流化床锅炉床温主汽压控制系统的设计与仿真毕业设计论文正文

毕 业 设 计(论文)系 别动力工程系专业班级自动化专业06K1班学生姓名指导教师流化床锅炉床温主汽压控制系统的设计与仿真题 目 二一年六月II华北电力大学科技学院本科毕业设计（摘要）流化床锅炉床温与主汽压控制系统的设计与仿真摘要循环流化床锅炉(简称CFB锅炉)具有燃烧效率高、燃烧适应性广、低污染等独特优点，受到世界各国的广泛重视并得到迅速发展。但CFB锅炉在理论和实践两方面仍有许多不完善之处，尤其在床温主汽压控制系统方面，大多数CFB锅炉自动化水平不高，有的至今仍采用手动操作，其原因是由于CFB锅炉是一个多参数、非线性、时变及变量紧密耦合的复杂系统。CFB锅炉很难建立精确的数学模型，如果采用固定参数的常规控制器，当工况发生较大变化时，很难保证控制系统的控制品质。相关研究设计结果表明，要想取得较好的控制效果必须将有耦合关系的系统经行解耦，因此本文针对CFB锅炉的特殊性，寻找到被控对象的传递函数，对传递函数应用对角矩阵经行解耦，将解耦后的被控对象看做是两个彼此独立的系统，进而设计PID控制器。通过仿真分析结果表明该方法能够在完成床温主汽压系统解耦的前提下，方便地实现循环流化床锅炉控制优良的静动态特性。解耦后的控制系统具有较好的抗干扰能力、鲁棒性等。关键字：循环流化床锅炉（CFB）；床温主汽压；对角矩阵解耦；PID控制；Fluidized bed boiler main steam pressure control system design and simulationAbstractfluidized bed boiler (CFB boiler for short) has a high combustion efficiency, combustion and wide adaptability, low pollution and other unique advantages are the world wide attention and rapid development. But the CFB boiler both in theory and in practice there are still many imperfections, in particular, the main steam pressure in the bed temperature control system context, most of CFB boiler automation level is not high, some are still using manual operations, the reason is due to CFB Boiler is a multi-parameter, nonlinear, time-varying and variable system of closely coupled complex. CFB boiler is difficult to establish accurate mathematical model, if the conventional controller with fixed parameters, significant changes occur when the condition was difficult to ensure quality control system of control. Research design results show that, in order to obtain better control effect relationship must be a coupled line system has been decoupled, so the particularity of this paper CFB boiler, to find the transfer function of the object and, on the application of the transfer function of the angle matrix by row decoupling, the decoupling of the plant is seen as two separate systems, then design PID controller. The simulation results show that the method can complete the bed temperature in the main steam pressure system is decoupled under the premise of convenience Germany to achieve good control of circulating fluidized bed boiler static and dynamic characteristics. Decoupled control system has good anti-jamming capability, robustness.Keywords:circulating fluidized bed boiler (CFB); bed temperature