叢經(jīng)緯 趙東曉 宋祎（揚(yáng)子石油化工有限公司熱電廠）

引言

熱電廠并列運(yùn)行鍋爐給水通常采取的是給水泵并列母管制運(yùn)行模式。在整個母管制給水系統(tǒng)中，鍋爐熱給水母管的壓力是最重要的參數(shù)之一，必須維持在理想數(shù)值。若母管給水壓力太低，可能會造成鍋爐斷水的嚴(yán)重事故；而若給水壓力太高，則給泵的電流會大大增加，給泵的電耗明顯增加。目前熱電廠給水母管壓力控制中往往存在自動投入率低、母管壓力波動大，以及母管壓力定值設(shè)置不合理，造成廠用電率高等問題。因此，同時從提高參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)和節(jié)能降耗兩個方面入手，研究開發(fā)給水母管壓力優(yōu)化控制系統(tǒng)，對于進(jìn)一步提高并列運(yùn)行機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性都具有重要意義。

國內(nèi)針對該問題已經(jīng)開展了部分工作。給出一種給水母管壓力的變增益調(diào)節(jié)方法，但未考慮給泵運(yùn)行組合方式和給水母管壓力定值的優(yōu)化問題[1]；雖然對熱電廠給水系統(tǒng)的節(jié)能問題進(jìn)行了分析，但未能給出對給水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的具體方法，也沒有實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的結(jié)合[2]。

筆者在進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了一種基于多變量復(fù)合平衡協(xié)調(diào)策略的給水母管壓力控制系統(tǒng)，并針對給水系統(tǒng)的節(jié)能問題開發(fā)了運(yùn)行優(yōu)化專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了對給泵運(yùn)行組合方式和給水母管壓力定值的優(yōu)化?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該優(yōu)化控制策略和系統(tǒng)不但能夠保證變負(fù)荷情況下給水母管壓力的穩(wěn)定，同時能夠顯著降低廠用電率，具有滿意的節(jié)能效果。

1 現(xiàn)狀

1.1 概況

某熱電廠母管制給水系統(tǒng)的流程圖見圖1。熱電廠母管制鍋爐給水系統(tǒng)，在實際工程設(shè)計與應(yīng)用中，為了保證負(fù)荷最大時給水泵系統(tǒng)滿足輸出要求，通常需要按系統(tǒng)的最大輸出能力配備給水泵系統(tǒng)，而真正使用中，絕大多數(shù)情況下并非需要系統(tǒng)在滿負(fù)荷下使用，而是根據(jù)負(fù)載的實際需要，通過流量控制元件如閥門或通過調(diào)速改造等實現(xiàn)流量或壓力控制，以滿足生產(chǎn)過程的需要。目前，為了實現(xiàn)給水系統(tǒng)節(jié)能，基本上都采用設(shè)置部分調(diào)速泵等方式，實現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷或壓力的調(diào)整。

1.2 存在問題

給水母管壓力無法投入自動控制，只能通過手動操作來維持壓力，給水母管壓力降壓設(shè)定值存在一定的盲目性，運(yùn)行人員手動操作強(qiáng)度大，操作人員全憑經(jīng)驗進(jìn)行，極易出現(xiàn)超調(diào)、欠調(diào)、調(diào)節(jié)不及時等現(xiàn)象，導(dǎo)致給水母管壓力控制質(zhì)量差，不利于各給水泵的安全可靠運(yùn)行及對各臺鍋爐汽包水位的調(diào)整，從而影響鍋爐、汽機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1 母管給水系統(tǒng)的工藝流程

2 給水母管壓力優(yōu)化控制系統(tǒng)

針對上述問題，研究開發(fā)一種基于多變量復(fù)合平衡協(xié)調(diào)策略的給水母管壓力優(yōu)化控制系統(tǒng)。其控制原理圖見圖2。

基本原理：首先根據(jù)鍋爐總負(fù)荷對給水流量的要求，利用給水母管壓力定值及運(yùn)行組合方式優(yōu)化算法，并以給泵總耗電量最低為目標(biāo)對母管壓力定值進(jìn)行優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上，采用多變量復(fù)合平衡協(xié)調(diào)控制策略同時控制N臺調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速，以維持給水母管壓力的穩(wěn)定。

為及時消除各種擾動對給水母管壓力的影響，采用狀態(tài)空間預(yù)測控制算法構(gòu)成多變量復(fù)合平衡協(xié)調(diào)控制器的核心：

1）該算法可以有效處理多變量控制問題。

2）通過狀態(tài)擴(kuò)增并利用Kalman濾波器進(jìn)行狀態(tài)估計，可以有效消除建模無差和不可測擾動對母管壓力控制效果的影響。

3）通過建立鍋爐總負(fù)荷Ne變化對給水母管壓力影響的前饋預(yù)測模型，可以實現(xiàn)對前饋控制作用的優(yōu)化，使變負(fù)荷情況下母管壓力更加穩(wěn)定。母管壓力預(yù)測控制算法的目標(biāo)函數(shù)公式為

