優(yōu)化控制在135 MW循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用

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(中電投蒙東能源通遼盛發(fā)熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028051)

0 引 言

通遼盛發(fā)熱電有限責(zé)任公司現(xiàn)有2臺(tái)135 MW流化床機(jī)組，單元制方式。鍋爐DCS采用北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司的EDPF-NT系統(tǒng)，只有給水和減溫水可以投自動(dòng)，其余回路均手動(dòng)操作[1-3]。具有循環(huán)流化床鍋爐特有的熱慣性大、煤質(zhì)多變、各種變量強(qiáng)耦合等特性，鍋爐燃燒具有大滯后、非線性等問題，很難實(shí)現(xiàn)燃燒過程的自動(dòng)控制[4-5]。

1 CFB鍋爐手動(dòng)操作產(chǎn)生的問題

目前CFB鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)基本未投運(yùn)。而手動(dòng)操作存在以下4個(gè)方面的問題：

(1)壓力波動(dòng)較大。問題是循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行普遍存在的問題，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損傷 (特別是汽輪機(jī))，不利于機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)增加能耗。

(2)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，增加人為失誤，并且操作人員忙于一般運(yùn)行，沒有精力顧及提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

(3)手動(dòng)操作方式，使得機(jī)組運(yùn)行嚴(yán)重依賴于操作人員操作水平及勞動(dòng)態(tài)度，不利于科學(xué)管理。

(4)由于手動(dòng)操作，缺乏節(jié)能降耗的實(shí)施平臺(tái)，不利于鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

針對(duì)上述手動(dòng)可能產(chǎn)生的問題，為了鍋爐運(yùn)行的更加穩(wěn)定，決定對(duì)鍋爐運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制的改進(jìn)。

2 優(yōu)化控制技術(shù)簡(jiǎn)介

工業(yè)優(yōu)化控制技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的高新技術(shù)，主要用以解決復(fù)雜流程工業(yè)過程中存在的多變量耦合、大滯后、時(shí)變等由傳統(tǒng)的PID控制無法解決的控制問題。采用優(yōu)化控制，可以改進(jìn)控制效果，增加過程的平穩(wěn)性，提高控制精度。

在對(duì)優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行市場(chǎng)考察后，選擇了廈門廈大海通自控有限公司具有自主產(chǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的XD-APC優(yōu)化控制軟件。該優(yōu)化控制軟件已經(jīng)在CFB鍋爐上有很多的成功案例，它是將將無辨識(shí)自適應(yīng)預(yù)估控制技術(shù)用在CFB燃燒過程的閉環(huán)控制。其特點(diǎn)是無需在線和離線的模型辨識(shí)，適應(yīng)各種工業(yè)過程控制，投運(yùn)后無需人工調(diào)整參數(shù)，控制器能自動(dòng)適應(yīng)操作條件和各種工況的變化，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制器參數(shù)。控制系統(tǒng)通過組態(tài)可形成不同的先進(jìn)控制器及各種單回路、串級(jí)、前饋和多變量的復(fù)雜控制系統(tǒng)，以滿足不同的控制要求。

XD-APC優(yōu)化控制軟件優(yōu)化控制算法介紹：無辨識(shí)自適應(yīng)控制(IFA)技術(shù)基于幾何控制理論，與傳統(tǒng)的PID控制類似，計(jì)算量小、實(shí)施容易，可適應(yīng)各種流程和工藝。但不同于傳統(tǒng)PID控制的是，可以自動(dòng)確定控制參數(shù)，控制器能自動(dòng)適應(yīng)操作參數(shù)和各種工藝參數(shù)的變化。

傳統(tǒng)的PID控制常采用下述離散算法

式中：Δu(k)為控制器輸出的增量；e(k)為控制器偏差；Ts為采樣周期；需要整定的控制器參數(shù)為δ(比例帶)或Kp=1/δ(比例系數(shù))、T1(積分時(shí)間常數(shù))和TD(微分時(shí)間常數(shù))。工藝變化后若原控制參數(shù)不變，則會(huì)影響控制品質(zhì)甚至造成不穩(wěn)定，從而不能實(shí)現(xiàn)鍋爐自動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間投運(yùn)自動(dòng)。

