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      和利時母管制機(jī)組APC優(yōu)化方案及其應(yīng)用

      2014-02-09 02:38:13劉德成李福軍趙立軍杭州和利時自動化有限公司北京100176
      自動化博覽 2014年3期
      關(guān)鍵詞:和利母管床溫

      劉德成,李福軍,趙立軍(杭州和利時自動化有限公司,北京 100176)

      和利時母管制機(jī)組APC優(yōu)化方案及其應(yīng)用

      劉德成,李福軍,趙立軍(杭州和利時自動化有限公司,北京 100176)

      針對母管制機(jī)組一直存在的蒸汽母管壓力難以穩(wěn)定控制的問題,本文提出了一種基于和利時DCS控制系統(tǒng)的APC協(xié)調(diào)控制方案。該方案可以解耦影響鍋爐燃燒的主要因素,優(yōu)化分配鍋爐負(fù)荷,快速平衡鍋爐產(chǎn)汽與外界用汽之間的能量差,達(dá)到穩(wěn)定蒸汽母管壓力的目的?,F(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用證明了該方案的可行性。

      母管制;優(yōu)化分配;APC;效益;節(jié)能減排

      1 引言

      相比單元機(jī)組,母管制機(jī)組除了鍋爐自身燃燒工況變化引起的各種擾動外,還存在著鍋爐之間的相互擾動。這種影響與負(fù)荷變化情況、各爐燃燒特性和各爐在母管中所處的位置等都有關(guān)系。而且即使外部負(fù)荷穩(wěn)定的情況下,并列鍋爐的燃燒參數(shù)變化也將相互影響,使母管壓力的調(diào)整難度增加。為了保證主裝置生產(chǎn)安全,提高供熱品質(zhì),運(yùn)行人員只能頻繁手動調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷以盡量保證蒸汽母管壓力穩(wěn)定,但是實(shí)際操作強(qiáng)度較大,而且效果也不理想。

      對此,杭州和利時自動化有限公司在多年電力行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以APC控制技術(shù)為核心,提出了母管制機(jī)組APC優(yōu)化解決方案。該方案在CJ(沈陽)熱源廠4臺90t/h低溫低壓循環(huán)流化床鍋爐的母管制機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,效果良好。

      2 和利時APC優(yōu)化控制方案總體框架

      APC優(yōu)化控制系統(tǒng)是專門針對母管制運(yùn)行機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案,整體框架如圖1。

      圖1 APC優(yōu)化控制方案總體框架

      它可以實(shí)現(xiàn)以下控制功能:

      (1)實(shí)現(xiàn)鍋爐的全自動運(yùn)行(包括汽水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等),各種參數(shù)更加平穩(wěn),將操作員從繁重的監(jiān)控中解脫出來。

      (2)涉及鍋爐效率的重要參數(shù)壓紅線運(yùn)行(如主汽壓力、主汽溫度、床溫、氧量等),提高鍋爐效率。

      (3)自動優(yōu)化風(fēng)煤比,以適應(yīng)煤種的變化,保證燃燒的充分性,降低鍋爐損失(如排煙損失、未完全燃燒損失等)。

      (4)燃料預(yù)測優(yōu)化控制,穩(wěn)態(tài)情況下提高控制精度,外界擾動時大幅度提高響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性。

      (5)母管制鍋爐負(fù)荷優(yōu)化分配控制,實(shí)現(xiàn)鍋爐產(chǎn)汽與外界用汽之間的相對平衡,對全廠鍋爐的負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化分配,穩(wěn)定母管壓力,使得綜合效率得到優(yōu)化提高。

      3 APC優(yōu)化控制方案關(guān)鍵技術(shù)

      APC優(yōu)化控制系統(tǒng)的研發(fā)是建立在行業(yè)專家多年的經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上的,系統(tǒng)中研發(fā)了很多獨(dú)特的新控制技術(shù),其中關(guān)鍵技術(shù)如下。

      3.1 新型送風(fēng)調(diào)節(jié)自動控制

      鍋爐的燃燒效率與鍋爐的氧含量有直接的關(guān)系,在散熱損失與灰渣顯熱損失相對不變的情況下,如果氧量過低,排煙損失q2雖然較低,但是機(jī)械未完全燃燒損失q4卻很高,總體效率還是較低。如果氧量過高,排煙損失q2明顯增高,即使機(jī)械未完全燃燒損失q4較低,但是總體效率依然較低,具體氧含量與鍋爐效率損失可用圖2所示的曲線表達(dá)。

