220 t/h循環流化床鍋爐自動聯調控制系統的應用

么文勇 （錦西石化熱電公司）

220 t/h循環流化床鍋爐自動聯調控制系統的應用

么文勇 （錦西石化熱電公司）

利用專利技術“無辨識自適應預估控制器”對循環流化床鍋爐燃燒過程進行優化，及時、準確地對給煤、床溫、床壓、爐膛負壓和風量進行自動聯調控制，實現了燃燒過程自動控制和過程優化，取得明顯經濟效益，減少煤耗1.5%以上。

循環流化床鍋爐 OPC 自動控制 煤耗

錦西石化熱電公司現有220 t/h循環流化床鍋爐3臺，25 MW抽汽發電機組2臺，系統采用母管制方式。產生的蒸汽用于外部生產用汽、城市供暖和發電。

DCS系統采用ABB公司的symphony 5.0控制軟件，組態軟件為ConductorNT4.0，配有6臺操作員站和一臺工程師站，通過環形網連接。

采用的優化控制軟件為廈大海通自控有限公司XD-APC海通先進控制軟件。此軟件為加掛在DCS系統之上的上位軟件，采用OPC通訊方式，軟件本身并不直接與現場硬件設備發生聯系，是在DCS系統上安裝OPC服務器，海通XD-APC軟件通過OPC客戶服務模塊與DCS網絡通訊。

海通XD-APC是一套用于實現工業過程先進控制、在線優化及仿真培訓的平臺軟件，具有功能強大的模型庫和算法庫，可通過圖形組態實現工業過程的先進控制、在線優化、在線決策、軟儀表和故障診斷等項技術。軟件同時具備仿真功能，通過圖形組態和模型組態便可組成各種仿真系統。軟件還具有多種在線通訊方式，可同時連接多臺工業數據終端，同時采用不同的通訊方法獲取工業數據，進行集成處理。

海通XD-APC軟件集成了廈大海通自控優先公司自主開發的先進控制器——無辨識自適應預估控制器IFAP和基于因素空間的故障診斷算法。最大特點是穩定性好，具有在線自適應、自整定和預估校正的功能，可以實現像循環流化床這樣工況多變，影響因素復雜并具有大滯后特性的過程自動控制。同時，由于控制器參數實現了在線實時自整定，無需人工設定，使先進控制系統的后期維護相應簡單，也使先進控制系統可以長期運行[1]。

1 前期準備

錦西石化熱電公司鍋爐系統除了循環流化床鍋爐所特有的大滯后，煤質多變，燃燒過程非線性特性等控制難點外，另具有下述特點：摻燒瓦斯，且瓦斯量由煉油生產工藝決定，不定時，不定量，增加了過程的不確定性；3臺爐子共用1個母管，互相之間有干擾；以供汽為主，且供汽量主要由外部用量決定，同樣增加了過程的不確定性。

1.1 通訊方案的確定

首先需解決海通XD-APC軟件與ABB DCS系統的數據通訊問題。

經考察論證，決定采用OPC通訊方式，即在DCS系統上安裝OPC服務器軟件，海通XD-APC軟件通過OPC客戶服務模塊與DCS通訊，網絡結構見圖1。實時運行時啟動OPC服務進程，海通XD-APC軟件通過自帶的OPC客戶模塊與DCS網絡上的OPC服務器相連，通過OPC服務器讀取最新的測量數據，并將輸出數據送給OPC服務器，再由OPC服務器將數據實時寫入DCS相應的I/O點。

采用OPC通訊方式的最大優點是安全可靠，不需要修改DCS系統的原有組態方案，可以實現先進控制系統的“外掛”，不會因為先進控制系統的實施影響原有的DCS功能，同時OPC服務也可為管理系統提供數據通訊接口。

