自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文.doc

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1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論文)系 別動(dòng)力工程系專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化專業(yè)06K1班流化床鍋爐床溫主汽壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真題 目 二一年六月II華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（摘要）流化床鍋爐床溫與主汽壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要循環(huán)流化床鍋爐(簡(jiǎn)稱CFB鍋爐)具有燃燒效率高、燃燒適應(yīng)性廣、低污染等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的廣泛重視并得到迅速發(fā)展。但CFB鍋爐在理論和實(shí)踐兩方面仍有許多不完善之處，尤其在床溫主汽壓控制系統(tǒng)方面，大多數(shù)CFB鍋爐自動(dòng)化水平不高，有的至今仍采用手動(dòng)操作，其原因是由于CFB鍋爐是一個(gè)多參數(shù)、非線性、時(shí)變及變量緊密耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。CFB鍋爐很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，如果采用固定參數(shù)的常規(guī)控

2、制器，當(dāng)工況發(fā)生較大變化時(shí)，很難保證控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。相關(guān)研究設(shè)計(jì)結(jié)果表明，要想取得較好的控制效果必須將有耦合關(guān)系的系統(tǒng)經(jīng)行解耦，因此本文針對(duì)CFB鍋爐的特殊性，尋找到被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，對(duì)傳遞函數(shù)應(yīng)用對(duì)角矩陣經(jīng)行解耦，將解耦后的被控對(duì)象看做是兩個(gè)彼此獨(dú)立的系統(tǒng)，進(jìn)而設(shè)計(jì)PID控制器。通過(guò)仿真分析結(jié)果表明該方法能夠在完成床溫主汽壓系統(tǒng)解耦的前提下，方便地實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐控制優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)特性。解耦后的控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力、魯棒性等。關(guān)鍵字：循環(huán)流化床鍋爐（CFB）；床溫主汽壓；對(duì)角矩陣解耦；PID控制；Fluidized bed boiler main steam pressure

3、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

4、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 variabl

5、e 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 o

6、rder 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

7、 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

8、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;華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（目錄）目錄華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（目錄）摘要IAbstractII1 引言11.1 循環(huán)流化床鍋爐在

9、國(guó)外的發(fā)展11.2 循環(huán)流化床鍋爐在國(guó)內(nèi)的發(fā)展11.3 國(guó)內(nèi)引進(jìn)流化床技術(shù)的主要類型11.4 循環(huán)流化床鍋爐(CFBB)的優(yōu)缺點(diǎn)21.4.1循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)21.4.2循環(huán)流化床鍋爐的缺點(diǎn)31.5 論文的選題背景及意義41.6 本課題研究的主要內(nèi)容42 循環(huán)流化床鍋爐原理52.1 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)52.2 循環(huán)流化床鍋爐被控對(duì)象特點(diǎn)及控制的難點(diǎn)62.2.1多變量輸入、多變量輸出62.2.2 輸入變量、輸出變量之間的非線性62.2.3循環(huán)流化床形成理論基礎(chǔ)流化態(tài)理論62.3 循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)72.3.1主汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)72.3.2一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)72.3.3二次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)82

10、.3.4引風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)82.3.5給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)82.3.6主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)92.3.7料層差壓控制93循環(huán)流化床床溫主汽壓控制系統(tǒng)103.1 影響床溫變化的因素103.1.1 給煤與床溫103.1.2 一次風(fēng)與床溫113.2 影響主汽壓變化的因素123.2.1給煤量對(duì)主汽壓的影響123.2.2一次風(fēng)對(duì)蒸汽壓力的影響133.3循環(huán)流化床床溫主汽壓被控對(duì)象133.3.1對(duì)角矩陣解耦143.3.3PID控制器的設(shè)計(jì)173.3.4擾動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試193.3.5魯棒性試驗(yàn)測(cè)試213.4 結(jié)論224結(jié)束語(yǔ)24參考文獻(xiàn)25致謝27華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（正文）281 引言1.1 循環(huán)流化床鍋爐在國(guó)外的

11、發(fā)展1921年12月德國(guó)人溫克勒發(fā)明了第一臺(tái)流化床，該流化床使用的是粗顆粒床料。1938年l2月麻省理工學(xué)院的劉易斯和吉里蘭發(fā)明了快速流化床。循環(huán)流化床真正成為具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的新技術(shù)是在20世紀(jì)50、60年代。60年代末，德國(guó)魯奇公司(Lurgi)發(fā)展并運(yùn)行了LurgiVAW 循環(huán)流化床鍋爐的氫氧化鋁焙燒反應(yīng)器。1979年芬蘭奧斯龍(Ahlstrom)公司生產(chǎn)了20th的循環(huán)流化床鍋爐，1982年德國(guó)魯奇(Lurgi)公司的第一臺(tái)50th的商用循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行，這標(biāo)志著作為煤燃燒設(shè)備的循環(huán)流化床鍋爐誕生了。通常把第一代流化床鍋爐稱為鼓泡床鍋爐(又稱沸騰床)；循環(huán)流化床鍋爐稱為第二代流化

12、床鍋爐。兩者之間既有聯(lián)系，也有差別。隨后，循環(huán)流化床技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)，尤其在國(guó)外發(fā)展很快，并向大型化方向發(fā)展。目前國(guó)外主要開(kāi)發(fā)研制單位和生產(chǎn)廠家有德國(guó)魯奇公司、芬蘭奧斯龍公司、美國(guó)巴特爾研究中心、美國(guó)福斯特惠勒公司、德國(guó)巴布科克和斯坦繆勒公司、瑞典斯圖特斯維公司。1.2 循環(huán)流化床鍋爐在國(guó)內(nèi)的發(fā)展我國(guó)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的發(fā)展相對(duì)較晚，但進(jìn)步很快。早在20世紀(jì)60年代初就開(kāi)始發(fā)展鼓泡(流化)床鍋爐，但循環(huán)流化床鍋爐的起步卻較晚，1981年國(guó)家計(jì)委下達(dá)了“煤的流化床燃燒技術(shù)研究”課題，標(biāo)志著我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)正式啟動(dòng)。直到1989年11月第一臺(tái)由中科院與濟(jì)南鍋爐廠共同研制的3

13、5 th循環(huán)流化床鍋爐在山東明水電廠投入運(yùn)行。近幾年國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)和研制循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)方面發(fā)展迅速。中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西安熱工研究所、西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研單位和高校與鍋爐廠合作開(kāi)發(fā)和研制出多種技術(shù)的35 th、65 th、75 th、120th、220th中壓、次高壓及高壓循環(huán)流化床鍋爐。1991年，錦西熱電廠的75 th循環(huán)流化床鍋爐投人運(yùn)行。1992年哈爾濱鍋爐廠與美國(guó)PPC公司合作設(shè)計(jì)和生產(chǎn)國(guó)內(nèi)首臺(tái)220 th循環(huán)流化床鍋爐。到目前為止，已經(jīng)投運(yùn)的最大機(jī)組是裝在四川內(nèi)江的進(jìn)口410th(100 MW)奧斯龍循環(huán)流化床高壓電站鍋爐。1.3 國(guó)內(nèi)引進(jìn)

