[发明专利]循环流化床锅炉燃烧过程自动控制系统及方法

权利要求书

1.一种循环流化床锅炉燃烧过程自动控制系统，其特征在于，包括与循环流化床锅炉连接的现场智能仪表、控制站以及上位机；现场智能仪表与控制站、数据库和上位机连接，所述的上位机包括：

信号采集模块，用于按设定的采样时间间隔，从现场智能仪表采集主蒸汽压力、主蒸汽流量、主蒸汽温度、给水温度、一次风量、二次风量、#1给煤机煤量、#2给煤机煤量、石灰石量、烟气含氧量、烟气二氧化硫含量的实时信号，分别记为x₁(t)、x₂(t)、...、x₁₁(t)，t表示时间、单位为秒；

燃烧控制模块，用于根据锅炉的负荷变化，自动调节风量、煤量、石灰石量，克服扰动，保持稳定的蒸汽品质，通过以下子模块实现：

2.1）锅炉主控模块，用于维持主蒸汽压力，并产生t时刻锅炉负荷指令，由下式实现：

u1(t)=KP,1{S1-x1(t)+1TI,1∫0t[S1-x1(t)]dt+TD,1d[S1-x1(t)]dt}+90x2(t)Fd,e---(1)]]>

其中，u₁(t)为t时刻锅炉主控输出的锅炉负荷指令，t表示时间、单位为秒；K_P,1、T_I,1、T_D,1分别为锅炉主控制器的比例系数、积分时间、微分时间，通过现场调试确定；S₁为主蒸汽压力的设定值；F_d,e为锅炉的额定主蒸汽流量，由锅炉的设计参数确定；

2.2）风/燃协调模块，用于将锅炉负荷指令转换成对总风量、总煤量、石灰石量的需求信号，由以下过程实现：

2.2.1）由下式求t时刻锅炉耗热量对应的标准煤量：

u16(t)=x2[f1(x1,x3)-f2(x4)]K1---(2)]]>

其中，u₁₆(t)为t时刻锅炉耗热量对应的标准煤量，t表示时间、单位为秒；f₁(·)表示由主蒸汽压力、主蒸汽温度确定的主蒸汽焓值，由标准的物性模块实现；f₂(·)表示由给水温度确定的给水焓值，由标准的物性模块实现；K₁为单位标准煤量的发热量，等于锅炉设计煤种的低位发热量；

2.2.2）将当前的实际总给煤量折算成标准煤量，并自动调整标煤折算系数，由（3）、（4）式循环迭代产生：

u₁₈(t)=[x₇(t)+x₈(t)]u₁₇(t)      （3）

u17(t)=1+1250{1TI,2∫0t[u16(t)-u18(t)]dt-50}---(4)]]>

其中，u₁₈(t)为t时刻标准煤量；u₁₇(t)为t时刻标煤折算系数，t表示时间、单位为秒；T_I,2为标煤折算系数的自动调整时间常数，通过现场调试确定；

2.2.3）由下式产生t时刻总风量需求信号：

u₂(t)=max[K₂u₁(t),0.95K₃u₁₈(t))]      （5）

其中，u₂(t)是t时刻总风量需求信号，t表示时间、单位为秒；K₂为单位负荷指令的基本总风量需求，由锅炉的设计参数确定；K₃为单位标准煤量的基本总风量需求，由锅炉的设计参数确定；max(a,b)表示取a、b中较大的一个数值；

2.2.4）由下式产生t时刻总煤量需求信号：

u3(t)=min{K4u1(t),1.051K3[x5(t)+x6(t)]}---(6)]]>

其中，u₃(t)为t时刻总煤量需求信号，t表示时间、单位为秒；K₄为单位负荷指令的基本总煤量需求，由锅炉的设计参数确定；min(a,b)表示取a、b中较小的一个数值；

2.2.5）由下式产生t时刻石灰石量需求信号：

u4(t)=u3(t)K5---(7)]]>

其中，u₄(t)为t时刻石灰石量需求信号，t表示时间、单位为秒；K₅煤量与石灰石量之比为粗调系数，根据锅炉设计参数确定；

2.3）风量控制模块，用于保证锅炉负荷指令对总风量及一次风量、二次风量的要求，并克服来自风侧的扰动，由以下过程实现：

2.3.1）由下式产生t时刻总风量指令信号：

u5(t)=KP,3[u2(t)-x5(t)-x6(t)+1TI,3∫0t(u2(t)-x5(t)-x6(t))dt]]]>

其中，u₅(t)为t时刻总风量指令信号，t表示时间、单位为秒；K_P,3、T_I,3分别为总风量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；

