锅炉APC先进过程优化控制解决方案.docx
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锅炉APC先进过程优化控制解决方案
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
2013-11-13
1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
+0.5Mpa
2
主汽温度
540℃
+0.5℃
3
烟氧含量
3.5%
+1%
氧量较低
4
炉膛负压
10Pa
+120Pa
5
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
4.1PCO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AdvTrolPro2.5、AdvTrolPro2.65及VisualField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，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1PCO软件构架图
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。
4.2.1PCO先控平台——MCC母管协调控制
主蒸汽母管压力控制目标为：
◆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
◆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：
◆锅炉本身容易发生燃烧振荡
◆锅炉之间互扰严重
◆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，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。
4.2.2PCO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4PCO锅炉APC先进过程控制软件
4.2.3PCO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。
上位机PCO平台通过OPC客户/服务器功能实现与下位机DCS系统的数据交互，安全联锁模块需要实时监测二者的通讯状态，一旦数据通讯失败，该模块主动将所有执行器的控制权限切换为下位机手动控制。
（4）系统安全联锁。
锅炉系统自身的安全联锁（如停炉，MFT等）引入安全联锁模块，当系统安全联锁触发时，该模块主动将所有执行器的控制权限切换为下位机手动控制。
（5）测点故障联锁。
被控变量测点出现故障，相应控制回路执行器的控制权限切换为下位机手动控制。
（4）执行器故障联锁。
执行器出现故障，相应控制回路控制权限切换为下位机手动控制。
（5）控制效果跟踪联锁
该部分功能只对优化控制回路的控制效果进行跟踪，如出现调整速度过快，波动幅度过大等不良控制状态，该模块主动将该回路执行器的控制权限切换为下位机手动控制。
5系统架构
图6锅炉APC系统架构图
锅炉APC系统核心为APC优化服务器，主要包含数据通讯与优化控制软件两部分。
（1）数据通讯
整个控制系统的数据源为下位机DCS系统。
中控DCS系统：
中控锅炉APC先控方案与下位机DCS系统可实现无缝连接，进行安全稳定的数据交互。
非中控系统需具备OPCServer软件，中控锅炉APC软件通过OPC协议与下位机系统实现数据交互。
（2）APC优化控制软件包
◆优化控制服务器一台（工业电脑）。
◆中控PCO优化控制平台软件包。
6评估方案
6.1预期收益
现场循环流化床锅炉系统密封性良好，仪表设备完好，执行机构的调节精度满足精度要求的前提下，通过中控锅炉APC先进过程控制解决方案可实现：
◆锅炉燃烧系统各关键变量的稳态偏差范围减小（减小30%以上），系统稳定性将得到较大幅度地提升，大幅降低人工操作强度。
◆锅炉燃烧系统煤耗降低0.6%~0.8%左右，系统控制平稳带来的间接收益也比较可观。
6.2收益分析
在设备无故障时，可实现以上锅炉控制回路全部自动投运，最终真正实现节能降耗。
1）投入自动后，可以降低操作人员劳动强度。
操作人员可以把更多的精力投入到现场设备的的巡检，提高设备的完好性。
2）床压稳定自动控制，为保证床温在较高工况下运行，床压的定值是负荷的函数，并遵循：
低负荷，低床压，高负荷，高床压的自动运行方式，床压信号需要经过计算，屏蔽布风板阻力的影响，真正反映料层的实践厚度，床层厚度与床温的结合表示了锅炉储藏热量的总和，床压自动的稳定投入，利于负荷变化锅炉的灰平衡，为其他优化参数的调整基础有良好的效果。
