優(yōu)化控制系統(tǒng)在煤粉鍋爐裝置中的應(yīng)用

2020-03-30 13:58朱建國(guó)蔡兵秦躍東劉文烈

化工自動(dòng)化及儀表 2020年1期

李強(qiáng) 朱建國(guó)蔡兵秦躍東顧偉劉文烈

（1．南通醋酸纖維有限公司；2.浙江中智達(dá)科技有限公司）

隨著企業(yè)原材料成本的上升和國(guó)家對(duì)于節(jié)能減排、環(huán)保要求的提高，企業(yè)對(duì)于生產(chǎn)裝置的節(jié)能、環(huán)保要求日益迫切。南通醋酸纖維有限公司煤粉鍋爐已實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)的集散控制，并搭建了以PID單回路控制和設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)為主的常規(guī)控制策略。由于熱電鍋爐是一個(gè)非線性、時(shí)變、大滯后和多變量耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，主要控制仍以人工經(jīng)驗(yàn)操作為主，整體自動(dòng)化水平偏低。由于外界負(fù)荷波動(dòng)頻繁，煙氣含氧量、主蒸汽壓力、溫度及SO2、NOx含量等關(guān)鍵工藝指標(biāo)難以得到較好的控制，運(yùn)行平穩(wěn)性不佳，且每次磨煤機(jī)的啟停都會(huì)造成系統(tǒng)的大幅波動(dòng)。因此，公司引進(jìn)了針對(duì)煤粉爐裝置生產(chǎn)過程的在線優(yōu)化控制系統(tǒng)，優(yōu)化工藝指標(biāo)，提高鍋爐的燃燒效率，提高自動(dòng)化水平，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 工藝過程簡(jiǎn)述與控制需求

公司11#鍋爐型號(hào)為UG-130/9.8-M4，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為130t/h，屬于典型的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，所產(chǎn)蒸汽在用于發(fā)電的同時(shí)還滿足全廠所有生產(chǎn)裝置的用汽需求。鍋爐為單鍋筒、集中下降管、自然循環(huán)、“П”形布置的固態(tài)排渣煤粉爐。爐膛采用膜式水冷壁，水平煙道裝設(shè)了兩級(jí)對(duì)流過熱器，采用給水噴水減溫。尾部豎井煙道中交錯(cuò)布置兩級(jí)省煤器和兩級(jí)空氣預(yù)熱器，在高溫空預(yù)器和低溫省煤器之間布置有SCR脫硝裝置。

目前，鍋爐已采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集散控制，但主要工藝指標(biāo)控制仍以人工為主，目前存在如下問題：

a.每次制粉系統(tǒng)的啟停都會(huì)造成系統(tǒng)大幅波動(dòng)，系統(tǒng)快速平穩(wěn)受限于操作人員的操作水平，而操作人員水平參差不齊，給鍋爐的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)。

b.鍋爐負(fù)荷調(diào)整的過程全部由人工完成，操作勞動(dòng)強(qiáng)度大。

c.鍋爐燃燒系統(tǒng)是整個(gè)鍋爐的核心部分，既要保證燃料的完全燃燒，又要確保安全和節(jié)能。燃燒系統(tǒng)在控制爐膛溫度、爐膛負(fù)壓及爐膛氧含量等工藝參數(shù)的同時(shí)，需要確保給煤系統(tǒng)通暢和一級(jí)減溫器入口不超溫。目前，控制回路仍以人工經(jīng)驗(yàn)操作為主，整體自動(dòng)化水平偏低，由于外界負(fù)荷波動(dòng)頻繁，煙氣含氧量、主蒸汽壓力、溫度及SO2、NOx含量等關(guān)鍵工藝指標(biāo)難以得到較好的控制，運(yùn)行平穩(wěn)性不佳。

d.煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)控制已有自動(dòng)控制回路，但負(fù)荷波動(dòng)過程中，常規(guī)控制難以解決滯后和干擾問題，導(dǎo)致波動(dòng)較大。

綜上，公司引進(jìn)浙江某公司的在線優(yōu)化控制軟件包，結(jié)合鍋爐過程的控制思路和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了鍋爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓及SO2、NOx含量等關(guān)鍵工藝參數(shù)的平穩(wěn)性控制，提高鍋爐燃燒效率，同時(shí)對(duì)磨煤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一鍵啟停，大幅降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 在線優(yōu)化控制系統(tǒng)控制策略

2.1 磨煤機(jī)控制策略

一鍵啟停磨煤機(jī)控制系統(tǒng)。優(yōu)化控制系統(tǒng)通過工況識(shí)別，根據(jù)操作規(guī)程，實(shí)現(xiàn)制粉系統(tǒng)的一鍵智能啟停操作，其控制策略架構(gòu)如圖1所示。在啟停過程中，控制系統(tǒng)能自適應(yīng)控制好主管蒸汽壓力、NOx含量及氧含量等各項(xiàng)指標(biāo)，使整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)性比手工操作高出50%以上，并且統(tǒng)一了4個(gè)運(yùn)行班組的操作手法。

