论文部分内容阅读
摘要：赤峰热电厂B厂2台循环流化床（简称CFB）锅炉燃烧过程的自动控制成为难点，通过开发CFB锅炉燃烧过程在线的粒子浓度智能调优系统，以实现控制回路全部自动控制及实现机炉的协调控制，来提高机组的安全经济运行。
关键词：CFB锅炉；燃烧控制系统；优化；提高；经济性
作者简介：赵长宇（1972-），男，内蒙古赤峰人，华北电力大学经济与管理学院硕士研究生（北京 102206），赤峰新城热电项目工程部主任，工程师；陈东升（1975-），男，内蒙古赤峰人，赤峰热电厂生产技术部副主任，工程师。（内蒙古 赤峰 024001）
中图分类号：TK229.6 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0111-02
目前由于CFB锅炉燃烧过程是一个具有非线性、大滞后、多耦合特性的复杂过程，使CFB锅炉燃烧过程的自动控制成为难点。目前我厂 2台CFB锅炉投入商业运行，但燃烧过程自控系统的投用率很低，这不仅增加了操作难度，也使锅炉自动系统没有实现设计要求。由于自动控制系统无法投运，进一步的优化燃烧和协调控制也无从谈起。但如今能源紧张，煤价飞涨，如何改善锅炉的燃烧过程，更好地满足电网对机组负荷调度要求的需要，改善自动调节品质，满足机组经济安全运行的需要，实现节能降耗和深化清洁燃烧效果，提高机组自动化水平，降低企业生产运行成本，提高经济效益，实现真正的清洁燃烧，无疑是一件意义重大、十分迫切的工作。
一、改造的必要性
赤峰热电厂 1、2号机组从投产发电以来，暴露了一些比较难以解决的问题，如因锅炉燃烧过程的非线性、大滞后、多耦合、厂用煤品质多变等特性，造成DCS无法实现风量和燃料的自动控制，自动投入率很低。如今能源紧张，煤价飞涨，如何改善锅炉的燃烧过程，提高经济效益，实现真正的清洁燃烧，无疑是一件意义重大、十分迫切的工作。由于操作人员各自技术水平的差异性，导致机组不能稳定长期经济运行，而且手动操作能耗较高。为实现节能降耗和深化清洁燃烧效果，提高循环流化床机组运行水平，提高机组自动投入率，降低企业生产成本，所以有必要尽早改造。
二、项目改造的可行性
CFB锅炉的燃烧机理极其复杂，影响因素众多。本项目以XD-APC工业先进控制软件作为开发平台，利用其所自带的无辩识自适应控制器解决CFB锅炉煤质多变特性，配合预估控制器解决大滞后、非线性问题，实现燃烧自动控制。要实现CFB锅炉的优化控制，则需要我们能抓住主要矛盾；在循环流化床锅炉的燃烧过程中，炉膛的粒子浓度是表征燃烧状况的重要参数，适当的粒子浓度可以产生高燃烧效率；同时粒子浓度也是影响受热面传热效率的重要因素。因此，控制粒子浓度，可以说是抓住了循环流化床锅炉燃烧过程的关键。但粒子浓度不可测，因此本方案首先通过CFB锅炉燃烧过程和汽水系统的动态建模，通过数学模型构造粒子浓度观测器和调优模型，进而采用我们独创的自组织智能调优技术开发在线的实时调优系统。其中：A、动态机理模型要正确反映CFB锅炉的燃烧特性，包含几个基本点：床内残碳动态积累和燃烧动力学过程；原料煤带入的挥发份、灰度的释放及燃烧过程；固体物质在床内的动态积累过程和效应；给煤、给风、加料和排渣等操作量对密相区、稀相区粒子浓度的形成影响及其对流动、传热、燃烧及能量平衡的作用关系；B、在建模基础上，结合具体工业装置，寻找合适的在线求解算法，开发CFB燃烧过程的燃烧颗粒粒子浓度在线观测系统，目的是实现CFB锅炉燃烧过程密相区和稀相区粒子浓度的在线实时观测计算。首先进行仿真验证，然后在具体工业装置上实施这一在线观测系统。C、在A，B基础上，以CFB锅炉燃烧过程的粒子浓度为优化对象，以风煤比、一次风与二次风比率、回料量为主要调控手段，并结合已开发的CFB无辨识自适应先进控制系统，采用独创的自组织调优技术，开发CFB锅炉燃烧过程在线的粒子浓度智能调优系统。