of main steam pressure; diagonal matrix decoupling; PID control;华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）目录华北电力大学科技学院本科毕业设计（目录）摘要IAbstractII1 引言11.1 循环流化床锅炉在国外的发展11.2 循环流化床锅炉在国内的发展11.3 国内引进流化床技术的主要类型11.4 循环流化床锅炉(CFBB)的优缺点21.4.1循环流化床锅炉的主要优点21.4.2循环流化床锅炉的缺点31.5 论文的选题背景及意义41.6 本课题研究的主要内容42 循环流化床锅炉原理52.1 循环流化床锅炉的结构52.2 循环流化床锅炉被控对象特点及控制的难点62.2.1多变量输入、多变量输出62.2.2 输入变量、输出变量之间的非线性62.2.3循环流化床形成理论基础流化态理论62.3 循环流化床锅炉控制系统72.3.1主汽压力调节系统72.3.2一次风量调节系统72.3.3二次风量调节系统82.3.4引风量调节系统82.3.5给水调节系统82.3.6主汽温度调节系统92.3.7料层差压控制93循环流化床床温主汽压控制系统103.1 影响床温变化的因素103.1.1 给煤与床温103.1.2 一次风与床温113.2 影响主汽压变化的因素123.2.1给煤量对主汽压的影响123.2.2一次风对蒸汽压力的影响133.3循环流化床床温主汽压被控对象133.3.1对角矩阵解耦143.3.3PID控制器的设计173.3.4扰动试验测试193.3.5鲁棒性试验测试213.4 结论224结束语24参考文献25致谢27华北电力大学科技学院本科毕业设计（正文）271 引言1.1 循环流化床锅炉在国外的发展1921年12月德国人温克勒发明了第一台流化床，该流化床使用的是粗颗粒床料。1938年l2月麻省理工学院的刘易斯和吉里兰发明了快速流化床。循环流化床真正成为具有工业实用价值的新技术是在20世纪50、60年代。60年代末，德国鲁奇公司(Lurgi)发展并运行了LurgiVAW 循环流化床锅炉的氢氧化铝焙烧反应器。1979年芬兰奥斯龙(Ahlstrom)公司生产了20th的循环流化床锅炉，1982年德国鲁奇(Lurgi)公司的第一台50th的商用循环流化床锅炉投入运行，这标志着作为煤燃烧设备的循环流化床锅炉诞生了。通常把第一代流化床锅炉称为鼓泡床锅炉(又称沸腾床)；循环流化床锅炉称为第二代流化床锅炉。两者之间既有联系，也有差别。随后，循环流化床技术迅速发展起来，尤其在国外发展很快，并向大型化方向发展。目前国外主要开发研制单位和生产厂家有德国鲁奇公司、芬兰奥斯龙公司、美国巴特尔研究中心、美国福斯特惠勒公司、德国巴布科克和斯坦缪勒公司、瑞典斯图特斯维公司。1.2 循环流化床锅炉在国内的发展我国的循环流化床燃烧技术的发展相对较晚，但进步很快。早在20世纪60年代初就开始发展鼓泡(流化)床锅炉，但循环流化床锅炉的起步却较晚，1981年国家计委下达了“煤的流化床燃烧技术研究”课题，标志着我国循环流化床锅炉的研究和产品开发技术正式启动。直到1989年11月第一台由中科院与济南锅炉厂共同研制的35 th循环流化床锅炉在山东明水电厂投入运行。近几年国内在开发和研制循环流化床锅炉技术方面发展迅速。中国科学院、清华大学、浙江大学、西安热工研究所、西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等科研单位和高校与锅炉厂合作开发和研制出多种技术的35 th、65 th、75 th、120th、220th中压、次高压及高压循环流化床锅炉。1991年，锦西热电厂的75 th循环流化床锅炉投人运行。1992年哈尔滨锅炉厂与美国PPC公司合作设计和生产国内首台220 th循环流化床锅炉。到目前为止，已经投运的最大机组是装在四川内江的进口410th(100 MW)奥斯龙循环流化床高压电站锅炉。1.3 国内引进流化床技术的主要类型主要类型：(以135MW/440T/H机组为例)芬兰奥斯龙技术（如东锅等）水冷式布风板,双炉膛结构,双旋风筒,高温圆型汽冷式分离器,J阀返料器,T型风帽,四台给煤机前墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用双非金属膨胀节连接,循环倍率为20-30。法国阿尔斯通技术（如上锅等）水冷式布风板,单炉膛结构,双旋风筒,高温圆型绝热式分离器,U阀自平衡返料器,钟罩式风帽,四台给煤机前墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用三个非金属膨胀节连接,分离器锥管,直管段装有防堵风管,循环倍率为20-30。德国EVT福斯特惠勒技术（如哈锅等）水冷式布风板,双炉膛结构,双旋风筒,高温圆型绝热式分离器, L阀返料器,钟罩式风帽,二台给煤机后墙给煤,锥型阀放渣技术,选择性小流化态风水冷渣方式,旋风筒与大床之间采用双非金属膨胀节,（3个非金属膨胀节）循环倍率为33-40,快速床,薄床压控制。1.4 循环流化床锅炉(CFBB)的优缺点1.4.1循环流化床锅炉的主要优点(1) 燃料适应性广这是循环流化床锅炉的主要优点之一。循环流化床锅炉中按质量百分比计，燃料仅为床料的13，其余是不可燃的固体颗粒。如脱硫剂、灰渣或砂。