14、流化床技術(shù)的主要類型主要類型：(以135MW/440T/H機(jī)組為例)芬蘭奧斯龍技術(shù)（如東鍋等）水冷式布風(fēng)板,雙爐膛結(jié)構(gòu),雙旋風(fēng)筒,高溫圓型汽冷式分離器,J閥返料器,T型風(fēng)帽,四臺(tái)給煤機(jī)前墻給煤,錐型閥放渣技術(shù),選擇性小流化態(tài)風(fēng)水冷渣方式,旋風(fēng)筒與大床之間采用雙非金屬膨脹節(jié)連接,循環(huán)倍率為20-30。法國(guó)阿爾斯通技術(shù)（如上鍋等）水冷式布風(fēng)板,單爐膛結(jié)構(gòu),雙旋風(fēng)筒,高溫圓型絕熱式分離器,U閥自平衡返料器,鐘罩式風(fēng)帽,四臺(tái)給煤機(jī)前墻給煤,錐型閥放渣技術(shù),選擇性小流化態(tài)風(fēng)水冷渣方式,旋風(fēng)筒與大床之間采用三個(gè)非金屬膨脹節(jié)連接,分離器錐管,直管段裝有防堵風(fēng)管,循環(huán)倍率為20-30。德國(guó)EVT福斯特惠勒技術(shù)

15、（如哈鍋等）水冷式布風(fēng)板,雙爐膛結(jié)構(gòu),雙旋風(fēng)筒,高溫圓型絕熱式分離器, L閥返料器,鐘罩式風(fēng)帽,二臺(tái)給煤機(jī)后墻給煤,錐型閥放渣技術(shù),選擇性小流化態(tài)風(fēng)水冷渣方式,旋風(fēng)筒與大床之間采用雙非金屬膨脹節(jié),（3個(gè)非金屬膨脹節(jié)）循環(huán)倍率為33-40,快速床,薄床壓控制。1.4 循環(huán)流化床鍋爐(CFBB)的優(yōu)缺點(diǎn)1.4.1循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)(1) 燃料適應(yīng)性廣這是循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)之一。循環(huán)流化床鍋爐中按質(zhì)量百分比計(jì)，燃料僅為床料的13，其余是不可燃的固體顆粒。如脫硫劑、灰渣或砂。循環(huán)流化床鍋爐的特殊流體動(dòng)力特性使得氣一固和固一固混合非常好。因此，即使是很難著火燃燒的燃料，進(jìn)入爐膛后由于很快與灼

16、熱的床料混合所以能被迅速加熱至高于著火溫度，這就決定了循環(huán)流化床鍋爐不需輔助燃料麗燃用任何燃料。循環(huán)流化床鍋爐既可燃用優(yōu)質(zhì)煤，也可燃用各種劣質(zhì)燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以及油頁(yè)巖、泥煤、石油焦、尾礦、爐渣、樹(shù)皮、廢木頭、垃圾等。（2) 燃燒效率高在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒區(qū)域擴(kuò)展到整個(gè)爐膛乃至高溫旋風(fēng)分離器，攜帶出爐膛的粒子被高溫旋風(fēng)分離器捕集，并直接送回燃燒室下部循環(huán)再燃燒。其燃燒效率要比鼓泡流化床鍋爐高，燃燒效率通常在97.599.5范圍內(nèi)。在燃燒優(yōu)質(zhì)煤時(shí)，燃燒效率與煤粉鍋爐持平；燃燒劣質(zhì)煤時(shí)，循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率約比煤粉爐高5。(3) 利于控制SO和NO

17、的排放循環(huán)流化床燃燒溫度一般為900左右，采用石灰石作為床料添加劑時(shí)，爐內(nèi)脫硫效果好，在CaS為1.52.5時(shí)可達(dá)到90的脫硫效果；而鼓泡流化床鍋爐達(dá)到90脫硫效率則需CaS為2.53甚至更高。有時(shí)即使CaS比更高，鼓泡流化床鍋爐也不能達(dá)到90的脫硫效率。與燃燒過(guò)程不同，脫硫反應(yīng)進(jìn)行得較為緩慢。在鼓泡流化床鍋爐中，氣體在燃燒區(qū)域的平均停留時(shí)間為12S，而在循環(huán)流化床鍋爐中則為34 S，停留時(shí)間更長(zhǎng)，反應(yīng)較充分。另外，循環(huán)流化床鍋爐中石灰石粒徑一般為0.10.3 mm；而鼓泡流化床鍋爐中則為0.51 mm。粒徑小反應(yīng)比面積大，反應(yīng)充分。循環(huán)流化床鍋爐一般采用分級(jí)燃燒。燃燒溫度不高，NO的生成量顯

18、著減少，循環(huán)流化床鍋爐煙氣中NO 的濃度為50150ppm 。(4) 灰渣綜合利用性能好循環(huán)流化床燃燒過(guò)程屬于低溫燃燒，同時(shí)爐內(nèi)優(yōu)良的燃盡條件使得鍋爐的灰渣含炭量低，易于實(shí)現(xiàn)灰渣的綜合利用另外爐內(nèi)加入石灰石后，灰渣成分也有變化，含有一定的CaSO和未反應(yīng)的CaO。循環(huán)流化床鍋爐灰渣可以用于制造水泥的摻合料或者其他建筑材料的原料，有利于灰渣的綜合利用。同時(shí)低溫?zé)敢灿欣谔崛』以械南∮薪饘?。?）負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好循環(huán)流化床鍋爐由于截面風(fēng)速高和吸熱控制容易，所以負(fù)荷調(diào)節(jié)快。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可低至1025；負(fù)荷調(diào)節(jié)速度可達(dá)(51O)min。1.4.2循環(huán)流化床鍋爐的缺點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐是在鼓泡床鍋爐的基礎(chǔ)

19、上發(fā)展起來(lái)的，它幾乎可以消除鼓泡床鍋爐所有的缺點(diǎn)。但是最近幾年的發(fā)展和實(shí)踐表明，循環(huán)流化床鍋爐也有其自身的缺點(diǎn)，有待進(jìn)一步研究解決。(1)循環(huán)流化床鍋爐部件的磨損和腐蝕嚴(yán)重由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的流速高、顆粒濃度大、為控制NO的排放而采用分級(jí)燃燒時(shí)，爐膛內(nèi)存在還原性氣體的區(qū)域等因素，會(huì)造成受熱面與吊掛管的磨損與腐蝕，膜式水冷壁的變截面處和裸露在煙氣沖刷中的耐火材料砌筑部件亦有磨損，研究表明，磨損與風(fēng)速的3.6次方成正比，與濃度成正比。在這方面應(yīng)注意加強(qiáng)試驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)數(shù)值試驗(yàn)方面的研究，以解決循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展過(guò)程中的這一重大問(wèn)題。(2) 生成量高流化床燃燒技術(shù)可有效地抑制NO 、排放。但是，又產(chǎn)