2.3.2）由下式产生t时刻氧量修正信号：

u19(t)=1+1250{KP,4{[S2-x10(t)]+1TI,4∫0t[S2-x10(t)]dt}-50}---(9)]]>

其中，u₁₉(t)为t时刻氧量修正信号，t表示时间、单位为秒；；K_P,4、T_I,4分别为总风量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；S₂为烟气含氧量的设定值；

2.3.3）根据总风量指令信号和床温修正、氧量修正的要求产生t时刻一次风量、二次风量的目标值，由（10）、（11）式实现：

u₆(t)=K₆f₃[x₂(t)]u₅(t)+0.001S₃f_p,max      （10）

u₇(t)=u₁₉(t){(1-K₆)f₄[x₂(t)]u₅(t)-0.001S₃f_p,max}      （11）

其中，u₆(t)为t时刻一次风量的目标值，t表示时间、单位为秒；K₆表示一次风量占总风量的粗调比例系数，取值范围为0.2～0.8，根据锅炉设计参数确定；f₃(·)表示锅炉负荷率对一次风量分配系数进行修正的折线函数，输出范围为0.8～1.2，在锅炉调试时确定；S₃为床温修正系数，取值范围为-50～50，由操作人员根据实际运行情况设置；f_p,max为最大一次风量，根据一次风机参数确定；u₇(t)为为t时刻二次风量的目标值；f₄(·)表示锅炉负荷率对二次风量分配系数进行修正的折线函数，输出范围为0.8～1.2，在锅炉调试时确定；

2.3.4）根据一次风量、二次风量的目标值，由（12）、（13）式产生t时刻一次风量、二次风量执行器的指令信号：

u8(t)=KP,5{u6(t)-x5(t)+1TI,5∫0t[u6(t)-x5(t)]dt}---(12)]]>

u9(t)=KP,6{u7(t)-x6(t)+1TI,6∫0t[u7(t)-x6(t)]dt}---(13)]]>

其中，u₈(t)为t时刻一次风量执行器的指令信号，t表示时间、单位为秒；K_P,5、T_I,5分别为一次风量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；u₉(t)为t时刻二次风量执行器的指令信号；K_P,6、T_I,6分别为二次风量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；

2.4）煤量控制模块，用于保证锅炉负荷指令对总煤量、#1给煤机煤量、#2给煤机煤量的要求，并克服来自燃料侧的扰动，由（14）～（16）式实现：

u10(t)=KP,7{u3(t)-x7(t)-x8(t)+1TI,7∫0t[u3(t)-x7(t)-x8(t)]dt}---(14)]]>

u₁₁(t)=u₁₀(t)+S₄      （15）

u₁₂(t)=u₁₀(t)-S₄      （16）

其中，u₁₀(t)为t时刻总煤量控制输出的煤量指令信号，t表示时间、单位为秒；K_P,7、T_I,7分别为总煤量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；u₁₁(t)、u₁₂(t)分别为t时刻#1、#2给煤机执行器的指令信号；S₄为给煤机偏置设定值，取值范围为-20～20，由操作人员根据实际运行情况设置；

2.5）石灰石量控制模块，用于通过对石灰石量的调节，使烟气二氧化硫含量满足要求，由（17）、（18）式实现：

u13(t)=u4(t)KP,8{S5-x11(t)+1TI,8∫0t[S5-x11(t)]dt}---(17)]]>

u14(t)=KP,9{u13(t)-x9(t)+1TI,9∫0t[u13(t)-x9(t)]dt}---(18)]]>

其中，u₁₃(t)为t时刻石灰石量的目标值，t表示时间、单位为秒；K_P,8、T_I,8分别为石灰石量主控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；S₅为烟气二氧化硫含量的设定值；u₁₄(t)为t时刻石灰石给料执行器的指令信号；K_P,9、T_I,9分别为石灰石量副控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；

