云蘇和

(內(nèi)蒙古神舟硅業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過(guò)程中，自動(dòng)化控制逐漸替代了人員的監(jiān)視和控制功能，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。分散控制系統(tǒng)(DCS)在控制上的最大特點(diǎn)是依靠各種控制、運(yùn)算模塊的靈活組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)多樣化的控制策略以滿(mǎn)足不同情況下的需要。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能的基礎(chǔ)上，精細(xì)化生產(chǎn)，“卡邊”生產(chǎn)要求更加突出，更要實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和平穩(wěn)控制，保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

隨著企業(yè)提出的高柔性、高效益的要求，以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的控制方案已經(jīng)不能適應(yīng)需求，以多變量預(yù)測(cè)控制為代表的先進(jìn)控制策略的提出和成功應(yīng)用之后，先進(jìn)過(guò)程控制受到了過(guò)程工業(yè)界的普遍關(guān)注。需要強(qiáng)調(diào)的是： 廣泛應(yīng)用各種先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)是挖掘并提升DCS綜合性能最有效、最直接、最具價(jià)值的發(fā)展方向。

2012年某公司的120 t循環(huán)流化床(CFB)鍋爐裝置上采用了先進(jìn)控制技術(shù)，5 a來(lái)一直運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，與傳統(tǒng)的DCS 控制方式相比，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)具有不確定性、非線性、多變量耦合、大滯后和狀態(tài)不完全性等控制場(chǎng)所。因而，該系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)DCS中的PID控制算法難以滿(mǎn)足復(fù)雜工藝控制質(zhì)量與提高效益的要求。

1 先進(jìn)控制通信技術(shù)架構(gòu)

鍋爐通用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)(BCS)立足于各種燃燒裝置最基本的測(cè)控儀表，采用先進(jìn)的軟測(cè)量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過(guò)程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與安全控制技術(shù)、智能調(diào)節(jié)技術(shù)及科學(xué)的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃燒裝置的全自動(dòng)優(yōu)化控制，從而達(dá)到安全運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的所有目標(biāo)。BCS作為第三方通信軟件，和現(xiàn)有的DCS之間首先要有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和指令的下達(dá)，一般要求DCS軟件具有穩(wěn)定可靠的OPC雙向通信功能。BCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該項(xiàng)目BCS的通信共包含三部分：

1) BCS與DCS間的通信，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的OPC通信協(xié)議，完成兩系統(tǒng)間的雙向數(shù)據(jù)交換。

2) BCS與該公司遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)(HeroRTS)間的通信，基于3G網(wǎng)絡(luò)和DTU設(shè)備，采用VPN數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程服務(wù)功能。

3) BCS與該公司脫鹽水站完成兩系統(tǒng)間的雙向數(shù)據(jù)交換和上傳數(shù)據(jù)到調(diào)度室。通過(guò)遠(yuǎn)程通信技術(shù)，技術(shù)廠家可以從遙遠(yuǎn)的異地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查和監(jiān)控，出現(xiàn)的一般故障可立即得到有效解決，既節(jié)省了人工，提高了效率，也降低了一般故障發(fā)生的概率。同時(shí)多了一個(gè)可以和其他控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的手段，提高了生產(chǎn)效率，優(yōu)化了裝置的生產(chǎn)架構(gòu)。

圖1 BCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2 優(yōu)化控制技術(shù)關(guān)鍵控制回路

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況的分析，結(jié)合BCS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鍋爐汽水及燃燒系統(tǒng)的全自動(dòng)優(yōu)化，BCS內(nèi)部有自己獨(dú)立的運(yùn)算模塊和控制界面，只是將DCS的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、辨別、整理后進(jìn)入BCS進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，包括專(zhuān)家算法的應(yīng)用、軟測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用、各種控制模型的應(yīng)用以及模型修正及多種PID調(diào)節(jié)算法的應(yīng)用，最后將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)通信直接發(fā)送到需要操作的閥門(mén)設(shè)備等調(diào)節(jié)對(duì)象。

2.1 汽包水位優(yōu)化控制

該回路采用了帶有燃燒因素專(zhuān)家算法的三沖量控制算法，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 鍋爐負(fù)荷-給煤優(yōu)化控制