20、生了另一個(gè)環(huán)境問(wèn)題，即排放問(wèn)題。循環(huán)流化床燃燒過(guò)程中生成量一般達(dá)200ppm比鼓泡流化床鍋爐和高溫煤粉爐要高很多。是一種對(duì)大氣臭氧層有很強(qiáng)破壞作用的有害氣體。近年來(lái)的研究結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)燃燒工況的調(diào)整能較好地控制的生成量。(3) 耗電量大循環(huán)流化床鍋爐的分離循環(huán)系統(tǒng)比較復(fù)雜，布風(fēng)板及系統(tǒng)阻力增大，鍋爐自身耗電量大，約為機(jī)組發(fā)電量的7左右，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加。(4) 床溫過(guò)高循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)床溫一般為850900。而實(shí)際運(yùn)行中的床溫一般在950以上，甚至更高。超過(guò)1000。對(duì)于易結(jié)焦的煤來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題非常突出。(5) 分離裝置和返料機(jī)構(gòu)以目前循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行情況看，高溫旋風(fēng)離器還是比較成熟的，

21、但燃用高灰燃料時(shí)分離器的磨損問(wèn)題尚未解決，而且分離器的體積也十分龐大，基本上和爐膛直徑相近。受旋風(fēng)分離器最大尺寸的限制，大容量循環(huán)流化床鍋爐必須配置多個(gè)分離器。由于旋風(fēng)分離器內(nèi)襯有較厚的防磨耐火材料，熱慣性大，因此延長(zhǎng)了啟動(dòng)時(shí)間，負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)特性變差。在循環(huán)流化床中，被分離下來(lái)的固體物料必須通過(guò)返料機(jī)構(gòu)送回床內(nèi)。但由于返料機(jī)構(gòu)中的溫度很高，采用機(jī)械閥門之類的調(diào)節(jié)裝置,會(huì)很容易產(chǎn)生卡死、轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活等現(xiàn)象，并且還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損,所以,目前一般采用非機(jī)械閥?？傊?，開(kāi)發(fā)相應(yīng)合適的返料機(jī)構(gòu)是非常必要的。1.5 論文的選題背景及意義循環(huán)流化床鍋爐作為近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一門新型鍋爐，具有燃燒效率高、燃料適

22、應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、低污染等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出、多回路、非線性，存在強(qiáng)交叉耦合的復(fù)雜控制對(duì)象，輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間存在著許多交叉影響。對(duì)于有耦合的系統(tǒng)，要想達(dá)到較好的控制效果，需要對(duì)有耦合的部分經(jīng)行解耦，通用的解耦方法有前饋補(bǔ)償法、對(duì)角矩陣法、單位矩陣法，本文主要應(yīng)用對(duì)角矩陣法解耦，是系統(tǒng)達(dá)到目的要求,再應(yīng)用PID控制。對(duì)于一些回路之間耦合關(guān)聯(lián)嚴(yán)重的系統(tǒng)，應(yīng)用解耦方法，以解除系統(tǒng)中各輸入量和輸出量之間的耦合關(guān)系，這種方法在實(shí)際中也得到了應(yīng)用，通過(guò)計(jì)算相對(duì)增益，可以確定過(guò)程中每個(gè)被調(diào)量相對(duì)每個(gè)調(diào)節(jié)量的響應(yīng)特性，并以此為依據(jù)去夠成控制系統(tǒng)，

23、另外，相對(duì)增益還可以指出過(guò)程關(guān)聯(lián)的程度和類型，以及對(duì)回路控制性能的影響。在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方法。在本世紀(jì)40年代以前，除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開(kāi)關(guān)控制以外，它是唯一的控制方式。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新的控制方法，然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它本身的優(yōu)點(diǎn)仍然是最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。1.6 本課題研究的主要內(nèi)容1.通過(guò)收集參考資料，對(duì)所選課題的研究意義、現(xiàn)狀和發(fā)展有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)和了解。2.了解流化床鍋爐床溫-主汽壓控制系統(tǒng)在火力發(fā)電機(jī)組電力生產(chǎn)過(guò)程中的作用、工作原理和需要控制的參數(shù)及一般采用的控制手段；

24、3.了解流化床鍋爐-床溫主汽壓被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、查閱被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、提出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及需要解決的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題；4知道影響床溫主汽壓的因素，通過(guò)對(duì)影響因素的進(jìn)一步深入了解，設(shè)定控制策略。5.解耦控制算法的研究；6.基于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)具有解耦功能的床溫主汽壓控制系統(tǒng)，并通過(guò)仿真整定控制器參數(shù)；7.通過(guò)仿真試驗(yàn)，研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、抗干擾能力、解耦能力等，給出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。8.獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的內(nèi)容。9.掌握利用MATLAB實(shí)施控制系統(tǒng)仿真及參數(shù)整定的基本方法。10.通過(guò)整個(gè)研究設(shè)計(jì)工作，掌握從事工程技術(shù)工作時(shí)分析問(wèn)題解決問(wèn)題的一般思路和基本方法。2 循環(huán)

25、流化床鍋爐原理2.1 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)循環(huán)流化床鍋爐是一種利用新型燃燒技術(shù)循環(huán)流化床燃燒礦物燃料生產(chǎn)蒸汽的一種裝置，具有燃燒適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、脫硫率高、污染物排放量低等優(yōu)點(diǎn)。目前，推廣循環(huán)流化床的主要障礙在于循環(huán)流化床鍋爐工藝復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行良好的自動(dòng)控制難度較大，因此目前循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)化水平大部分比較低。圖2-1 循環(huán)流化床的結(jié)構(gòu)圖第一部分由爐膛(又稱流化床)、氣固分離設(shè)備，固體物料再循環(huán)設(shè)備和外置熱交換器等組成，上述部件形成了一個(gè)固體物料循環(huán)回路。第二部分為水平煙道，布置有過(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等。煤粉由給煤機(jī)進(jìn)入爐膛，再由從爐膛底部進(jìn)入的一次風(fēng)將煤粉送入爐膛中央進(jìn)行燃燒。燃燒

26、所需的一次風(fēng)和二次風(fēng)分別從爐膛的底部和側(cè)墻送入，燃料主要在爐膛內(nèi)流態(tài)化并呈沸騰狀燃燒。爐膛四周布置有水冷壁管，用于吸收燃燒所產(chǎn)生的部分熱量，由氣流帶出爐膛的固體物料在氣固分離裝置中被收集并通過(guò)返料裝置送回爐膛循環(huán)燃燒直至燒盡。煙氣經(jīng)煙道尾部受熱面進(jìn)行熱交換，最后通過(guò)除塵器由煙囪排入大氣。加入石灰石的目的，是為了在爐內(nèi)進(jìn)行脫硫。石灰石的主要化學(xué)成份是CaO，而煤粉燃燒后產(chǎn)生的SO 、SO 等，若直接通過(guò)煙囪排入大氣層，必然會(huì)造成污染。加入石灰石后，石灰石中的CaO與煙氣中的SO 、SO。等起化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)的CaSO、 CaSO (即石膏)，從而減少了空氣中的硫酸類的酸性氣體的污染。2.2 循