指令输出模块，用于将以上所述执行器指令信号传送至现场执行器；

操作显示模块，用于显示循环流化床锅炉的实时参数和各控制器的工作状态，并接受操作员的设定值输入、控制器的手动/自动切换以及手动控制信号的输入。

2.一种用权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧过程自动控制系统实现的燃烧过程自动控制方法，其特征在于，所述的自动控制方法包括以下步骤：

1）按设定的采样时间间隔，从现场智能仪表采集主蒸汽压力、主蒸汽流量、主蒸汽温度、给水温度、一次风量、二次风量、#1给煤机煤量、#2给煤机煤量、石灰石量、烟气含氧量、烟气二氧化硫含量的实时信号，分别记为x₁(t)、x₂(t)、...、x₁₁(t)；

2）根据锅炉的负荷变化，自动调节风量、煤量、石灰石量，克服扰动，保持稳定的蒸汽品质，通过以下子步骤实现：

2.1）维持主蒸汽压力，并产生t时刻锅炉负荷指令，由下式实现：

u1(t)=KP,1{S1-x1(t)+1TI,1∫0t[S1-x1(t)]dt+TD,1d[S1-x1(t)]dt}+90x2(t)Fd,e---(1)]]>

其中，u₁(t)为t时刻锅炉主控输出的锅炉负荷指令，t表示时间、单位为秒；K_P,1、T_I,1、T_D,1分别为锅炉主控制器的比例系数、积分时间、微分时间，通过现场调试确定；S₁为主蒸汽压力的设定值；F_d,e为锅炉的额定主蒸汽流量，由锅炉的设计参数确定；

其中，x(t)_j为t时刻第j个自变量原值，为第j个自变量训练样本的均值，s_x,j为第j个自变量训练样本的标准差，为t时刻第j个自变量无量纲化值，t表示时间、单位为秒；

2.2）将锅炉负荷指令转换成对总风量、总煤量、石灰石量的需求信号，由以下过程实现：

2.2.1）由下式求锅炉耗热量对应的标准煤量：

u16(t)=x2[f1(x1,x3)-f2(x4)]K1---(2)]]>

其中，u₁₆(t)为t时刻锅炉耗热量对应的标准煤量，t表示时间、单位为秒；f₁(·)表示由主蒸汽压力、主蒸汽温度确定的主蒸汽焓值，由标准的物性模块实现；f₂(·)表示由给水温度确定的给水焓值，由标准的物性模块实现；K₁为单位标准煤量的发热量，等于锅炉设计煤种的低位发热量；

2.2.2）将当前的实际总给煤量折算成标准煤量，并自动调整标煤折算系数，由（3）、（4）式循环迭代产生：

u₁₈(t)=[x₇(t)+x₈(t)]u₁₇(t)      （3）

u17(t)=1+1250{1TI,2∫0t[u16(t)-u18(t)]dt-50}---(4)]]>

其中，u₁₈(t)为t时刻标准煤量；u₁₇(t)为t时刻标煤折算系数，t表示时间、单位为秒；T_I,2为标煤折算系数的自动调整时间常数，通过现场调试确定；

2.2.3）由下式产生t时刻总风量需求信号：

u₂(t)=max[K₂u₁(t),0.95K₃u₁₈(t)]      （5）

其中，u₂(t)为t时刻总风量需求信号，t表示时间、单位为秒，K₂为单位负荷指令的基本总风量需求，由锅炉的设计参数确定；K₃为单位标准煤量的基本总风量需求，由锅炉的设计参数确定；max(a,b)表示取a、b中较大的一个数值；

2.2.4）由下式产生t时刻总煤量需求信号：

u3(t)=min{K4u1(t),1.051K3[x5(t)+x6(t)]}---(6)]]>

其中，u₃(t)为t时刻总煤量需求信号，t表示时间、单位为秒，K₄为单位负荷指令的基本总煤量需求，由锅炉的设计参数确定；min(a,b)表示取a、b中较小的一个数值；

2.2.5）由下式产生t时刻石灰石量需求信号：

u4(t)=u3(t)K5---(7)]]>

其中，u₄(t)为t时刻石灰石量需求信号，t表示时间、单位为秒，K₅煤量与石灰石量之比为粗调系数，根据锅炉设计参数确定；

2.3）保证锅炉负荷指令对总风量及一次风量、二次风量的要求，并克服来自风侧的扰动，由以下过程实现：

2.3.1）由下式产生t时刻总风量指令信号：

u5(t)=KP,3[u2(t)-x5(t)-x6(t)+1TI,3∫0t(u2(t)-x5(t)-x6(t))dt]]]>

其中，u₅(t)为t时刻总风量指令信号，t表示时间、单位为秒；K_P,3、T_I,3分别为总风量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；