循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气一固和固一固混合非常好。因此，即使是很难着火燃烧的燃料，进入炉膛后由于很快与灼热的床料混合所以能被迅速加热至高于着火温度，这就决定了循环流化床锅炉不需辅助燃料丽燃用任何燃料。循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、垃圾等。（2) 燃烧效率高在循环流化床锅炉中燃烧区域扩展到整个炉膛乃至高温旋风分离器，携带出炉膛的粒子被高温旋风分离器捕集，并直接送回燃烧室下部循环再燃烧。其燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，燃烧效率通常在97.599.5范围内。在燃烧优质煤时，燃烧效率与煤粉锅炉持平；燃烧劣质煤时，循环流化床锅炉的燃烧效率约比煤粉炉高5。(3) 利于控制SO和NO的排放循环流化床燃烧温度一般为900左右，采用石灰石作为床料添加剂时，炉内脱硫效果好，在CaS为1.52.5时可达到90的脱硫效果；而鼓泡流化床锅炉达到90脱硫效率则需CaS为2.53甚至更高。有时即使CaS比更高，鼓泡流化床锅炉也不能达到90的脱硫效率。与燃烧过程不同，脱硫反应进行得较为缓慢。在鼓泡流化床锅炉中，气体在燃烧区域的平均停留时间为12S，而在循环流化床锅炉中则为34 S，停留时间更长，反应较充分。另外，循环流化床锅炉中石灰石粒径一般为0.10.3 mm；而鼓泡流化床锅炉中则为0.51 mm。粒径小反应比面积大，反应充分。循环流化床锅炉一般采用分级燃烧。燃烧温度不高，NO的生成量显著减少，循环流化床锅炉烟气中NO 的浓度为50150ppm 。(4) 灰渣综合利用性能好循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低，易于实现灰渣的综合利用另外炉内加入石灰石后，灰渣成分也有变化，含有一定的CaSO和未反应的CaO。循环流化床锅炉灰渣可以用于制造水泥的掺合料或者其他建筑材料的原料，有利于灰渣的综合利用。同时低温烧透也有利于提取灰渣中的稀有金属。（5）负荷调节性能好循环流化床锅炉由于截面风速高和吸热控制容易，所以负荷调节快。负荷调节范围可低至1025；负荷调节速度可达(51O)min。1.4.2循环流化床锅炉的缺点循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉的基础上发展起来的，它几乎可以消除鼓泡床锅炉所有的缺点。但是最近几年的发展和实践表明，循环流化床锅炉也有其自身的缺点，有待进一步研究解决。(1)循环流化床锅炉部件的磨损和腐蚀严重由于循环流化床锅炉内的流速高、颗粒浓度大、为控制NO的排放而采用分级燃烧时，炉膛内存在还原性气体的区域等因素，会造成受热面与吊挂管的磨损与腐蚀，膜式水冷壁的变截面处和裸露在烟气冲刷中的耐火材料砌筑部件亦有磨损，研究表明，磨损与风速的3.6次方成正比，与浓度成正比。在这方面应注意加强试验以及计算机数值试验方面的研究，以解决循环流化床锅炉发展过程中的这一重大问题。(2) 生成量高流化床燃烧技术可有效地抑制NO 、排放。但是，又产生了另一个环境问题，即排放问题。循环流化床燃烧过程中生成量一般达200ppm比鼓泡流化床锅炉和高温煤粉炉要高很多。是一种对大气臭氧层有很强破坏作用的有害气体。近年来的研究结果表明，通过对燃烧工况的调整能较好地控制的生成量。(3) 耗电量大循环流化床锅炉的分离循环系统比较复杂，布风板及系统阻力增大，锅炉自身耗电量大，约为机组发电量的7左右，导致运行费用增加。(4) 床温过高循环流化床的设计床温一般为850900。而实际运行中的床温一般在950以上，甚至更高。超过1000。对于易结焦的煤来说，这个问题非常突出。(5) 分离装置和返料机构以目前循环流化床锅炉的运行情况看，高温旋风离器还是比较成熟的，但燃用高灰燃料时分离器的磨损问题尚未解决，而且分离器的体积也十分庞大，基本上和炉膛直径相近。受旋风分离器最大尺寸的限制，大容量循环流化床锅炉必须配置多个分离器。由于旋风分离器内衬有较厚的防磨耐火材料，热惯性大，因此延长了启动时间，负荷变化动态特性变差。在循环流化床中，被分离下来的固体物料必须通过返料机构送回床内。但由于返料机构中的温度很高，采用机械阀门之类的调节装置,会很容易产生卡死、转动不灵活等现象，并且还会产生严重的磨损,所以,目前一般采用非机械阀。总之，开发相应合适的返料机构是非常必要的。1.5 论文的选题背景及意义循环流化床锅炉作为近年来新发展起来的一门新型锅炉，具有燃烧效率高、燃料适应性广、负荷调节性能好、低污染等许多独特的优点而受到越来越多的关注。循环流化床锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性，存在强交叉耦合的复杂控制对象，输入参数和输出参数之间存在着许多交叉影响。对于有耦合的系统，要想达到较好的控制效果，需要对有耦合的部分经行解耦，通用的解耦方法有前馈补偿法、对角矩阵法、单位矩阵法，本文主要应用对角矩阵法解耦，是系统达到目的要求,再应用PID控制。对于一些回路之间耦合关联严重的系统，应用解耦方法，以解除系统中各输入量和输出量之间的耦合关系，这种方法在实际中也得到了应用，通过计算相对增益，可以确定过程中每个被调量相对每个调节量的响应特性，并以此为依据去够成控制系统，另外，相对增益还可以指出过程关联的程度和类型，以及对回路控制性能的影响。