27、環(huán)流化床鍋爐被控對(duì)象特點(diǎn)及控制的難點(diǎn)2.2.1多變量輸入、多變量輸出循環(huán)流化床是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，循環(huán)流化床鍋爐被控對(duì)象如下圖2-2所示圖2-2由圖2-2可見(jiàn)，循環(huán)流化床鍋爐被控對(duì)象為多變量輸入、多變量輸出對(duì)象。由于循環(huán)流化床鍋爐燃燒中，任何一個(gè)物理參數(shù)(如溫度、壓力、流量、液位)的改變都會(huì)影響到其他物理參數(shù)的改變(這在控制理論中稱之為耦合性)。如燃料量(煤粉量)的改變，不僅會(huì)影響到爐床溫度的變化，也會(huì)影響到主蒸汽流量的變化，以及影響到主蒸汽壓力的變化和主蒸汽溫度的變化。2.2.2 輸入變量、輸出變量之間的非線性循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中，各被控設(shè)備的輸出物理量對(duì)輸入物理量的

28、響應(yīng)有較大的時(shí)間滯后特性，以及各被控設(shè)備的輸出物理量與輸人物理量的之間的數(shù)學(xué)特性為非線性，使得控制運(yùn)算變得復(fù)雜，這樣就必然給各物理量的控制帶來(lái)很大的困難。2.2.3循環(huán)流化床形成理論基礎(chǔ)流化態(tài)理論固定床：當(dāng)空氣流速不大時(shí)，空氣穿過(guò)床料顆粒間隙由上部出去，而床料高度未發(fā)生明顯的變化，床料未被流化的狀態(tài)稱為：固定床，如鏈條爐。沸騰床：當(dāng)空氣流速繼續(xù)增大時(shí)，小氣泡聚集成較大氣泡不斷上移穿過(guò)料層并破裂，此時(shí)氣、固兩相混合強(qiáng)烈，如水沸騰狀故這時(shí)的狀態(tài)被稱為：鼓泡床或沸騰床。流化床：在鼓泡床的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大空氣流速，床料內(nèi)氣泡消去，氣、固兩相混合更加強(qiáng)烈，看不清料層界面，但床內(nèi)仍然存在一個(gè)密相區(qū)和稀相區(qū)，

29、下部密相區(qū)的床料濃度比上部稀相區(qū)的床料濃度大得多，在上移過(guò)程中床內(nèi)中間的濃度小于四壁附近的物料濃度，這時(shí)的狀態(tài)被稱為流化床。這就是所謂的“爐內(nèi)沸騰面壁流”。氣體輸送：當(dāng)空氣流速再增加時(shí)床料上下濃度趨于一致，床料將均勻地快速全部噴出床外，這時(shí)的流化狀態(tài)被稱為噴流床或氣力輸送如：煤粉爐的燃燒方式。湍流床：介于流化床與氣體輸送之間的狀態(tài)被稱為湍流床，CFB實(shí)際上是在兩中狀態(tài)之間交替變化。圖2-32.3 循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)的CFB鍋爐，一般都提出了床溫主汽壓閉環(huán)控制的要求，調(diào)節(jié)手段主要是通過(guò)調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的配比及給煤等來(lái)進(jìn)行，但是實(shí)際的投運(yùn)情況表明，這些回路基本上都沒(méi)有有效投入自動(dòng)，特別是在負(fù)

30、荷波動(dòng)時(shí)均沒(méi)有投自動(dòng)。2.3.1主汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)給煤量和配風(fēng)來(lái)控制主蒸汽壓力，以滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。由于給煤量是影響床溫的重要因素之一，故在構(gòu)造主汽壓力控制方案時(shí)把床溫的影響也納入控制方案中。床溫增加則減小給煤量，床溫降低則增大給煤量。由于循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行時(shí)床溫可以在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，故在主汽壓力控制方案中設(shè)置了不調(diào)溫死區(qū)，即床溫在該死區(qū)內(nèi)時(shí)不改變給煤供給量。同時(shí)由于氧量直接反映了爐膛內(nèi)燃料與風(fēng)的配比，因此方案中利用氧量校正給煤量。由于主蒸汽流量變化直接反映了機(jī)組的負(fù)荷變化，故在主汽壓力控制方案中把主蒸汽流量信號(hào)經(jīng)過(guò)函數(shù)運(yùn)算后直接加到控制輸出上，通過(guò)前饋形式提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。2.3.

31、2一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次風(fēng)量控制采用串級(jí)控制系統(tǒng)，主汽壓力為主調(diào)、一次風(fēng)量為副調(diào)，其運(yùn)算結(jié)果去控制一次風(fēng)門擋板開(kāi)度，以調(diào)節(jié)送入爐膛的一次風(fēng)量。一次風(fēng)量測(cè)量值是在考慮了溫度修正和壓力修正后才送入PID中進(jìn)行運(yùn)算的。鍋爐負(fù)荷指令在進(jìn)行處理時(shí)，需要考慮煤質(zhì)的特性及負(fù)荷變化情況。煤種不同時(shí)，助燃空氣量會(huì)有所不同。同時(shí)，負(fù)荷變化時(shí)一次風(fēng)量占總風(fēng)量的比例也會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)由于一次風(fēng)對(duì)鍋爐床溫具有調(diào)節(jié)作用，故在構(gòu)造一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)也考慮了床溫修正。如果床溫偏高，在一定范圍內(nèi)可增大一次風(fēng)量。如果床溫偏低，在一定范圍內(nèi)可減少一次風(fēng)量。由于床溫主要靠給煤控制，一次風(fēng)量不作為調(diào)節(jié)床溫的主要手段，故在一次風(fēng)量控制系統(tǒng)

32、中床溫信號(hào)僅作為修正信號(hào)。2.3.3二次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)二次風(fēng)量控制采用串級(jí)控制系統(tǒng)。煙氣含氧量測(cè)量值與給定值一起送入主調(diào)中進(jìn)行PID運(yùn)算，其結(jié)果作為副調(diào)的給定值與二次風(fēng)量測(cè)量值進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)限幅及手操控制后控制二次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以使二次風(fēng)量滿足機(jī)組運(yùn)行要求。由于給煤量變化到煙氣含氧量變化需要一段時(shí)間，故在二次風(fēng)量控制方案中直接對(duì)給煤量進(jìn)行處理，把其結(jié)果作為前饋信號(hào)加到控制輸出中，以提高控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。在對(duì)給煤量進(jìn)行處理的函數(shù)中，考慮了燃料空氣比例、負(fù)荷影響及一次風(fēng)量等因素，其運(yùn)算結(jié)果直接疊加到PID運(yùn)算的輸出上。2.3.4引風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在引風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，爐膛負(fù)壓測(cè)量

33、值經(jīng)過(guò)慣性延滯處理后與給定值一起送入PID中進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果動(dòng)作引風(fēng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制爐膛負(fù)壓滿足機(jī)組運(yùn)行要求。爐膛負(fù)壓過(guò)程值采取兩點(diǎn)取平均值的辦法進(jìn)行處理。由于一次風(fēng)量和二次風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間爐膛負(fù)壓才發(fā)生變化，故在引風(fēng)量控制系統(tǒng)中直接把一次風(fēng)量與二次風(fēng)量之和作為前饋信號(hào)送入PID控制輸出中，以提高一、二次風(fēng)量變化時(shí)控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。2.3.5給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽包水位是機(jī)組運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，他反映了給水量與供汽量的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。如果水位過(guò)高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，從而增加在過(guò)熱器管壁上和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢，甚至?xí)蛊啓C(jī)發(fā)生水沖擊而損壞葉片

