和利時母管制機組APC優化方案及其應用

劉德成，李福軍，趙立軍（杭州和利時自動化有限公司，北京 100176）

和利時母管制機組APC優化方案及其應用

劉德成，李福軍，趙立軍（杭州和利時自動化有限公司，北京 100176）

針對母管制機組一直存在的蒸汽母管壓力難以穩定控制的問題，本文提出了一種基于和利時DCS控制系統的APC協調控制方案。該方案可以解耦影響鍋爐燃燒的主要因素，優化分配鍋爐負荷，快速平衡鍋爐產汽與外界用汽之間的能量差，達到穩定蒸汽母管壓力的目的。現場的實際應用證明了該方案的可行性。

母管制；優化分配；APC；效益；節能減排

1 引言

相比單元機組，母管制機組除了鍋爐自身燃燒工況變化引起的各種擾動外，還存在著鍋爐之間的相互擾動。這種影響與負荷變化情況、各爐燃燒特性和各爐在母管中所處的位置等都有關系。而且即使外部負荷穩定的情況下，并列鍋爐的燃燒參數變化也將相互影響，使母管壓力的調整難度增加。為了保證主裝置生產安全，提高供熱品質，運行人員只能頻繁手動調節鍋爐負荷以盡量保證蒸汽母管壓力穩定，但是實際操作強度較大，而且效果也不理想。

對此，杭州和利時自動化有限公司在多年電力行業應用經驗的基礎上，以APC控制技術為核心，提出了母管制機組APC優化解決方案。該方案在CJ(沈陽)熱源廠4臺90t/h低溫低壓循環流化床鍋爐的母管制機組上進行了實際應用，效果良好。

2 和利時APC優化控制方案總體框架

APC優化控制系統是專門針對母管制運行機組協調控制方案，整體框架如圖1。

圖1 APC優化控制方案總體框架

它可以實現以下控制功能：

（1）實現鍋爐的全自動運行（包括汽水系統、燃燒系統、輔助系統等），各種參數更加平穩，將操作員從繁重的監控中解脫出來。

（2）涉及鍋爐效率的重要參數壓紅線運行（如主汽壓力、主汽溫度、床溫、氧量等），提高鍋爐效率。

（3）自動優化風煤比，以適應煤種的變化，保證燃燒的充分性，降低鍋爐損失（如排煙損失、未完全燃燒損失等）。

（4）燃料預測優化控制，穩態情況下提高控制精度，外界擾動時大幅度提高響應的快速性和穩定性。

（5）母管制鍋爐負荷優化分配控制，實現鍋爐產汽與外界用汽之間的相對平衡，對全廠鍋爐的負荷進行優化分配，穩定母管壓力，使得綜合效率得到優化提高。

3 APC優化控制方案關鍵技術

APC優化控制系統的研發是建立在行業專家多年的經驗積累的基礎上的，系統中研發了很多獨特的新控制技術，其中關鍵技術如下。

3.1 新型送風調節自動控制

鍋爐的燃燒效率與鍋爐的氧含量有直接的關系，在散熱損失與灰渣顯熱損失相對不變的情況下，如果氧量過低，排煙損失q2雖然較低，但是機械未完全燃燒損失q4卻很高，總體效率還是較低。如果氧量過高，排煙損失q2明顯增高，即使機械未完全燃燒損失q4較低，但是總體效率依然較低，具體氧含量與鍋爐效率損失可用圖2所示的曲線表達。

圖2 鍋爐氧含量與效率損失曲線圖

從圖2中可以肯定的是，燃燒過程中存在一個最佳氧含量，使得q2+q4最小。基于這個理論，我們在系統中植入自動尋優模型，在燃煤熱值相對穩定的情況下自動啟動尋優程序，根據預先設定的尋優步長與尋優時間來完成尋優過程，進而找到最佳風煤配比系數K1，利用優化系數K來修正送風調節回路，使得鍋爐效率最高。當煤種發生變化，使得燃煤熱值超出相對穩定區域時，系統將再次自動啟動尋優程序，在最短的時間內尋找最佳風煤配比系數Kn，通過該系數指導送風調節回路，將系統重新調整到最高效率的狀態。

3.2 新型引風調節自動控制

鍋爐運行過程中，引風機的可靠運行是保證鍋爐安全燃燒的最主要因素。故而在大多數熱電廠，由于引風機是擋板調節，考慮到安全因素運行人員寧可選擇手動調節引風機的調節系統。針對運行人員對投入引風機調節系統顧慮的問題，協調控制系統中使用了專家系統引風自動調節安全策略，保證了引風調節系統的安全性，主要包括：

? 設置自動調節系統指令限制自投切算法；

? 設置暫態/穩態區域，抑制系統的自振；

? 設置雙側風機負荷（電流）自平衡系統，防止風機進入失速區域；

? 前饋回路專家策略，快速消除內外擾動。傳統引風調節與新型引風調節參數對比如表1所示。

表1 傳統引風調節與新型引風調節參數對比表

3.3 燃料預測優化控制

在燃燒系統進入相對穩態時，即同時滿足下列條件:

