[发明专利]循环流化床锅炉燃烧过程自动控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种循环流化床锅炉燃烧过程自动控制系统及方法，系统包括与循环流化床锅炉连接的现场智能仪表、数据库、数据借口、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，控制站包括：信号采集模块，用于从现场智能仪表中采集锅炉运行参数的实时信号；燃烧控制模块，用于根据锅炉运行条件的变化，自动产生风量、煤量、石灰石量的执行器指令信号；指令输出模块，用于将所述执行器指令信号传送至现场执行器；操作显示模块。本发明能实时地根据锅炉运行条件的变化，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，从而有效地提高循环流化床锅炉的安全性、环保性与经济性，并充分降低操作人员的劳动强度。

主权项

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： u 1 ( t ) = K P , 1 { S 1 - x 1 ( t ) + 1 T I , 1 ∫ 0 t [ S 1 - x 1 ( t ) ] dt + T D , 1 d [ S 1 - x 1 ( t ) ] dt } + 90 x 2 ( t ) F d , 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；KP,1、TI,1、TD,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；Fd,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： u 16 ( t ) = x 2 [ f 1 ( x 1 , x 3 ) - f 2 ( x 4 ) ] K 1 - - - ( 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） u 17 ( t ) = 1 + 1 250 { 1 T I , 2 ∫ 0 t [ u 16 ( t ) - u 18 ( 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；TI,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： u 3 ( t ) = min { K 4 u 1 ( t ) , 1.05 1 K 3 [ x 5 ( t ) + x 6 ( 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： u 4 ( t ) = u 3 ( t ) K 5 - - - ( 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： u 5 ( t ) = K P , 3 [ u 2 ( t ) - x 5 ( t ) - x 6 ( t ) + 1 T I , 3 ∫ 0 t ( u 2 ( t ) - x 5 ( t ) - x 6 ( 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；KP,3、TI,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： u 19 ( t ) = 1 + 1 250 { K P , 4 { [ S 2 - x 10 ( t ) ] + 1 T I , 4 ∫ 0 t [ S 2 - x 10 ( 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；；KP,4、TI,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)+0.001S3fp,max      （10）u7(t)=u19(t){(1‑K6)f4[x2(t)]u5(t)‑0.001S3fp,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；fp,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： u 8 ( t ) = K P , 5 { u 6 ( t ) - x 5 ( t ) + 1 T I , 5 ∫ 0 t [ u 6 ( t ) - x 5 ( t ) ] dt } - - - ( 12 ) u 9 ( t ) = K P , 6 { u 7 ( t ) - x 6 ( t ) + 1 T I , 6 ∫ 0 t [ u 7 ( t ) - x 6 ( 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；KP,5、TI,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；KP,6、TI,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： u 10 ( t ) = K P , 7 { u 3 ( t ) - x 7 ( t ) - x 8 ( t ) + 1 T I , 7 ∫ 0 t [ u 3 ( t ) - x 7 ( t ) - x 8 ( 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；KP,7、TI,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： u 13 ( t ) = u 4 ( t ) K P , 8 { S 5 - x 11 ( t ) + 1 T I , 8 ∫ 0 t [ S 5 - x 11 ( t ) ] dt } - - - ( 17 ) u 14 ( t ) = K P , 9 { u 13 ( t ) - x 9 ( t ) + 1 T I , 9 ∫ 0 t [ u 13 ( t ) - x 9 ( 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；KP,8、TI,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；KP,9、TI,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。