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BCS技术在循环流化床锅炉中的应用

1 项目概况

某公司共有装机容量为6MW的抽凝式汽轮发电机组2台、6MW背压式汽轮发电机组1台,配套有2台75t/h和2台35t/h循环流化床锅炉。

在改造之前,该公司锅炉燃烧的自动化控制水平始终很低,燃烧效果不佳,同时存在下列问题:

⑴锅炉长期处于手动操作状态,对不断变化的工况调节有滞后并且不够平滑,造成锅炉运行不稳定,灰渣含碳量时高时低,锅炉热效率较低,同时还对设备特别是汽机造成不利影响,不利于机组长期运行;

⑵运行操作人员多、劳动强度大,并增加了人为失误的可能性,系统安全性差,不利于机组经济安全运行;

⑶手动操作方式大起大落,使得机组运行严重依赖于操作人员的操作水平及劳动态度,不利于科学管理;

⑷手动操作无法克服频繁发生的工况扰动,运行状态的不稳定使锅炉根本无法达到优化燃烧状态,对于节能降耗缺乏实施平台,无法实现经济运行。

2 所用核心技术

2008年底,该公司决定引入和隆优化公司BCS技术对其四台循环流化床锅炉进行技术改造,并最终达到全自动、安全、稳定、经济燃烧的目的。

BCS是“通用燃烧优化控制技术”的简称。它是基于先进的、高可靠性的DCS或高端PLC系统,立足于各种燃烧装置最基本的测控仪表,采用先进的软测量技术、多变量解耦技术、过程优化控制技术、故障诊断与安全控制技术、智能调节技术及科学的数据分析与统计技术来实现燃烧装置的全自动优化控制,从而达到其安全运行、稳定运行和经济运行的所有目标。BCS技术与与各种燃烧装置的关系图如下图所示:

通用燃烧优化控制技术

BCS技术包含我公司六大核心技术。

1)有限条件正确相关技术——该技术利用极有限的但必须能正确关联的现场仪表测控信号,构造了一个基于有限条件下燃烧效果变量ε的自寻优模型。所谓正确相关是指控制变量的改变必须要导致相应测量变量的正确变化,而它们之间变化的规律可能是不精确的,但变化的趋势必须是正确的,即该技术基于过程数据变化趋势的相对正确而非其绝对值的正确性。

2)燃烧效果软测量技术——用几乎所有的有限测控信号和虚拟变量构建了一个可以表征当前工况下的燃烧效果的变量ε。它类似于燃烧效率,它是变化规律与锅炉热效率一致的中间变量。下图为通用燃烧曲线,我们也可以看出燃烧效果变量ε和锅炉热效率η的相对关系:

燃烧效果软测量技术

3)最佳运行工况的自寻优技术及滚动优化技术——用多维梯度极值搜索法寻找使燃烧效果ε为最大值的最环保运行工况并钳位运行在最佳燃烧状态。当负荷改变、煤质改变等干扰发生时可自动启动优化算法寻找新的最佳控制点。而且每次优化都是基于上次的优化结果启动,即滚动优化,通过滚动优化使各种燃烧装置达到“越烧越好”的运行状态。

4)故障诊断与安全控制技术——部分仪表的故障不会造成模型瘫痪和生产安全隐患,系统会自动采用自愈技术在线处理部分工艺或自控设备故障。

5)智能调节技术——集模糊控制、非线性控制和预测控制等技术于一体,全面克服了过程本身的非线性、纯滞后和时变性及各种电动阀所存在的死区大、空行程大、使用寿命短、调节精度低等诸多问题。

6)多炉多机大系统协调优化控制技术—解决了多炉多机系统的相互制约和影响问题,通过优化调整各炉的负荷和运行状态使得多炉多机大系统的运行达到整体的优化,实现了多炉多机大系统安全运行、稳定运行和经济运行的全部目标。

3 应用效果分析

目前BCS技术已经在该企业的四台循环流化床锅炉上得到了成功应用。经过长期的运行实践证明,四台锅炉整体运行工况得到了很大改善,主要体现在以下几个方面: 

1)床料沸腾平稳,床温更加稳定;

可以这样说循环流化床锅炉的床温如果控制不住则就意味着整个控制系统的失败。对中温返料且返料量大的CFB锅炉来说,床温高时可通过加大返料量来降低温度,反之亦然,即系统本身具有负反馈特性,所以BCS系统设计了基于专家系统的“床温(平均值)--返料风压--返料量”的串级控制技术来实现了高精度的床温控制。下面的两幅图反映了床温控制回路投入与解除时床温的波动情况:

床温控制回路床温控制回路

该技术使床温的波动从手动时的50~90度下降至5~10度,非常显著地改善了锅炉的运行状态。

2)蒸汽母管压力运行曲线平滑

该企业下游有五十余个蒸汽用户,其中很多都是间歇式生产,造成母管压力波动频繁,对汽轮机的运行很不利。BCS系统中设计了多炉协调优化下的锅炉负荷优化控制回路。该功能要求将多台锅炉的运行模式进行分工,即将它们分别定义为运行炉和调节炉,运行炉只按给它分配的蒸汽流量负荷来运行而不管母管压力如何变化;而调节炉则同时以母管压力和分配给它的基本负荷流量来协调运行,即当母管压力突然变低时它要快速提高自己的运行负荷以稳定母管压力来保证汽轮机的正常运行和蒸汽用户的用汽稳定,反之亦然。下面的两幅图反映了该技术投入与解除后母管压力的波动情况:

该技术可使蒸汽母管压力的波动从±0.2MPa下降至±0.07MPa(90%时间),即使在波动最大的交接班阶段这个技术也表现出了很好的抗干扰能力。

3)飞灰含碳量降低,燃烧效率提升

BCS技术中最核心的部分就是该技术基于软测量技术构建了可反映锅炉燃烧效率的燃烧效果中间变量,在此基础上通过自寻优技术和滚动优化技术实现了锅炉的最佳燃烧。BCS技术投入后有一个明显的现象就是炉渣排放量增加了,飞灰量相应减少了,而且飞灰含碳量也降低了,这一点可以从侧面验证锅炉整体燃烧效率提高了。系统投运前后数据变化请参见下表:

飞灰含碳量:%(表1)

年月

1月

2月

3月

4月

5月

操作方式

2008年

18.35

停车

19.19

19.89

20.61

手动

2009年

13.45

16.71

13.83

17.42

18.33

自动

 

吨汽煤耗(kg煤/吨汽)(表2)

年月

1月

2月

3月

4月

5月

操作方式

2008年

186.5

停车

178.2

171.7

175.6

手动

2009年

183.9

178.2

175.2

169.1

172.8

自动

自动比手动降低

1.4%

 

1.7%

1.5%

1.6%


4)劳动强度降低,安全性提高

引入BCS技术后,四台锅炉在绝大多数时间都能全自动稳定运行(95%以上时间),极大地减轻了操作人员的劳动强度。同时机器操作代替人工操作,避免了操作人员懈怠和操作水平参差不齐带来的安全隐患和锅炉效率的降低。

4 验收报告

验收报告