該回路通過(guò)控制給煤變頻器、一次風(fēng)閥、二次風(fēng)閥及引風(fēng)閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷與床溫的控制，控制模型如圖3所示。

2.3 一次風(fēng)優(yōu)化控制

該回路通過(guò)控制一次風(fēng)擋板或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐的正常流化、經(jīng)濟(jì)燃燒和床溫控制。一次風(fēng)優(yōu)化控制模型如圖4所示。

2.4 二次風(fēng)優(yōu)化控制

該回路通過(guò)控制二次風(fēng)擋板或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐的進(jìn)氧量穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)燃燒。二次風(fēng)優(yōu)化控制模型如圖5所示。

圖2 帶有燃燒因素專(zhuān)家算法的三沖量控制算法模型示意

2.5 爐膛負(fù)壓優(yōu)化控制

該回路通過(guò)控制引風(fēng)機(jī)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐負(fù)壓的優(yōu)化控制。爐膛負(fù)壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運(yùn)行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。監(jiān)視和控制爐膛負(fù)壓對(duì)于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內(nèi)燃燒工況、煙道運(yùn)行工況、分析某些事故的原因均有極其重要的意義。當(dāng)爐負(fù)壓過(guò)大時(shí)，漏風(fēng)量增大，吸風(fēng)機(jī)電耗，不完全燃燒損失、排煙熱損失均增大。通過(guò)爐膛負(fù)壓優(yōu)化控制模型，如圖6所示，結(jié)合一次風(fēng)、二次風(fēng)的風(fēng)量，通過(guò)多種算法保持爐膛負(fù)壓在正常范圍內(nèi)。

圖3 鍋爐負(fù)荷-給煤優(yōu)化控制模型示意

圖4 一次風(fēng)優(yōu)化控制模型示意

圖5 二次風(fēng)優(yōu)化控制模型示意

圖6 爐膛負(fù)壓優(yōu)化控制模型示意

2.6 基于專(zhuān)家系統(tǒng)的床溫優(yōu)化控制

對(duì)高溫返料的CFB鍋爐來(lái)說(shuō)其床溫控制點(diǎn)的高低是隨負(fù)荷變化而變化的，其床溫的控制手段主要體現(xiàn)在給煤量和一次風(fēng)量的控制上。BCS對(duì)床溫的控制目標(biāo)是在滿(mǎn)足負(fù)荷需要的前提下保證床溫的最佳穩(wěn)定性，同時(shí)還有應(yīng)對(duì)特殊情況下床溫異常升降的功能，即床溫急劇變化時(shí)要以恰當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)節(jié)給煤量和一次風(fēng)量。因此，在高溫返料的CFB鍋爐上對(duì)床溫的控制作用是疊加到負(fù)荷-給煤控制回路和一次風(fēng)優(yōu)化控制回路上的。

2.7 快速升降負(fù)荷自動(dòng)控制

在生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝的變化，會(huì)造成蒸汽負(fù)荷的變化，對(duì)于計(jì)劃中的大幅度快速提降負(fù)荷時(shí)，操作人員可根據(jù)需要設(shè)置提降負(fù)荷的幅度和所希望的調(diào)整時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)平穩(wěn)地升降負(fù)荷。

通過(guò)以上控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，完美地解決了DCS在控制中只能應(yīng)用于簡(jiǎn)單控制，如單回路控制、串級(jí)控制、比例控制等，復(fù)雜控制難以實(shí)現(xiàn)的不足。采用開(kāi)放性的多變量專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行模擬控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝分配各參與變量權(quán)重，更好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，提升了生產(chǎn)效率，穩(wěn)定了產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量。

3 安全控制技術(shù)改造

3.1 智能語(yǔ)音報(bào)警功能

BCS將CFB鍋爐的主要運(yùn)行故障都納進(jìn)了智能語(yǔ)音報(bào)警模型，當(dāng)某種故障發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生，BCS會(huì)以不同的模仿真人聲音進(jìn)行報(bào)警，直接定位到點(diǎn)，如“二號(hào)皮帶機(jī)給煤異常，可能發(fā)生斷煤，請(qǐng)進(jìn)行處理！”，如此就可以在第一時(shí)間判斷故障發(fā)生的地點(diǎn)，從而準(zhǔn)確判斷，并采取有效措施。而一般情況下DCS會(huì)發(fā)出按照事故等級(jí)的聲音報(bào)警，還需要在控制畫(huà)面上查找報(bào)警位號(hào)，根據(jù)報(bào)警位號(hào)找到報(bào)警畫(huà)面，再確定報(bào)警的位置。