1.2 制定主要控制目標

主要控制目標有以下幾個方面：

1）實現引風機自動調節。該控制的目標是通過引風機的自動調整控制爐膛負壓。要求在負荷變化過程中，爐膛負壓保持在-50～+50 Pa之間。

2）實現主蒸汽溫度的自動控制。目標是通過調整前、后減溫水控制主蒸汽溫度，要求主蒸汽溫度控制在535～545℃。

3）實現主蒸汽壓力的自動調節。在外界負荷變化和煤質變化等干擾因素的影響下，維持主汽壓力的平穩，平均誤差控制在0.1 MPa，實時誤差控制在0.3 MPa。

4）實現燃燒過程一次風量、二次風量的自動控制，目標是自動調節燃燒過程所需的風量，維持煙氣含氧量在合適的范圍，并確保燃燒及負荷控制的需求。

5）具有故障診斷和自動切換功能，當鍋爐系統出現主要儀表和設備故障時能自動切換到DCS手動狀態，切換要求為無擾動切換。

6）具有3臺鍋爐獨立控制和聯調功能，可根據設備情況靈活設定控制方式，可分別實現部分控制和全體控制。

7）根據現場的情況，為安全起見，優化系統分別設計每臺爐子的獨立控制系統；每套獨立控制系統包括爐膛負壓-引風控制、主蒸汽溫度控制、燃燒控制（包括主蒸汽壓力控制、一次風、二次風控制）和床壓控制系統。各控制系統相對獨立，又相互聯系?？蓡为毻哆\和切換，投入自動時又相互協調相互影響，3臺鍋爐可協調控制[2]。

1.3 主要控制方案

1.3.1 負壓－引風控制系統方案

采用單回路控制方式，被控信號為爐膛負壓，調節信號為1＃、2＃引風機擋板開度（改為變頻后，調節信號為變頻轉速控制指令），控制器算法為IFA算法（無辨識自適應控制）。

為使控制更加平穩，加入燃燒系統和一次風的控制指令作為前饋信號，使控制系統可以提前動作應對負荷擾動，見圖2。

該控制系統為相對獨立的控制系統，需要時可以獨立切換為DCS的控制方式。

1.3.2 燃燒控制系統方案

燃燒控制系統為優化控制系統的核心部分，包括主蒸汽壓力-密相溫度-給煤控制系統、瓦斯氣壓力和流量控制系統、一次風、二次風自動調節系統，該系統各部分互相聯系、又相對獨立，可以獨立投運，見圖3。

采用主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統為三級串級控制系統，同時加入負荷變化的前饋，在保證及時調整負荷的同時，能及時對煤質變化和瓦斯變化情況作出反應。

控制系統的副控制器為床溫，通過對下部床溫的多個測點的特殊平均值計算方法（該計算方法可以自動剔除出現測量故障的溫度測點）計算出床溫的平均值作為被控信號，床溫給定則由主控制器（主汽壓力控制）自動給出，通過調節給煤量來控制溫度。由于存在著左右兩路給煤調節，還需設置左右兩個連鎖給煤控制器來分別調整給煤量。

針對本裝置設計的瓦斯氣壓力和流量控制系統的主要控制目標是在維持一定的瓦斯氣壓力條件下，盡可能地燃燒瓦斯氣，以提高經濟效益。同時在主蒸汽壓力和外界負荷波動時，在保證適當的瓦斯壓力的同時，適當地增加或減少瓦斯氣，增加調節速度。在維持瓦斯壓力的同時產生的瓦斯流量擾動則由主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統的給煤調節去克服。瓦斯氣控制的被控對象為瓦斯氣壓力測量值，調節對象為瓦斯氣流量調節閥[3]。

主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統的串級結構的設置主要為了應對煤質變化和瓦斯壓力（流量）變化的情況。由于床溫對煤質變化和瓦斯變化反應較為靈敏，串級方式有利于控制器及時對煤質變化和瓦斯變化情況作出反應，及時增加或減少給煤量。

引入瓦斯流量和壓力信號，作為控制器預估模型的輸入信號，通過預估引入前饋，使控制器能及時響應。

對于外界負荷變化，主要通過預估引進前饋控制量，使給煤控制器能及時動作。三爐聯調時，根據對實時數據的分析合理配置各臺爐子的調節量。

主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統的主控、副控均采用IFAP控制器，以應對調節滯后和工況多變的過程特性。給煤控制器和瓦斯氣控制可采用IFA控制（無預估）。

一、二次風控制目標是為燃燒過程提供足夠的氧量和流化風，主要包括風量給定值計算和風量控制兩部分。

一次風控制的主要目的是維持風煤比穩定和床溫工作點的需求，這里風煤比＝一次風量/總給煤量，故控制的一次風量會隨著給煤量的增減而自動增減?？刂破鞯恼{整對象為一次風機入口擋板開度。風煤比的給定值在控制器處于“手動”位置時會自動跟蹤實際的風煤比值的10 min平均值（5 s計算一次），一旦控制器處于“自動”狀態，風煤比給定值即為投入自動時的風煤比平均值，在自動控制狀態下，根據爐膛粒子分布和床溫對風煤比給定進行在線修正。

二次風量給定按一、二次風比率，氧量給定計算，并按瓦斯量大小修正。其中一、二次風比率為自控時的5 min平均跟蹤值，氧量給定由操作人員在操作臺設置。二次風控制的調整對象為二次風機入口擋板開度或變頻器。

