基于XD-APC的135MW循環(huán)流化床機(jī)組自動控制系統(tǒng)優(yōu)化

朱云峰 陳 妍 李金廣

（1、河南中孚電力有限公司，河南 鞏義 451200 2、大連電力勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 1160113、華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011）

1 引言

循環(huán)流化床機(jī)組對負(fù)荷響應(yīng)具有純遲延、非線性環(huán)節(jié)，給機(jī)組和鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)及控制參數(shù)的整定帶來很大難度，并且同類機(jī)組的經(jīng)濟(jì)安全協(xié)調(diào)控制在國內(nèi)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。傳統(tǒng)的循環(huán)流化床機(jī)組控制系統(tǒng)因現(xiàn)場設(shè)備、控制邏輯等方面存在不足，未能實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒自動控制與機(jī)爐協(xié)調(diào)控制[1]。

為了進(jìn)一步提高循環(huán)流化床機(jī)組的自動化運(yùn)行水平，滿足機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)的需要，本文一方面針對135MW循環(huán)流化床機(jī)組燃燒及機(jī)組協(xié)調(diào)自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，另一方面針對循環(huán)流化床鍋爐對負(fù)荷響應(yīng)的特點(diǎn)，對燃燒系統(tǒng)選擇了一種工業(yè)現(xiàn)場容易實(shí)現(xiàn)的基于現(xiàn)代控制理論的控制策略，采用先進(jìn)的XD-APC控制軟件實(shí)現(xiàn)對135MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組負(fù)荷自動控制優(yōu)化。

河南某電力公司有1#和2#135MW循環(huán)流化床機(jī)組，采用XD-APC自動控制軟件對135MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組自動控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 XD-APC控制軟件介紹

XD-APC是工業(yè)過程先進(jìn)控制及仿真組態(tài)軟件的簡稱。它是一套實(shí)時(shí)的平臺軟件，帶有工業(yè)過程基礎(chǔ)模型庫和先進(jìn)控制及實(shí)時(shí)優(yōu)化的基礎(chǔ)算法庫，并具備強(qiáng)大的在線計(jì)算能力和非線性工業(yè)模型的在線求解能力，可通過圖形組態(tài)實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的先進(jìn)控制、在線優(yōu)化、軟儀表和故障診斷等項(xiàng)技術(shù)[2]。

XD-APC是近年來迅速發(fā)展的高新技術(shù)，采用先進(jìn)控制，可以改進(jìn)控制效果、增加過程的平穩(wěn)性、提高控制精度、改進(jìn)工業(yè)過程的操作水平和提高經(jīng)濟(jì)效益。XD-APC主要用以解決復(fù)雜流程工業(yè)過程存在的多變量耦合、大滯后、時(shí)變等由傳統(tǒng)的PID控制無法解決的控制問題。以該軟件為開發(fā)和運(yùn)行平臺，可開發(fā)實(shí)施各類工業(yè)先進(jìn)控制系統(tǒng)和在線優(yōu)化、軟儀表及故障診斷系統(tǒng)，適合于解決傳統(tǒng)控制手段難于解決的控制問題:包括多變量和復(fù)合回路控制，時(shí)變過程和原料、負(fù)載多變的裝置的控制，大滯后過程的控制，約束控制等。

3 優(yōu)化控制實(shí)施方案

采用XD-APC控制平臺軟件，一臺控制監(jiān)視站（研華工控機(jī)）作為運(yùn)行平臺，通過Foxboro I/A Series 50系統(tǒng)本身提供的OPC通訊協(xié)議，通過OPC Server讀寫DCS中的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集工控機(jī)上安裝OPC Server軟件，通過安裝在工程師站上的API Server應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)XD-APC先進(jìn)控制軟件的數(shù)據(jù)讀取及數(shù)據(jù)的寫入，通過OPC通訊，讀寫速度快，且不影響DCS系統(tǒng)運(yùn)行安全[3]。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接如圖1。

3.1 床溫－過熱蒸汽壓力的協(xié)調(diào)控制

這一過程由主汽壓力－密相溫度控制級(該級控制設(shè)置密相溫度給定值)、密相溫度－給煤控制級(該級控制設(shè)置總給煤量給定值)、甲、乙、丙、丁四臺稱重給煤機(jī)自動控制系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)中，密相溫度平均值取密相下溫度和密相中部溫度的平均值。控制器輸出的總給煤量按跟蹤平均分配的方法分配給甲、乙、丙、丁四臺給煤機(jī):即末投自動時(shí)，甲給煤機(jī)給定、乙給煤機(jī)給定、丙給煤機(jī)給定、丁給煤機(jī)給定均會自動跟蹤實(shí)際測量的瞬時(shí)給煤量，甲乙丙丁四臺給煤機(jī)控制器的輸出則跟蹤手動操作時(shí)操作人員給出的甲、乙、丙、丁給煤機(jī)控制指令。這些跟蹤值在投入自動后作為偏置量處理，投入自動后控制系統(tǒng)再將增減的給煤量在上述偏置量的基礎(chǔ)上平均分配給甲乙丙丁四臺給煤機(jī)給定值，由控制器自動輸出控制指令。