無辨識(shí)自適應(yīng)IFA控制采用下述PSD算式

Δu(k)=g(k)= [e(k)+r0(k)Δe(k)+

r1(k)Δ2e(k)]。

其中，Ag(k),r0(k),r1(k)依據(jù)幾A何原理在線自動(dòng)整定，無需人工干涉；同時(shí)，控制器參數(shù)的確定過程不需要過程模型的辨識(shí)，可避免在線辨識(shí)帶來的不穩(wěn)定因素，增加了系統(tǒng)的可靠性。該技術(shù)可適用復(fù)雜的工業(yè)流程，并加入預(yù)估算法，其中的預(yù)估時(shí)間可以針對(duì)不同的鍋爐在運(yùn)行中實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整，以解決像CFB鍋爐這種裝置特有的大滯后現(xiàn)象。

3 實(shí)施優(yōu)化控制系統(tǒng)的目的

3.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)

(1)指導(dǎo)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為生產(chǎn)、檢修、運(yùn)行及管理人員提供真實(shí)全面的分析數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)即可查閱、監(jiān)視機(jī)組各種運(yùn)行參數(shù)，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)雜的分析計(jì)算，得出調(diào)整的操作方式，以指導(dǎo)機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化。

(2)降低成本，提高效益。根據(jù)機(jī)組燃燒機(jī)理，對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，及時(shí)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，減少損耗，降低煤耗1%，提高鍋爐熱效率。

(3)維持汽壓、風(fēng)量、氧量等參數(shù)的穩(wěn)定，特別是床溫的穩(wěn)定。料床溫度是一個(gè)直接影響鍋爐能否安全連續(xù)運(yùn)行的重要參數(shù)，同時(shí)也直接影響鍋爐運(yùn)行中的脫硫效率及NO2的產(chǎn)生量。通常情況下，856 ℃床溫是爐內(nèi)脫硫的最佳溫度， NO2的產(chǎn)量也較低。床溫過低不但使鍋爐效率下降，而且運(yùn)行不穩(wěn)定容易滅火；床溫過高會(huì)使脫硫效率下降、NO2產(chǎn)量大大增加，同時(shí)易造成爐膛料床結(jié)焦，無法循環(huán)硫化燃燒而停爐。

3.2 投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后要求達(dá)到的指標(biāo)

(1)蒸汽壓力。負(fù)荷穩(wěn)定狀態(tài)保持在±0.20 MPa內(nèi)，協(xié)調(diào)方式增減負(fù)荷過程中保持在0.5 MPa內(nèi)。

(2)負(fù)荷。控制在給定值的3.5 MW以內(nèi)。負(fù)荷調(diào)整速度：實(shí)現(xiàn)汽機(jī)與鍋爐的協(xié)調(diào)控制，變負(fù)荷率≥1.5 MW/min，可在15 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化35 MW，且保持壓力的穩(wěn)定。

(3)床溫≤35 ℃。工況變化較大時(shí)，控制在工藝允許波動(dòng)范圍內(nèi)。

(4)節(jié)能降耗。優(yōu)化控制系統(tǒng)比較手動(dòng)操作，電耗煤量降低1%以上。

(5)在主設(shè)備無故障的情況下，優(yōu)化系統(tǒng)所有自動(dòng)回路(主汽壓力自動(dòng)、一次風(fēng)自動(dòng)、氧量自動(dòng)、爐膛壓力自動(dòng)、機(jī)爐協(xié)調(diào)自動(dòng)控制)，自動(dòng)投入率達(dá)到100%。

4 優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)施方案

4.1 通訊方案

優(yōu)化控制系統(tǒng)XD-APC目前已集成了多種通訊模塊，用于與不同的系統(tǒng)通訊，為多種多樣的過程控制設(shè)備提供了一個(gè)公共的接口，而與過程中的控制軟件或設(shè)備無關(guān)，因此，通過選擇可靠的通訊可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制軟件外掛在DCS系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)與DCS的通訊，是一種方便而又安全的方法。經(jīng)比較后選擇mudbus通訊。

4.2 優(yōu)化控制系統(tǒng)主要控制回路具體方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，優(yōu)化控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的控制回路主要有主汽壓力控制、一次風(fēng)控制、氧量控制、爐膛負(fù)壓控制和機(jī)爐協(xié)調(diào)控制，各控制回路相對(duì)獨(dú)立，相互影響，協(xié)調(diào)配合。

4.2.1 床溫-主汽壓力控制

由主汽壓力-密相溫度控制級(jí)-給煤控制組成的三級(jí)串級(jí)控制系統(tǒng)，同時(shí)加入負(fù)荷變化等前饋信號(hào)。控制器輸出的總給煤量按多種分配方式控制各臺(tái)給煤，包括總量平均分配、跟蹤分配、分組分配等方式。在壓力回路處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，操作人員直接在DCS操作畫面上設(shè)定新的壓力給定值即可，控制邏輯如圖1所示。

