BCS燃烧优化技术在热电CFB锅炉上的应用

李鹏

（北京和隆优化科技股份有限公司）

关键词：燃烧优化；BCS；CFB；自动控制；OPC通讯；节能。

1.引言

循环流化床锅炉的燃烧自动控制与优化问题一直被称为是世界性难题,国内外很多公司为此进行过长期的研究。西方研究该问题普遍基于物料平衡和能量平衡，而我国解决该问题的基本思路是采用先进的控制理论和以废气含氧量等为优化目标。基于物料平衡与能量平衡的一般对现场条件要求苛刻，我国的大部分企业承受不起；基于氧含量等分析仪表的，由于分析仪表的不可靠、不精确以及优化目标的代表性差而很难使燃烧装置运行达到最佳， 再加上现场的一些仪表性能也差， 如果连基本的自动运行都没能实现，优化运行也就成了空中楼阁。研究一种基于中国国情、简单易用、长期高可靠性的智能燃烧优化技术以降低燃煤消耗、实现节能减排和降低工人劳动强度是非常必要和迫切的。

2.BCS技术介绍

2.1 BCS技术概述

BCS是“通用燃烧优化控制技术”（以下简称BCS）的英文缩写。BCS是立足于各种燃烧器最基本的测控仪表，采用先进的燃烧效果软测量技术、最佳运行工况的自寻优及滚动优化的过程优化控制技术与多炉多机大系统协调优化技术、故障诊断与容错的安全控制技术、先进的软件接口技术及科学的运行数据挖掘、处理与统计技术来实现燃烧器及多燃烧器系统的全自动协调优化控制，从而达到其安全运行、稳定运行和经济运行的所有目标。

2.2 BCS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，它不需要人工输入任何燃料的品质数据、负荷参数及大量模型初始化参数，该优化模型即可迅速找到最佳燃烧状态并自动检测各种因素引起的最佳燃烧点的偏移而重新将控制点拉回到锅炉热效率曲线的“山顶”。只要能在控制室遥控现场一般就满足了它的使用条件，而且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。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。

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变量—ε，它类似于燃烧效率，它是变化规律与锅炉燃烧效率一致的中间变量。下图二为通用燃烧曲线，我们也可以看出燃烧效果变量曲线和燃烧效率曲线的相对关系：

3、自寻优及滚动优化模型——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风燃比、最佳燃烧温度控制点、最佳供汽（或热水）质量等。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；每次优化都是基于上次的优化结果启动，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、容错与自愈安全控制技术———部分仪表的故障不会造成模型瘫痪和生产安全隐患，采用自愈控制技术在线自动处理部分工艺或自控设备故障。

5、全智能先控模型——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

6、智能软私服接口技术——有效处理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。

7、运行数据挖掘处理与统计技术——基于历史数据的佳值统计功能，可以查询到工况运行佳的各类参数的范围，实现了运行数据的挖掘处理。丰富多彩的统计功能，有班统计、日统计、月统计、最值统计，各类数据的查询功能等。

8、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。

2.3 BCS技术用于CFB锅炉所解决的问题

1.它解决了在现有条件下如何使CFB锅炉燃烧效率最大的问题——全自动燃烧优化控制技术可使锅炉煤耗降低1.5%以上，并明显降低飞灰量和飞灰、炉渣的含碳量，有些现场节煤率可达5%.

2.它在一定程度上解决了CFB锅炉对环境的污染问题——它既满足了燃料的充分燃烧，也保证了锅炉的稳定燃烧，有效的解决了烟囱冒黑烟和SO2、NOx因燃烧温度控制不稳而过量生成的环保问题。

3.它极大地降低了工人的劳动强度——它打破了CFB锅炉长期以来基本处于人工操作的局面，生产效率显著提高。

4.它明显延长了CFB锅炉的大修周期——BCS技术使锅炉生产运行更加平稳和更加安全。

2.4 BCS 技术的理论根据

BCS技术立足于各种燃烧装置现有的工艺、设备、操作条件下，通过实施优化控制来使其燃烧效率η最大。

固体燃料的热平衡方程式如下：

Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6           η(%)=（Qr-(Q3+Q4))/Qr

其中： Qr：1kg燃料带入锅炉的热量（KJ/kg）； Q1：锅炉有效利用热量（KJ/kg）；

       Q2：排出烟气所带走的热量（KJ/kg）；  Q3：气体不完全燃烧热损失（KJ/kg）；

       Q4：固体不完全燃烧热损失（KJ/kg）；  Q5：锅炉的散热损失（KJ/kg）；

       Q6：灰渣带走的物理热量（KJ/kg）。

如果想使锅炉燃烧效率最大，我们必须让Q2、Q3、Q4、Q5、Q6五项损失最小，而Q2、Q3、Q4三项占了锅炉损失的绝大部分份额并与燃烧效果有着密不可分的因果关系！

