1 前言

盡管CFB鍋爐在我國的出現(xiàn)才剛剛過去了二十多年，但無疑這種高效清潔的爐型在我國的發(fā)展速度是世界上最迅猛的，無論是鍋爐的使用規(guī)模還是數(shù)量都早已成為世界第一了。尤其在近十年，我國廣大電力和熱電行業(yè)的科技工作者們從各自不同的角度對CFB鍋爐都持續(xù)進行了深入的研究，在大型化、高效化、清潔化、安全化等諸多方面都取得了長足的發(fā)展，但也毋庸置言，CFB鍋爐的自動化研究成果還很不樂觀，有90%以上中小型CFB鍋爐的操作都還基本長期處于手動狀態(tài)，尤其是燃燒系統(tǒng)，盡管也出現(xiàn)了不少能短期投入自動控制的方案。手動操作模式下的大起大落，造成了CFB鍋爐的長期不穩(wěn)定運行，飛灰含碳量、爐渣含碳量忽高忽低且居高不下，影響鍋爐的經濟運行，結焦、爆管等事故時有發(fā)生，機組很難長周期運行。如何保證機組的安全穩(wěn)定運行始終是我們一線管理者最大的心病，手動操作對燃用我們福建劣質無煙煤的CFB鍋爐來說則更是雪上加霜。

盡管石獅熱電公司的3#、4#鍋爐（DG75/3.82-11型）在設計時就采取了低流速、高爐膛、中物料循環(huán)倍率、敷設長衛(wèi)燃帶等措施，并取得了良好的運行效果，但在如何實現(xiàn)機組長期安全可靠的全自動操作、優(yōu)化操作進而進一步提高鍋爐熱效率方面卻整整困擾了我們十年。在2008年10月福州召開的循環(huán)流化床協(xié)作網年會上，我們接觸到了北京和隆優(yōu)化控制技術有限公司的“通用燃燒優(yōu)化控制技術（BCS）”并與他們的技術人員進行了溝通，他們在考察完我們的現(xiàn)場后很快完成了“BCS優(yōu)化控制技術在石獅熱電DG75/3.82-11型CFB鍋爐上的應用方案”，并于2008年12月中旬開始在4#爐上進行實施，12月31日BCS系統(tǒng)投入全自動優(yōu)化運行。截至2009年10月底，該系統(tǒng)已連續(xù)可靠運行的時間達10個月，各種運行數(shù)據(jù)都已得到；另外，我公司已與北京和隆優(yōu)化簽訂了另外三臺CFB鍋爐（1#、2#為35t/hCFB，3#為75t/hCFB）的燃燒優(yōu)化及多爐多機協(xié)調優(yōu)化的項目合同，2009年10月底全面投入運行，預計整體機組效率會提高2%以上。下面我們就對BCS優(yōu)化技術在我公司4#爐的應用情況作一個總結供同行們參考。

2 通用燃燒優(yōu)化控制技術（BCS）簡介

BCS是“通用燃燒優(yōu)化控制技術”的英文縮寫，基于先進的、高可靠性的DCS系統(tǒng)或高端PLC產品，立足于各種燃燒裝置最基本的測控儀表，采用先進的軟測量技術、多變量解耦技術、過程優(yōu)化控制技術、故障診斷與自愈控制技術及先進的軟件接口來實現(xiàn)燃燒裝置的全自動優(yōu)化控制，從而達到鍋爐安全運行、穩(wěn)定運行和經濟運行的所有目標。

“通用燃燒優(yōu)化控制技術(BCS)”的研發(fā)始于1996年，于七年后的2003年11月通過國家鑒定。該技術共包括六大核心技術、擁有四項自主知識產權和兩項發(fā)明專利，獲得過部級科技進步二等獎。目前BCS技術已被推廣應用到包括鏈條爐、CFB鍋爐等近十種燃燒裝置上，見圖1。