圖1 床溫-主汽壓力控制邏輯圖

4.2.2 一次風(fēng)量控制

一次風(fēng)控制的主要目的是維持風(fēng)-煤比穩(wěn)定，風(fēng)-煤比=一次風(fēng)總量/總給煤量，故控制的一次風(fēng)量會(huì)隨著給煤量的增減而自動(dòng)增減。控制器的調(diào)整對(duì)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。風(fēng)-煤比的給定值在控制器處于“手動(dòng)”位置時(shí)會(huì)自動(dòng)跟蹤實(shí)際的風(fēng)-煤比值的10 min平均值(5 s計(jì)算1次)，一旦控制器處于“自動(dòng)”狀態(tài)，風(fēng)-煤比給定值即為投入自動(dòng)時(shí)的風(fēng)-煤比平均值，在自動(dòng)控制狀態(tài)下，根據(jù)煤質(zhì)和密相溫度對(duì)風(fēng)-煤比給定進(jìn)行在線修正，如圖2所示。

圖2 一次風(fēng)量控制圖

4.2.3 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制

機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由負(fù)荷控制、主汽壓力控制、風(fēng)量控制3個(gè)子系統(tǒng)組成，主邏輯圖如圖3所示。

圖3 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制主邏輯圖

(1)負(fù)荷控制器僅當(dāng)操作臺(tái)上的負(fù)荷控制器處于“自動(dòng)”位置(由運(yùn)行人員切換)和電負(fù)荷給定值(由運(yùn)行人員在操作臺(tái)上設(shè)置或通過AGC給定)變化時(shí)才會(huì)開始運(yùn)行，此時(shí)控制器的輸出信號(hào)u1會(huì)“寫”到汽門的控制目標(biāo)，運(yùn)行人員不能再設(shè)置。

(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(hào)。其邏輯為：當(dāng)電負(fù)荷控制器狀態(tài)為自動(dòng)時(shí)，輸出電負(fù)荷給定值的變化信號(hào)，而當(dāng)電負(fù)荷控制器狀態(tài)為手動(dòng)時(shí)，輸出汽門指令變化信號(hào)，前饋量則根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算的給煤量與負(fù)荷、密相溫度的增益關(guān)系來確定。

(3)電負(fù)荷控制處于“自動(dòng)”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(duì)主氣壓控制較有利。

(4)負(fù)荷協(xié)調(diào)控制可在電負(fù)荷控制器處在“手動(dòng)”和“自動(dòng)”的時(shí)候進(jìn)行。電負(fù)荷控制處于“手動(dòng)”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(hào)，在調(diào)整汽門的同時(shí)，調(diào)整給煤量(如圖3所示)；而當(dāng)電負(fù)荷控制處于“自動(dòng)”時(shí)，運(yùn)行人員只需改變負(fù)荷給定值，其余動(dòng)作由控制系統(tǒng)完成。

5 系統(tǒng)實(shí)施過程

(1)先實(shí)現(xiàn)XD-APC優(yōu)化控制軟件與DCS系統(tǒng)的通訊。優(yōu)化控制軟件與DCS系統(tǒng)的通訊，即實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制軟件實(shí)時(shí)讀、寫現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)問題。保證實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)與優(yōu)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸正常是優(yōu)化控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。

(2)優(yōu)化控制方案的在線仿真階段。在實(shí)現(xiàn)“讀”的基礎(chǔ)上即可對(duì)將實(shí)施的控制方案做在線仿真，仿真的同時(shí)可對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整。在線仿真時(shí)只用采集到的現(xiàn)場(chǎng)的操作數(shù)據(jù)，因此只涉及“讀”操作，并且不會(huì)送任何數(shù)據(jù)到DCS操作系統(tǒng)，也不會(huì)影響生產(chǎn)。需要讀的數(shù)據(jù)大約有300個(gè)變量點(diǎn)，需要寫到DCS系統(tǒng)的有十幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊影響非常小。

(3)優(yōu)化控制系統(tǒng)的投運(yùn)準(zhǔn)備。為準(zhǔn)備投運(yùn)優(yōu)化控制系統(tǒng)，需要對(duì)DCS做少量的邏輯和畫面的調(diào)整，但原則是不改變DCS系統(tǒng)原有的功能。當(dāng)不投優(yōu)化控制時(shí)DCS系統(tǒng)和原來的操作完全相同。