2.3.2）由下式产生t时刻氧量修正信号：

u19(t)=1+1250{KP,4{[S2-x10(t)]+1TI,4∫0t[S2-x10(t)]dt}-50}---(9)]]>

其中，u₁₉(t)为t时刻氧量修正信号；K_P,4、T_I,4分别为总风量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；S₂为烟气含氧量的设定值；

2.3.3）根据总风量指令信号和床温修正、氧量修正的要求产生t时刻一次风量、二次风量的目标值，由（10）、（11）式实现：

u₆(t)=K₆f₃[x₂(t)]u₅(t)+0.001S₃f_p,max      （10）

u₇(t)=u₁₉(t){(1-K₆)f₄[x₂(t)]u₅(t)-0.001S₃f_p,max}      （11）

其中，u₆(t)为t时刻一次风量的目标值；K₆表示一次风量占总风量的粗调比例系数，取值范围为0.2～0.8，根据锅炉设计参数确定；f₃(·)表示锅炉负荷率对一次风量分配系数进行修正的折线函数，输出范围为0.8～1.2，在锅炉调试时确定；S₃为床温修正系数，取值范围为-50～50，由操作人员根据实际运行情况设置；f_p,max为最大一次风量，根据一次风机参数确定；u₇(t)为t时刻二次风量的目标值；f₄(·)表示锅炉负荷率对二次风量分配系数进行修正的折线函数，输出范围为0.8～1.2，在锅炉调试时确定；

2.3.4）根据一次风量、二次风量的目标值，由（12）、（13）式产生t时刻一次风量、二次风量执行器的指令信号：

u8(t)=KP,5{u6(t)-x5(t)+1TI,5∫0t[u6(t)-x5(t)]dt}---(12)]]>

u9(t)=KP,6{u7(t)-x6(t)+1TI,6∫0t[u7(t)-x6(t)]dt}---(13)]]>

其中，u₈(t)为t时刻一次风量执行器的指令信号；K_P,5、T_I,5分别为一次风量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；u₉(t)为t时刻二次风量执行器的指令信号；K_P,6、T_I,6分别为二次风量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；

2.4）保证锅炉负荷指令对总煤量、#1给煤机煤量、#2给煤机煤量的要求，并克服来自燃料侧的扰动，由（14）～（16）式实现：

u10(t)=KP,7{u3(t)-x7(t)-x8(t)+1TI,7∫0t[u3(t)-x7(t)-x8(t)]dt}---(14)]]>

u₁₁(t)=u₁₀(t)+S₄      （15）

u₁₂(t)=u₁₀(t)-S₄      （16）

其中，u₁₀(t)为t时刻总煤量控制输出的煤量指令信号；K_P,7、T_I,7分别为总煤量控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；u₁₁(t)、u₁₂(t)分别为t时刻#1、#2给煤机执行器的指令信号；S₄为给煤机偏置设定值，取值范围为-20～20，由操作人员根据实际运行情况设置；

2.5）通过对石灰石量的调节，使烟气二氧化硫含量满足要求，由（17）、（18）式实现：

u13(t)=u4(t)KP,8{S5-x11(t)+1TI,8∫0t[S5-x11(t)]dt}---(17)]]>

u14(t)=KP,9{u13(t)-x9(t)+1TI,9∫0t[u13(t)-x9(t)]dt}---(18)]]>

其中，u₁₃(t)为t时刻石灰石量的目标值；K_P,8、T_I,8分别为石灰石量主控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；S₅为烟气二氧化硫含量的设定值；u₁₄(t)为t时刻石灰石给料执行器的指令信号；K_P,9、T_I,9分别为石灰石量副控制器的比例系数、积分时间，通过现场调试确定；

3）将以上所述执行器指令信号传送至现场执行器；

4）显示循环流化床锅炉的实时参数和各控制器的工作状态，并接受操作员的设定值输入、控制器的手动/自动切换以及手动控制信号的输入。