燃燒過程是一個多輸入、多輸出、時變性強、非線性和關聯(lián)性都非常嚴重的復雜系統(tǒng)，這使得代表性燃燒裝置--鍋爐系統(tǒng)的自動化控制水平始終很低。加之在我國還具有下面的一些特殊國情：⑴基礎自動化水平低。大部分中小容量鍋爐只安裝了一些簡單的測控儀表，而且現(xiàn)有的很多儀表也是很不精確的；⑵我國部分企業(yè)的操作人員、維護人員目前的層次較低，非常先進的控制思想難以被廣泛接受和應用；⑶燃燒問題是一個涉及到多學科的難題，燃燒過程的優(yōu)化控制難題涉及到計算機、儀表、自動化理論、燃燒工藝、機械設備等專業(yè)領域，而我們尚缺乏有效的整合能力；⑷應用場所對項目成功的制約。由于鍋爐裝置在企業(yè)尤其是大型連續(xù)生產型企業(yè)具有舉足輕重的重要性，熱電鍋爐后面還掛著發(fā)電的汽輪機，而使自動化集成商在現(xiàn)場做實驗的困難增加了不少，因此很多用戶寧肯手動操作也不愿冒險做過多實驗；⑸先進控制理論工程化程度的制約。許多先進的控制思想如自適應控制技術、過程優(yōu)化控制技術、模糊控制技術、神經源網絡控制技術等控制理論在燃燒過程應用的工程化程度還遠遠不夠，很多成果僅局限在實驗室模擬所得或沒有代表性的現(xiàn)場案例。

BCS系列技術的顯著特點有三個：一是它對現(xiàn)場條件的要求很低，甚至不需要現(xiàn)場安裝有燃料量、風量、廢氣分析等儀表；對現(xiàn)有的儀表精度要求也很低，只要現(xiàn)有的測控儀表變化趨勢正確就可以；二是它的通用性很強。BCS技術已被推廣應用到近十種燃燒裝置上，理論上只要有燃燒就可以采用該技術；三是BCS技術的效果真實明顯且是可以量化的。北京和隆優(yōu)化承擔節(jié)能效益達不到最低1%的全部風險。

3 BCS技術在我公司4#爐上的應用情況及運行效果

由于我公司在3#、4#鍋爐已經上了浙江中控的DCS系統(tǒng)JX-300X，北京和隆優(yōu)化控制公司針對我公司4#CFB鍋爐的具體實際設計了一套基于OPC通訊標準的“CFB鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)”，原DCS系統(tǒng)只負責數(shù)據(jù)采樣和控制輸出，BCS負責全部優(yōu)化控制模型的計算。它們之間的關系如圖2。值得一提的是，北京和隆優(yōu)化控制公司還同時安裝了一套安全性很高的遠程服務支持系統(tǒng)，他們通過該系統(tǒng)可隨時對我們的現(xiàn)場進行

服務。

在4#爐的優(yōu)化控制系統(tǒng)中共設計實施了如下控制回路和優(yōu)化功能及安全策略：

3．1 基本控制回路

①帶燃燒因素前饋算法的汽包水位三沖量控制回路；

②帶燃燒因素前饋算法的主汽溫度控制回路。

由于我公司蒸汽管網除帶三臺汽輪發(fā)電機組外，還負責給周邊五十多家漂染、染整、水洗等企業(yè)供汽，大部分用戶的生產都是間歇式的，用汽量根據(jù)定單情況不斷變化，隨機性強，再加上我公司所燃用的福建無煙煤屬典型難燃的高變質煤種，并且采購渠道多樣化，煤種復雜多變，入爐煤的發(fā)熱量波動較大且頻繁。這些因素經常造成負荷的巨大波動，有時會突降40%負荷，尤其是每天的交接班時間，汽包水位波動幅度超過30%、主汽溫度波動超過40℃。

所謂燃燒因素前饋算法就是以額定負荷下燃用設計煤種時高過前煙氣溫度為基準的煙氣溫度PD算法，將該算法引入這兩個回路的主調輸出中，用于提前克服因各種因素引起的爐膛內燃燒強度的變化對汽包液位和主汽溫度的影響。完善后的控制精度在大負荷波動下也達到了R±20mmH2O、R±10℃(R為設定值)。

3．2 CFB鍋爐燃燒優(yōu)化控制回路

①鍋爐負荷優(yōu)化控制回路；

②一次風優(yōu)化控制回路；

③二次風優(yōu)化控制回路；

④爐膛負壓優(yōu)化控制回路；

⑤基于專家系統(tǒng)的床溫優(yōu)化控制回路。

這五個回路的設計和正常運行是鍋爐經濟運行的關鍵所在。①-④模型框圖見圖3。

圖3中，FQ/FM1/FM2/F1F/F2F/PFY分別為該爐的蒸汽流量、給煤流量、一次風量、二次風量和爐膛負壓測量信號；FQ0/FM0/F1F0分別為該爐的基本操作負荷、基本操作負荷下的給煤量和該爐一次風最小流化風量；GYFL1、GYFL2分別為全自動模式下給操作人員專門設計的一次風、二次風人工經驗優(yōu)化值入口；DFQ/DFM2/DUM分別為啟動多爐協(xié)調功能后模型對該爐輸出的負荷調整增量、煤量調整增量和給煤變頻變化量；DF2F/DPFY分別為BCS燃燒優(yōu)化模型輸出的最佳風量增量和爐膛負壓增量。