      圖2 鍋爐氧含量與效率損失曲線圖

      從圖2中可以肯定的是,燃燒過程中存在一個最佳氧含量,使得q2+q4最小。基于這個理論,我們在系統(tǒng)中植入自動尋優(yōu)模型,在燃煤熱值相對穩(wěn)定的情況下自動啟動尋優(yōu)程序,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的尋優(yōu)步長與尋優(yōu)時間來完成尋優(yōu)過程,進(jìn)而找到最佳風(fēng)煤配比系數(shù)K1,利用優(yōu)化系數(shù)K來修正送風(fēng)調(diào)節(jié)回路,使得鍋爐效率最高。當(dāng)煤種發(fā)生變化,使得燃煤熱值超出相對穩(wěn)定區(qū)域時,系統(tǒng)將再次自動啟動尋優(yōu)程序,在最短的時間內(nèi)尋找最佳風(fēng)煤配比系數(shù)Kn,通過該系數(shù)指導(dǎo)送風(fēng)調(diào)節(jié)回路,將系統(tǒng)重新調(diào)整到最高效率的狀態(tài)。

      3.2 新型引風(fēng)調(diào)節(jié)自動控制

      鍋爐運(yùn)行過程中,引風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行是保證鍋爐安全燃燒的最主要因素。故而在大多數(shù)熱電廠,由于引風(fēng)機(jī)是擋板調(diào)節(jié),考慮到安全因素運(yùn)行人員寧可選擇手動調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。針對運(yùn)行人員對投入引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)顧慮的問題,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中使用了專家系統(tǒng)引風(fēng)自動調(diào)節(jié)安全策略,保證了引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全性,主要包括:

      ? 設(shè)置自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)指令限制自投切算法;

      ? 設(shè)置暫態(tài)/穩(wěn)態(tài)區(qū)域,抑制系統(tǒng)的自振;

      ? 設(shè)置雙側(cè)風(fēng)機(jī)負(fù)荷(電流)自平衡系統(tǒng),防止風(fēng)機(jī)進(jìn)入失速區(qū)域;

      ? 前饋回路專家策略,快速消除內(nèi)外擾動。傳統(tǒng)引風(fēng)調(diào)節(jié)與新型引風(fēng)調(diào)節(jié)參數(shù)對比如表1所示。

      表1 傳統(tǒng)引風(fēng)調(diào)節(jié)與新型引風(fēng)調(diào)節(jié)參數(shù)對比表

      3.3 燃料預(yù)測優(yōu)化控制

      在燃燒系統(tǒng)進(jìn)入相對穩(wěn)態(tài)時,即同時滿足下列條件:

      ? 主蒸汽壓力設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于0.02MPa;

      ? 主蒸汽流量設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于2t/h;

      ? 鍋爐含氧量設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于0.5%;

      ? 鍋爐床溫設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于3℃;

      當(dāng)4個條件同時滿足時,系統(tǒng)判定鍋爐已經(jīng)進(jìn)入相對穩(wěn)態(tài),此時系統(tǒng)自動記憶當(dāng)前的主蒸汽流量和煤量,并自動計(jì)算預(yù)測單位煤量產(chǎn)汽率F0,并且F0是連續(xù)滾動優(yōu)化的動態(tài)數(shù)據(jù)。通過單位煤量產(chǎn)汽率F0指導(dǎo)煤量控制,既保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性,又增加了系統(tǒng)響應(yīng)外界負(fù)荷的速度和準(zhǔn)確度。

      3.4 經(jīng)濟(jì)床溫綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)

      循環(huán)流化床鍋爐的床溫高低將直接影響鍋爐的燃燒效率,床溫越高,燃燒越充分,換熱效率越高,當(dāng)然床溫太高對鍋爐的安全也將產(chǎn)生很大的威脅,相應(yīng)的散熱損失也將增加,所以床溫控制必須和氧量控制協(xié)調(diào)考慮。另外床溫的大幅度波動也是造成CFB鍋爐結(jié)焦的主要原因,所以床溫控制要兼顧穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

      循環(huán)流化床鍋爐床溫控制采用床溫與氧量協(xié)調(diào)控制的基本思想,而且是一次風(fēng),二次風(fēng),燃料協(xié)調(diào)控制,這樣既可以保證床溫和氧量控制的穩(wěn)定性和快速性,又可保證鍋爐的效率最高。具體經(jīng)濟(jì)床溫函數(shù)如表2所示。