34、。相反，如果水位過(guò)低則會(huì)破壞水循環(huán)，導(dǎo)致水冷壁管道破裂。因此，機(jī)組啟停和正常運(yùn)行時(shí)要求保持汽包水位相對(duì)恒定。如果水位超出正常范圍，輕則發(fā)出報(bào)警，重則停爐停機(jī)。循環(huán)流化床鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)低負(fù)荷時(shí)采用單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，高負(fù)荷時(shí)采用三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。構(gòu)成給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的三沖量是汽包水位、主蒸汽流量及給水流量。汽包水位信號(hào)經(jīng)汽包壓力補(bǔ)償后作為主調(diào)的輸入，蒸汽流量信號(hào)經(jīng)溫度、壓力修正后與給水流量信號(hào)一起作為副調(diào)的反饋輸入。當(dāng)CFB鍋爐的負(fù)荷如果經(jīng)常波動(dòng)那么就需要對(duì)控制策略做一定的修改，因?yàn)楫?dāng)鍋爐負(fù)荷出現(xiàn)大擾動(dòng)時(shí)，會(huì)帶來(lái)很嚴(yán)重的虛假水位現(xiàn)象。三沖量控制不能使給水控制閥正確、及時(shí)地快速跟進(jìn)負(fù)荷的變化。因此需要引入

35、負(fù)荷變化率(ff)和汽包水位變化率(fw)兩個(gè)變量，正常水位調(diào)節(jié)時(shí)（ff）和（fw）均在某一限值之內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)上述異常時(shí)，其值會(huì)超過(guò)這兩個(gè)變量的閾值，這時(shí)改用一定的調(diào)節(jié)規(guī)則強(qiáng)行上拉或下拉水位控制閥，以保證汽包水位在安全范圍之內(nèi)。待水位恢復(fù)平穩(wěn)之后，再切入三沖量方案。2.3.6主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行時(shí)不僅要求主汽壓力穩(wěn)定，而且要求主汽溫度穩(wěn)定。主汽溫度是反映機(jī)組運(yùn)行情況的一個(gè)重要參數(shù)。如果主汽溫度偏高，過(guò)熱器及汽機(jī)將在更加惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，材料的使用壽命將會(huì)縮短。相反，如果主汽溫度偏低，則汽機(jī)達(dá)不到預(yù)定的運(yùn)行效率。因此，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)要求主汽溫度穩(wěn)定。循環(huán)流化床鍋爐主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

36、采用由主汽溫度、噴水減溫器出口溫度及主汽流量等參數(shù)組成的串級(jí)控制系統(tǒng)。主汽溫度測(cè)量值作為主調(diào)的反饋輸入值，與主汽溫度設(shè)定值進(jìn)行PID運(yùn)算后送入副調(diào)，在副調(diào)中與減溫器出口汽溫進(jìn)行控制運(yùn)算，其結(jié)果經(jīng)限幅后由手操器輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)噴水減溫的控制閥。由于主汽流量變化時(shí)，噴水量應(yīng)相應(yīng)地發(fā)生變化，故在主汽溫度控制方案中把主汽流量信號(hào)以前饋形式引入控制系統(tǒng)中。2.3.7料層差壓控制如果鍋爐采取間隙排渣工藝，可采用計(jì)算機(jī)報(bào)警提示的人工放渣手段。把負(fù)荷分為高、平穩(wěn)、中、低4段，不同的負(fù)荷段有不同的高、低報(bào)警值。這可根據(jù)工藝條件及操作經(jīng)驗(yàn)取得，可以在流程圖上進(jìn)行修改。另一方面，如果鍋爐采用連續(xù)排渣，可以使用鍋

37、爐的料層差壓來(lái)控制出渣器的轉(zhuǎn)速，這樣來(lái)控制排渣量。3循環(huán)流化床床溫主汽壓控制系統(tǒng)3.1 影響床溫變化的因素鍋爐正常的床溫運(yùn)行范圍為790900 ；高值報(bào)警點(diǎn)為955，溫度達(dá)990 時(shí)主燃料自動(dòng)開(kāi)始切除；最低運(yùn)行床溫790 ，在無(wú)助燃情況下，不允許床溫低于這一水平。低值報(bào)警點(diǎn)為760，當(dāng)床溫低于650時(shí)，將自動(dòng)切除主燃料，除非風(fēng)道點(diǎn)火燃燒器投入運(yùn)行；當(dāng)床溫低于540時(shí)，無(wú)論風(fēng)道點(diǎn)火燃燒器是否運(yùn)行，給煤機(jī)都將自動(dòng)切除。影響床溫的因素很多，主要是負(fù)荷、煤質(zhì)、給煤量、風(fēng)量、床層高度等運(yùn)行中不可避免地存在各種擾動(dòng)，如負(fù)荷升降、煤質(zhì)變化、給煤量和風(fēng)量變化、排渣不暢等，都會(huì)造成床溫變化，需要運(yùn)行人員根據(jù)床溫

38、的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行正確判斷并調(diào)整。影響床溫的可調(diào)因素包括給煤量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、爐底排渣量等，但最重要的是給煤量和一次風(fēng)量運(yùn)行中調(diào)整給煤量的同時(shí)一定要注意調(diào)整風(fēng)量，一般在加煤時(shí)要增加合適的風(fēng)量，減煤時(shí)要減少適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量。但循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)熱慣性很大、爐內(nèi)氣固運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，床溫變化異常復(fù)雜，床溫低時(shí)加煤可能使床溫更低甚至發(fā)生滅火或爆燃，床溫高時(shí)減煤也不能使床溫立即下降，另外增加一次風(fēng)量也不一定能使床溫下降，床層高度增加床溫也不一定上升。所以必須深入研究給煤量、風(fēng)量、床高、出口氧量等對(duì)床溫的影響，了懈循環(huán)流化床床溫的運(yùn)行特性，一定要從定性的理論分析曲線落實(shí)到定量的細(xì)致調(diào)節(jié)上，才能維持床溫的

39、穩(wěn)定。3.1.1 給煤與床溫給煤是影響床溫最主要、最直接的因素之一，滯后性是給煤調(diào)節(jié)床溫的最大特點(diǎn)，增加了床溫調(diào)節(jié)的難度。圖1是以某次熱態(tài)啟動(dòng)投煤過(guò)程為例的床溫變化曲線，曲線1、2分別是給煤和床溫曲線，量程分別為0100 、500950。開(kāi)始投煤時(shí)，由于床溫較低，投煤以后煤達(dá)到著火點(diǎn)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，開(kāi)始煤的吸熱量大于放熱量，導(dǎo)致床溫繼續(xù)下降；同時(shí)床層高度不斷增厚，流化速度降低，煤剛投進(jìn)去以后基本都漂浮在床層上部，與熱床料混合較差，煤的吸熱與放熱失去平衡，吸熱量大于放熱量，使床溫沒(méi)有明顯改變；約28 min后由于積煤較多，發(fā)生了爆燃，床溫迅速上升；在開(kāi)始階段停止增煤以后，由于積煤較多，經(jīng)過(guò)42m