1.无辨识自适应控制技术构造先进控制器（简称IFAP）
IFAP控制技术是我们独创的控制技术，该项控制技术的特点是：实施容易，适应各种流程和工艺，投运后无需在整定参数，能自动适应操作参数和工艺参数的变化。独创的预估搜寻技术，该技术解决控制中的的大滞后、强偶合等问题，一来可以较为准确的预估被控过程的变化趋势，同时可以适应纯滞后时间变化；无辨识自适应控制（IFA）技术基于几何控制理论，其控制思想由国外学者在二十世纪八十年代提出。特点是：与传统的PID控制类似，计算量小，实施容易，可适应各种流程和工艺。但不同于传统PID控制的是可以自动确定控制参数，投运后无需人工整定参数，控制器能自动适应操作参数和各种工艺参数的变化。在计算机控制中的PID控制常采用下述离散算法这里为控制器输出的增量，为控制器偏差，需要整定的控制器参数为δ（比例带）或Kp=1/δ（比例系数）、TI（积分时间）和TD（微分时间），工艺变化后若原控制参数不变，则会影响控制品质甚至造成不稳定。IFA控制采用下述PSD算式其中依据几何原理在线自动整定，无需人工干涉。同时控制器参数的确定过程不需要过程模型的辨识，这样可避免在线辨识带来的不稳定因素，增加了系统的可靠性。该技术原只为仿真结果，经我们改造后可适用复杂的工业流程，并加入预估算法可用于大纯滞后过程的控制（在石油化工过程应用时，最大纯滞后时间可达30分钟）。
2.基于因素空间的模糊故障诊断技术
系统故障诊断包括工艺故障诊断和仪表故障诊断，同时配置了一个简单的专家系统对上述故障进行在线处理和报警，以保证闭环系统的安全。
3.自组织调优技术
本技术于1995年已成功在炼油催化裂化装置上使用，并已经成功在多家440T/HCFBB上投入使用，均获得成功。
通过上述论述可以得出，无辨识自适应预估控制技术、基于因素分析的模糊故障诊断技术和基于自组织理论的自适应智能调优技术用于具体的CFB锅炉装置的实际控制，可实现CFB锅炉床层温度的闭环自适应预估控制，可以在不同煤质情况下自动调整参数，维持稳定的闭环控制，与其他控制系统相比有着明显技术优势，达到国际先进水平。技术指标：（1）在工况变化和燃煤品质变化时，控制系统可以不用重新调整控制参数也能维持稳定的闭环控制。（2）蒸汽压力、蒸汽温度以及炉膛温度、床层温度和压力等主要控制目标达到或超过锅炉设计的常规控制指标；（3）故障诊断系统正确诊出率超过99％，保证控制系统的安全；（4）通过稳定燃烧控制系统、优化锅炉控制过程，与手动控制相比节能1%以上。
三、改造方案论证
1.概述
优化控制系统采用自行研制的XD-APC优化控制组态软件包（含实时数据库、OPC客户端通讯软件）作为实施平台，实施优化控制系统所需要增加的硬件设备为：用于运行XD-APC优化控制组态软件的工控机一台（下面简称为APC-T）和网卡、集线器等网络连接设备；所需要的现场条件：设备运行正常，执行机构可以正常使用。
440T/H循环流化床锅炉优化控制系统将在自行开发的循环流化床专利控制技术基础上，结合本装置的具体特点设计具体实施方案。主要包括以下控制回路：一次风控制回路、二次风及氧量控制回路、引风控制回路、主汽压力控制回路和负荷协调控制回路。主要控制目标是：在现场设备无故障的情况下，实现上述控制回路全部自动控制，实现机炉协调控制，提高机组安全经济运行。
