循环流化床锅炉 APC优化控制的研究与应用

循环流化床锅炉 APC优化控制的研究与应用

薛雷

山东省淄博市齐鲁石化运行维护中心 山东淄博 255400

摘要：目前，循环流化床燃烧控制技术已经成为了一种相对完善并且得到实用的燃烧技术。但国内现阶段使用中的循环流化床锅炉，其自动化程度相对较低。通过APC（Advanced Process Control先进过程控制）锅炉燃烧优化自动控制的系统，对锅炉燃烧过程中的煤量和风量进行优化，有效地解决CFB(循环流化床锅炉)燃烧系统问题，实现锅炉的全自动免干预运行（50%--100%负荷），保证运行参数压红线运行，实现降低劳动强度、减员增效，最主要的是可以提高锅炉的经济效益1.0%以上，实现节能减排。

1引言

齐鲁石化热电厂二化动力站#1锅炉是240t/h CFB锅炉，DCS 系统采用霍尼韦尔的DCS系统，优化前存在以下问题：(1）、一部分控制回路处于手动控制，运行人员劳动强度大，工艺参数控制不稳定；(2)、运行人员操作技能不同，锅炉的调整方式不同，特别是在夜间，操作频次减少，参数控制精度较差，锅炉效率得不到保证(3)、给水母管采用母管制给水方式，变负荷时母管压力调节不及时，存在抢水的问题；（4）、化工装置负荷波动时母管压力产生波动，锅炉负荷亦随着波动；（5）、无法保证最优的风煤配比以及最佳一二次风配比，煤种发生变化引起配风失调导致锅炉效率不高。为响应国家节能减排号召，解决燃烧系统自动控制存在的问题，2020年由烟台锐控自动化控制工程公司采用外挂APC的方式对#1锅炉的相关自动控制回路进行调试与优化，降低单位蒸汽量的燃煤、厂用电耗的形成，实现节能目标。

2先进控制方案

2.1系统架构

APC控制系统与原DCS系统采用通讯外挂的方式来实现信号通讯。除了接口程序外（改动量很小），原DCS系统组态不做任何修改，以保证原DCS系统的完整性与安全性。APC控制系统所有需要的信号全部来自DCS系统，不需要再增加任何现场仪表。为了提高通讯的实时性和优化控制系统的可靠性，通讯服务器与优化控制服务器为同一台服务器。优化服务器需要安装“OPC客户端软件”，负责与原DCS系统实现数据的双向通讯。原DCS系统需要安装“OPC服务器软件”，负责与APC系统实现数据的双向通讯。优化服务器需要安装“HOLLiAS MACS-OPT 优化控制专用软件”，负责锅炉优化控制算法的执行。主要的控制回路包括：给水自动、减温自动、燃料自动、引风自动、一次风自动、二次风自动，排渣自动等。APC控制系统整体框架如图1所示。

图1 APC优化控制系统整体框架示意图

2.2优化策略

锅炉的燃烧过程是一个极其复杂的化学过程与物理传热过程，锅炉的燃料量、送风量、引风量的控制具有强耦合、非线性、多变性、大滞后等特点，所以整个燃烧系统的控制必须协调控制才能保证锅炉负荷、压力、氧量、温度、负压的稳定。针对锅炉燃烧系统的这种特殊性，优化控制系统的研发集成了多变量自适应控制器、智能仿人工控制策略、预测控制、模糊控制、自动寻优、反馈校正等核心技术，真正实现了锅炉在正常工况与异常工况下的全自动运行。优化控制系统输入输出原理图如图2所示：

图2优化控制系统原理图

2.2.1多变量自适应优化控制器

多变量自适应优化控制器是基于数学控制理论研发的，与传统PID控制思想类似，但其性能却远高于传统PID，具有多变量输入、参数模型在线自适应、计算效率高等特点。特别适用于燃料控制回路，因为锅炉的入炉燃煤的成分（灰份、水份、硫份、挥发份等）是时刻在变化的，并不是单一化学原料，所以当煤质发生变化时，整个燃烧过程就会发生变化，如果参数模型不能自动适用煤种的变化，那么燃料回路的调整就会偏离实际需要的状态。所以引入多变量自适应优化控制器可以很好的解决煤种发生变化的自适应调节，具体自适应优化控制器的数学模型及传递函数。

