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      福建省石獅熱電有限責任公司      俞金樹               
                 
       摘 要: 本文介紹基于BCS系統(tǒng),利用故障檢測與診斷、容錯控制和故障自愈控制解決我司中溫返料CFB鍋爐運行中發(fā)生的床溫測量元件失效、斷煤、返料器運行不平衡等常見故障的情況。半年多來的運行效果表明,在CFB鍋爐投入BCS自動優(yōu)化運行狀態(tài)下,發(fā)生這些故障后可以不依賴人且能自行恢復到正常狀態(tài)或使鍋爐帶病運行到計劃檢修階段而避免了臨時停車,在很大程度上保證了CFB鍋爐的安全運行。

       關鍵詞: CFB鍋爐；BCS；故障檢測與診斷；容錯控制；自愈控制；安全運行 

    Abstract: This paper introduces the technology based on the fault detection and diagnosis (FDD) technology and fault self-recovery control (FSC) technology to systematically solve some common fault in the operation process of the mid-temperature returns CFB boiler. After more than a year of operation, the results show that, when fault occurred, the boiler can return to the normal state without people’s actions or run in sick-model to perform maintenance plan and avoid temporary stop, largely guarantees the CFB boiler safe operation.

    Key words：CFB boiler; BCS(Boiler Omnipotent optimize Control System)；Fault detection and diagnosis; fault self-recovery control；self-recovery control; safe operation

1 概述

    循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術[1]是在20世紀80年代發(fā)展起來的一種新型潔凈燃燒技術,它的最大特點是燃料在爐內通過物料循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)反復燃燒,使燃料顆粒在爐內滯留時間大大增加直至燃盡,燃燒效率顯著提高；不僅如此,CFB鍋爐還具有燃料適應性強、負荷調節(jié)性能好、氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內脫硫、灰渣便于綜合利用等一般常規(guī)鍋爐所部具備的優(yōu)點,在福建省得到較廣泛的應用和推廣。目前,福建省已有100多臺CFB鍋爐在運行或建設中,總容量超過15000蒸噸,其中最大容量為1025t/h。從已經(jīng)投運的CFB鍋爐的運行實踐[2-3]來看,CFB燃燒技術是可以較好地燃燒福建無煙煤的。

    由于CFB鍋爐獨特的流態(tài)化、循環(huán)燃燒特點,決定CFB鍋爐的燃燒過程是一個多輸入、多輸出和大滯后、強耦合的復雜系統(tǒng),時變性、非線性和關聯(lián)性都非常強[1],各變量之間相互影響,鍋爐系統(tǒng)特別是燃燒裝置的自動化控制非常困難。據(jù)了解,除龍巖坑口電廠4×440t/h和2×1050t/hCFB鍋爐投入機爐協(xié)調控制外,目前絕大多數(shù)CFB鍋爐還采用粗放的手動操作,更談不上自動優(yōu)化運行了。手動操作模式下的大起大落,可能造成CFB鍋爐運行的不穩(wěn)定,導致飛灰含碳量忽高忽低且居高不下,影響鍋爐的經(jīng)濟運行,結焦、爆管等事故時有發(fā)生[4]。

    為此,石獅熱電公司在CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動控制和優(yōu)化運行方面進行了大膽的嘗試,與北京和隆優(yōu)化控制技術有限公司合作,在4號鍋爐應用BCS(Boiler Omnipotent optimize Control System,通用燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng))技術。截至2010年6月底已連續(xù)可靠運行18個月,統(tǒng)計結果表明BCS長期自控率大于90％,單爐節(jié)能效益超過1.5％,效果非常顯著。公司于2009年9月在另外3臺CFB鍋爐(1號、2號爐為35 t/hCFB,3號爐為75t/hCFB)推廣了BCS,可提高整體機組效率2％以上。在工程實踐中,我們將動態(tài)系統(tǒng)的故障檢測與診斷(fault detection and diagnosis－FDD)、容錯控制(fault tolerant control－FTC)和自愈控制(fault self-recovery control－FSC)的有關思想[5-8]融入到BCS中,提高了BCS自動優(yōu)化控制的安全可靠性。

    2 BCS簡介

    BCS立足于鍋爐最基本的測控儀表,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、故障診斷與容錯控制技術及先進的軟件接口來實現(xiàn)鍋爐的優(yōu)化控制,從而達到鍋爐的安全運行、穩(wěn)定運行和經(jīng)濟運行的所有目標[4]。BCS采用軟測量技術和正平衡法計算表示鍋爐熱效率,以中間變量噸汽煤耗為優(yōu)化指標,采用多維梯度法優(yōu)化算法,尋找最佳的床溫和二次風風量設定值,使得燃燒過程逼近最優(yōu)區(qū)域,以獲得經(jīng)濟燃燒的效果。

