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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)

優(yōu)化控制在循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用及實施

潘志剛，劉學(xué)武

(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)

目前國內(nèi)的循環(huán)流化床自動化投入率普遍較低，對分散控制系統(tǒng)提出了更高的控制要求，以增強電廠的整體效益和競爭力。但由于循環(huán)流化床機組的特有的燃燒特性，常規(guī)PID控制策略很難實現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐燃燒自動控制，導(dǎo)致循環(huán)流化床鍋爐機組的自動投入率低，機爐協(xié)調(diào)控制根本無法投運。優(yōu)化控制系統(tǒng)在循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制的應(yīng)用，為此提供了一種良好的解決途徑。

優(yōu)化控制系統(tǒng)XD-APC；無辨識自適應(yīng)控制；循環(huán)流化床鍋爐；分散控制系統(tǒng)

0 引 言

通遼盛發(fā)熱電有限責(zé)任公司現(xiàn)有2臺440 t/h循環(huán)流化床鍋爐，2臺135 MW機組，單元制方式。鍋爐DCS采用北京國電智深控制技術(shù)有限公司的EDPF-NT系統(tǒng)，只有給水和減溫水可以投自動，其余回路均手動操作。具有循環(huán)流化床鍋爐特有的熱慣性大、煤質(zhì)多變、各種變量強耦合等特性，鍋爐燃燒具有大滯后、非線性等問題，很難實現(xiàn)燃燒過程的自動控制。

1 CFB鍋爐手動操作產(chǎn)生的問題

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

(1)壓力波動較大。該問題是循環(huán)流化床鍋爐運行普遍存在的問題，會導(dǎo)致設(shè)備損傷 (特別是汽輪機)，不利于機組長期運行，同時增加能耗。

(2)操作人員勞動強度大，增加人為失誤，并且操作人員忙于一般運行，沒有精力顧及提高機組運行經(jīng)濟性。

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

(4)由于手動操作，缺乏節(jié)能降耗的實施平臺，不利于鍋爐的經(jīng)濟運行。

針對上述手動可能產(chǎn)生的問題，為了鍋爐運行的更加穩(wěn)定，決定對鍋爐運行進行優(yōu)化控制的改進。

2 優(yōu)化控制技術(shù)簡介

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，可以改進控制效果，增加過程的平穩(wěn)性，提高控制精度[1-2]。

在對優(yōu)化控制系統(tǒng)進行市場考察后，選擇了廈門廈大海通自控有限公司具有自主產(chǎn)知識產(chǎn)權(quán)的的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，首次將無辨識自適應(yīng)預(yù)估控制技術(shù)用在CFBB燃燒過程的閉環(huán)控制。其特點是無需在線和離線的模型辨識，適應(yīng)各種工業(yè)過程控制，投運后無需人工調(diào)整參數(shù)，控制器能自動適應(yīng)操作條件和各種工況的變化，自動調(diào)整相關(guān)控制器參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)通過組態(tài)可形成不同的先進控制器及各種單回路、串級、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[3-4]。

XD-APC優(yōu)化控制軟件優(yōu)化控制算法介紹：無辨識自適應(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，計算量小、實施容易，可適應(yīng)各種流程和工藝[5]。但不同于傳統(tǒng)PID控制的是，可以自動確定控制參數(shù)，控制器能自動適應(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

Δu(k) =u(k)-u(k-1)=

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(積分時間常數(shù))和TD(微分時間常數(shù))。工藝變化后若原控制參數(shù)不變，則會影響控制品質(zhì)甚至造成不穩(wěn)定，從而不能實現(xiàn)鍋爐自動的長時間投運自動。

無辨識自適應(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)|。

式中：g(k),r0(k),r1(k)依據(jù)幾何原理在線自動整定，無需人工干涉；同時，控制器參數(shù)的確定過程不需要過程模型的辨識，可避免在線辨識帶來的不穩(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)估時間可以針對不同的鍋爐在運行中實時自動調(diào)整，以解決像CFB鍋爐這種裝置特有的大滯后現(xiàn)象。

3 實施優(yōu)化控制系統(tǒng)的目的

(1)實施優(yōu)化控制系統(tǒng)的主要為了達(dá)到以下控制目標(biāo)。

①指導(dǎo)機組的經(jīng)濟運行。為生產(chǎn)、檢修、運行及管理人員提供真實全面的分析數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)即可查閱、監(jiān)視機組各種運行參數(shù)，對各項指標(biāo)進行復(fù)雜的分析計算，得出調(diào)整的操作方式，以指導(dǎo)機組的運行優(yōu)化。