2.XD-APC软件与DCS系统的通讯方案
XD-APC软件为加挂在DCS系统上的上位软件，软件本身并不直接与现场硬件设备发生任何联系，而是通过DCS系统输入输出数据。因此首先需解决XD-APC软件与DCS 系统的数据通讯问题。由于原有DCS本身具有OPCSERVER功能，只要在OPCSERVER中配置相应的点，即可方便的取得现场数据，而不需要更改现场硬件设备。
采用OPC通讯方式，即在DCS系统上安装OPC服务器软件，XD-APC软件通过OPC客户端服务模块与DCS通讯。实时运行时启动OPC服务进程，XD-APC软件通过自带的OPC客户模块与DCS网络上的OPC服务器相连，通过OPC服务器读取最新的实时测量数据，并将输出数据送给OPC服务器，再由OPC服务器将数据实时地写入DCS上相应的I/O点。
采用OPC通讯方式最大优点是安全可靠，不需要修改DCS系统的原有组态方案，如此才可以实现优化控制系统的“外挂”，不会因为优化控制系统的实施影响原有的DCS功能。同时OPC服务也可为未来的管理系统提供数据通讯接口。
四、工程改造后效果
在工程师站安装一台工控机，安装OPC SERVER软件，通过交换机来传送数据。
改造后：
（1）实现蒸汽压力、负荷的自动调节：在煤质变化等干扰因素的影响下，维持负荷、蒸汽压力的平稳，工况稳定时，负荷误差控制在给定值的+3WM以内，工况变化大时，负荷误差控制在设计允许范围内。
（2）实现燃烧过程的主汽温度、一次风量、二次风量、引风和氧量的自动控制，目标是自动调节燃烧过程所需的风量，维持烟气含氧量在合适的范围，保持炉膛负压的稳定，并确保燃烧及负荷控制的需求。
（3）具有故障诊断和自动切换功能，当锅炉系统出现主要仪表和设备故障时能自动切换到DCS手动状态，切换达到无扰动切换。
（4）实现机炉协调控制，在实现自动调整负荷的同时，确保主汽压力的控制误差<±0.4MPa，负荷调整速率>1.5MW/min。
（5）在设备无故障时，实现自动投运率达到100%。
（6）锅炉总体节能1％以上（按投用前后的发电耗煤量进行比较）。
五、结论
赤峰热电厂 B厂 2台CFB锅炉经过燃烧控制系统优化改造后，系统运行稳定，该系统为闭环系统，操作工仅需要处理异常事故，大大降低劳动强度，加上系统自带的强大故障诊断系统，大大减少人为事故率，而系统投运，使得锅炉燃烧稳定，减少设备损耗。主要表现在：
（1）实现蒸汽压力、负荷的自动调节：在煤质变化等干扰因素的影响下，维持负荷、蒸汽压力的平稳，工况稳定时，负荷误差控制在给定值的±3WM以内，工况变化大时，负荷误差控制在设计允许范围内。
（2）实现燃烧过程的主汽温度、一次风量、二次风量、引风和氧量的自动控制，目标是自动调节燃烧过程所需的风量，维持烟气含氧量在合适的范围，保持炉膛负压的稳定，并确保燃烧及负荷控制的需求。
（3）具有故障诊断和自动切换功能，当锅炉系统出现主要仪表和设备故障时能自动切换到DCS手动状态，切换达到无扰动切换。
（4）实现机炉协调控制，在实现自动调整负荷的同时，确保主汽压力的控制误差<±0.4MPa，负荷调整速率>1.5MW/min。
（5）在设备无故障时，实现自动投运率达到100%。
（6）锅炉总体节能1％以上（按投用前后的发电耗煤量进行比较），保证机组安全稳定运行。
参考文献：
[1]朱皑强,芮新红.循环流化床锅炉设备及系统[M].北京:中国电力出版社,2008.
[2]蒋敏华,肖平.大型循环流化床锅炉技术[M].北京:中国电力出版社,2009.