圖1 制粉系統(tǒng)控制策略架構(gòu)

磨煤機(jī)出口溫度、入口負(fù)壓、壓差工藝指標(biāo)的控制方式為：卡邊磨煤機(jī)的煤粉溫度按下限操作，壓差為約束條件，使磨煤機(jī)最大負(fù)荷運(yùn)行，達(dá)到省電的目的。用給煤量控制磨煤機(jī)出口溫度，熱風(fēng)門控制磨煤機(jī)入口負(fù)壓，其穩(wěn)定性比常規(guī)操作提高了30%以上。

2.2 燃燒控制策略

建立熱電鍋爐燃燒多變量模型約束控制器，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)給煤量、總風(fēng)量及引風(fēng)量等操作手段，維持合適的給煤量和送風(fēng)量（風(fēng)煤比），實(shí)現(xiàn)爐膛溫度、煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓、主蒸汽壓力及主蒸汽流量等工藝指標(biāo)的平穩(wěn)控制，使鍋爐汽包蒸發(fā)量快速滿足負(fù)荷變化的要求，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)和汽輪機(jī)對(duì)蒸汽需求量與鍋爐供氣量的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

控制器中，根據(jù)各被控變量的重要程度劃分優(yōu)先級(jí)，并綜合變量之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和滯后因素，在保證鍋爐運(yùn)行安全的前提下，通過對(duì)各操作變量的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)工藝指標(biāo)的平穩(wěn)控制，實(shí)現(xiàn)安全燃燒，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，并為優(yōu)化節(jié)能創(chuàng)造條件。燃燒系統(tǒng)控制策略架構(gòu)如圖2所示。

圖2 燃燒系統(tǒng)控制策略架構(gòu)

主蒸汽壓力控制系統(tǒng)。以蒸汽產(chǎn)量上限為第一優(yōu)先級(jí)，即當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷超標(biāo)后，不管總管壓力多少，先減負(fù)荷；通過智能分配上/中/下層給粉量，實(shí)現(xiàn)對(duì)主蒸汽壓力的平穩(wěn)控制；通過風(fēng)粉溫度的高低，調(diào)節(jié)給粉器變頻，智能分配給粉量。

爐膛氧含量控制系統(tǒng)。先進(jìn)控制系統(tǒng)首先保證一次風(fēng)壓穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)二次風(fēng)各風(fēng)門的風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛氧含量的平穩(wěn)控制。

一次風(fēng)壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)。煤粉爐大多數(shù)采用液耦進(jìn)行送風(fēng)調(diào)節(jié)，由于液耦存在很大的 “死區(qū)”，常規(guī)控制不能實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此通過基本算法和特殊處理，解決了液耦“大死區(qū)”這一難題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的一次風(fēng)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)。

給煤器風(fēng)粉平衡控制系統(tǒng)。以風(fēng)粉溫度表征風(fēng)粉量作為控制依據(jù)，以上/中/下各層的平均溫度為基準(zhǔn)值，根據(jù)主蒸汽主管壓力，當(dāng)需要減粉時(shí)，風(fēng)粉溫度低的給煤器減少最多，風(fēng)粉溫度最高的減少最少或者不減，反之類推。最終使各層風(fēng)粉溫度差值接近0，達(dá)到平衡風(fēng)粉給煤器的目的。

升降負(fù)荷控制系統(tǒng)。根據(jù)鍋爐熱效率算法，先算出升降負(fù)荷需要增減的風(fēng)粉量，提前逐漸增減一次風(fēng)壓、風(fēng)粉溫度，從而達(dá)到預(yù)期的升降負(fù)荷要求。實(shí)現(xiàn)智能升降負(fù)荷后，升降負(fù)荷過程的穩(wěn)定性提高了40%以上。

二次風(fēng)量控制系統(tǒng)。通過各風(fēng)門，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速、流量的量化控制。根據(jù)爐膛氧含量指標(biāo)要求，以生產(chǎn)負(fù)荷為前饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速、流量的定量調(diào)節(jié)，滿足爐膛低氮燃燒的要求。

3 優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)架構(gòu)

鍋爐優(yōu)化控制器運(yùn)行在優(yōu)化控制系統(tǒng)上位機(jī)中，優(yōu)化系統(tǒng)上位機(jī)通過網(wǎng)卡與安裝有OPC Server接口軟件的DCS系統(tǒng)操作站連接，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制系統(tǒng)上位機(jī)與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)雙向通信，滿足優(yōu)化系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)的讀寫功能，如圖3所示。