因此我们的工作重点是：通过实施燃烧优化策略来实现---Q2+Q3+Q4——>min

很显然如果空气过量会使Q2增大，空气欠量会使Q3+Q4增大。

3 BCS技术在热电CFB锅炉上的应用

3.1 数据采集

    BCS数据均来自原DCS数据，数据的采集通过OPC通讯的方式或者modbus通讯方式进行。通过在原有程序中设置控制权的切换程序来完成最终的执行信号是DCS还是BCS，在控制权切换程序中设置相互跟踪功能，实现无扰切换。BCS和DCS的数据关系图如下图所示。 

图1 BCS优化站与DCS的关系见附件

3.2 实现的自动控制功能

⑴ 基本控制回路

l 带燃烧因素前馈算法的汽包水位三冲量控制回路，汽包水位控制在给定值的±20mm以内；

l 带专家知识前馈算法的主汽温度控制回路，主汽温度控制在给定值的±5℃；

⑵ CFB锅炉燃烧优化控制

l 一次风优化控制回路；

l 二次风优化控制回路；

l 炉膛负压优化控制回路，炉膛负压控制在给定值的±30Pa以内；

l 给煤优化控制回路，主蒸汽压力平均误差控制在±0.1MPa，实时误差控制在±0.2MPa； 

⑶ 安全控制技术（安全联锁、安全限幅、智能语音报警等）

⑷ 床压及排渣自动控制回路

⑸ 锅炉经济运行统计技术，单耗较原来降低1.5%以上

⑹ 大幅度快速升降负荷自动控制回路，负荷调整速率：大于1.5MW/min、平均变负荷率达到2.5MW/min，最大变负荷率为3 MW/min。

⑺ 氧量纠偏功能回路

BCS技术的应用，实现了长期自控率达到90％以上。

3.4 控制效果对比

1.炉膛负压控制对比图见附件 

图2A BCS控制炉膛负压                      图2B DCS控制炉膛负压

2.汽包水位控制对比图见附件 

图3A BCS控制汽包水位                      图3B DCS控制汽包水位

3.主汽温度控制对比图见附件

图4A BCS控制主汽温度                      图4B DCS控制主汽温度

4.主汽压力控制对比图见附件

图5A BCS控制主汽压力                       图5B DCS控制主汽压力

5.煤量优化曲线图见附件 

图6A 24小时优化图                           图6B单次优化图

6.风量优化曲线图见附件

图7A 24小时优化图                           图7B单次优化图

7.大幅度快速升降负荷曲线图(100t/h/15分钟)见附件

图8-大幅度快速升降负荷曲线图

8.氧量纠偏运行曲线图见附件 

图9-氧量纠偏运行曲线图

4.实现的经济技术指标

目前，使用BCS技术的CFB锅炉从35t/h到650t/h不等，从节能效果看，经统计单耗较原来降低1.5%以上。

    经济效益核算

以150t/h锅炉，日均燃煤消耗标煤350吨计算，节煤率为1.5%，每年运行330天，标煤价格按600元/吨计算，则年节煤效益为：

350*330×0.015*600/1000 =104万元

5.结语

“通用燃烧优化控制技术-（BCS）”的成功应用，解决了热电企业诸如供汽负荷大幅波动、煤质变化大、执行机构频繁振动扰动大等实现不了自动控制的主要问题，使锅炉燃烧系统自动控制投入率高，相关控制回路均能实现长期稳定投入且相关参数控制平稳，优化节能效果明显，实现了锅炉安全、稳定、经济运行。

参  考  文  献

[1] 于现军等，自寻优算法在高炉热风炉燃烧系统中的应用，世界自动化与仪表，2003.6.

[2] 山东海化集团，北京和隆优化控制技术有限公司，山东海化集团3#CFB优化控制项目测试报告. 2012.2

[3] 于现军，基于BCS技术的链条炉燃烧优化控制系统，第22届全国氯碱行业技术年会论文专集.2004.8

[4] 吴剑恒,陈文强,高瑞峰,于现军,燃烧优化控制技术在循环流化床锅炉上的应用与效果，工业锅炉.2010.2

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作者简介：李鹏（1983-），男，山东省枣庄市人,硕士研究生，现从事高级智能控制、工业网络、优化控制方向的研究。北京和隆优化科技股份有限公司，北京市海淀区建材城西路31号D座，100096，lipeng@yhkz.com ，18001179067