3）床温自动控制，在保证满足脱硫及脱销、设备安全运行的前提下，稳定的提高床温，并改善物料燃烧环境，使物料在密相区得以较充分的燃烧，提高了密相区燃烧份额，稀相区的不完全燃烧成份降低，飞灰可燃物得到明显的降低。
及实现床压随负荷的随动自动调节，可以有效减少炉渣含碳量，减少不完全固体不完全燃烧损失，同时可以减少风机电耗。
4）炉膛负压的自动控制可以使炉膛压力偏差在±40Pa以内，可以使锅炉在更合适的炉膛压力下运行；密封情况良好下，自动控制可以确保炉膛出口在偏差范围很小的微负压运行，减少风量损失及风机电耗，同时也延长物料在炉膛的停留时间，减少飞灰含炭量。
此项可以减少机械不完全损失，预计可以降低炉渣含碳量0.1%-0.2%，飞灰含碳量降低1%-2%，如果炉渣与飞灰份额比是80：
20左右，以上两项床温床压的优化控制可以提高锅炉效率0.11%-0.21%，因此可以减少煤耗0.12%-0.24%。
5）在床温、炉膛负压控制定值适当提高、床压定值随负荷变化稳定控制的基础上，氧量自动控制的参数偏差可大幅度减少，调整氧量定值信号在最佳值附近，可在保证在最佳空气过剩系数下运行，减少排烟量损失，同时减少送引风机电耗；预计通过合理的风煤比、一二次风配比等参数的自动控制，可以在不影响不完全燃烧的前提下，将氧量定值下调1%稳定自动控制，此项可以提高锅炉效率0.40%-0.45%左右，由于锅炉设计效率为90%左右，因此可以减少煤耗0.45%-0.51%左右。
6）同时以上各项燃烧优化自动的投入，由于通过低氧燃烧、正压燃烧及一、二次风合理配比对炉膛燃烧份额的优化等措施，使使炉内传热、传质过程得到强化，炉膛内贫氧区的燃烧状况得到有效改善，同等负荷工况下，排烟温度也会有所降低，预计同等负荷下同比排烟温度可以降低2℃-4℃,因此可以减少煤耗0.12%-0.24%左右。
7）主汽温度信号的稳定及提高，将会提高机组的循环热效率，减少供电煤耗，目前的温度信号还经常达不到额定值，如果自动投入后，温度偏差减少，预计可以提高主汽温度定值2℃左右。
由此可以减少供电或供汽煤耗0.07%左右。
8）主汽压力的稳定及适当提高同样会将会提高机组的循环热效率，减少供电煤耗，目前主汽压力及主汽母管压力还未达到设计额定值状态，但主汽压力定值的提高空间也受汽机负荷限制，自动投入后，预计可以每台锅炉可以适当提高主汽压力定值0.02MPa左右,由此可以减少供电或供汽煤耗0.04%左右。
9）自动参数的稳定对于减少锅炉设备的损耗，延长锅炉的寿命等有明显的意义。
10）在每台锅炉稳定投入自动控制后，可以投入母管压力协调控制，对全厂机组的经济稳定运行有良好作用，此项也需在自动投运后根据生产数据来测算。
以上综合，单台锅炉自动投入运行后，可以大大挖掘在运锅炉的潜能。
由于锅炉脱硫效率与锅炉效率在运行有矛盾之处，单方面提高锅炉效率，会牺牲掉脱硫效率指标。
所以，在兼顾脱硫效率平衡的情况下，针对不同炉况优化控制可使锅炉效率损失（Q2+Q3+Q4）运行在最佳状态，由于现场燃烧效率提升空间的限制，预计锅炉煤耗可降低0.6~0.8%左右。
同时通过自动控制，大幅度的减少参数偏差，将会减少操作员负担及误操作概率，延长设备寿命,对装置的长期安全经济运行具有重要意义。
6.3评估方式
双方协商确定能耗核算方式（正平衡或反平衡），在优化系统投运调试完毕后，选择合适的时间段进行能耗核算对比分析。
现场仪表设备正常，工况相对稳定，无人为操作带来干扰的情况下，锅炉燃烧优化软件系统投入正常运行72小时内，双方根据控制指标要求进行现场评估，同时中控提供相应的保运服务。
在此期间如设备工况不正常，或人为操作带来较大干扰，从而使锅炉燃烧优化软件无法实现72小时内连续正常投运，且该问题不能在短时间内解决，则现场验收条件改为，除去手动时间优化软件正常投运累计运行72小时内的控制指标。
7项目实施规划
7.1项目团队架构
。
7.2项目进度计划
整体项目服务包括组织相关技术会议、模型辨识、系统组态、现场安装指导、系统调试、操作员培训、维护培训、投运开车，最终验收等。
下表为简略的工程进度表，详细的工程进度表待设计联络会买卖双方协商后再行提交。
表2优化控制项目工程进度表
序号
工程阶段
时间（人/天）
内容
责任方
1
一联会
3
相互了解、确定计划
2
方案设计与论证
60
针对理文进行方案详细设计与论证工作
3
模型辨识及优化系统离线测试
40
数据采集、模型辨识、控制器调试、离线仿真
4
二次开发
90
将详细设计方案在PCO平台上开发实现
5
设备发运与安装调试
7
发货、设备安装调试等
6
二联会
3
方案确认、确定燃烧优化系统投运计划
7
燃烧优化系统投运与调试
120
燃烧优化系统投运、参数优化、完善调试、保运工作
8
评估验收
7
项目优化效果评估，验收，材料交接工作
二○一三年十一月十三日
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