40、in，床溫到達(dá)最大值930(由于測(cè)點(diǎn)布置在邊壁上，床層中心溫度應(yīng)高于此值)；之后由于床料中可燃物消耗較多，可燃物濃度下降，不足以維持床溫，床溫又下降很多，需加煤以維持床溫，此時(shí)床溫已處于正常水平，投入的煤不容易積存，所需的給煤量雖大，但床溫控制的難度較床溫低時(shí)容易些。運(yùn)行實(shí)踐表明，啟動(dòng)中或床溫低于正常床溫時(shí)，由于床溫較低，給煤調(diào)節(jié)床溫的延遲時(shí)間較長(zhǎng)，不宜長(zhǎng)時(shí)間給煤，容易造成床溫較大波動(dòng)；并且床溫越低于正常床溫水平，這種延遲現(xiàn)象越明顯。建議采用脈動(dòng)給煤方式，以較小給煤量在甲乙兩側(cè)對(duì)稱給煤，然后根據(jù)床溫變化情況決定給煤方式和給煤量，直到恢復(fù)正常床溫。加煤時(shí)，還要增加適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量，但一定要勤調(diào)微量，使

41、床溫在小范圍內(nèi)變化；如果此時(shí)床下油槍已投入， 由于溫度較高，爐底一次風(fēng)體積成倍膨脹，會(huì)使流化風(fēng)速提高，在這種情況下應(yīng)盡可能使用較小的流化風(fēng)量，以減小一次風(fēng)對(duì)床溫的影響，保證床溫升溫速率，此時(shí)流化風(fēng)量可降低至80000 mh (冷態(tài)400mm 料層時(shí)臨界流化風(fēng)量85000mh)。在正常床溫時(shí)加煤，爐內(nèi)熱容量很大，加煤后很快燃燒放熱，床溫對(duì)給煤的延遲時(shí)間大為縮短。圖3-2是以某次正常床溫時(shí)加煤為例的床溫變化曲線，曲線1、2分別代表給煤和床溫變化，量程分別為50 75 、820860；給煤量增加后約1min，床溫開(kāi)始上升并到達(dá)峰值，之后隨著爐內(nèi)可燃物的減少，床溫相對(duì)于峰值總是有所下降。對(duì)比了許多不同

42、工況，發(fā)現(xiàn)一般從開(kāi)始加煤經(jīng)14min，床溫開(kāi)始上升，并且給煤增量越大，床溫波動(dòng)也越大。給煤使循環(huán)流化床床溫難于調(diào)節(jié)的另一個(gè)主要原因是循環(huán)流化床是一個(gè)大熱慣性系統(tǒng)， 因?yàn)闋t內(nèi)的熱床料很多，熱容量很大，即使給煤減少，床溫也未迅速下降。某次風(fēng)機(jī)跳閘，迅速切斷給煤，床溫穩(wěn)定約23 min后才以10min的速度迅速下降；并且汽溫、汽壓等主要參數(shù)開(kāi)始也基本穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生突變。除給煤時(shí)機(jī)、給煤方式、給煤速率，燃料性質(zhì)也會(huì)對(duì)床溫造成影響。煤質(zhì)發(fā)生變化，給煤量也要發(fā)生相應(yīng)變化。煤種突然變好，這時(shí)氧量值降低，汽溫汽壓有上升趨勢(shì)，此時(shí)表示給煤過(guò)大，應(yīng)減少給煤以穩(wěn)定床溫。運(yùn)行中，給煤粒度比設(shè)計(jì)值偏小，粒度較小的煤集中

43、給人爐內(nèi)，容易被煙氣帶人稀相區(qū)，造成密相區(qū)燃燒份額減小，引起床溫降低，此時(shí)氧量無(wú)明顯變化，應(yīng)減小一次風(fēng)量，增加二次風(fēng)量，以維持床溫變化及氧量值。圖3-1 熱態(tài)啟動(dòng)投煤過(guò)程的床溫變化 圖3-2 正常床溫時(shí)給煤與床溫3.1.2 一次風(fēng)與床溫一次風(fēng)是另一個(gè)影響床溫的重要因素。循環(huán)流化床中的一次風(fēng)有2個(gè)作用，一是作為流化用風(fēng)；二是作為燃燒用風(fēng)。相應(yīng)地一次風(fēng)對(duì)床溫的影響也有2個(gè)方面：風(fēng)量大，煙氣從密相區(qū)帶走的熱量也多，造成床溫下降；風(fēng)量大，氣固紊合更加劇烈，提供給碳粒燃燒的氧量上升，燃燒放熱量增加，造成床溫上升。這是兩個(gè)相反的趨勢(shì)，同樣一次風(fēng)量不足對(duì)床溫的影響也有兩個(gè)方面， 特別是煤多風(fēng)少時(shí)，燃燒不良，

44、密相區(qū)燃燒放熱降低，造成床溫下降，如果此時(shí)誤判為缺煤而繼續(xù)加大給煤，會(huì)使床溫進(jìn)一步下降。風(fēng)量的調(diào)節(jié)通常隨給煤量的變化而變化，風(fēng)煤配比在運(yùn)行調(diào)節(jié)中非常重要，一定的給煤量總需要提供合適的風(fēng)量。分析歷史趨勢(shì)圖，從整體上看，一次風(fēng)量與給煤量的變化趨勢(shì)大致相近，加煤時(shí)需先加風(fēng)，減煤時(shí)需后減風(fēng)，此時(shí)一次風(fēng)對(duì)調(diào)節(jié)床溫的作用表現(xiàn)不明顯。當(dāng)給煤量維持基本不變，床溫處于780900時(shí)，大量運(yùn)行工況研究表明：一次風(fēng)增加，床溫下降；一次風(fēng)減少，床溫上升。此時(shí)一次風(fēng)對(duì)床溫的調(diào)節(jié)作用較明顯。圖3-3為一次風(fēng)與床溫變化示意圖，曲線1、2、3分別表示給煤、一次風(fēng)、床溫變化，量程分別為4750 、1000O0130000、77

45、08l0 給煤和流化風(fēng)是影響床溫的重要因素，當(dāng)鍋爐負(fù)荷和給煤量較穩(wěn)定時(shí)， 床溫可用流化風(fēng)量的增減控制；但流化風(fēng)的調(diào)整力度有限，當(dāng)床溫過(guò)高、過(guò)低及需要較大范圍變化時(shí)，則通過(guò)調(diào)整給煤量來(lái)控制。圖3-3 一次風(fēng)與床溫的變化圖3.2 影響主汽壓變化的因素鍋爐主蒸汽壓力作為表征鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，不僅直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且其是否穩(wěn)定反映了燃燒過(guò)程中能量供求關(guān)系。引起主蒸汽壓力變化的因素有：給煤量、蒸汽流量、一、二次送風(fēng)量、引風(fēng)量、返料量等各種影響燃燒工況的因素。3.2.1給煤量對(duì)主汽壓的影響由于給煤機(jī)提供煤粉量不均勻以及煤的質(zhì)量發(fā)生變化，引起了燃料量的變化，爐膛熱負(fù)荷立即增大，致使汽