在生产过程自动化的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方法。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制以外，它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的发展，涌现出许多新的控制方法，然而直到现在，PID控制由于它本身的优点仍然是最广泛应用的基本控制方式。1.6 本课题研究的主要内容1.通过收集参考资料，对所选课题的研究意义、现状和发展有一个基本的认识和了解。2.了解流化床锅炉床温-主汽压控制系统在火力发电机组电力生产过程中的作用、工作原理和需要控制的参数及一般采用的控制手段；3.了解流化床锅炉-床温主汽压被控对象的动态特性、查阅被控对象的数学模型、提出控制系统设计的难点及需要解决的相关技术问题；4知道影响床温主汽压的因素，通过对影响因素的进一步深入了解，设定控制策略。5.解耦控制算法的研究；6.基于被控对象数学模型设计具有解耦功能的床温主汽压控制系统，并通过仿真整定控制器参数；7.通过仿真试验，研究控制系统的稳定性、鲁棒性、抗干扰能力、解耦能力等，给出相应的动态性能指标。8.独立完成毕业设计任务书提出的内容。9.掌握利用MATLAB实施控制系统仿真及参数整定的基本方法。10.通过整个研究设计工作，掌握从事工程技术工作时分析问题解决问题的一般思路和基本方法。2 循环流化床锅炉原理2.1 循环流化床锅炉的结构循环流化床锅炉是一种利用新型燃烧技术循环流化床燃烧矿物燃料生产蒸汽的一种装置，具有燃烧适应性强、效率高、脱硫率高、污染物排放量低等优点。目前，推广循环流化床的主要障碍在于循环流化床锅炉工艺复杂，对其进行良好的自动控制难度较大，因此目前循环流化床锅炉的自动化水平大部分比较低。图2-1 循环流化床的结构图第一部分由炉膛(又称流化床)、气固分离设备，固体物料再循环设备和外置热交换器等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为水平烟道，布置有过热器、省煤器和空气预热器等。煤粉由给煤机进入炉膛，再由从炉膛底部进入的一次风将煤粉送入炉膛中央进行燃烧。燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料主要在炉膛内流态化并呈沸腾状燃烧。炉膛四周布置有水冷壁管，用于吸收燃烧所产生的部分热量，由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛循环燃烧直至烧尽。烟气经烟道尾部受热面进行热交换，最后通过除尘器由烟囱排入大气。加入石灰石的目的，是为了在炉内进行脱硫。石灰石的主要化学成份是CaO，而煤粉燃烧后产生的SO 、SO 等，若直接通过烟囱排入大气层，必然会造成污染。加入石灰石后，石灰石中的CaO与烟气中的SO 、SO。等起化学反应，生成固态的CaSO、 CaSO (即石膏)，从而减少了空气中的硫酸类的酸性气体的污染。2.2 循环流化床锅炉被控对象特点及控制的难点2.2.1多变量输入、多变量输出循环流化床是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统，循环流化床锅炉被控对象如下图2-2所示图2-2由图2-2可见，循环流化床锅炉被控对象为多变量输入、多变量输出对象。由于循环流化床锅炉燃烧中，任何一个物理参数(如温度、压力、流量、液位)的改变都会影响到其他物理参数的改变(这在控制理论中称之为耦合性)。如燃料量(煤粉量)的改变，不仅会影响到炉床温度的变化，也会影响到主蒸汽流量的变化，以及影响到主蒸汽压力的变化和主蒸汽温度的变化。2.2.2 输入变量、输出变量之间的非线性循环流化床锅炉燃烧过程中，各被控设备的输出物理量对输入物理量的响应有较大的时间滞后特性，以及各被控设备的输出物理量与输人物理量的之间的数学特性为非线性，使得控制运算变得复杂，这样就必然给各物理量的控制带来很大的困难。2.2.3循环流化床形成理论基础流化态理论固定床：当空气流速不大时，空气穿过床料颗粒间隙由上部出去，而床料高度未发生明显的变化，床料未被流化的状态称为：固定床，如链条炉。沸腾床：当空气流速继续增大时，小气泡聚集成较大气泡不断上移穿过料层并破裂，此时气、固两相混合强烈，如水沸腾状故这时的状态被称为：鼓泡床或沸腾床。流化床：在鼓泡床的基础上继续增大空气流速，床料内气泡消去，气、固两相混合更加强烈，看不清料层界面，但床内仍然存在一个密相区和稀相区，下部密相区的床料浓度比上部稀相区的床料浓度大得多，在上移过程中床内中间的浓度小于四壁附近的物料浓度，这时的状态被称为流化床。这就是所谓的“炉内沸腾面壁流”。气体输送：当空气流速再增加时床料上下浓度趋于一致，床料将均匀地快速全部喷出床外，这时的流化状态被称为喷流床或气力输送如：煤粉炉的燃烧方式。湍流床：介于流化床与气体输送之间的状态被称为湍流床，CFB实际上是在两中状态之间交替变化。图2-32.3 循环流化床锅炉控制系统国内的CFB锅炉，一般都提出了床温主汽压闭环控制的要求，调节手段主要是通过调节一、二次风的配比及给煤等来进行，但是实际的投运情况表明，这些回路基本上都没有有效投入自动，特别是在负荷波动时均没有投自动。