在壓力回路處于自動控制狀態(tài)時(shí)，操作人員直接在原DCS控制總貌畫面上，按照原來改變功率目標(biāo)值的操作方法，設(shè)定新的功率目標(biāo)值，點(diǎn)擊“輸入”、“執(zhí)行”后，由原有DCS系統(tǒng)改變汽機(jī)調(diào)門開度，先控系統(tǒng)根據(jù)汽機(jī)調(diào)門的變化量和當(dāng)前給煤量與電負(fù)荷的關(guān)系，計(jì)算前饋值，直接加到給煤控制器，同時(shí)隨著汽機(jī)調(diào)門開度的變化，主汽壓力隨之改變，這時(shí)壓力控制回路同時(shí)起作用，通過調(diào)節(jié)給煤來調(diào)節(jié)主汽壓力。

3.2 一次風(fēng)量－料床溫度－爐膛粒子溫度的協(xié)調(diào)控制

一次風(fēng)控制的主要目的是維持風(fēng)煤比穩(wěn)定，這里風(fēng)煤比等于一次風(fēng)量除以總給煤量，故控制的一次風(fēng)量會隨著給煤量的增減而自動增減。控制器的調(diào)整對象為1＃風(fēng)機(jī)入口擋板開度和2#風(fēng)機(jī)入口擋板開度處。風(fēng)煤比的給定值在控制器于“手動”位置時(shí)會自動跟蹤實(shí)際的風(fēng)煤比值的10分鐘平均值(5秒計(jì)算一次)，當(dāng)控制器處于“自動”狀態(tài)，風(fēng)煤比給定值即為投入自動時(shí)的風(fēng)煤比平均值，在自動控制狀態(tài)下，根據(jù)煤質(zhì)和密相溫度對風(fēng)煤比給定進(jìn)行在線修正。風(fēng)量控制的主邏輯圖見下圖:

3.3 二次風(fēng)量－氧量控制

二次風(fēng)控制的目標(biāo)是維持一、二次風(fēng)量比例的穩(wěn)定和保證省煤器處的出口氧含量，控制器的調(diào)整對象為1、2＃二次風(fēng)機(jī)入口擋板和右上、右下、左上、左下四個(gè)閥門。其中:

3.3.1 二次風(fēng)量給定按一、二次風(fēng)比率 (占80%)和氧量給定(占20%)計(jì)算。其中一、二次分比率為投自控時(shí)的5分鐘平均跟蹤值（可考慮對此做優(yōu)化計(jì)算）,氧量給定由操作人員在操作臺設(shè)置。

3.3.2 1、2＃風(fēng)機(jī)風(fēng)壓給定值由先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)二次風(fēng)給定值自動計(jì)算。

3.3.3 右上、右下、左上、左下四個(gè)風(fēng)門的偏置采用跟蹤方式。

3.4 過熱氣溫、再熱汽溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

過熱汽溫、再熱汽溫度控制系統(tǒng)(該級控制設(shè)置再熱汽溫度給定值)1#、2#再熱汽煙溫調(diào)節(jié)檔板控制系統(tǒng)和左右二級減溫水控制系統(tǒng)組成，主邏輯控制框圖見下圖:

3.5 負(fù)荷協(xié)調(diào)控制[4]

負(fù)荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由負(fù)荷控制、燃燒控制(主氣壓控制)、風(fēng)量控制三個(gè)子系統(tǒng)組成。

3.5.1 負(fù)荷控制器僅當(dāng)操作臺上的控制狀態(tài)處于“CCS投入”狀態(tài)時(shí)和電負(fù)荷給定值時(shí)才會開始運(yùn)行，此時(shí)控制器的輸出信號會“寫”到汽門的控制目標(biāo)，運(yùn)行人員不能再設(shè)置。