總風量的實測值將被引入主蒸汽壓力控制系統，作為部分控制參數的校正依據。同時，主蒸汽控制部分的測點和控制結果也將引入風量系統，作為給定計算和風量控制的校正依據和限制依據。風量給定值計算將是在線優化的主要對象，在實現閉環自動控制的基礎上，可以對風量的給定計算進行優化處理，以提高鍋爐操作的效益。

1.3.3 協調優化系統方案

由于采用母管制結構，3臺鍋爐之間存在互相干擾，同時由于各鍋爐燃燒效益方面存在差異，所以負荷分配上存在優化空間。主要的協調內容包括：

1）爐子之間的操作干擾的前饋協調。當某臺爐子出現操作故障引起大的波動，可以及時反饋給其他爐子的控制系統，使之提前調整，保證母管壓力的穩定。

2）外界負荷變化的協調分配。外界負荷變化較大時，通過實時分析在線數據，對各臺爐子的負荷分配進行協調優化。

1.4 安全保障措施

因為調試是在鍋爐正常運行時進行，所以著重強調安全。

先進控制系統對DCS系統的改造很少，所有的改造均在現在工程師站或仿真系統上實驗，成功后才轉移到現場的操作終端。先進控制系統與DCS系統的通訊也先在工程師站或仿真終端上實驗，確認不會對現有系統造成影響，再轉移到現場的操作站。在控制方案實施前，進行大量的仿真實驗，同時將仿真結果與技術人員討論，確定后才正式投運。并且開始時嚴格限制輸出數據的變化范圍，再逐步放寬。

海通XD-APC優化軟件系統具有全面跟蹤功能，確保優化系統的無擾動切換。并具有儀表故障診斷和操作故障診斷功能，一旦發生故障，會自動將操作臺上的優化狀態從“自動”切為“手動”。

若優化狀態處于“手動”位置，則優化系統不向DCS系統送給煤、給風控制信號，僅送故障診斷信號。此時即恢復到原有的DCS控制狀態。

DCS系統中增加重要參數的聲光報警和優化自動失靈聲光報警，以確保安全。對重要參數和控制輸出均設置上下限限制。若運行優化系統的工控機發生故障或死機，系統自動將優化控制系統從“自動”切為“手動”。

2 工作實施

2.1 通訊方案的實施

通訊方案的實施需要在DCS網絡中加入一臺OPC服務器，這中間需要斷開DCS的網絡，為確保安全生產，在3臺鍋爐都停止運行情況下進行。

優化控制軟件通過OPC服務器和DCS網絡進行數據交換。

通訊試驗成功后，沒有發生一次通訊方面的問題。事實證明通訊方案的制定和實施是成功的；OPC通訊方式是穩定、可靠的。

2.2 控制方案的實施

通訊實驗成功后，進入控制系統調試階段。因為調試過程是在鍋爐正常運行期間進行的，所以整個調試的過程著重強調以安全為主。調試時間安排在白班進行，相關人員在現場值班，以確保生產的安全和順利。

項目組在經過控制方案研討、控制過程中手動和自動的無擾動切換試驗、白班調試運行、連續運行等階段的充分驗證后，進行了72 h連續投運。

4#、5#、6#鍋爐優化控制系統相繼順利的通過72 h無間斷運行，經過了現場實際運行各種工況的考驗，通過了技術協議規定的驗收條件，達到了工作前期制定的控制目標，取得理想的控制效果，見圖4、 圖5、圖6和圖7。

由圖4和圖5可以明顯看出自動情況下負壓比手動要平穩得多。

由圖6和圖7可以明顯看出自動情況下主汽壓力比手動要平穩得多。

2.3 3臺鍋爐聯調功能的實施及效益評價

當3臺鍋爐的獨立的優化控制系統分別通過驗收后，進行了3臺鍋爐的聯調。

為解決聯調時容易出現因各臺鍋爐實際蒸汽壓力不同造成調節方向不一致，導致反復振蕩的問題，利用連鎖功能進行聯合診斷和限制；以4＃爐燃燒控制為例，在主汽壓控制器中引入5＃、6＃爐的主汽壓控制信息，進行超限故障診斷，當5＃或6＃的主汽壓超上下限時，對4＃壓力控制的調節方向做相應的限制約束。為適應聯調和單臺運行兩種控制方式，同時引入5＃、6＃燃燒控制模式，以判斷是否聯調，并采用相應的控制邏輯。