②降低成本，提高效益。根據(jù)機組燃燒機理，對機組運行進行調(diào)整，及時優(yōu)化機組運行參數(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。料床溫度是一個直接影響鍋爐能否安全連續(xù)運行的重要參數(shù)，同時也直接影響鍋爐運行中的脫硫效率及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，而且運行不穩(wěn)定容易滅火；床溫過高會使脫硫效率下降、NO2產(chǎn)量大大增加，同時易造成爐膛料床結(jié)焦，無法循環(huán)硫化燃燒而停爐。

(2)實施優(yōu)化控制系統(tǒng)后要達(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?？刂圃诮o定值的+3.5 MW以內(nèi)。負(fù)荷調(diào)整速度：實現(xiàn)汽機與鍋爐的協(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，控制在工藝允許波動范圍內(nèi)。

④節(jié)能降耗。優(yōu)化控制系統(tǒng)比較手動操作，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)所有自動回路(主汽壓力自動、一次風(fēng)自動、氧量自動、爐膛壓力自動、機爐協(xié)調(diào)自動控制)，自動投入率達(dá)到100%。

4 優(yōu)化控制系統(tǒng)實施方案

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現(xiàn)優(yōu)化控制軟件外掛在DCS系統(tǒng)上，實現(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)場的實際情況，優(yōu)化控制系統(tǒng)所設(shè)計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)壓控制和機爐協(xié)調(diào)控制，各控制回路相對獨立，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-給煤控制組成的三級串級控制系統(tǒng)，同時加入負(fù)荷變化等前饋信號?？刂破鬏敵龅目偨o煤量按多種分配方式控制各臺給煤，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控制狀態(tài)時，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)機入口擋板開度和#2風(fēng)機入口擋板開度。風(fēng)-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(fēng)-煤比值的10 min平均值(5 s計算1次)，一旦控制器處于“自動”狀態(tài)，風(fēng)-煤比給定值即為投入自動時的風(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)-煤比給定進行在線修正，如圖2所示。

圖2 一次風(fēng)量控制圖

4.2.3 機爐協(xié)調(diào)控制

機爐協(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個子系統(tǒng)組成，主邏輯圖如圖3所示。

圖3 機爐協(xié)調(diào)控制主邏輯圖

(1)負(fù)荷控制器僅當(dāng)操作臺上的負(fù)荷控制器處于“自動”位置(由運行人員切換)和電負(fù)荷給定值(由運行人員在操作臺上設(shè)置或通過AGC給定)變化時才會開始運行，此時控制器的輸出信號u1會“寫”到汽門的控制目標(biāo)，運行人員不能再設(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。其邏輯為：當(dāng)電負(fù)荷控制器狀態(tài)為自動時，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，輸出汽門指令變化信號，前饋量則根據(jù)實時計算的給煤量與負(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”狀態(tài)時，可以通過給定值的延時單元實現(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。

(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”的時候進行。電負(fù)荷控制處于“手動”時，由運行人員設(shè)置汽門控制目標(biāo)，控制系統(tǒng)根據(jù)實際汽門的變化，向燃燒控制系統(tǒng)送出前饋信號，在調(diào)整汽門的同時，調(diào)整給煤量(如圖3所示)；而當(dāng)電負(fù)荷控制處于“自動”時，運行人員只需改變負(fù)荷給定值，其余動作由控制系統(tǒng)完成。

5 系統(tǒng)實施過程

(1)先實現(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，即實現(xiàn)優(yōu)化控制軟件實時讀、寫現(xiàn)場數(shù)據(jù)問題。保證實時控制系統(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。在實現(xiàn)“讀”的基礎(chǔ)上即可對將實施的控制方案做在線仿真，仿真的同時可對方案進行調(diào)整。在線仿真時只用采集到的現(xiàn)場的操作數(shù)據(jù)，因此只涉及“讀”操作，并且不會送任何數(shù)據(jù)到DCS操作系統(tǒng)，也不會影響生產(chǎn)。需要讀的數(shù)據(jù)大約有300個變量點，需要寫到DCS系統(tǒng)的有十幾個數(shù)據(jù)點，對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)的投運準(zhǔn)備。為準(zhǔn)備投運優(yōu)化控制系統(tǒng)，需要對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，進行最后的優(yōu)化控制系統(tǒng)試運行和現(xiàn)場調(diào)試。為保證安全，開始時會對控制作用做較嚴(yán)格的限制，根據(jù)實施情況再逐步放松。