從圖3可以看出，如果該爐被定為調節(jié)爐，則多爐多機協(xié)調模型根據(jù)管網負荷波動的幅度和快慢以及該爐的可調能力計算出該爐負荷變化的增量以及相對應的煤的增量和給煤變頻的增量，同時一次風、二次風以及爐膛負壓控制回路都會立即跟隨調整；當工況接近穩(wěn)定，BCS優(yōu)化模型自動啟動，將對新工況下的風量和爐膛負壓控制點進行優(yōu)化，直至燃燒效率最大。這幾個回路的運行曲線參見圖4～圖6：

對CFB鍋爐來說床溫控制是最重要的一個回路，床溫控制精度的高低是影響鍋爐的安全運行和經濟運行最大的因素，基于專家系統(tǒng)的床溫優(yōu)化控制模型是BCS技術最關鍵的一個模型，正是由于這個模型的保障，才使得BCS技術的其他控制算法得以能夠長周期投運。

對中溫返料的CFB鍋爐來說，完全可以通過控制返料量來穩(wěn)定床溫，只是手動操作無法得到一個穩(wěn)定的燃燒氛圍，沖灰、斷灰現(xiàn)象頻繁發(fā)生，床溫波動幅度一般都在50℃以上，波動大時還需要輔以煤量、風量的調整，這就造成了灰、渣含碳量的大幅度波動。BCS技術非常完美地解決了床溫的高精度控制難題。BCS床溫優(yōu)化控制模型見圖7。

圖7中，TCW1-TCWn為密相層床溫；PFL1/PFL2為返料風壓；FQR/FQ分別為該爐負荷控制點和測量值；TCW0為額定負荷下基本床溫控制點；PFL0為額定負荷下基本返料風壓控制點；PFLJ1/2為返料器入口靜壓；TFL1/2為返料器料溫。

BCS技術下的很多控制點都是浮動的，如汽包水位、爐膛負壓、氧含量、返料風壓等。床溫控制點也是浮動的，該爐負荷控制點改變后床溫的實際控制點隨之而變，負荷高則床溫高。模型主回路是床溫-返料風壓-返料量的串級控制，但它還包含了三部分的輔助功能：一是床溫專家系統(tǒng)，它保證了在發(fā)生諸如沖灰、斷煤、煤質急劇波動等惡劣工況下的快速反應能力，極大提高了該模型的抗干擾能力；二是監(jiān)控返料器工作的不平衡故障，故障發(fā)生后及時啟動返料器不平衡工況的自愈控制功能，自動恢復返料器的平衡運行；三是當發(fā)生了更為嚴重的問題，前兩項措施都不能保證床溫運行安全而有滅火或結焦危險時則緊急啟動床溫安全控制模型，自動切斷常規(guī)負荷控制而大幅度調整風煤量。從下面的床溫控制曲線可看出即使出現(xiàn)比較大的擾動（如發(fā)生沖灰），床溫的控制精度也很快被穩(wěn)定住并保持在R±5℃的高精度，見圖8和圖9。

3．3 CFB鍋爐緊急處理回路

①斷煤故障診斷與全自動處理控制回路；

②返料系統(tǒng)故障診斷與自愈控制回路。

很多原因會導致鍋爐斷煤，斷煤的頻繁發(fā)生不僅大大增加了工人的勞動強度，還是對鍋爐穩(wěn)定運行狀態(tài)的極大干擾。我公司4#爐2#給煤系統(tǒng)發(fā)生斷煤的頻率是很大的，有時一個班多達十次以上。BCS技術中斷煤自動處理功能可靠地解決了這一問題，故障處理與恢復過程都是很平穩(wěn)的，幾乎對床溫的影響為零。斷煤處理曲線見圖10 。

由于燃燒狀態(tài)的不穩(wěn)定、返料器設備性能的變化以及返料系統(tǒng)測控儀表的問題等會時常發(fā)生兩個返料器返料量不平衡的問題，不及時處理可能會積累造成返料器不下灰的故障，該故障處理不當易形成大沖灰又會造成床溫比較大的波動，BCS技術中“返料系統(tǒng)故障診斷與自愈控制回路”則在某一返料器剛剛發(fā)生返料不暢時就根據(jù)其趨勢增加其返料風壓，將其消滅在萌芽狀態(tài)，慢慢恢復至兩返料器均勻回料狀態(tài)達到故障自愈的效果，見圖11。

