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1、专业服务，创造价值 循环流化床锅炉APC先进过程优化控制解决方案2013-11-131 公司简介集团（中控）始创于是中国领先的自动化与信息化技术、产品、解决方案供应商，业务涉及工厂自动化、公用工程信息化、装备自动化等领域。公司是中控科技集团的核心成员企业，致力于工厂自动化领域的现场总线与控制系统以及流程模拟仿真系统的研究开发、生产制造、市场营销及工程服务。2 行业背景2.1 行业现状循环流化床(CFB)燃烧技术是最近几十年发展起来的一种新型燃烧技术，由于循环流化床锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、高效脱硫的特点，因此近年来有了很大的发展，我国的循环流化床也经历了小型、中型、大型三个发展阶段，循
2、环流化床能够解决我国燃烧锅炉存在包括环境问题在内的诸多现实问题，因此中国将成为循环流化床锅炉最大的商业市场。2.2 行业难点由于循环流化床锅炉燃料是在流化状态下燃烧，锅炉燃烧系统惯性大，各个变量之间相互影响，加上有飞灰循环等影响因素，因此CFB锅炉燃烧系统是一个大滞后、强耦合，多干扰的复杂非线性系统，自动燃烧优化控制难度较大，是业内公认的控制难点。鉴于循环流化床锅炉燃烧的复杂性和特殊性，对一般煤粉锅炉和其他过程控制对象行之有效的常规控制方法，已难保证循环流化床锅炉各项控制指标的实现。有别于常规控制，中控锅炉APC先进控制解决方案采用多变量模型预测控制、专家规则控制等智能控制策略，能够更好地结合
3、专家经验的同时克服系统大滞后、强耦合、多干扰等控制难点，可以较好地实现CFB锅炉系统安全高效率的燃烧自动控制，各项指标稳定度大幅提升，经济效益比较可观。3 项目可行性分析3.1 现场概述贵公司炉机系统属中小型循环流化床多炉多机系统，实行母管制运行方式。一次检测仪表性能良好，风机调节为挡板和变频控制，主汽温度挡板调节，除挡板调节死区稍大外，其余执行器调节死区小于1%，即执行器死区情况基本满足优化控制需求。流化床控制系统采用中控DCS系统，DCS上配置传统的PID自动控制回路中，汽包水位控制回路、给煤控制、一次风控制、二次风控制、引风控制、减温水控制等大部分回路，现场均由操作人员手动操作。3.2
4、优化空间3.2.1 数据分析对现场DCS数据进行取样分析，以#炉为例，数据包选取年10月1日至年10月20日，总计20天的数据，进行离线统计分析，主要分析主汽压力、主汽温度、烟氧含量、炉膛负压、床层温度、床层压差六个指标的平均值与平均波动幅度两项特性值。如下表所示：序号指标平均值平均波动范围备注1主汽压力8.3MPa+0.5Mpa2主汽温度540+0.53烟氧含量3.5%+1%氧量较低4炉膛负压10Pa+120Pa5床层温度955+15床温较高6床层压差8.9KPa+0.3KPa通过数据统计结果分析可知，由于现场燃煤的挥发分较高，氧量平均值较低，同时床温已经较高，因此燃烧效率本身提高空间就有限
5、了，但各指标的平稳度还是有提升空间的，同时通过综合调整，可适当提高锅炉的传热效率，从而进一步提升锅炉的燃烧效率。3.2.2 优化空间通过现场数据分析，包括与领导、相关技术人员、DCS技术人员的技术交流沟通，评估现场发现存在如下可提升的空间：（1） 各指标的稳定性可进一步提升，波动幅度可减少30%以上；（2） 各指标的经济运行匹配有待于进一步优化，提高锅炉效率降低煤耗，实现经济运行之目的；即，贵方现场锅炉燃烧系统存在可观的优化空间。3.3 项目可行性分析现场的现有设备，仪表，控制系统条件是否满足优化控制系统需求呢？通过现场考察分析发现，一次检测元件的性能良好，保证了测量信号的质量，在改善风量挡板