[3]林宗虎.循环流化床锅炉[M].北京:化学工业出版社,2004.
（责任编辑：麻剑飞）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：CFB锅炉；燃烧控制系统；优化；提高；经济性
作者简介：赵长宇（1972-），男，内蒙古赤峰人，华北电力大学经济与管理学院硕士研究生（北京 102206），赤峰新城热电项目工程部主任，工程师；陈东升（1975-），男，内蒙古赤峰人，赤峰热电厂生产技术部副主任，工程师。（内蒙古 赤峰 024001）
中图分类号：TK229.6 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0111-02
目前由于CFB锅炉燃烧过程是一个具有非线性、大滞后、多耦合特性的复杂过程，使CFB锅炉燃烧过程的自动控制成为难点。目前我厂 2台CFB锅炉投入商业运行，但燃烧过程自控系统的投用率很低，这不仅增加了操作难度，也使锅炉自动系统没有实现设计要求。由于自动控制系统无法投运，进一步的优化燃烧和协调控制也无从谈起。但如今能源紧张，煤价飞涨，如何改善锅炉的燃烧过程，更好地满足电网对机组负荷调度要求的需要，改善自动调节品质，满足机组经济安全运行的需要，实现节能降耗和深化清洁燃烧效果，提高机组自动化水平，降低企业生产运行成本，提高经济效益，实现真正的清洁燃烧，无疑是一件意义重大、十分迫切的工作。
一、改造的必要性
赤峰热电厂 1、2号机组从投产发电以来，暴露了一些比较难以解决的问题，如因锅炉燃烧过程的非线性、大滞后、多耦合、厂用煤品质多变等特性，造成DCS无法实现风量和燃料的自动控制，自动投入率很低。如今能源紧张，煤价飞涨，如何改善锅炉的燃烧过程，提高经济效益，实现真正的清洁燃烧，无疑是一件意义重大、十分迫切的工作。由于操作人员各自技术水平的差异性，导致机组不能稳定长期经济运行，而且手动操作能耗较高。为实现节能降耗和深化清洁燃烧效果，提高循环流化床机组运行水平，提高机组自动投入率，降低企业生产成本，所以有必要尽早改造。
二、项目改造的可行性
CFB锅炉的燃烧机理极其复杂，影响因素众多。本项目以XD-APC工业先进控制软件作为开发平台，利用其所自带的无辩识自适应控制器解决CFB锅炉煤质多变特性，配合预估控制器解决大滞后、非线性问题，实现燃烧自动控制。要实现CFB锅炉的优化控制，则需要我们能抓住主要矛盾；在循环流化床锅炉的燃烧过程中，炉膛的粒子浓度是表征燃烧状况的重要参数，适当的粒子浓度可以产生高燃烧效率；同时粒子浓度也是影响受热面传热效率的重要因素。因此，控制粒子浓度，可以说是抓住了循环流化床锅炉燃烧过程的关键。但粒子浓度不可测，因此本方案首先通过CFB锅炉燃烧过程和汽水系统的动态建模，通过数学模型构造粒子浓度观测器和调优模型，进而采用我们独创的自组织智能调优技术开发在线的实时调优系统。其中：A、动态机理模型要正确反映CFB锅炉的燃烧特性，包含几个基本点：床内残碳动态积累和燃烧动力学过程；原料煤带入的挥发份、灰度的释放及燃烧过程；固体物质在床内的动态积累过程和效应；给煤、给风、加料和排渣等操作量对密相区、稀相区粒子浓度的形成影响及其对流动、传热、燃烧及能量平衡的作用关系；B、在建模基础上，结合具体工业装置，寻找合适的在线求解算法，开发CFB燃烧过程的燃烧颗粒粒子浓度在线观测系统，目的是实现CFB锅炉燃烧过程密相区和稀相区粒子浓度的在线实时观测计算。首先进行仿真验证，然后在具体工业装置上实施这一在线观测系统。C、在A，B基础上，以CFB锅炉燃烧过程的粒子浓度为优化对象，以风煤比、一次风与二次风比率、回料量为主要调控手段，并结合已开发的CFB无辨识自适应先进控制系统，采用独创的自组织调优技术，开发CFB锅炉燃烧过程在线的粒子浓度智能调优系统。