46、包壓力上升，壓差增大，就使蒸汽流量增加，由于汽輪機(jī)氣門開(kāi)度不變，主氣壓將隨蒸汽的積累而增大。當(dāng)鍋爐燃燒增強(qiáng)時(shí)，主汽壓上升；當(dāng)鍋爐燃燒減弱時(shí)，主汽壓下降。3.2.2一次風(fēng)對(duì)蒸汽壓力的影響一次風(fēng)通過(guò)影響燃料的燃燒進(jìn)一步影響蒸汽壓力。隨著一次風(fēng)量的加大，流化床內(nèi)部顆粒的流動(dòng)形態(tài)也由鼓泡床向循環(huán)床轉(zhuǎn)變，回料量明顯增大，流化床下部的密相區(qū)的燃燒份額迅速減小。因鼓泡床大部分物料集中在密相區(qū)，稀相區(qū)物料濃度比較低；而在循環(huán)床中，大量的細(xì)物料在燃燒室、分離器、回料閥間循環(huán)，正是由于大量的細(xì)物料的循環(huán)，改變了床內(nèi)燃燒份額的分配，強(qiáng)化了稀相區(qū)的燃燒。3.3循環(huán)流化床床溫主汽壓被控對(duì)象經(jīng)查找資料得知循環(huán)流化床床溫主

47、汽壓被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 （3-1）由傳遞函數(shù)得知，給煤量和一次風(fēng)對(duì)床溫和主汽壓的控制是有耦合的，所以在對(duì)其設(shè)計(jì)控制之前要對(duì)被控對(duì)象經(jīng)行解耦。本文通過(guò)對(duì)多參數(shù)輸入輸出系統(tǒng)關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，應(yīng)用對(duì)角矩陣法經(jīng)行解耦控制。對(duì)于雙輸入雙輸出系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)相對(duì)增益矩陣為（3-2）其中 （3-3）（3-4）對(duì)相對(duì)增益來(lái)說(shuō)，矩陣中的某一元素代表耦合性。如下表3.3所示：表3-1 取值意義表取值取值所代表的意義0存在正反饋且通道配對(duì)不當(dāng)=0同多反向配對(duì)00.5有耦合且通道配對(duì)不對(duì)0.51存在正反饋且通道配對(duì)不當(dāng)燃燒系統(tǒng)的耦合主要表現(xiàn)在給煤量和一次風(fēng)量的參數(shù)變化引起床溫和主汽壓的共同變化，從而嚴(yán)重影響控制效果。由對(duì)象

48、的傳遞函數(shù)得知： （3-5）由于，介于0.5和1之間，接近0.5，根據(jù)表得知，系統(tǒng)耦合嚴(yán)重，并確定解耦后的單回路控制方案為給煤量控制床溫，一次風(fēng)量控制主汽壓。3.3.1對(duì)角矩陣解耦雙變量解耦控制系統(tǒng)有下圖3-4所示圖3-4設(shè)，分別為,而，均為解耦器。為了計(jì)算出解耦器的數(shù)學(xué)模型，先寫出該系統(tǒng)的傳遞矩陣如下 （3-6）對(duì)角矩陣綜合法即要使系統(tǒng)傳遞矩陣成為如下形式： （3-7）(1)(2)兩式相比較得知 （3-8）將被控對(duì)象的傳遞函數(shù)數(shù)值代入得：= （3-9）由得到的 = （3-10）構(gòu)建對(duì)角矩陣解耦框圖如圖3-5 圖3-53.3.2開(kāi)環(huán)解耦MATLAB仿真應(yīng)用MATLAB仿真搭建的框圖如下圖3-6

49、圖3-6 應(yīng)用對(duì)角矩陣解耦法得到的單回路解耦控制圖其中解耦系數(shù)分別為：Gain=0.5836 ，Gain1=-0.9449 ，Gain2=0.2572， Gain3=0.5836經(jīng)過(guò)仿真得到的仿真結(jié)果如下：當(dāng)床溫給定階躍信號(hào)，主汽壓給定為0時(shí)得到的圖形如下圖3-7：圖3-7當(dāng)主汽壓給定為節(jié)約信號(hào)，床溫給定為0時(shí)得到的圖形如下圖3-8：圖3-8由上面的圖得知，應(yīng)用對(duì)角矩陣解耦得到的結(jié)果還是比較理想的。3.3.3PID控制器的設(shè)計(jì)在解耦的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PID對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，PID控制器的設(shè)計(jì)及數(shù)值求取框圖如下圖3-9所示圖3-9 PID控制的系統(tǒng)解耦模型圖根據(jù)對(duì)控制效果的要求，得到PID的參數(shù)為床溫

50、控制器中P=0.55,I=O.OO12.主汽壓控制器中P=0.9,I=0.00115.仿真結(jié)果如下所示：當(dāng)床溫給定階躍信號(hào)，主汽壓給定為0時(shí)，得到的控制器輸出圖形如圖3-10得到的輸出圖形如圖3-11：圖3-10圖3-11當(dāng)主汽壓給定為節(jié)約信號(hào)，床溫給定為0時(shí)，得到的控制器輸出圖形如圖3-12得到的圖形如圖3-13：圖3-12圖3-133.3.4擾動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試加入PID控制器的系統(tǒng)，基本就滿足了要求，但在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)不可能一直在理想的條件下運(yùn)行，在不同的時(shí)間段內(nèi)，可能有不同形式的擾動(dòng)加入，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為進(jìn)一步測(cè)定本控制器對(duì)控制對(duì)象的控制效果，現(xiàn)進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)。得到的擾動(dòng)試驗(yàn)仿真結(jié)果如下

51、：首先測(cè)定擾動(dòng)對(duì)床溫的影響，加入控制器后，當(dāng)床溫給定為階躍信號(hào)，主汽壓給定為0時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，在800s時(shí)，在被控對(duì)象前加入幅值為0.2、時(shí)間為50s的方波擾動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾能力，得到的輸出圖形如圖3-14圖3-14測(cè)定擾動(dòng)對(duì)主汽壓控制系統(tǒng)的影響：當(dāng)主汽壓給定階躍信號(hào)，床溫給定為0時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后在4500s時(shí)，在被控對(duì)象前加入幅值為0.2時(shí)間為50s的方波擾動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾能力，得到的輸出圖形如圖3-15 圖3-15通過(guò)擾動(dòng)試驗(yàn)可知：控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力，但同樣的擾動(dòng)對(duì)主汽壓和床溫的影響是不同的。3.3.5魯棒性試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，控制對(duì)象會(huì)發(fā)生一定的