6、调节精度后，可为优化控制提供了良好的控制手段，DCS系统可以提供实时运行数据库。综上所述，我们可以得出如下结论：（1） 现场存在较大的优化空间，具备经济效益挖潜空间。（2） 现场设备、仪表、系统条件良好，满足优化控制系统需求条件。暨在对现场外围硬件设备不进行大幅改造或追加投资的情况下，现场满足实施锅炉自动燃烧控制技术的条件，能够通过对控制系统的优化提升，使得循环流化床能够全自动运行，降低运行人员劳动强度的同时，又能提高机组的经济运行能力，达到节能降耗的目的。4 中控锅炉燃烧优化控制方案4.1 PCO过程优化控制平台简介PCO平台软件是基于行业领先的技术和经验优势以及雄厚的软件研发实力和深刻的业
7、务理解开发的一套优化软件体系，是浙江中控优化解决方案的重要组成部分。它继承了浙江中控组态软件易用高效的特点，并在优化控制领域进行了深入研究。能够帮助用户减少人工操作、提高控制效果，从而达到节能、减排、增效的最终目的。PCO平台软件可以与中控AdvTrol Pro 2.5、AdvTrol Pro 2.65及Visual Field组态软件进行底层的数据通信，无需通过OPC即可进行数据的采集及写出，减少了OPC传输可能带来的安全和稳定的问题，同时也可与其他厂商系统通过OPC进行通信，做到了兼容性和稳定性的统一；严格的用户权限和操作记录功能，可以使用户方便地进行管理；与组态软件共享的流程图及报警界面
8、，让操作员在组态软件和优化软件间无缝连接；严密的安全机制，可以确保在断电或其它预料外情况下自动及时切成手动操作，保证现场的安全；精确到秒的投运率合格率统计，使用户能准确地了解当前生产状况和PCO软件带来的效益提升。PCO平台内置了功能强大的控制器和成熟的通用控制算法库，可以由工程人员根据现场项目实际情况进行配置开发，形成项目定制的专用控制模块，能够实现从回路级到设备级再到全工艺过程的全方位优化，实现从单回路优化控制到全装置的先进控制与实时优化。使用户不用了解复杂的控制方案和控制理论，不用进行繁琐的文件配置，仅关注由中控专家提炼出来的一些参数设置，就可以达到良好的控制效果。图1 PCO软件构架图
9、4.2 循环流化床锅炉APC先进过程优化控制方案锅炉APC先进过程控制解决方案是基于PCO优化控制平台，将先进控制技术用于循环流化床锅炉燃烧过程控制，使锅炉装置在优化条件下实现节能、高效、安全、稳定运行，是集现状评估分析、方案设计、系统配置选型与成套、专业软件提供、优化控制组态与调试、技术培训于一体的“交钥匙型”优化控制整体解决方案。循环流化床锅炉优化控制系统包含上下位机两部分。图2 锅炉APC先进过程控制方案框图上位机实时优化控制系统基于中控PCO过程优化控制平台，包含PCO锅炉燃烧优化控制与性能计算两部分，从而构成上位机的实时优化与在线评估计算系统；下位机为现场DCS监控系统上所做的安全联
10、锁切换，通过OPC客户/服务器功能实现与上位机的安全互动，现场执行器操作权限的在线切换。4.2.1 PCO先控平台MCC母管协调控制主蒸汽母管压力控制目标为：u 主蒸汽母管压力控制系统协调本台锅炉与其它并列运行锅炉的运行u 使主蒸汽母管压力控制达到最佳状态，快速、准确和稳定的响应机侧热、电负荷指令的变化传统的主蒸汽母管压力控制方式常面临如下问题：u 锅炉本身容易发生燃烧振荡u 锅炉之间互扰严重u 锅炉与汽机之间藕合关系复杂由于这些难点的困扰，使得蒸汽母管压力难以控制，供热品质很难保证，蒸汽母管压力的波动对供热品质形成极大的威胁，甚至波及到热用户的设备安全运行，所以为了保证机组安全，提高供热品质