2.2.2引风自动调节安全策略

锅炉运行过程中，引风机的可靠运行是保证锅炉安全燃烧的最主要因素。故而在大多数热电厂，由于引风机是挡板调节，考虑到安全因素运行人员宁可选择手动调节引风机的调节系统。针对运行人员对投入引风机调节系统顾虑的问题，优化控制系统中使用了引风自动调节安全策略，保证了引风调节系统的安全性，主要包括：设置自动调节系统指令限制自投切算法；设置暂态/稳态区域，抑制系统的自振；设置双侧风机负荷（电流）自平衡系统，防止风机进入失速区域；前馈回路专家策略，快速消除内外扰动。

2.2.3燃料预测优化控制

在燃烧系统进入相对稳态时，即同时满足下列条件:主蒸汽压力设定值与测量值调节偏差小于0.02MPa；主蒸汽流量设定值与测量值调节偏差小于2t/h；锅炉含氧量设定值与测量值调节偏差小于0.5%；锅炉平均床温设定值与测量值调节偏差小于3℃；当4个条件同时满足时，此时系统自动记忆当前的主蒸汽流量和煤量，并自动计算预测单位煤量产汽率F0，并且FO是连续滚动优化的动态数据。通过单位煤量产汽率F0指导煤量控制，既保证了系统稳态时调节的稳定性，又增加了系统响应外界负荷的速度和准确度。

3 实施应用状况

针对二化动力站装置实际运行过程中存在的实际问题，采取的主要优化策略与技术方案：

（1）利用预测控制、模糊控制与软测量技术根据外界负荷的需求变化精确控制给煤量，防止欠调或者过调导致的负荷和母管压力波动大。

（2）利用预测控制、智能控制与自动寻优技术保证最优的风煤配比以及最佳一二次风配比，防止煤种发生变化引起配风失调导致锅炉效率不高。

（3）通过APC系统的精细化的稳定控制，尽量降低单位蒸汽量的燃煤、厂用电耗和氮氧化物的形成，实现预期的节能目标。

通过进行手/自动控制效果的对比，我们可以看到，在投燃烧自动时，锅炉的多项指标都要优于手动控制，锅炉手动/自动控制状态下。

4 结果与讨论

目前，通过APC锅炉燃烧优化自动控制的系统，有效地解决CFB锅炉燃烧系统问题，实现锅炉的全自动免干预运行（50%--100%负荷），保证运行参数压红线运行，实现降低劳动强度、减员增效，最主要的是可以提高锅炉的经济效益1.0%以上，实现节能减排：

实现锅炉全自动优化运行，自动投入率不低于98%，降低工人劳动强度，提高安全生产水平。

在工艺和设备正常情况下，实现重点工艺指标合格率均在99%以上，实现各控制指标波动比手动调节降低30%以上，各工艺指标控制平稳，减少波动。系统自动调整，减少误操作，从而减少操作事故停机。

实现锅炉经济运行：在实现全自动燃烧的基础上实现锅炉给煤、一次风、二次风、排渣的二维优化以实现锅炉的最经济运行。

我公司1台240T/H循环流化床锅炉利用这套控制系统，通过工程实施和调试，实现了锅炉燃烧过程的自动控制，达到了提高锅炉运行自动化程度、节能降耗和平稳运行的目的。

参考文献：

[1]《大型循环流化床锅炉运行优化及改进》 杨建球 曾庭 中国电力出版社

[2]《先进控制理论及其应用》 葛宝明 机械工业出版社

[3]《无辩识自适应控制器》 江青茵.北京:中国电力出版社