52、變化，例如燃燒造成的管道結(jié)渣，從而會(huì)延緩熱量的傳遞等。為進(jìn)一步驗(yàn)證控制系統(tǒng)的性能，現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的魯棒性。測(cè)試魯棒性有很多種方法，現(xiàn)使用改變被控對(duì)象的時(shí)延驗(yàn)證系統(tǒng)的魯棒性，在實(shí)驗(yàn)中，將被控對(duì)象的延遲時(shí)間都增大20。得到的曲線如下所示：驗(yàn)證床溫控制系統(tǒng)魯棒性時(shí)給床溫給定階躍信號(hào)，主汽壓給定為0時(shí)，得到的輸出圖形如圖3-16圖3-16當(dāng)驗(yàn)證主汽壓控制系統(tǒng)魯棒性時(shí)，主汽壓給定階躍信號(hào)，床溫給定為0時(shí)，得到的輸出圖形如圖3-17圖3-17經(jīng)過(guò)魯棒性測(cè)試得知，在被控對(duì)象的延遲時(shí)間在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)還是能夠較好的得到控制。3.4 結(jié)論經(jīng)過(guò)查找資料對(duì)循環(huán)流化床具有了一定的了解，國(guó)外CFBC技術(shù)在向大型化發(fā)

53、展。目前單機(jī)容量最大的CFBC鍋爐(250 MW ，蒸發(fā)量700 th)電站已在法國(guó)投入運(yùn)行，鍋爐效率90.5 ，脫硫率93，NO排放低于250 mgNm。中國(guó)現(xiàn)已具備設(shè)計(jì)制造75 th循環(huán)流化床鍋爐的能力；自行開(kāi)發(fā)的220 th 循環(huán)流化床鍋爐示范工程和引進(jìn)410 th循環(huán)床鍋爐工程在進(jìn)行。CFBC的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究方面也取得了一些進(jìn)展，完成了循環(huán)床專用設(shè)計(jì)軟件;125 MW 再熱爐型的工程設(shè)計(jì)研究和新型75 th和130 th循環(huán)流化床鍋爐的研究設(shè)計(jì)工作。循環(huán)流化床燃燒鍋爐的基本特點(diǎn)可概括如下：低溫的動(dòng)力控制燃燒；高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過(guò)程，高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過(guò)程

54、。 循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)燃料適應(yīng)性廣、 燃燒效率高 、利于控制SO和NO 的排放、灰渣綜合利用性能好。循環(huán)流化床鍋爐的缺點(diǎn)： 循環(huán)流化床鍋爐部件的磨損和腐蝕嚴(yán)重、N2O生成量高、耗電量大、床溫過(guò)高、 分離裝置和返料機(jī)構(gòu)。循環(huán)流化床鍋爐是在鼓泡床鍋爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它幾乎可以消除鼓泡床鍋爐所有的缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)循環(huán)流化床控制系統(tǒng)的研究及其分析得到進(jìn)一步的結(jié)論是循環(huán)流化床鍋爐中床溫主汽壓系統(tǒng)具有較強(qiáng)的耦合現(xiàn)象，一次風(fēng)、給煤量對(duì)鍋爐床溫和主汽壓都有影響，兩輸入與輸出具有嚴(yán)重的耦合現(xiàn)象。應(yīng)用對(duì)角矩陣法對(duì)床溫主汽壓控制系統(tǒng)解耦，通過(guò)仿真證明具有良好的解耦特性，使兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)彼此獨(dú)立，有利于控制

55、器的設(shè)計(jì)?？刂破魇褂脗鹘y(tǒng)的PID控制器，主要應(yīng)用比例和積分作用，起到了良好的效果，具體見(jiàn)圖五和六，經(jīng)過(guò)對(duì)曲線的分析得知，PID在整體上控制效果較好，但對(duì)延時(shí)問(wèn)題沒(méi)有得到應(yīng)有的解決，由于時(shí)間問(wèn)題，現(xiàn)在就不另設(shè)計(jì)系統(tǒng)用來(lái)解決延時(shí)問(wèn)題。對(duì)于應(yīng)用PID控制的系統(tǒng)，加入擾動(dòng)時(shí)，仿真效果見(jiàn)圖3-14和3-15，有圖可見(jiàn)，控制效果還是較好的，但在擾動(dòng)加入時(shí)，系統(tǒng)的震蕩較嚴(yán)重，具體原因分析是，加入擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)量太大，雖然最后能達(dá)到平衡，但加入時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)過(guò)大。不利于系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)魯棒性的測(cè)試，說(shuō)明其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太敏感。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，只是在軟件上進(jìn)行了成功的仿真，但在實(shí)際方面，仍要進(jìn)一步

56、完善，首先是控制對(duì)象傳遞函數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)辨識(shí)，最好得到較為準(zhǔn)確的傳遞函數(shù)，這應(yīng)該是仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，然后是PID的整定，在實(shí)驗(yàn)室里較理想的條件下得到的參數(shù)一般與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的有一定的差別，最后是擾動(dòng)的加入，實(shí)際中的擾動(dòng)是較多且沒(méi)有規(guī)律的，所以要想得到較好的結(jié)果還要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際的操作。4結(jié)束語(yǔ)循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)控制尤其是床溫主汽壓控制對(duì)與機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。循環(huán)流化床鍋爐的工藝特點(diǎn)和本身結(jié)構(gòu)及燃燒特性決定，其床溫主汽壓控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、大慣性、長(zhǎng)延時(shí)的非線性時(shí)變系統(tǒng)，仿真試驗(yàn)表明：采用常規(guī)PID控制器很難達(dá)到理想的控制效果，需要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行必要的解耦，因此對(duì)床溫主汽壓控制系統(tǒng)的研

57、究就具有十分重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于循環(huán)流化床鍋爐具有以上的特性，目前很難建立循環(huán)流化床鍋爐床溫主汽壓系統(tǒng)的精確模型，本文應(yīng)用的傳遞函數(shù)也具有一定的局限性，所應(yīng)用的解耦及其PID控制是針對(duì)文章中具體的傳遞函數(shù)的一種控制，在實(shí)際應(yīng)用中效果有可能不太好，所以在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，一定要有比較精確的傳遞函數(shù)，這樣理論設(shè)計(jì)的系統(tǒng)才能較好的應(yīng)用到實(shí)際中，雖然本設(shè)計(jì)有一定的局限性，但在本人能力的范圍內(nèi)，根據(jù)所得到的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的控制系統(tǒng)，在理論的MATLAB仿真中得到了較好的效果，而且在抗干擾、魯棒性等方面也具有較好的性能。在PID參數(shù)的求取時(shí)，仿真顯示基本達(dá)到了要求，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，只是

58、在軟件上進(jìn)行了參數(shù)的求取，各種條件也是滿足理想的，但在實(shí)際方面，有可能存在一定的不足，對(duì)今后的再學(xué)習(xí)研究打下了良好的基礎(chǔ)。由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，本人的一些設(shè)想沒(méi)來(lái)及驗(yàn)證和實(shí)施，比如在控制器的選擇上，應(yīng)用現(xiàn)在比較先進(jìn)的一些控制器是不是會(huì)取得更好的效果。本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是系統(tǒng)的耦合，在耦合解除的前提下在設(shè)計(jì)基本簡(jiǎn)單的控制器，對(duì)于對(duì)象的延遲就沒(méi)有設(shè)計(jì)具體的裝置來(lái)消除掉。參考文獻(xiàn)1李官鵬,程世慶,韓奎華.循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展和特點(diǎn)J，2004,20(2).2李明,徐向東.循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)J，2002,42(5).3郭爽,邊立秀,張玉萍.循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)J，2000(4).4杜朝

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