    我司采用集中供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)的方式,由于大部分用戶的生產(chǎn)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(jīng)常造成鍋爐負荷的巨大波動,有時會突降40％B-MCR(鍋爐額定連續(xù)蒸發(fā)量)。為此,BCS采用的基本控制回路包括了帶燃燒因素前饋算法的汽包水位三沖量控制回路和帶燃燒因素前饋算法的主汽溫度控制回路；CFB鍋爐燃燒優(yōu)化控制回路包括：①單爐負荷與管網(wǎng)蒸汽壓力協(xié)調優(yōu)化控制回路,②帶安全與自尋優(yōu)策略和人工經(jīng)驗加載功能的一次風量優(yōu)化控制回路,③帶安全與自尋優(yōu)策略和人工經(jīng)驗加載功能的二次風量優(yōu)化控制回路,④帶智能軟飼服技術的爐膛負壓優(yōu)化控制回路,和⑤基于專家知識的床溫智能選擇-分程先進控制回路,這五個回路的設計和正常運行是鍋爐經(jīng)濟運行的關鍵所在。下面對床溫優(yōu)化控制回路進行介紹。

    床溫控制精度的高低是影響鍋爐的安全運行和經(jīng)濟運行最大的因素, 因此對CFB鍋爐來說床溫控制是最重要的一個回路。對中溫返料的CFB鍋爐來說,床溫的穩(wěn)定可以通過返料量來控制,輔以煤量、風量的調整。BCS采用了基于專家系統(tǒng)的床溫優(yōu)化控制模型,見圖1。

           
                                                     圖  1

    圖1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/PFLJ2為返料器入口靜壓；TFL1/TFL2為返料器料溫。床溫控制點也是浮動的（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）,改變該爐的負荷控制點,床溫的實際控制點也將隨之而變,例如負荷提高后床溫也做相應提高。主回路采用床溫-返料風壓-返料量的串級控制并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。

    盡管BCS床溫優(yōu)化控制回路已經(jīng)考慮了諸多因素,比如利用容錯控制技術自動剔除故障的床溫熱電偶,但如果對床溫失效的處理功能只是簡單地依據(jù)偏離平均值一定范圍后就自動切除則會造成床溫劇烈波動甚至熄火。正是由于工程實際的復雜多變,個別意外情況的發(fā)生,令我們總感覺考慮不足。圖2中曲線記載了2009年12月24日我司4號鍋爐在全自動運行狀態(tài)下發(fā)生的床溫失控事故。

               
                                                    圖  2
    3 故障容錯及自愈控制技術的應用

    不管我們如何加強管理和運行操作,由于CFB鍋爐的特性以及煤質的變化,在運行中還是會經(jīng)常發(fā)生一些設備或工藝故障,如床溫測量元件損壞、斷煤、左右床溫跑偏等,這些問題不僅大大增加了工人的勞動強度,還會影響鍋爐的經(jīng)濟運行,甚至對鍋爐安全運行帶來極大隱患,因這些故障發(fā)生后處理不及時而導致停爐的案例都有報道。

    為確保出現(xiàn)故障時整個BCS系統(tǒng)的安全運行,我們將動態(tài)系統(tǒng)的FDD、FTC和FSC融入到BCS中,具體應用到床溫測量元件失效、斷煤、返料器運行不平衡等常見故障處理中。運行實踐表明, 本文提出的故障容錯及自愈控制方案和模型是可行的和有效的,當鍋爐燃燒過程發(fā)生了床溫測量元件失效、斷煤、返料器運行不平衡等可控的運行故障, BCS能夠作出準確的判斷,仍然是穩(wěn)定的并具有較理想的特性,同時利用積極主動的控制策略來自主自動地將大風險消滅于萌芽狀態(tài),而過程重新恢復到正常。這對提高BCS自動優(yōu)化控制的安全可靠性具有明顯的作用。

    3.1 床溫測量元件失效原因分析

    不管我們怎樣改進CFB鍋爐床溫測量系統(tǒng), 床溫測量元件的隨機性失效是絕對不可避免的。測量元件的失效一般有以下三種情形：一是由于磨損徹底損壞而永久失效；二是由于測溫元件套管傳熱性能變差等造成溫度測量值偏低；三是由于床料的不均勻造成的暫時性測量不準確。無論哪種故障發(fā)生都必須進行正確的處理才能保證床溫自動控制回路的安全運行。