3.5.2 條件輸出單元的作用是為燃燒控制(給煤控制)系統(tǒng)提供調(diào)整給煤量的前饋信號。其邏輯為:當(dāng)電負(fù)荷控制器狀態(tài)為自動時(shí)，輸出電負(fù)荷給定值的變化信號，而當(dāng)電負(fù)荷控制器狀態(tài)為手動時(shí)，輸出汽門指令變化信號，前饋量則根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算的給煤和負(fù)荷、密相溫度的增益關(guān)系確定。

3.5.3 電負(fù)荷控制處于“自動”狀態(tài)時(shí)，可以通過給定值的延時(shí)單元實(shí)現(xiàn)先調(diào)煤、后調(diào)負(fù)荷(調(diào)門)，這樣對主氣壓控制較有利。

3.5.4 負(fù)荷協(xié)調(diào)控制可在電負(fù)荷控制器處在“手動”和“自動”的時(shí)候進(jìn)行，電負(fù)荷控制處于“手動”時(shí)，由運(yùn)行人員設(shè)置汽門控制目標(biāo)，控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際汽門的變化，向燃燒控制系統(tǒng)送出前饋信號，在調(diào)整汽門的同時(shí)，調(diào)整給煤量,而當(dāng)電負(fù)荷控制處于自動時(shí)，運(yùn)行人員只需改變負(fù)荷給定值，其余動作由控制系統(tǒng)完成。

4 系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)

經(jīng)XD-APC優(yōu)化后的系統(tǒng)，主汽溫度、負(fù)荷控制偏差、過熱汽溫度、爐膛床溫等參數(shù)都能控制在工藝要求范圍之內(nèi)。其系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)參數(shù)為:

圖3 主邏輯控制框圖

a.在煤質(zhì)穩(wěn)定時(shí)，壓力誤差在+0.2MPa以內(nèi)，負(fù)荷控制偏差在目標(biāo)值的+2%以內(nèi)；變負(fù)荷率為≥1.5MW/分鐘；b.在煤質(zhì)波動較大或斷煤時(shí)，壓力誤差能控制在+0.35MPa以內(nèi)；c.一、二次風(fēng)控制穩(wěn)定，在變負(fù)荷時(shí)風(fēng)量調(diào)整及時(shí)，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定；d.爐膛床溫整體控制平穩(wěn)，不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象；e.氧量調(diào)整整體平穩(wěn)，爐內(nèi)燃燒狀況穩(wěn)定；f.主汽溫度控制平穩(wěn)，沒有大幅度的波動，沒有超限現(xiàn)象發(fā)生；g.過熱汽溫度、再熱汽溫度控制在540℃以下，吹灰時(shí)其溫度控制基本不會發(fā)生超溫現(xiàn)象；h.各控制參數(shù)控制穩(wěn)定，機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定；i.經(jīng)過對各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析，無論實(shí)際煤耗還是標(biāo)準(zhǔn)煤耗，協(xié)調(diào)自控系統(tǒng)均有較好地節(jié)能效果。

XD-APC軟件的使用，為企業(yè)管理提供一個(gè)信息平臺,使生產(chǎn)更加平穩(wěn)，生產(chǎn)成本進(jìn)一步下降，事故進(jìn)一步減少，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前在設(shè)備正常的條件下，該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)100%自動投運(yùn)率，完全實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。

5 結(jié)論

應(yīng)用XD-APC對135MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組自動控制進(jìn)行優(yōu)化后，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠，幾乎無需維護(hù)，并且操作方便、技術(shù)先進(jìn)、擴(kuò)展性好，機(jī)組自動控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了“協(xié)調(diào)”控制方式運(yùn)行。較大程度解決了負(fù)荷響應(yīng)的大純遲延、大慣性、非線性、多變量緊密偶合的問題，使調(diào)節(jié)品質(zhì)上一個(gè)新的臺階，達(dá)到了預(yù)定的控制優(yōu)化目標(biāo)。同時(shí)也較大的減少了運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度，提高了鍋爐運(yùn)行效率，具有一定的節(jié)能減排效果，系統(tǒng)運(yùn)行的安全性也得到了進(jìn)一步提高，對其他同類機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

[1]李香運(yùn).循環(huán)流化床鍋爐燃燒自動先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù) [J]電氣技術(shù) 2009.6

[2]江青茵.曹志凱.文嚴(yán)峻.陳龍騰.周華.循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程優(yōu)化控制系統(tǒng) [Z].科技成果.

[3]Takao Senda.Akiko Iizuka-Kogo.Takanori Onouchi. Atsushi Shimomura.Adenomatous polyposis coli(APC)plays multiple roles in the intestinaland colorectalepithelia[J].Medical Molecular Morphology.2007.6

[4]曾祥平.循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究 [D].廈門:廈門大學(xué) 2007.