      表2 鍋爐負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)床溫的對應(yīng)函數(shù)表

      3.5 鍋爐運(yùn)行模式控制策略

      一般情況下鍋爐燃燒控制主要調(diào)節(jié)鍋爐出口壓力,并不響應(yīng)汽機(jī)、臨爐、供熱的負(fù)荷變化以及母管壓力的波動,所以鍋爐燃燒之間容易發(fā)生互擾與震蕩,母管壓力控制無法實(shí)現(xiàn)解耦。而APC優(yōu)化協(xié)調(diào)控制模式下,不但要控制本爐的出口壓力,還要進(jìn)行鍋爐與汽機(jī)的智能解耦,優(yōu)化分配鍋爐負(fù)荷,兩種模式的對比簡圖如圖3所示。

      圖3 單爐模式與協(xié)調(diào)模式對比圖

      3.6 智能權(quán)數(shù)分配專家系統(tǒng)

      智能權(quán)數(shù)分配專家系統(tǒng)是建立在對主蒸汽母管結(jié)構(gòu)參數(shù),母管上鍋爐、汽機(jī)以及熱用戶陣列方式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上的。沿程阻力K=λLv2/(2gd),由此得到阻力K與管道長度L成正比、與管道直徑成反比。根據(jù)管道損失K最低原則,按照“就近”思想設(shè)計(jì)負(fù)荷分配,通過智能分配各臺鍋爐的權(quán)重系數(shù),減少蒸汽在母管內(nèi)的橫向流動,減少管道阻力損失,實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)并消除擾動因素。

      4 APC優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

      CJ(沈陽)熱源廠通過使用和利時APC優(yōu)化控制系統(tǒng)后,可以實(shí)現(xiàn)鍋爐從45%~105%負(fù)荷的全自動運(yùn)行,蒸汽母管壓力的波動范圍大幅度減小,床溫、氧量等參數(shù)控制也更加平穩(wěn),應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期要求,具體的運(yùn)行參數(shù)曲線對比如圖4、圖5所示。

      圖4 手動調(diào)節(jié)(8小時),波動0.21MPa左右

      圖5 自動調(diào)節(jié)(8小時),波動小于0.04MP

      CJ(沈陽)熱源廠投入和利時APC優(yōu)化控制系統(tǒng)前的手動控制模式與投入APC優(yōu)化控制系統(tǒng)后的優(yōu)化控制模式下,兩種模式重要參數(shù)及性能指標(biāo)對比如表3所示。

      表3 手動控制模式與優(yōu)化控制模式參數(shù)與指標(biāo)對比

      該項(xiàng)目帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益:

      ? 鍋爐綜合效率提高≥1.5%;

      ? 產(chǎn)汽標(biāo)煤耗節(jié)?。ㄒ?500大卡標(biāo)煤折算)≥2.1kg/t ;

      ? 直接經(jīng)濟(jì)效益估算(一年按300天算)≥2.1×90×4×24×300×500元/t=272.1萬/年;

      ? 降低運(yùn)行操作人員的勞動強(qiáng)度;

      ? 投入優(yōu)化后的減員增效;

      ? 參數(shù)控制穩(wěn)定后減少金屬管道的蠕變沖擊,延長設(shè)備壽命。

      5 結(jié)語

      隨著工業(yè)規(guī)模的迅速擴(kuò)大,行業(yè)競爭的日趨激烈,熱電廠用戶對于設(shè)備安全性的要求越來越高,這就要求母管制機(jī)組的熱電廠對于供給的蒸汽品質(zhì)要有更高的保證,簡單地依靠操作管理人員頻繁手動調(diào)節(jié)蒸汽負(fù)荷,既增加勞動強(qiáng)度又無法可靠的保證供熱品質(zhì),采用和利時APC優(yōu)化控制系統(tǒng)可以很好地解決鍋爐汽機(jī)的耦合,解決鍋爐之間的互擾,快速響應(yīng)鍋爐汽機(jī)以及負(fù)荷的變化,穩(wěn)定蒸汽母管壓力,提高供熱品質(zhì),解決母管制機(jī)組多年來的困擾,帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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      趙立軍(1972-),男,吉林松原人,本科,工程師,現(xiàn)就職北京和利時集團(tuán),主要研究方向?yàn)闊犭婂仩t優(yōu)化控制。

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