2.3.1主汽压力调节系统通过调节给煤量和配风来控制主蒸汽压力，以满足机组的运行要求。由于给煤量是影响床温的重要因素之一，故在构造主汽压力控制方案时把床温的影响也纳入控制方案中。床温增加则减小给煤量，床温降低则增大给煤量。由于循环流化床锅炉运行时床温可以在一定范围内波动，故在主汽压力控制方案中设置了不调温死区，即床温在该死区内时不改变给煤供给量。同时由于氧量直接反映了炉膛内燃料与风的配比，因此方案中利用氧量校正给煤量。由于主蒸汽流量变化直接反映了机组的负荷变化，故在主汽压力控制方案中把主蒸汽流量信号经过函数运算后直接加到控制输出上，通过前馈形式提高系统的响应速度。2.3.2一次风量调节系统一次风量控制采用串级控制系统，主汽压力为主调、一次风量为副调，其运算结果去控制一次风门挡板开度，以调节送入炉膛的一次风量。一次风量测量值是在考虑了温度修正和压力修正后才送入PID中进行运算的。锅炉负荷指令在进行处理时，需要考虑煤质的特性及负荷变化情况。煤种不同时，助燃空气量会有所不同。同时，负荷变化时一次风量占总风量的比例也会发生变化。同时由于一次风对锅炉床温具有调节作用，故在构造一次风量调节系统时也考虑了床温修正。如果床温偏高，在一定范围内可增大一次风量。如果床温偏低，在一定范围内可减少一次风量。由于床温主要靠给煤控制，一次风量不作为调节床温的主要手段，故在一次风量控制系统中床温信号仅作为修正信号。2.3.3二次风量调节系统二次风量控制采用串级控制系统。烟气含氧量测量值与给定值一起送入主调中进行PID运算，其结果作为副调的给定值与二次风量测量值进行PID运算，运算结果经限幅及手操控制后控制二次风量调节系统的执行机构，以使二次风量满足机组运行要求。由于给煤量变化到烟气含氧量变化需要一段时间，故在二次风量控制方案中直接对给煤量进行处理，把其结果作为前馈信号加到控制输出中，以提高控制系统的快速响应性。在对给煤量进行处理的函数中，考虑了燃料空气比例、负荷影响及一次风量等因素，其运算结果直接叠加到PID运算的输出上。2.3.4引风量调节系统在引风量调节系统中，炉膛负压测量值经过惯性延滞处理后与给定值一起送入PID中进行运算，运算结果动作引风机执行机构，从而控制炉膛负压满足机组运行要求。炉膛负压过程值采取两点取平均值的办法进行处理。由于一次风量和二次风量发生变化时，需经过一段时间炉膛负压才发生变化，故在引风量控制系统中直接把一次风量与二次风量之和作为前馈信号送入PID控制输出中，以提高一、二次风量变化时控制系统响应的快速性。2.3.5给水调节系统汽包水位是机组运行的一个重要参数，他反映了给水量与供汽量的动态平衡关系。如果水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至会使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。相反，如果水位过低则会破坏水循环，导致水冷壁管道破裂。因此，机组启停和正常运行时要求保持汽包水位相对恒定。如果水位超出正常范围，轻则发出报警，重则停炉停机。循环流化床锅炉给水调节系统低负荷时采用单冲量调节系统，高负荷时采用三冲量调节系统。构成给水调节系统的三冲量是汽包水位、主蒸汽流量及给水流量。汽包水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入，蒸汽流量信号经温度、压力修正后与给水流量信号一起作为副调的反馈输入。当CFB锅炉的负荷如果经常波动那么就需要对控制策略做一定的修改，因为当锅炉负荷出现大扰动时，会带来很严重的虚假水位现象。三冲量控制不能使给水控制阀正确、及时地快速跟进负荷的变化。因此需要引入负荷变化率(ff)和汽包水位变化率(fw)两个变量，正常水位调节时（ff）和（fw）均在某一限值之内，当出现上述异常时，其值会超过这两个变量的阈值，这时改用一定的调节规则强行上拉或下拉水位控制阀，以保证汽包水位在安全范围之内。待水位恢复平稳之后，再切入三冲量方案。2.3.6主汽温度调节系统循环流化床锅炉正常运行时不仅要求主汽压力稳定，而且要求主汽温度稳定。主汽温度是反映机组运行情况的一个重要参数。如果主汽温度偏高，过热器及汽机将在更加恶劣的环境下运行，材料的使用寿命将会缩短。相反，如果主汽温度偏低，则汽机达不到预定的运行效率。因此，机组正常运行时要求主汽温度稳定。循环流化床锅炉主汽温度调节系统采用由主汽温度、喷水减温器出口温度及主汽流量等参数组成的串级控制系统。主汽温度测量值作为主调的反馈输入值，与主汽温度设定值进行PID运算后送入副调，在副调中与减温器出口汽温进行控制运算，其结果经限幅后由手操器输出至执行机构，调节喷水减温的控制阀。由于主汽流量变化时，喷水量应相应地发生变化，故在主汽温度控制方案中把主汽流量信号以前馈形式引入控制系统中。2.3.7料层差压控制如果锅炉采取间隙排渣工艺，可采用计算机报警提示的人工放渣手段。把负荷分为高、平稳、中、低4段，不同的负荷段有不同的高、低报警值。这可根据工艺条件及操作经验取得，可以在流程图上进行修改。另一方面，如果锅炉采用连续排渣，可以使用锅炉的料层差压来控制出渣器的转速，这样来控制排渣量。3循环流化床床温主汽压控制系统3.1 影响床温变化的因素锅炉正常的床温运行范围为790900 ；高值报警点为955，温度达990 时主燃料自动开始切除；最低运行床温790 ，在无助燃情况下，不允许床温低于这一水平。