(5)優(yōu)化控制系統(tǒng)的驗收及正式投運。

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

6 優(yōu)化效果分析

(1)提高機組自動回路的投入率。目前已經(jīng)實現(xiàn)CFB鍋爐燃燒和機爐協(xié)調(diào)控制的自動投入，并且實現(xiàn)72h連續(xù)投運，在現(xiàn)場設(shè)備正常情況下，以上自動回路都可以100%投入自動。通遼盛發(fā)熱電有限責(zé)任公司的自動投入率比其他同類型機組的自動投入率高出十幾個百分點，甚至優(yōu)于部分煤粉爐的自動投入率。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，自動控制狀態(tài)下增加10 MW 負(fù)荷，整個變負(fù)荷過程，負(fù)荷幾乎沒有超調(diào)，壓力波動最大為0.1 MPa，鍋爐運行穩(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，總計降負(fù)荷27 MW。優(yōu)化控制系統(tǒng)累計減煤約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。自動控制配合完成了這個負(fù)荷變動,壓力在允許范圍內(nèi)波動。負(fù)荷變化沒有超調(diào)，同時一次風(fēng)量和二次風(fēng)量自動減小。

圖6 控制效果相關(guān)曲線3

圖6為穩(wěn)態(tài)運行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)、動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)良好。表1為優(yōu)化控制系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，對比DL/T 774—2004《火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)檢修運行維護規(guī)程》中的技術(shù)要求，該工程已經(jīng)達(dá)到了要求的技術(shù)指標(biāo)，滿足質(zhì)量檢驗及評定標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 優(yōu)化控制系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)

注：Δps為主汽壓力偏差；Δts為主汽溫度偏差；Δtr為再熱汽溫度偏差；Δhd為汽包水位偏差；Δw(O2)為氧量偏差；Δpt為爐膛壓力偏差；ΔP/Δt為實際功率變化速度。

(3)實現(xiàn)了節(jié)能和深化清潔燃燒效果，節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益。投自動以后，機組運行更加平穩(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，可以改進控制效果，增加過程的平穩(wěn)性，提高控制精度。投入自動后，各項運行參數(shù)都很平穩(wěn)，完全符合機組考核指標(biāo)。無論是在負(fù)荷穩(wěn)定還是變負(fù)荷情況下，自動控制系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定自動運行。 目前投入自動后，大量的調(diào)節(jié)工作由手動變?yōu)樽詣?，提高了機組運行的穩(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強度，避免了人為操作失誤所引起的機組非計劃停機，提高了操作人員的運行操作水平。投自動以后，操作人員可以有更多的時間和精力去關(guān)注機組設(shè)備的運行情況，及早發(fā)現(xiàn)一些設(shè)備隱患，以便及時處理。同時他們會有更多的時間去思考機組的運行過程，從而提高其操作水平。

(5)為以后提高運行人員操作水平和規(guī)范機組運行操作規(guī)程提供經(jīng)驗借鑒。由于目前運行各班組操作人員技術(shù)水平有差異，手動時很大程度是憑個人習(xí)慣的操作方式及經(jīng)驗來進行操作，故每次接班以后，都會對運行參數(shù)進行一些調(diào)整，對機組的穩(wěn)定及經(jīng)濟運行會造成一定的影響。投入自動以后，操作人員會逐漸適應(yīng)自動控制的調(diào)節(jié)思路，從而統(tǒng)一操作人員思路，對規(guī)范操作習(xí)慣有很大的改善。同時對完善機組運行規(guī)程，提供了借鑒的經(jīng)驗。

[1] 無辨識自適應(yīng)控制預(yù)估算法及應(yīng)用[J].自動化學(xué)報， 23(1):107-111.

[2] 孫建平，單海斌.單片機技術(shù)在智能家具中的應(yīng)用與發(fā)展[J].森林工程，2012，28(5)：45-49.

[3] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].森林工程，2013，29(4)：90-95.

[4] 樊 誠，江青茵，曹志凱,等.循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程建模研究[J].計算機與化學(xué)應(yīng)用，2007，24(3)：371-374.

[5] DL/T 774—2004，火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)檢修運行維護規(guī)程[S].

TheApplicationandPracticeofOptimizingControltoCirculatingFluidizedBedBoilers

PAN Zhi-gang LIU Xue-wu

(TongliaoShengfaPowerGenerationCo.,Ltd,ZhongdianToumengdongEnergyGroupCo.,Ltd.Tongliao028051,China)

Now, the input rate of automated circulating fluidized bed is prevailingly low. Thus, in order to promote the whole profit and competitive strength, the higher demand for DCS system is proposed. But, because of the peculiar combustion characteristics of circulating fluidized bed unit, it is hard to realize automated control of CFB boiler combustion by means of regular PID control strategy, which can lead to low rate of automated input of CFB boiler unit and the fail of boiler-turbine cooperative control. In these cases, the application of optimizing control to CFB unit combustion control offers an effective resolution.

Optimizing control system XD-APC; Identification-free adaptive control; CFB boiler; DCS

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.003.005

2013-12-24

：2014-02-10

潘志剛，男，內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)，工程師，從事電廠生產(chǎn)管理方面的工作。

TK229.4

：B

：1009-3230(2014)03-0020-06