式中：J為預(yù)測控制的性能指標(biāo)；Np為預(yù)測步數(shù)；Nu為控制步數(shù)；Ps為給水母管壓力定值；P^g為根據(jù)狀態(tài)空間模型得到的母管壓力預(yù)測值；t代表當(dāng)前時刻；Δu1…ΔuN為N臺調(diào)速泵耦合器開度變化量；λ1…λN為控制量加權(quán)系數(shù)。采用Kalman濾波器估計狀態(tài)，并利用狀態(tài)空間模型對未來的母管壓力進(jìn)行預(yù)測，之后在每個控制周期對公式（1）進(jìn)行滾動優(yōu)化，即可獲得控制量Δu1…ΔuN。

此外，該系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)：

1）將鍋爐總負(fù)荷作為控制系統(tǒng)前饋信號。

2）采用復(fù)合控制器，將N臺調(diào)速給泵共CN種組合狀態(tài)融為一個復(fù)合控制模塊中，既能單獨(dú)設(shè)置每臺給泵的控制參數(shù)，又能實現(xiàn)投入自動的給泵的任意組合，能夠?qū)崿F(xiàn)給泵調(diào)速功能的最優(yōu)組合，切實減少給泵耗電量。

3）采用平衡模塊控制器，實現(xiàn)N臺給泵控制指令增量輸出，克服給泵不同開度區(qū)間特性不同的缺點(diǎn)。

4）采用給泵快速響應(yīng)控制，即在鍋爐增減負(fù)荷時，若一臺給泵耦合器開度達(dá)到上下限，則其余投入自動的給泵立即啟用快速響應(yīng)功能，加快調(diào)節(jié)，保持給水母管壓力穩(wěn)定。

3 給水系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化專家系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能

運(yùn)行優(yōu)化專家系統(tǒng)具備以下功能：

1）實時顯示各臺給泵信息。包括：電流、調(diào)速泵出口壓力、計算泵出口流量、泵可調(diào)裕量、診斷結(jié)論、以及總值等。

2）實時顯示當(dāng)前壓力再下降0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa時各臺泵的出口流量、增加的裕量以及總的泵可調(diào)裕量。

3）給出運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)。運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)診斷結(jié)論的依據(jù)為：實時計算得出的泵可調(diào)總裕量若超出當(dāng)前相同狀況下運(yùn)行中最小定速泵X裕量，即當(dāng)前情況下停運(yùn)一臺泵后還有X裕量時，即輸出診斷結(jié)論提示運(yùn)行人員可以進(jìn)行泵運(yùn)行方式的優(yōu)化；并根據(jù)當(dāng)前在運(yùn)鍋爐、給泵的數(shù)量和位置，給泵的效率及待載能力，依據(jù)直供及系統(tǒng)調(diào)整能力最大原則，推算哪臺泵停運(yùn)最佳。

若當(dāng)前母管壓力下不具備優(yōu)化條件，則該系統(tǒng)還具有診斷母管壓力再下降0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa情況下，泵可調(diào)總裕量是否能夠滿足優(yōu)化，優(yōu)化診斷條件與上述一致。若滿足條件即顯示診斷結(jié)論以提示運(yùn)行人員可以優(yōu)化。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

在實現(xiàn)了“給水母管壓力協(xié)調(diào)控制”自動運(yùn)行的基礎(chǔ)上，還需對給泵運(yùn)行組合方式及母管壓力定值進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能降耗。目前母管制給水泵系統(tǒng)運(yùn)行和操作的水平還比較低，尤其是在母管壓力定值（運(yùn)行紅線）的確定以及給泵運(yùn)行方式優(yōu)化組合方面通常是按運(yùn)行經(jīng)驗確定，存在較大偏差，不利于給水系統(tǒng)節(jié)能降耗運(yùn)行。

降低給水母管壓力定值，既要保證鍋爐運(yùn)行安全，同時要降低給泵耗電量。降壓運(yùn)行總體上肯定是節(jié)能的，但降壓多少不是與節(jié)能效果成正比的。隨著泵出口壓力的降低，較額定出口壓力的偏差增大，出口流量增大，泵的工作點(diǎn)也將偏移，泵的自身效率隨之降低，會消耗一部分節(jié)能量，因此泵的選型不宜過大，偏離實際運(yùn)行工況。給水母管壓力降壓紅線最優(yōu)值的確定是以廠給泵耗電率最小來尋覓的。