低值报警点为760，当床温低于650时，将自动切除主燃料，除非风道点火燃烧器投入运行；当床温低于540时，无论风道点火燃烧器是否运行，给煤机都将自动切除。影响床温的因素很多，主要是负荷、煤质、给煤量、风量、床层高度等运行中不可避免地存在各种扰动，如负荷升降、煤质变化、给煤量和风量变化、排渣不畅等，都会造成床温变化，需要运行人员根据床温的调节规律进行正确判断并调整。影响床温的可调因素包括给煤量、一次风量、二次风量、炉底排渣量等，但最重要的是给煤量和一次风量运行中调整给煤量的同时一定要注意调整风量，一般在加煤时要增加合适的风量，减煤时要减少适当的风量。但循环流化床锅炉是一个热惯性很大、炉内气固运动非常复杂的系统，床温变化异常复杂，床温低时加煤可能使床温更低甚至发生灭火或爆燃，床温高时减煤也不能使床温立即下降，另外增加一次风量也不一定能使床温下降，床层高度增加床温也不一定上升。所以必须深入研究给煤量、风量、床高、出口氧量等对床温的影响，了懈循环流化床床温的运行特性，一定要从定性的理论分析曲线落实到定量的细致调节上，才能维持床温的稳定。3.1.1 给煤与床温给煤是影响床温最主要、最直接的因素之一，滞后性是给煤调节床温的最大特点，增加了床温调节的难度。图1是以某次热态启动投煤过程为例的床温变化曲线，曲线1、2分别是给煤和床温曲线，量程分别为0100 、500950。开始投煤时，由于床温较低，投煤以后煤达到着火点所需的时间较长，开始煤的吸热量大于放热量，导致床温继续下降；同时床层高度不断增厚，流化速度降低，煤刚投进去以后基本都漂浮在床层上部，与热床料混合较差，煤的吸热与放热失去平衡，吸热量大于放热量，使床温没有明显改变；约28 min后由于积煤较多，发生了爆燃，床温迅速上升；在开始阶段停止增煤以后，由于积煤较多，经过42min，床温到达最大值930(由于测点布置在边壁上，床层中心温度应高于此值)；之后由于床料中可燃物消耗较多，可燃物浓度下降，不足以维持床温，床温又下降很多，需加煤以维持床温，此时床温已处于正常水平，投入的煤不容易积存，所需的给煤量虽大，但床温控制的难度较床温低时容易些。运行实践表明，启动中或床温低于正常床温时，由于床温较低，给煤调节床温的延迟时间较长，不宜长时间给煤，容易造成床温较大波动；并且床温越低于正常床温水平，这种延迟现象越明显。建议采用脉动给煤方式，以较小给煤量在甲乙两侧对称给煤，然后根据床温变化情况决定给煤方式和给煤量，直到恢复正常床温。加煤时，还要增加适当的风量，但一定要勤调微量，使床温在小范围内变化；如果此时床下油枪已投入， 由于温度较高，炉底一次风体积成倍膨胀，会使流化风速提高，在这种情况下应尽可能使用较小的流化风量，以减小一次风对床温的影响，保证床温升温速率，此时流化风量可降低至80000 mh (冷态400mm 料层时临界流化风量85000mh)。在正常床温时加煤，炉内热容量很大，加煤后很快燃烧放热，床温对给煤的延迟时间大为缩短。图3-2是以某次正常床温时加煤为例的床温变化曲线，曲线1、2分别代表给煤和床温变化，量程分别为50 75 、820860；给煤量增加后约1min，床温开始上升并到达峰值，之后随着炉内可燃物的减少，床温相对于峰值总是有所下降。对比了许多不同工况，发现一般从开始加煤经14min，床温开始上升，并且给煤增量越大，床温波动也越大。给煤使循环流化床床温难于调节的另一个主要原因是循环流化床是一个大热惯性系统， 因为炉内的热床料很多，热容量很大，即使给煤减少，床温也未迅速下降。某次风机跳闸，迅速切断给煤，床温稳定约23 min后才以10min的速度迅速下降；并且汽温、汽压等主要参数开始也基本稳定，没有发生突变。除给煤时机、给煤方式、给煤速率，燃料性质也会对床温造成影响。煤质发生变化，给煤量也要发生相应变化。煤种突然变好，这时氧量值降低，汽温汽压有上升趋势，此时表示给煤过大，应减少给煤以稳定床温。运行中，给煤粒度比设计值偏小，粒度较小的煤集中给人炉内，容易被烟气带人稀相区，造成密相区燃烧份额减小，引起床温降低，此时氧量无明显变化，应减小一次风量，增加二次风量，以维持床温变化及氧量值。图3-1 热态启动投煤过程的床温变化 图3-2 正常床温时给煤与床温3.1.2 一次风与床温一次风是另一个影响床温的重要因素。循环流化床中的一次风有2个作用，一是作为流化用风；二是作为燃烧用风。相应地一次风对床温的影响也有2个方面：风量大，烟气从密相区带走的热量也多，造成床温下降；风量大，气固紊合更加剧烈，提供给碳粒燃烧的氧量上升，燃烧放热量增加，造成床温上升。这是两个相反的趋势，同样一次风量不足对床温的影响也有两个方面， 特别是煤多风少时，燃烧不良，密相区燃烧放热降低，造成床温下降，如果此时误判为缺煤而继续加大给煤，会使床温进一步下降。风量的调节通常随给煤量的变化而变化，风煤配比在运行调节中非常重要，一定的给煤量总需要提供合适的风量。分析历史趋势图，从整体上看，一次风量与给煤量的变化趋势大致相近，加煤时需先加风，减煤时需后减风，此时一次风对调节床温的作用表现不明显。当给煤量维持基本不变，床温处于780900时，大量运行工况研究表明：一次风增加，床温下降；一次风减少，床温上升。此时一次风对床温的调节作用较明显。图3-3为一次风与床温变化示意图，曲线1、2、3分别表示给煤、一次风、床温变化，量程分别为4750 、1000O0130000、7708l0 给煤和流化风是影响床温的重要因素，当锅炉负荷和给煤量较稳定时， 床温可用流化风量的增减控制；但流化风的调整力度有限，当床温过高、过低及需要较大范围变化时，则通过调整给煤量来控制。