型循环流化床锅炉的开发研究方面，与先进国家仍有相当大的差距。引进国外技术制造的2201/h(50Mw)和引进410t
11、/h的CFBB已投运，但从运行实绩看，在燃烧效率、锅炉可靠性、价格和能耗等指标上，与传统煤粉炉相比，仍有一定的差距1。1.2 循环流化床燃烧控制的特点由于循环流化床锅炉具有较其它类型锅炉更为优越的性能和特点，因此在电力、供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用，自动控制系统作为实现锅炉安全、经济运行的有效手段正越来越受到锅炉用户的重视。实用循环流化床锅炉的运行自动化已成为其走向商用的关键之一。循环流化床锅炉在结构和运行方式上与常规煤粉锅炉相比均有着显著的差异，因此在燃烧控制上存在有许多不同之处。循环流化床锅炉控制难度更大要求更高。除了完成普通锅炉的自动调节任务：即保证汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温
12、度和炉膛负压等在规定范围内，为维持经济燃烧，还必须保持一定的床层高度，控制床温在要求范围内。床温对流化床的稳定运行具有极其重要的作用，床温直接影响炉内各种化学反应(脱硫、降氮)的反应速率，从而影响排污指标。床温过高可能易于导致结焦，而破坏循环流化床的运行状态；床温过低则易引起炉膛灭火，造成停炉故障。床温也影响汽水系统的吸热量，从而决定主蒸汽压力和温度等各种参数。维持正常的床温和锅炉出口蒸汽参数是循环流化床锅炉稳定，经济运行的关键，在循环流化床锅炉的运行过程中，几乎所有的燃烧控制和调节都是围绕维持稳定的床温和所要求的蒸汽参数进行的。带有外置式热交换器的循环流化床锅炉在本体结构上很好地解决了蒸汽压
13、力与床温在控制回路问的紧密耦合关系。因此，这种锅炉可以采用风煤比调节主蒸汽压力，采用进入外置式换热器循环物料量的多少来调节床温，故床温自动控制系统一般为常规单回路反馈控制系统。没有外置式热交换器的循环流化床锅炉结构比较简单、紧凑、节省材料，因此得到较广泛的应用。国内普遍采用或选型的循环流化床锅炉的典型结构就是无外置式热交换器。此类锅炉给其燃烧控制系统实现自动控制带来了极大的困难，因为锅炉主汽压力和床温的控制均是通过调节给煤量和送风量来实现的，当主汽压力和床温两者中任何一个出现偏差时，无论调节给煤量还是送风量都会使另一个量发生变化，这样使得主蒸汽压力和床温成为具有紧密关系的强耦合变量。而且不论调
14、节给煤量或送风量，都同样会影响负荷，因为给煤量的大小直接与负荷密切相关；若是通过调节送风量控制床温，则会改变传热系数从而影响负荷(传热系数是与炉内气体流速、床温、悬浮段物料密度等密切相关)。给煤和送风量的改变又会影响烟气含氧量、炉膛负压和料床高度，等等。而由此造成的蒸汽量的变化又影响到汽包水位和过热蒸汽温度。这样各变量之间或强或弱都存在耦合关系，理想的控制系统应该是多回路的控制系统，当系统受到某一扰动时，所有的被调量同时协调动作，使所有的被调量都具有一定的控制精度。但是这样的调节是很艰难的，要使所有的耦合变量都得到精确的控制是不可能的。目前一般将循环流化床锅炉的自动控制系统分成几个相对独立的控
15、制系统，主要包括以下主要控制回路： （1）汽包水位控制回路； （2）过热汽温控制回路； （3）主蒸汽压力控制回路； （4）床温控制回路； （5）床层高度控制回路； （6）二级返料回料控制回路； （7）炉膛负压控制回路； （8）烟气含氧量控制回路； （9）烟气含S02量控制回路。 近年来，国内外有很多机构和学者尝试着进行循环流化床锅炉自动控制的研究，一些学者提出过一些很有应用价值的自动控制系统方案。1.3 本课题设计的目的循环流化床的床温控制系统是一个大惯性系统。滞后性在给煤调节床温时普遍存在。时滞越大,被控对象输入、输出之间的相关性越小，用常规控制已不能满足当前安全、节能、经济、低污染的需求。因此人们当前通常采用控制算法简单, 性能优良, 有较强的鲁棒性的模糊控制算法进行控制。本课题的设计目的是应用模糊控制算法来控制循环流化床锅炉床温。从而提高床温控制的精度，保证系统运行的稳定性。1.4 本课题设计的重点与难点 1.4.1 重点 （1）针对控制要求，设计循环流化床锅炉床温控制系统总体方案； （2）根据床温控制要求，设计模糊控制算法； （3）利用MATLAB 建立仿真模型，研究控制算法的性能，并与