(4)優(yōu)化控制系統(tǒng)調(diào)試階段。在上述“讀、寫”通訊和仿真基礎(chǔ)上，進(jìn)行最后的優(yōu)化控制系統(tǒng)試運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。為保證安全，開始時(shí)會(huì)對(duì)控制作用做較嚴(yán)格的限制，根據(jù)實(shí)施情況再逐步放松。

(5)優(yōu)化控制系統(tǒng)的驗(yàn)收及正式投運(yùn)。

(6)系統(tǒng)培訓(xùn)。包括使用操作培訓(xùn)和維護(hù)檢修開發(fā)培訓(xùn)。

6 優(yōu)化效果分析

(1)提高機(jī)組自動(dòng)回路的投入率。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)CFB鍋爐燃燒和機(jī)爐協(xié)調(diào)控制的自動(dòng)投入，并且實(shí)現(xiàn)72h連續(xù)投運(yùn)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常情況下，以上自動(dòng)回路都可以100%投入自動(dòng)。通遼盛發(fā)熱電有限責(zé)任公司的自動(dòng)投入率比其他同類型機(jī)組的自動(dòng)投入率高出十幾個(gè)百分點(diǎn)，甚至優(yōu)于部分煤粉爐的自動(dòng)投入率。控制效果相關(guān)曲線如圖4～圖6所示。

圖4 控制效果相關(guān)曲線1

由圖4可以看出，自動(dòng)控制狀態(tài)下增加10 MW負(fù)荷，整個(gè)變負(fù)荷過程，負(fù)荷幾乎沒有超調(diào)，壓力波動(dòng)最大為0.1 MPa，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 控制效果相關(guān)曲線2

由圖5可以看出，負(fù)荷設(shè)定值從130 WM分階段降到103 WM，總計(jì)降負(fù)荷27 MW。優(yōu)化控制系統(tǒng)累計(jì)減煤約18 t，壓力設(shè)定值為13.4 MPa，最小值為13.38 MPa，最大值為13.63 MPa，最大偏差為0.23 MPa。自動(dòng)控制配合完成了這個(gè)負(fù)荷變動(dòng),壓力在允許范圍內(nèi)波動(dòng)。負(fù)荷變化沒有超調(diào)，同時(shí)一次風(fēng)量和二次風(fēng)量自動(dòng)減小。

圖6 控制效果相關(guān)曲線3

圖6為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行4 h 20 min的曲線圖，圖中負(fù)荷設(shè)定值135 MW,負(fù)荷最大偏差為1.5 MW；壓力設(shè)定值為13.4 MPa，壓力最大偏差為0.14 MPa。

(2)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)良好。對(duì)比DL/T 774—2004《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)檢修運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》中的技術(shù)要求，已達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，滿足質(zhì)量檢驗(yàn)及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和深化清潔燃燒效果，節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。投自動(dòng)以后，機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)，爐膛燃燒狀況穩(wěn)定，提高了鍋爐的熱效率，發(fā)電煤耗降低約1.09%。

(4)采用優(yōu)化控制，可以改進(jìn)控制效果，增加過程的平穩(wěn)性，提高控制精度。投入自動(dòng)后，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)都很平穩(wěn)，完全符合機(jī)組考核指標(biāo)。無論是在負(fù)荷穩(wěn)定還是變負(fù)荷情況下，自動(dòng)控制系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定自動(dòng)運(yùn)行。 目前投入自動(dòng)后，大量的調(diào)節(jié)工作由手動(dòng)變?yōu)樽詣?dòng)，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，減少了操作人員

大量的重復(fù)性操作，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了人為操作失誤所引起的機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)。投自動(dòng)以后，操作人員可以有更多的時(shí)間和精力去關(guān)注機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行情況，及早發(fā)現(xiàn)一些設(shè)備隱患，以便及時(shí)處理。同時(shí)他們會(huì)有更多的時(shí)間去思考機(jī)組的運(yùn)行過程。

(5)為以后提高運(yùn)行人員操作水平和規(guī)范機(jī)組運(yùn)行操作規(guī)程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。由于目前運(yùn)行各班組操作人員技術(shù)水平有差異，手動(dòng)時(shí)很大程度是憑個(gè)人習(xí)慣的操作方式及經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行操作，故每次接班以后，都會(huì)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行一些調(diào)整，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行會(huì)造成一定的影響。投入自動(dòng)以后，操作人員會(huì)逐漸適應(yīng)自動(dòng)控制的調(diào)節(jié)思路，從而統(tǒng)一操作人員思路，對(duì)規(guī)范操作習(xí)慣有很大的改善。同時(shí)對(duì)完善機(jī)組運(yùn)行規(guī)程，提供了借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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