從曲線可看出：當診斷出返料器不平衡現(xiàn)象發(fā)生后（兩返料器溫差大于15℃）則以一定的速率將返料不暢的返料器返料風壓慢慢增加，直至返料暢通。過一定時間后就發(fā)現(xiàn)返料溫差（綠線，光標處）就在0℃附近了，此時該返料器的返料風壓比另一返料器高出0.34kPa，再穩(wěn)定一定時間后自愈控制器就將該風壓增量清零。

3．4 安全控制技術

①安全運行空間設計；

②智能語音報警技術；

③安全聯(lián)鎖—既保留了原DCS系統(tǒng)安全聯(lián)鎖功能的完整性，又設計出了安全可靠的BCS-DCS系統(tǒng)間的無擾切換功能。

4#爐作為調節(jié)爐出現(xiàn)時，將它的負荷變化區(qū)間設置為60～85t/h，相應地通過BCS的安全限幅功能又把所有變頻器、閥的最大運行區(qū)間的上下限根據(jù)它來進行設置以確保全自動運行狀態(tài)下的安全生產。

BCS的智能語音報警功能將所出現(xiàn)的各級別報警都快速定位到點，比如“二號給煤系統(tǒng)發(fā)生斷煤，請注意！”在全自動的情況下，操作人員不必時刻盯著屏幕，只聽報警聲音就可以了，極大地降低了工人的勞動強度。

由于BCS設計了OPC鏈路異常報警及全自動無擾切換功能，整個通訊所涉及到的DCS操作員站、DCS控制站、BCS優(yōu)化站、網絡等有一點出現(xiàn)故障都會立即切換到DCS手動狀態(tài)，可保安全過渡。

3．5 其他

①鍋爐運行及操作質量評價系統(tǒng)；

②遠程服務支持系統(tǒng)。

如何評價BCS技術運行的效果或操作人員的技術水平也是我們所非常關注的。BCS系統(tǒng)設計了“鍋爐運行及操作質量評價系統(tǒng)”，見圖12和圖13：

無論是手動生產還是自動運行都可啟動評價功能，“隨機考核”可用來隨時對操作者進行若干時間的操作水平評估，“連續(xù)考核”可持續(xù)評價每個班的操作效果。上圖中綠框內的“燃燒效率”、“運行穩(wěn)定性參數(shù)”及“操作質量參數(shù)”可以作為評價時間內鍋爐運行的重要評價指標。需要說明的是“燃燒效率”是基于一個人工輸入的燃煤的低位發(fā)熱值在線計算出來的，它不是一個準確的實時數(shù)據(jù)，操作人員平時用它來判斷煤質是否發(fā)生了突變。

燃燒優(yōu)化的調整是一個相對長周期的工作，現(xiàn)場調試時間一般會持續(xù)一個月以上，和隆優(yōu)化為此設計了遠程服務支持系統(tǒng)來實現(xiàn)對用戶的零響應時間的不間斷服務，他們的技術專家無論何時何地都可通過互聯(lián)網服務于我們，當然他們也已經充分考慮到了網絡傳輸?shù)陌踩珕栴}。

4 結束語

石獅熱電公司4#爐的BCS優(yōu)化控制技術改造取得了預期的效果，實現(xiàn)了全部的預期目標：

(1)在65～85t/h負荷范圍內實現(xiàn)了汽包水位、主汽溫度、鍋爐負荷、一次風、二次風、爐膛負壓和床溫等七個回路的全部自動控制和優(yōu)化運行，長期可靠自控率超過90％；

(2)蒸汽母管壓力的控制精度達到R±0.1MPa，床溫控制精度達到R±10℃（90%時間都在5℃以內），廢氣含氧量達到R±0.5%；

(3)能可靠處理斷煤故障和返料器的不平衡故障；

(4)爐渣含碳量降低0.2%，飛灰含碳量降低3%，放渣量比原來手動操作增加20%以上，燃燒效率提高了1.5%以上。

最后需要說明的是BCS技術也有三個最基本的應用條件：一是現(xiàn)場必須已經安裝了支持OPC通訊協(xié)議的DCS或高端PLC系統(tǒng)；二是鼓風、引風能力還有可調節(jié)余地，一般要求在額定負荷下閥門或變頻開度還不大于70%；三是要求一次風、二次風、返料風、引風等的控制是用電動閥門的現(xiàn)場，要求閥門的精度滿足1.5%，否則它會影響優(yōu)化控制效果。

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福建省石獅熱電有限責任公司 福建石獅 362700 俞金樹 吳劍恒 張金光