    3.1.1床溫測量元件失效處理模型

    要對床溫進行自動控制一般選擇密相層有效溫度的平均值作為測量值,但如果對床溫失效的處理功能只是簡單地依據(jù)偏離平均值一定范圍后就自動切除則會造成床溫劇烈波動甚至熄火,見圖2。圖2中的曲線6是有效床溫平均值,5為第5支床溫測量點TE118D。可以看出當?shù)?支溫度計指示溫度逐漸降低到被自動剔除的閾值時,有效床溫平均值突變的情況。這是因為原來的床溫控制模型中沒有考慮某測溫點被自動屏蔽后(與有效床溫平均值之差超過一定數(shù)值,如100℃)對有效床溫平均值的極大影響問題。當床溫測量點從7個(當時已壞掉一支)變成6個時,有效床溫平均值則從961℃突升至976℃,由于控制算法中的比例和微分作用造成返料風壓的大幅增加(返料風機變頻開度從15%升到55%),導致大量沖灰,使床溫急劇下降200多℃,再加上運行人員操作不及時而造成了熄火事故。

    床溫測量元件失效處理模型功能設計如下：

    1)可手動屏蔽某些可疑測溫點,也可按一定規(guī)則自動屏蔽和自動恢復某些測溫點,如：把測量值比當前平均床溫高或低100℃的測量點自動剔除,并顯示出當前有效測點數(shù)量；

    2)將自動剔除或恢復某些測量點后造成的平均床溫的偏移量同步加到動態(tài)床溫控制點上以消除對實際運行床溫的影響—這是對原床溫控制模型的重要完善。

    圖3為我司中溫返料CFB鍋爐床溫優(yōu)化控制的完整數(shù)學模型,從圖3中也可看出床溫自動控制的復雜性。

                   

                                                   圖  3
  
    3.1.2 床溫容錯控制應用效果

    如圖4所示,當某一個床溫測量點突然失效時,床溫控制點隨床溫平均值都同步階躍升高了近20℃,而床溫主調的輸出—返料風壓增量并沒有任何變化,從而保證了床溫的穩(wěn)定性。

                    
                                                      圖  4

    3.2 斷煤故障

    3.2.1 斷煤故障診斷及自動處理模型

    斷煤故障是最為頻繁發(fā)生的一種故障,造成的原因有：煤的水分過大(如大于11%)、粒度不均勻、堵塞、搭橋等。我司有時一個班(8h)就會發(fā)生多次斷煤,由于床料中只有5%的可燃物,僅能維持3~5 min的燃燒,處理不及時會造成鍋爐運行狀態(tài)的大幅度波動,甚至可能造成停爐事故。

    我司3號、4號鍋爐安裝有電子皮帶秤,可直接用流量計信號在斷煤發(fā)生后的突變性進行斷煤故障診斷,診斷邏輯如圖5所示。

                    
                                                  圖  5

    我司4號鍋爐有2條爐前給煤皮帶,采用變頻無級調速控制。設正常運行時兩股給煤變頻在斷煤前的平均開度分別為FVR1、FVR2,則當2號給煤發(fā)生斷煤(給煤量小于1.3t/h,此時令DM2=1)時,應立即將1號給煤變頻開度變?yōu)镕VR1+FVR2,即將負荷控制模型中的1號給煤流量控制點加上2號斷煤前的給煤流量控制點,實現(xiàn)單股給煤對負荷的閉環(huán)控制,見圖6。

                 
                                               圖  6

    在處理斷煤故障的過程中,還要同時穩(wěn)定一次風和二次風,避免由于煤量的波動而造成CFB鍋爐運行工況的波動。當斷煤故障被處理完畢(2號給煤機給煤量基本正常),則又被自動無擾恢復原控制點、原開度和原運行模式。

    3.2.2 閉環(huán)控制效果

    斷煤的發(fā)生、報警、處理及恢復都是全自動處理的,整個處理過程對床溫和負荷的影響幾乎看不出來,CFB鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性大大提高。圖7為4號爐2號給煤系統(tǒng)發(fā)生斷煤時的響應曲線。

                   
                                               圖  7

    3.3 返料器運行不平衡故障

    3.3.1 左右返料器運行不平衡故障診斷模型

    CFB鍋爐燃燒技術的精髓就在于通過返料器及其相關設備對循環(huán)灰的操作,對中溫返料鍋爐來說更是如此。循環(huán)灰的數(shù)量及其平穩(wěn)性是決定CFB鍋爐生產(chǎn)強度和經(jīng)濟性的決定因素之一。我司4臺CFB鍋爐均安裝了2臺返料器,運行過程中由于設備、管道、閥門等阻力的變化以及返料器中耐火磚的脫落等原因,經(jīng)常出現(xiàn)給以相同的返料風壓卻不能獲得相同的循環(huán)灰量,造成左右床溫相差越來越大,有時超過50℃,從而影響了鍋爐效率。左右床溫跑偏的原因有：兩股上煤皮帶上煤不平衡、左右返料器阻力不匹配、左右返料量偏差、返料器堵等。當然,給煤的不均勻、風量的不均勻等原因也有可能引起床溫的差異,見圖8。