此外，母管制給水系統(tǒng)還具有較大的節(jié)能空間，降低廠給泵耗電率的決定因素是優(yōu)化給水泵運(yùn)行臺數(shù)即運(yùn)行組合方式。母管壓力下降，給泵流量必然增加，此時泵的功率也會增加。通過“尋優(yōu)”計算出給水泵優(yōu)化運(yùn)行組合方式，給予運(yùn)行操作人員優(yōu)化給泵運(yùn)行的指導(dǎo)建議，從而使最大程度的節(jié)約能源成為可能。

給水母管壓力定值及給泵運(yùn)行組合方式優(yōu)化的核心歸結(jié)為求解以下優(yōu)化問題[3]：

式中：JP為給水母管壓力定值及給水泵運(yùn)行組合方式優(yōu)化的性能指標(biāo)函數(shù)；Ni為第i臺給水泵的耗功；ηi為該泵的效率；ai={0,1}代表某臺定速泵的啟停狀態(tài)；Qi為給水母管壓力為Ps時第i臺給水泵的流量；Q(Ne)代表鍋爐總負(fù)荷為Ne時所需的給水流量。

表1 優(yōu)化前后給泵耗電率指標(biāo)對比

優(yōu)化公式（2）以M臺給水泵總的耗功最小為優(yōu)化目標(biāo)，待優(yōu)化變量包括母管壓力定值Ps和定速泵的啟停狀態(tài)變量ai，因此是一個混合整數(shù)規(guī)劃問題，并采用遺傳算法對該問題進(jìn)行求解[4]。

該專家系統(tǒng)不但能夠計算當(dāng)前壓力下的各臺運(yùn)行的定速泵的出口流量以及各臺運(yùn)行的調(diào)速泵的出口流量，而且優(yōu)化診斷算法能夠提供各臺定速泵在當(dāng)前壓力下降低0.1 MPa或0.3 MPa時增加的流量，以及調(diào)速泵具有的調(diào)整裕量。以此做為當(dāng)前運(yùn)行方式及給泵數(shù)量的判斷依據(jù)，實時運(yùn)算判斷當(dāng)前調(diào)速泵總裕量、調(diào)速泵總裕量+定速泵出口壓力下降0.1MPa時的裕量、調(diào)速泵總裕量+定速泵出口壓力下降0.3 MPa時的裕量，當(dāng)上述任一情況能夠滿足停運(yùn)1臺給泵時，則提示運(yùn)行操作人員及時按此紅線運(yùn)行，并停運(yùn)某臺給泵，以達(dá)到最大程度的節(jié)能。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 實施步驟

1）進(jìn)行N臺調(diào)速給泵特性試驗，鍋爐給水系統(tǒng)最低容忍給水母管壓力運(yùn)行實驗。對N臺調(diào)速給泵的耦合器開度、電動機(jī)電流、母管壓力、給泵出口壓力等參數(shù)進(jìn)行特性試驗，找出每一臺給泵的安全運(yùn)行區(qū)間，以及各參數(shù)之間的關(guān)系，為控制參數(shù)的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

2）控制系統(tǒng)搭建和控制參數(shù)優(yōu)化。通過調(diào)整鍋爐總負(fù)荷前饋相關(guān)參數(shù)，達(dá)到鍋爐總負(fù)荷變化時及時進(jìn)行調(diào)整，穩(wěn)定給水母管壓力；調(diào)整調(diào)速給泵各自的控制參數(shù)，達(dá)到控制最優(yōu)化，及時調(diào)整開度，穩(wěn)定母管壓力；調(diào)整給水母管壓力設(shè)定值，使給水母管壓力設(shè)定值降低0.3～0.5 MPa運(yùn)行；調(diào)整N臺給泵各自的運(yùn)行上下限，根據(jù)給泵自身特性及安全高效的運(yùn)行區(qū)間，選擇合理的運(yùn)行上下限，既保證給泵的安穩(wěn)節(jié)能運(yùn)行，同時也保證給水母管壓力穩(wěn)定。

4.2 節(jié)電效果

根據(jù)某廠提供的生產(chǎn)統(tǒng)計報表，給水母管優(yōu)化控制系統(tǒng)投用后，實現(xiàn)了系統(tǒng)降壓運(yùn)行，節(jié)能效果顯著，廠給泵耗電率優(yōu)化效果如表1所示。

5 結(jié)論

該文創(chuàng)新提出了一種基于多變量復(fù)合平衡協(xié)調(diào)策略的給水母管壓力控制方法，并在國內(nèi)首次開發(fā)了相應(yīng)的控制和運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)，使并列運(yùn)行鍋爐給水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行得到顯著重視和巨大效益。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)不但能夠保證變負(fù)荷情況下給水母管壓力的穩(wěn)定，而且可以實現(xiàn)對給泵運(yùn)行組合方式和給水母管壓力定值的優(yōu)化，從而達(dá)到顯著降低廠用電率，節(jié)能降耗的目的。