聯調時，由于有兩臺以上的先控系統同時動作，為避免超調，設置了負荷聯調系統，即當負荷發生變化時，將負荷調整任務根據當前投自動的系統數目等因素通過負荷前饋的方式分配給各臺燃燒控制系統。其中負荷前饋系數權陣設計了投1臺、投2臺、投3臺等情況下的前饋系數。

由于每臺鍋爐的特性不同，調整速度有快有慢，聯調時容易出現“搶負荷”現象，出現某1臺鍋爐負荷偏高而其他鍋爐負荷偏低的情況，因此需要有平衡負荷的方法。經實踐，在上述方案1、2的基礎上，可采用設置不同的主汽壓力給定值來平衡負荷。即降低需要減少負荷鍋爐的主汽壓力給定值，同時提高需要增加負荷鍋爐的主汽壓力給定值。由于采用了上述解耦方案，盡管蒸汽壓力給定值不同，但仍然可避免由于調節方向不同造成的振蕩。

在3臺鍋爐聯調時，單臺鍋爐的出口壓力之間變化趨勢相同，變化幅度相對于單臺鍋爐獨力控制來說，過程參數變化幅度明顯減小，同時調整周期和穩定周期明顯縮短。圖8為3臺聯調同一時間段主汽壓力控制曲線。

圖8 3臺聯調同一時間段主汽壓力控制曲線

從圖8 a、b、c中可以看出，3臺鍋爐同一時間段的壓力變化趨勢完全一致，變化幅度較以前有明顯下降，母管壓力穩定性得到提高。相比單臺或兩臺來說，調節速度更快，更準確及時，同時先控系統對每臺鍋爐出力進行優化，平衡，提高鍋爐的經濟運行和整體穩定性。從整體控制效果來看，單臺鍋爐壓力和母管壓力穩定性得到提高，實現鍋爐之間給煤調節的同步增減。相比單臺或兩臺來說，調節速度更快，更準確及時。通過調整壓力給定值使每臺鍋爐負荷平衡。實現了任兩臺或者三臺鍋爐投聯調控制系統功能。

聯調的煤耗和電耗效益統計見表1。

表1 聯調每噸汽煤耗和電耗效益統計

按手動時平均標準煤耗約84 kg/t計算，取3臺爐負荷之和480 t，年平均運行250 d計算，3臺爐約需消耗標煤241920 t/a，按節煤1.5%，年可節省標煤3628.8 t，按每噸標煤價420元計算，年效益約1524096元。

自動控制時鍋爐電耗平均下降了1.67%。每噸汽電耗按13 kWh汽計算，取3臺爐負荷之和480 t，年平均運行250 d計算，1年可以節電625248 kWh，電價按0.35元/kWh計算，此項年效益約218836元。兩項合計，3臺爐聯調降低煤耗和電耗年效益大于170×104元。

手動、自動時3臺鍋爐平衡瓦斯氣量之和分別為0.332 t/h和0.526 t/h。

3臺鍋爐投聯調自動時，瓦斯的平衡量要高于手動控制的時候。這樣，聯調自動控制時在允許平衡瓦斯的情況下實現了通過盡可能多的平衡瓦斯，達到節約燃料成本的目的。

根據上面統計的數據，自動時平均每小時要比手動時多平衡0.194 t瓦斯氣，按年平均運行250 d計算，1年可多平衡瓦斯氣1164 t。瓦斯氣的燃燒值平均按煤的2.5倍計算，那么因為多平衡瓦斯氣而節省的燃煤數是2910 t。瓦斯價按220元/t，煤價按210元/t計算，此項年效益約355020元。

綜合上面的節煤效益、節電效益和多平衡瓦斯效益，3臺爐總的年經濟效益約200×104元。

3 結束語

錦西石化熱電公司3臺220 t/h循環流化床鍋爐先進控制系統投入使用后，實現了燃燒過程的自動控制，降低了勞動強度，而且對燃燒過程的優化效果非常明顯，節煤效果顯著。

[1]李爍.循環流化床鍋爐設計調試運行與檢修技術實用手冊[M].吉林科技出版社,2004.

[2]江青茵,無辯識自適應控制預估算法及應用[J],自動化學報,1997（1）:917-1038.

[3]佘文武,曹志凱,江青茵,等,循環流化床鍋爐床溫動態建模與仿真[J].廈門大學學報,2006(1):80-84.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.07.011

么文勇，1989年7月畢業于西北工業大學，高級工程師，從事熱電廠管理工作，E-mail：wenjian6722@163.com，地址：遼寧省葫蘆島市錦西石化分公司熱電公司，125001。

2011-05-22）