图3-3 一次风与床温的变化图3.2 影响主汽压变化的因素锅炉主蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全经济运行，而且其是否稳定反映了燃烧过程中能量供求关系。引起主蒸汽压力变化的因素有：给煤量、蒸汽流量、一、二次送风量、引风量、返料量等各种影响燃烧工况的因素。3.2.1给煤量对主汽压的影响由于给煤机提供煤粉量不均匀以及煤的质量发生变化，引起了燃料量的变化，炉膛热负荷立即增大，致使汽包压力上升，压差增大，就使蒸汽流量增加，由于汽轮机气门开度不变，主气压将随蒸汽的积累而增大。当锅炉燃烧增强时，主汽压上升；当锅炉燃烧减弱时，主汽压下降。3.2.2一次风对蒸汽压力的影响一次风通过影响燃料的燃烧进一步影响蒸汽压力。随着一次风量的加大，流化床内部颗粒的流动形态也由鼓泡床向循环床转变，回料量明显增大，流化床下部的密相区的燃烧份额迅速减小。因鼓泡床大部分物料集中在密相区，稀相区物料浓度比较低；而在循环床中，大量的细物料在燃烧室、分离器、回料阀间循环，正是由于大量的细物料的循环，改变了床内燃烧份额的分配，强化了稀相区的燃烧。3.3循环流化床床温主汽压被控对象经查找资料得知循环流化床床温主汽压被控对象的传递函数为 （3-1）由传递函数得知，给煤量和一次风对床温和主汽压的控制是有耦合的，所以在对其设计控制之前要对被控对象经行解耦。本文通过对多参数输入输出系统关联进行分析，应用对角矩阵法经行解耦控制。对于双输入双输出系统，稳态时相对增益矩阵为（3-2）其中 （3-3）（3-4）对相对增益来说，矩阵中的某一元素代表耦合性。如下表3.3所示：表3-1 取值意义表取值取值所代表的意义0存在正反馈且通道配对不当=0同多反向配对00.5有耦合且通道配对不对0.51存在正反馈且通道配对不当燃烧系统的耦合主要表现在给煤量和一次风量的参数变化引起床温和主汽压的共同变化，从而严重影响控制效果。由对象的传递函数得知： （3-5）由于，介于0.5和1之间，接近0.5，根据表得知，系统耦合严重，并确定解耦后的单回路控制方案为给煤量控制床温，一次风量控制主汽压。3.3.1对角矩阵解耦双变量解耦控制系统有下图3-4所示图3-4设，分别为,而，均为解耦器。为了计算出解耦器的数学模型，先写出该系统的传递矩阵如下 （3-6）对角矩阵综合法即要使系统传递矩阵成为如下形式： （3-7）(1)(2)两式相比较得知 （3-8）将被控对象的传递函数数值代入得：= （3-9）由得到的 = （3-10）构建对角矩阵解耦框图如图3-5 图3-53.3.2开环解耦MATLAB仿真应用MATLAB仿真搭建的框图如下图3-6图3-6 应用对角矩阵解耦法得到的单回路解耦控制图其中解耦系数分别为：Gain=0.5836 ，Gain1=-0.9449 ，Gain2=0.2572， Gain3=0.5836经过仿真得到的仿真结果如下：当床温给定阶跃信号，主汽压给定为0时得到的图形如下图3-7：图3-7当主汽压给定为节约信号，床温给定为0时得到的图形如下图3-8：图3-8由上面的图得知，应用对角矩阵解耦得到的结果还是比较理想的。3.3.3PID控制器的设计在解耦的基础上，应用PID对系统进行控制，PID控制器的设计及数值求取框图如下图3-9所示图3-9 PID控制的系统解耦模型图根据对控制效果的要求，得到PID的参数为床温控制器中P=0.55,I=O.OO12.主汽压控制器中P=0.9,I=0.00115.仿真结果如下所示：当床温给定阶跃信号，主汽压给定为0时，得到的控制器输出图形如图3-10得到的输出图形如图3-11：图3-10图3-11当主汽压给定为节约信号，床温给定为0时，得到的控制器输出图形如图3-12得到的图形如图3-13：图3-12图3-133.3.4扰动试验测试加入PID控制器的系统，基本就满足了要求，但在实际应用中，系统不可能一直在理想的条件下运行，在不同的时间段内，可能有不同形式的扰动加入，影响系统的正常运行，为进一步测定本控制器对控制对象的控制效果，现进行扰动试验。得到的扰动试验仿真结果如下：首先测定扰动对床温的影响，加入控制器后，当床温给定为阶跃信号，主汽压给定为0时，系统达到稳定后，在800s时，在被控对象前加入幅值为0.2、时间为50s的方波扰动测试系统的抗干扰能力，得到的输出图形如图3-14图3-14测定扰动对主汽压控制系统的影响：当主汽压给定阶跃信号，床温给定为0时，系统稳定后在4500s时，在被控对象前加入幅值为0.2时间为50s的方波扰动测试系统的抗干扰能力，得到的输出图形如图3-15 图3-15通过扰动试验可知：控制系统具有一定的抗干扰能力，但同样的扰动对主汽压和床温的影响是不同的。3.3.5鲁棒性试验测试系统在运行过程中，随着运行时间的推移，控制对象会发生一定的变化，例如燃烧造成的管道结渣，从而会延缓热量的传递等。为进一步验证控制系统的性能，现测试系统的鲁棒性。测试鲁棒性有很多种方法，现使用改变被控对象的时延验证系统的鲁棒性，在实验中，将被控对象的延迟时间都增大20。得到的曲线如下所示：验证床温控制系统鲁棒性时给床温给定阶跃信号，主汽压给定为0时，得到的输出图形如图3-16图3-16当验证主汽压控制系统鲁棒性时，主汽压给定阶跃信号，床温给定为0时，得到的输出图形如图3-17图3-17经过鲁棒性测试得知，在被控对象的延迟时间在一定范围内变化时，系统还是能够较好的得到控制。