1.无辨识自适应控制技术构造先进控制器（简称IFAP）
IFAP控制技术是我们独创的控制技术，该项控制技术的特点是：实施容易，适应各种流程和工艺，投运后无需在整定参数，能自动适应操作参数和工艺参数的变化。独创的预估搜寻技术，该技术解决控制中的的大滞后、强偶合等问题，一来可以较为准确的预估被控过程的变化趋势，同时可以适应纯滞后时间变化；无辨识自适应控制（IFA）技术基于几何控制理论，其控制思想由国外学者在二十世纪八十年代提出。特点是：与传统的PID控制类似，计算量小，实施容易，可适应各种流程和工艺。但不同于传统PID控制的是可以自动确定控制参数，投运后无需人工整定参数，控制器能自动适应操作参数和各种工艺参数的变化。在计算机控制中的PID控制常采用下述离散算法这里为控制器输出的增量，为控制器偏差，需要整定的控制器参数为δ（比例带）或Kp=1/δ（比例系数）、TI（积分时间）和TD（微分时间），工艺变化后若原控制参数不变，则会影响控制品质甚至造成不稳定。IFA控制采用下述PSD算式其中依据几何原理在线自动整定，无需人工干涉。同时控制器参数的确定过程不需要过程模型的辨识，这样可避免在线辨识带来的不稳定因素，增加了系统的可靠性。该技术原只为仿真结果，经我们改造后可适用复杂的工业流程，并加入预估算法可用于大纯滞后过程的控制（在石油化工过程应用时，最大纯滞后时间可达30分钟）。
2.基于因素空间的模糊故障诊断技术
系统故障诊断包括工艺故障诊断和仪表故障诊断，同时配置了一个简单的专家系统对上述故障进行在线处理和报警，以保证闭环系统的安全。
3.自组织调优技术
本技术于1995年已成功在炼油催化裂化装置上使用，并已经成功在多家440T/HCFBB上投入使用，均获得成功。
通过上述论述可以得出，无辨识自适应预估控制技术、基于因素分析的模糊故障诊断技术和基于自组织理论的自适应智能调优技术用于具体的CFB锅炉装置的实际控制，可实现CFB锅炉床层温度的闭环自适应预估控制，可以在不同煤质情况下自动调整参数，维持稳定的闭环控制，与其他控制系统相比有着明显技术优势，达到国际先进水平。技术指标：（1）在工况变化和燃煤品质变化时，控制系统可以不用重新调整控制参数也能维持稳定的闭环控制。（2）蒸汽压力、蒸汽温度以及炉膛温度、床层温度和压力等主要控制目标达到或超过锅炉设计的常规控制指标；（3）故障诊断系统正确诊出率超过99％，保证控制系统的安全；（4）通过稳定燃烧控制系统、优化锅炉控制过程，与手动控制相比节能1%以上。
三、改造方案论证
1.概述
优化控制系统采用自行研制的XD-APC优化控制组态软件包（含实时数据库、OPC客户端通讯软件）作为实施平台，实施优化控制系统所需要增加的硬件设备为：用于运行XD-APC优化控制组态软件的工控机一台（下面简称为APC-T）和网卡、集线器等网络连接设备；所需要的现场条件：设备运行正常，执行机构可以正常使用。
440T/H循环流化床锅炉优化控制系统将在自行开发的循环流化床专利控制技术基础上，结合本装置的具体特点设计具体实施方案。主要包括以下控制回路：一次风控制回路、二次风及氧量控制回路、引风控制回路、主汽压力控制回路和负荷协调控制回路。主要控制目标是：在现场设备无故障的情况下，实现上述控制回路全部自动控制，实现机炉协调控制，提高机组安全经济运行。
2.XD-APC软件与DCS系统的通讯方案