3.2 通信故障自動(dòng)切換功能

當(dāng)BCS與DCS的OPC通信出現(xiàn)異常且在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有自動(dòng)恢復(fù)時(shí)，BCS會(huì)自動(dòng)將控制權(quán)無(wú)擾切換到DCS側(cè)并報(bào)警。

3.3 安全限幅功能

BCS為每個(gè)控制回路都設(shè)計(jì)了鍋爐正常運(yùn)行的安全開(kāi)度，避免出現(xiàn)測(cè)量異常導(dǎo)致模型計(jì)算錯(cuò)誤或人為誤操作造成的安全隱患。當(dāng)然，模型本身也作了很多必要的安全限幅。

3.4 部分儀表故障的自動(dòng)處理

儀表故障的處理主要有三種情形： 測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確，BCS會(huì)根據(jù)其變化趨勢(shì)實(shí)施有效的優(yōu)化操作；BCS可以自動(dòng)剔除完全損壞的儀表，如密相層溫度，并自動(dòng)消除由此帶來(lái)的突變影響或可切換至軟測(cè)量模型；設(shè)計(jì)了智能控制器用于處理那些特性不好的閥門(mén)或伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

3.5 部分工藝故障的自動(dòng)處理

BCS已完成了如下工藝故障的自動(dòng)處理模型： 斷煤自動(dòng)處理模型；左右兩側(cè)床溫或氧含量不平衡處理模型。

BCS加入這2個(gè)模型以后極大地減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了故障的判斷時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 統(tǒng)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

主要針對(duì)每一個(gè)班次的主要運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行穩(wěn)定性等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)還對(duì)本班次的各個(gè)回路的自控率及總自控率、操作質(zhì)量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以直觀地顯示本班、上班及本月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，讓運(yùn)行人員能夠了解上班及以前的操作水平，為其運(yùn)行提供參考。

該鍋爐采用BCS技術(shù)改造后實(shí)現(xiàn)了最佳的運(yùn)行效果，并解決了現(xiàn)場(chǎng)存在的一系列問(wèn)題。解決了DCS的PID回路在進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，由于循環(huán)流化床鍋爐所特有的燃燒過(guò)程滯后大、多變量耦合嚴(yán)重、燃料特性多變、燃燒過(guò)程具有很強(qiáng)的非線性特性等因素影響，燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制一直運(yùn)行不佳，以及風(fēng)機(jī)擋板調(diào)節(jié)輸出非線性，難以平穩(wěn)控制等突出問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

BCS的應(yīng)用達(dá)到了如下目標(biāo)： 實(shí)現(xiàn)了鍋爐全自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全生產(chǎn)水平；運(yùn)行可靠且自控率大于90%；在實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)燃燒的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鍋爐給煤和二次風(fēng)的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)鍋爐的最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在現(xiàn)有煤耗基礎(chǔ)上可降低煤耗2.0%以上，即1臺(tái)120 t CFB鍋爐在使用BCS技術(shù)后，按1臺(tái)鍋爐運(yùn)行在額定負(fù)荷下每年用1.0×105t標(biāo)煤計(jì)算(滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行)，可節(jié)約標(biāo)煤2 000 t 以上。在一定程度上實(shí)現(xiàn)更環(huán)保運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了燃料充分燃燒，保證了鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行，在一定程度上解決煙囪冒黑煙和因燃燒溫度控制不穩(wěn)而過(guò)量生成SO2，NOx的環(huán)保問(wèn)題，降低排煙溫度。通過(guò)5 a的穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了BCS應(yīng)用的可靠性，節(jié)能效果十分明顯，經(jīng)濟(jì)效益突出，操作工反應(yīng)控制良好，裝置運(yùn)行更加平穩(wěn)。

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