3.4 结论经过查找资料对循环流化床具有了一定的了解，国外CFBC技术在向大型化发展。目前单机容量最大的CFBC锅炉(250 MW ，蒸发量700 th)电站已在法国投入运行，锅炉效率90.5 ，脱硫率93，NO排放低于250 mgNm。中国现已具备设计制造75 th循环流化床锅炉的能力；自行开发的220 th 循环流化床锅炉示范工程和引进410 th循环床锅炉工程在进行。CFBC的设计基础研究方面也取得了一些进展，完成了循环床专用设计软件;125 MW 再热炉型的工程设计研究和新型75 th和130 th循环流化床锅炉的研究设计工作。循环流化床燃烧锅炉的基本特点可概括如下：低温的动力控制燃烧；高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程，高强度的热量、质量和动量传递过程。 循环流化床锅炉的主要优点燃料适应性广、 燃烧效率高 、利于控制SO和NO 的排放、灰渣综合利用性能好。循环流化床锅炉的缺点： 循环流化床锅炉部件的磨损和腐蚀严重、N2O生成量高、耗电量大、床温过高、 分离装置和返料机构。循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉的基础上发展起来的，它几乎可以消除鼓泡床锅炉所有的缺点。通过对循环流化床控制系统的研究及其分析得到进一步的结论是循环流化床锅炉中床温主汽压系统具有较强的耦合现象，一次风、给煤量对锅炉床温和主汽压都有影响，两输入与输出具有严重的耦合现象。应用对角矩阵法对床温主汽压控制系统解耦，通过仿真证明具有良好的解耦特性，使两个相互关联的系统彼此独立，有利于控制器的设计。控制器使用传统的PID控制器，主要应用比例和积分作用，起到了良好的效果，具体见图五和六，经过对曲线的分析得知，PID在整体上控制效果较好，但对延时问题没有得到应有的解决，由于时间问题，现在就不另设计系统用来解决延时问题。对于应用PID控制的系统，加入扰动时，仿真效果见图3-14和3-15，有图可见，控制效果还是较好的，但在扰动加入时，系统的震荡较严重，具体原因分析是，加入扰动时，扰动量太大，虽然最后能达到平衡，但加入时系统的超调过大。不利于系统的运行。通过鲁棒性的测试，说明其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。由于实验条件有限，只是在软件上进行了成功的仿真，但在实际方面，仍要进一步完善，首先是控制对象传递函数的现场辨识，最好得到较为准确的传递函数，这应该是仿真实验的基础，然后是PID的整定，在实验室里较理想的条件下得到的参数一般与现场实际的有一定的差别，最后是扰动的加入，实际中的扰动是较多且没有规律的，所以要想得到较好的结果还要到现场进行实际的操作。4结束语循环流化床锅炉的自动控制尤其是床温主汽压控制对与机组的安全、经济运行至关重要。循环流化床锅炉的工艺特点和本身结构及燃烧特性决定，其床温主汽压控制系统是一个多变量、强耦合、大惯性、长延时的非线性时变系统，仿真试验表明：采用常规PID控制器很难达到理想的控制效果，需要对被控对象进行必要的解耦，因此对床温主汽压控制系统的研究就具有十分重要的理论意义和实际应用价值。由于循环流化床锅炉具有以上的特性，目前很难建立循环流化床锅炉床温主汽压系统的精确模型，本文应用的传递函数也具有一定的局限性，所应用的解耦及其PID控制是针对文章中具体的传递函数的一种控制，在实际应用中效果有可能不太好，所以在控制系统的设计时，一定要有比较精确的传递函数，这样理论设计的系统才能较好的应用到实际中，虽然本设计有一定的局限性，但在本人能力的范围内，根据所得到的传递函数设计出来的控制系统，在理论的MATLAB仿真中得到了较好的效果，而且在抗干扰、鲁棒性等方面也具有较好的性能。在PID参数的求取时，仿真显示基本达到了要求，由于实验条件的限制，只是在软件上进行了参数的求取，各种条件也是满足理想的，但在实际方面，有可能存在一定的不足，对今后的再学习研究打下了良好的基础。由于时间和实验条件的限制，本人的一些设想没来及验证和实施，比如在控制器的选择上，应用现在比较先进的一些控制器是不是会取得更好的效果。本次设计主要针对的是系统的耦合，在耦合解除的前提下在设计基本简单的控制器，对于对象的延迟就没有设计具体的装置来消除掉。参考文献1李官鹏,程世庆,韩奎华.循环流化床锅炉的发展和特点J，2004,20(2).2李明,徐向东.循环流化床锅炉控制系统J，2002,42(5).3郭爽,边立秀,张玉萍.循环流化床锅炉的燃烧控制系统J，2000(4).4杜朝波,高建强,王印松.450th循环流化床锅炉床温运行特性分析J，2005,38(1).5党黎军.循环硫化床锅炉的启动调试与安全运行M，西安，中国电力出版社.2001.6吕俊复等.循环流化床锅炉运行与检修(第二版)M.北京,中国水利水电出版社.2005.7李晓红，林士伟，陈丽娟，李军林.循环流化床锅炉集散控制系统J，2008，25（4）.8刘鹰，郭东道.用对角矩阵法设计解耦控制系统J,商场现代化-2008年30期.9金以慧.过程控制M.清华大学出版社.2008.10黎宾.循环流化床锅炉床温先进控制策略研究J. 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