? 主蒸汽壓力設定值與測量值調節偏差小于0.02MPa；

? 主蒸汽流量設定值與測量值調節偏差小于2t/h；

? 鍋爐含氧量設定值與測量值調節偏差小于0.5%；

? 鍋爐床溫設定值與測量值調節偏差小于3℃；

當4個條件同時滿足時，系統判定鍋爐已經進入相對穩態，此時系統自動記憶當前的主蒸汽流量和煤量，并自動計算預測單位煤量產汽率F0，并且F0是連續滾動優化的動態數據。通過單位煤量產汽率F0指導煤量控制，既保證了系統穩態時調節的穩定性，又增加了系統響應外界負荷的速度和準確度。

3.4 經濟床溫綜合優化控制系統

循環流化床鍋爐的床溫高低將直接影響鍋爐的燃燒效率，床溫越高，燃燒越充分，換熱效率越高，當然床溫太高對鍋爐的安全也將產生很大的威脅，相應的散熱損失也將增加，所以床溫控制必須和氧量控制協調考慮。另外床溫的大幅度波動也是造成CFB鍋爐結焦的主要原因，所以床溫控制要兼顧穩定性與經濟性。

循環流化床鍋爐床溫控制采用床溫與氧量協調控制的基本思想，而且是一次風，二次風，燃料協調控制，這樣既可以保證床溫和氧量控制的穩定性和快速性，又可保證鍋爐的效率最高。具體經濟床溫函數如表2所示。

表2 鍋爐負荷與經濟床溫的對應函數表

3.5 鍋爐運行模式控制策略

一般情況下鍋爐燃燒控制主要調節鍋爐出口壓力，并不響應汽機、臨爐、供熱的負荷變化以及母管壓力的波動，所以鍋爐燃燒之間容易發生互擾與震蕩，母管壓力控制無法實現解耦。而APC優化協調控制模式下，不但要控制本爐的出口壓力，還要進行鍋爐與汽機的智能解耦，優化分配鍋爐負荷，兩種模式的對比簡圖如圖3所示。

圖3 單爐模式與協調模式對比圖

3.6 智能權數分配專家系統

智能權數分配專家系統是建立在對主蒸汽母管結構參數，母管上鍋爐、汽機以及熱用戶陣列方式進行數學建模的基礎上的。沿程阻力K=λLv2/(2gd)，由此得到阻力K與管道長度L成正比、與管道直徑成反比。根據管道損失K最低原則，按照“就近”思想設計負荷分配，通過智能分配各臺鍋爐的權重系數，減少蒸汽在母管內的橫向流動，減少管道阻力損失，實現快速響應并消除擾動因素。

4 APC優化控制系統的應用效果

CJ（沈陽）熱源廠通過使用和利時APC優化控制系統后，可以實現鍋爐從45%~105%負荷的全自動運行，蒸汽母管壓力的波動范圍大幅度減小，床溫、氧量等參數控制也更加平穩，應用效果達到了預期要求，具體的運行參數曲線對比如圖4、圖5所示。

圖4 手動調節（8小時），波動0.21MPa左右

圖5 自動調節（8小時），波動小于0.04MP

CJ（沈陽）熱源廠投入和利時APC優化控制系統前的手動控制模式與投入APC優化控制系統后的優化控制模式下，兩種模式重要參數及性能指標對比如表3所示。

表3 手動控制模式與優化控制模式參數與指標對比

該項目帶來了明顯的經濟效益：

? 鍋爐綜合效率提高≥1.5%；

? 產汽標煤耗節省（以5500大卡標煤折算）≥2.1kg/t ；

? 直接經濟效益估算（一年按300天算）≥2.1×90×4×24×300×500元/t=272.1萬/年；

? 降低運行操作人員的勞動強度；

? 投入優化后的減員增效；

? 參數控制穩定后減少金屬管道的蠕變沖擊，延長設備壽命。

5 結語

隨著工業規模的迅速擴大，行業競爭的日趨激烈，熱電廠用戶對于設備安全性的要求越來越高，這就要求母管制機組的熱電廠對于供給的蒸汽品質要有更高的保證，簡單地依靠操作管理人員頻繁手動調節蒸汽負荷，既增加勞動強度又無法可靠的保證供熱品質，采用和利時APC優化控制系統可以很好地解決鍋爐汽機的耦合，解決鍋爐之間的互擾，快速響應鍋爐汽機以及負荷的變化，穩定蒸汽母管壓力，提高供熱品質，解決母管制機組多年來的困擾，帶來經濟效益和社會效益。

The Hollysys APC Optimal Scheme and Its Application for Header System Unit

Aiming at unstable steam pressure of header system unit, an APC coordinated control scheme is proposed on the basis of the Hollysys control system in this paper. In order to stabilize header steam pressure, this scheme is able to decouple the main factors affecting the boiler combustion, optimize distribution of the load, and balance steamy energy difference between production and use. Feasibility of the scheme is proved by the practical application.

Header system; Optimize and distribute; APC; Benefit; Energysaving emission reduction

劉德成（1972-），男，吉林磐石人，本科，工程師，現就職于北京和利時集團，主要研究方向為電力行業集散控制。

B

1003-0492(2014)03-0068-03

TP273

李福軍（1982-），男，寧夏惠農人，本科，工程師，現就職杭州和利時自動化有限公司，主要研究方向為集散控制系統及電力行業鍋爐自動化控制。

趙立軍（1972-），男，吉林松原人，本科，工程師，現就職北京和利時集團，主要研究方向為熱電鍋爐優化控制。