11、，运行人员只能频繁手动调节锅炉负荷以实现稳定蒸汽母管压，但是劳动强度大，且效果又不是很好。针对这一不足，中控MCC母管压力控制系统采用如下方法克服传统方式的不足：（1） 系统内外部扰动的在线区分内扰是指锅炉燃烧率的扰动，其特征是锅炉主汽压力与锅炉主汽流量同向反应，外扰是指汽机电热负荷或邻炉对本炉的扰动，其特征是锅炉主汽压力与锅炉主汽流量反向反应。图3 母管协调能力平衡原理图（2） 并行锅炉负荷调整权重的动态分配母管并行运行的锅炉可根据自身情况和负荷调衡能力大小，选择“定压运行”（带固定负荷）或“调压运行”（母管协调）两种方式。MCC模块实时跟踪控制母管压力，计算出并行锅炉总体负荷调整量，结合人
12、工设置的初始权重，并根据参与“调压运行”的锅炉数量，考虑到参与调节的锅炉负荷余量以及负荷跟踪能力，动态计算出每台“调压运行”锅炉的负荷权重，进而计算出每台“调压运行”锅炉的负荷调整量，并及时调整输出的各台锅炉的负荷设定值上。为克服母管制运行方式的蓄热惯性，应使锅炉控制尽快跟随汽机需要，即克服母管压力控制的外部扰动，对应汽机侧调峰机组的能量量信号要进入锅炉侧参与控制。4.2.2 PCO先控平台PCO锅炉燃烧优化控制PCO锅炉燃烧优化控制是基于锅炉过程机理，同时结合锅炉燃烧行业专家经验与高效的操作经验而制定的先控方案，采用了专家规则控制，非线性控制等技术手段，将整个锅炉系统分割成若干控制段，各控制
13、段间既相互联系又可独立投切，方便灵活，实现给煤、配风自动控制、燃烧优化控制、动态适应汽机端负荷需求，同时保证系统最大的燃烧效率，烟气指标满足排放标准。（1）多变量锅炉燃烧控制多变量锅炉燃烧控制的主要目标是，在保证锅炉燃烧效率的前提下快速匹配负荷变化需求，实现锅炉系统稳定与经济运行。多变量锅炉燃烧系统为四入输入四输出系统，四个控制目标为主汽压力、烟氧含量、床层温度与床层压差，四个控制手段为一次风、二次风、给煤与排渣，采用专家规则与非线性控制相结合的控制方法，根据锅炉负荷变化同时调整给煤量、一次风量、二次风量与排渣，从而保证锅炉燃烧效率的基础上快速匹配负荷需求。风煤比、一二次风配比通过目标优化得到
14、当前负荷下的最佳量，同时接受人工调整量，综合结果用于控制输出。床层压差此处指料层高度，根据锅炉动力场试验结果，结合现场炉膛下部风室压力，通过床层压差与布风板阻力计算，同时考虑到燃料密度等信息综合计算出实时料层高度信息，以此作为该回路的控制目标，控制手段为排渣，实时接收来自燃烧调节前馈的处理结果，采用非线性控制算法，从而实现料层高度的快速精确稳定控制。为克服系统滞后的影响，将来自汽机端的负荷需求DEB信号变化作为系统DV，快速响应系统负荷变化，从而实现主汽压力、床层温度、床层压差、烟氧含量随系统负荷变化的精确稳定控制。（2）炉膛负压控制炉膛负压回路控制目标为炉膛负压，控制手段为引风，实时接收来自
15、一二次风变化前馈的处理结果，采用非线性控制算法，从而实现炉膛负压的快速精确稳定控制。（3）主汽温度控制主汽温度回路控制目标为主汽温度以及减温器出口汽温，控制手段为减温水，实时接收来自燃烧调节前馈的处理结果，采用非线性控制算法，从而实现主汽温度的快速精确稳定控制。图4 PCO锅炉APC先进过程控制软件4.2.3 PCO先控平台系统性能计算锅炉系统性能计算软件包含锅炉燃烧及对许多不能直接测量的机组和主要设备的性能指标测算，具体如下：（1）机组性能如机组热耗率、汽耗率、循环热效率、厂用电率、发电煤耗、供电煤耗等。（2）锅炉性能如燃烧效率、排烟热损失和其他各项燃烧损失等。（3）空预器性能如空预器漏风率、烟气侧效率、空气侧效率等。当机组处于稳定运行工况时，计算出来的运行性能值具有较高的精确度。该部分为可选配置，即根据能耗核算方法选择是否配置该模块。图5 系统性能计算主界面图4.2.4 安全联锁切换锅炉安全联锁切换主要功能是实现上位机优化控制软件与下位机DCS系统间的安全互动，执行变量的控制权限切换，系统安全联锁保护等功能。具体功能如下：（3） 通讯故障联锁