XD-APC软件为加挂在DCS系统上的上位软件，软件本身并不直接与现场硬件设备发生任何联系，而是通过DCS系统输入输出数据。因此首先需解决XD-APC软件与DCS 系统的数据通讯问题。由于原有DCS本身具有OPCSERVER功能，只要在OPCSERVER中配置相应的点，即可方便的取得现场数据，而不需要更改现场硬件设备。
采用OPC通讯方式，即在DCS系统上安装OPC服务器软件，XD-APC软件通过OPC客户端服务模块与DCS通讯。实时运行时启动OPC服务进程，XD-APC软件通过自带的OPC客户模块与DCS网络上的OPC服务器相连，通过OPC服务器读取最新的实时测量数据，并将输出数据送给OPC服务器，再由OPC服务器将数据实时地写入DCS上相应的I/O点。
采用OPC通讯方式最大优点是安全可靠，不需要修改DCS系统的原有组态方案，如此才可以实现优化控制系统的“外挂”，不会因为优化控制系统的实施影响原有的DCS功能。同时OPC服务也可为未来的管理系统提供数据通讯接口。
四、工程改造后效果
在工程师站安装一台工控机，安装OPC SERVER软件，通过交换机来传送数据。
改造后：
（1）实现蒸汽压力、负荷的自动调节：在煤质变化等干扰因素的影响下，维持负荷、蒸汽压力的平稳，工况稳定时，负荷误差控制在给定值的+3WM以内，工况变化大时，负荷误差控制在设计允许范围内。
（2）实现燃烧过程的主汽温度、一次风量、二次风量、引风和氧量的自动控制，目标是自动调节燃烧过程所需的风量，维持烟气含氧量在合适的范围，保持炉膛负压的稳定，并确保燃烧及负荷控制的需求。
（3）具有故障诊断和自动切换功能，当锅炉系统出现主要仪表和设备故障时能自动切换到DCS手动状态，切换达到无扰动切换。
（4）实现机炉协调控制，在实现自动调整负荷的同时，确保主汽压力的控制误差<±0.4MPa，负荷调整速率>1.5MW/min。
（5）在设备无故障时，实现自动投运率达到100%。
（6）锅炉总体节能1％以上（按投用前后的发电耗煤量进行比较）。
五、结论
赤峰热电厂 B厂 2台CFB锅炉经过燃烧控制系统优化改造后，系统运行稳定，该系统为闭环系统，操作工仅需要处理异常事故，大大降低劳动强度，加上系统自带的强大故障诊断系统，大大减少人为事故率，而系统投运，使得锅炉燃烧稳定，减少设备损耗。主要表现在：
（1）实现蒸汽压力、负荷的自动调节：在煤质变化等干扰因素的影响下，维持负荷、蒸汽压力的平稳，工况稳定时，负荷误差控制在给定值的±3WM以内，工况变化大时，负荷误差控制在设计允许范围内。
（2）实现燃烧过程的主汽温度、一次风量、二次风量、引风和氧量的自动控制，目标是自动调节燃烧过程所需的风量，维持烟气含氧量在合适的范围，保持炉膛负压的稳定，并确保燃烧及负荷控制的需求。
（3）具有故障诊断和自动切换功能，当锅炉系统出现主要仪表和设备故障时能自动切换到DCS手动状态，切换达到无扰动切换。
（4）实现机炉协调控制，在实现自动调整负荷的同时，确保主汽压力的控制误差<±0.4MPa，负荷调整速率>1.5MW/min。
（5）在设备无故障时，实现自动投运率达到100%。
（6）锅炉总体节能1％以上（按投用前后的发电耗煤量进行比较），保证机组安全稳定运行。
参考文献：
[1]朱皑强,芮新红.循环流化床锅炉设备及系统[M].北京:中国电力出版社,2008.
[2]蒋敏华,肖平.大型循环流化床锅炉技术[M].北京:中国电力出版社,2009.
[3]林宗虎.循环流化床锅炉[M].北京:化学工业出版社,2004.
（责任编辑：麻剑飞）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文