                  
                                                   圖  8

    從圖8可看出,經(jīng)過約1.5h, 4號鍋爐左側密相層溫度與右側溫度的差距從6℃逐漸升高到108℃ (1和4相比),這說明左側返料器的循環(huán)灰量要多于右側。對于中溫返料CFB鍋爐來說,正常運行時主要靠調節(jié)循環(huán)灰量來控制床溫,因此床溫的差異性即可用來判斷返料器循環(huán)灰下料的不平衡。我司3號、4號鍋爐在密相層安裝8支溫度計,左右半床各4支,左右返料器運行不平衡故障診斷模型見圖9。

    圖9中,BJ為不平衡報警信號,DT為左右半床有效溫度平均值之差。

                 
                                             圖  9
    3.3.2 左右返料器運行不平衡自愈控制模型

    解決返料器不平衡自然要對下灰不暢的返料器進行沖灰操作,這是一個比較危險的操作,如果沖灰量過大有可能造成熄火,為此我們設計了自愈控制模型,并設計了三級沖灰強度以適應不同的工況,同時在床溫控制回路中還設計有擾動觀測器以監(jiān)控自愈控制效果,并可根據(jù)沖灰效果對床溫進行智能調節(jié)。自愈控制模型設計如下：

    （1）當BJ=0(-DTLDTL    （2）當D T≥D T L(D T L≥0)但D TT P時，則將左側返料風壓增加一次D P L (D P L>0)，等待T L時間后再重復該過程直至床溫恢復平衡或超過此段；

    （3）當D T≥D T L但D T
    （4）當D T≥D T M(D T M≥0)但D TT P時，則將左側返料風壓增加一次D P M (D P M>0)，等待T M時間后再重復該過程直至床溫恢復平衡或超過此段；

    （5）當D T≥D T M但D T
    ……
   
    注：DTL/DTM/DTH分別為左右半床溫度偏離程度閾值，TZP為左半床有效溫度平均值，TP為密相層有效溫度平均值，TL/TM/TH分別為三種操作強度的響應時間，DPL/DPM/DPH分別為左右半床溫度偏離后不同的返料風壓增量值。
根據(jù)上述規(guī)則設計成返料器不平衡自愈控制模塊及運行曲線見圖10、圖11。
               
                                     圖10 左半床溫度高
                
                                       圖11 右半床溫度高

    3.3.3 自愈控制效果

    該模型可根據(jù)左右半床溫度、密相層平均溫度以及溫度變化趨勢來智能地決定對在某一返料器剛剛發(fā)生返料不暢時立即根據(jù)返料量不平衡的趨勢增加返料風壓進行沖灰操作，以何種操作強度進行操作等，同時它還會根據(jù)左右半床溫度差的余差來修正基本返料風壓控制點，將不平衡消滅在萌芽狀態(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。

    從圖10和圖11中可看出自愈控制結束后左右半床溫差接近于零。從圖10中還可看出：當診斷出返料器不平衡現(xiàn)象發(fā)生后（兩側返料器溫差大于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0.34k P a，再穩(wěn)定一定時間后自愈控制器就將該風壓增量清零。

    4 結束語

    半年多的運行效果表明，將故障診斷與容錯控制和故障自愈控制理論用于中溫返料C F B鍋爐的實踐是成功的，當鍋爐燃燒過程發(fā)生床溫測量元件失效、斷煤、返料器運行不平衡等可控故障，B C S是穩(wěn)定的并具有較理想的特性，能夠作出準確的判斷，并利用積極主動的控制策略來自主自動地將風險消滅于萌芽狀態(tài)，提高了B C S系統(tǒng)的安全性和可靠性。在B C S系統(tǒng)投入自動優(yōu)化運行狀態(tài)下，不論床溫測量元件何時以何種方式失效，即便最后只剩一支，基于容錯控制思想的床溫控制模型都能將床溫全自動地控制在R±10℃以內，且90%時間在R±5℃以內；發(fā)生單股斷煤故障，操作人員可不用進行任何干預即可全自動處理且基本對鍋爐運行狀態(tài)沒有影響；不論何種原因造成左右半床溫度的偏移，返料器不平衡自愈控制功能都能以最適宜的自動調整來平穩(wěn)消除。

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    摘自《自動化博覽》2010年第十二期