陳宇肇（福建華電永安發(fā)電有限公司）

先進控制系統(tǒng)在300MW循環(huán)流化床機組的應(yīng)用研究

陳宇肇（福建華電永安發(fā)電有限公司）

分析了福建華電永安電廠300MW循環(huán)流化床機組DCS控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題，通過對先進控制系統(tǒng)的分析調(diào)研、確定實施方案、實施和解決相關(guān)問題的過程，利用一種先進控制系統(tǒng)在300MW循環(huán)流化床機組上對現(xiàn)有控制策略進行改造，解決了目前機組在自動控制方面存在的投入率低、控制效果不理想的問題。

CFB鍋爐；DCS系統(tǒng)分析；先進控制系統(tǒng)；無辨識自適應(yīng)預(yù)估控制

引言

隨著電力行業(yè)的供需關(guān)系的逐步改變，以及電力系統(tǒng)自動化程度的不斷提高，電廠對分散控制系統(tǒng)DCS及其自動化監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求，要求各上網(wǎng)機組不僅能提供穩(wěn)定的電量，還要具備快速響應(yīng)調(diào)峰、調(diào)頻、逐步實現(xiàn)AGC控制等功能，以提高電網(wǎng)安全系數(shù)、增強電廠的整體效益和競爭力。目前由于循環(huán)流化床機組的燃燒特性，常規(guī)PID控制策略很難實現(xiàn)CFB鍋爐燃燒自動控制，導(dǎo)致機組的自動投入率極低，機爐協(xié)調(diào)控制無法投運，AGC控制也無法實現(xiàn)，無法滿足電網(wǎng)對CFB機組調(diào)度要求。而先進控制系統(tǒng)在CFB機組燃燒及機爐協(xié)調(diào)控制上的應(yīng)用，為此提供了一種良好的解決途徑。

1 CFB機組控制系統(tǒng)

1.1 DCS系統(tǒng)及現(xiàn)有功能介紹

DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS以其高可靠性、開放性新、靈活性和易維護等特性，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的控制領(lǐng)域，目前大型CFB機組均配置有較先進的DCS系統(tǒng)，且各控制回路功能基本齊全。

福建華電永安發(fā)電有限公司2×300MW機組 “上大壓小”工程7號機組為300MW循環(huán)流化床機組，鍋爐為東方鍋爐廠制造的單爐膛、一次中間再熱、汽冷式旋風(fēng)分離器、露天布置、固態(tài)排渣的1025t/h亞臨界參數(shù)自然循環(huán)單汽包循環(huán)流化床鍋爐。機組重要輔機包括兩臺二次風(fēng)機、兩臺引風(fēng)機、兩臺一次風(fēng)機、兩臺汽動給水泵和一臺30%容量的電動調(diào)速給水泵（電泵作啟動及備用）等。鍋爐點火方式采用機械霧化、高能點火花點火。

DCS采用北京華電南自天元科技股份有限公司的TCS3000分散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)功能包括DAS、FSSS、SCS、ECS、MEH、MCS（含CCS、RB、AGC）等。

1.2 機組控制系統(tǒng)存在的問題

由于CFB鍋爐熱慣性大、煤質(zhì)多變、各種風(fēng)量之間強力耦合等特性，造成鍋爐燃燒大滯后、非線性等問題，燃燒過程的自動控制用常規(guī)的PID控制很難解決。目前，機組現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)中燃燒自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能解決CFB鍋爐燃燒非線性、大滯后、多耦合等復(fù)雜的動態(tài)特性，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，鍋爐運行參數(shù)波動大，機組在供熱運行工況下協(xié)調(diào)控制無法投入。機組在手動操作方式下存在多種弊端，比如：①壓力波動較大。該問題是循環(huán)流化床鍋爐運行普遍存在的問題，所有機組都在手動操作下，在要求負(fù)荷穩(wěn)定前提下，壓力的波動都較大，該情況損傷設(shè)備（特別是汽機），不利于機組長期運行，同時增加能耗；②操作人員勞動強度大，增加人為失誤，并且操作人員忙于一般運行，沒有精力顧及提高機組運行經(jīng)濟性；③手動操作方式，使得機組運行嚴(yán)重依賴于操作人員操作水平及勞動態(tài)度，不利于科學(xué)管理；④基于手動操作，對于節(jié)能降耗，缺乏實施平臺，不利于經(jīng)濟運行。

基于以上這些問題，我廠擬采用先進行控制系統(tǒng)對現(xiàn)有的鍋爐燃燒和機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)進行改造，使循環(huán)流化床鍋爐投入燃燒過程的自動控制，從而使發(fā)電機組運行更加穩(wěn)定，達到減輕操作人員勞動強度，提高機組的經(jīng)濟運行，實現(xiàn)機爐協(xié)調(diào)自動控制。

1.3 先進控制系統(tǒng)介紹

目前已在復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用的先進控制技術(shù)主要有：

預(yù)測控制：是目前應(yīng)用較廣泛，也較成熟的先進控制算法，國內(nèi)外已開發(fā)和正在開發(fā)的第四代先進控制APC軟件基本上是采用模型預(yù)測控制（MPC）。該算法雖然可以解決不少復(fù)雜過程的控制問題，但在CFB鍋爐上應(yīng)用存在較大問題：①需要通過對生產(chǎn)過程施加多處脈沖信號或階躍信號來辨識模型，對正常生產(chǎn)會產(chǎn)生一些影響，特別是CFB鍋爐自平衡能力較差，影響會更大，故很難得到廠方的認(rèn)可。②預(yù)測模型不能在線校正，因此工況變化后，為保證控制效果，需要重新施加信號辨識模型或調(diào)整控制器參數(shù)，因此需要較強的在線維護力量。顯然預(yù)測控制雖然精度較高，但缺乏自適應(yīng)能力，并不適合CFB鍋爐這樣多變的過程。③預(yù)測控制對解決大滯后控制問題尚不夠理想。

無模型自適應(yīng)控制：所謂無模型控制器實際上應(yīng)稱為“泛模型控制”，其設(shè)計是以下述泛模型作為基礎(chǔ)：

從中導(dǎo)出控制律為：

其實現(xiàn)時，步驟為：①實時辨識φ（k），得到估計值φ^（k）；②根據(jù)控制律得到控制輸出u（k）。

可見無模型自適應(yīng)控制的關(guān)鍵和一般自適應(yīng)控制類似，即需在線辨識參數(shù)。為保證在線辨識的穩(wěn)定性和控制器的魯棒性，具體實施時，需要增加了一些其它安全保障參數(shù)，現(xiàn)場整定難度較大，目前還沒見到在CFB鍋爐成功應(yīng)用的報道。

無辨識自適應(yīng)（IFA）控制：

IFA控制采用PSD算式：△u（k）=g（k）[e（k）+r0（k）△e（k）+r1（k）△2e（k）]，其中g(shù)（k），r0（k），r1（k）依據(jù)幾何原理在線自動整定，無需人工干涉。可見該控制律與傳統(tǒng)的PID控制類似，無需模型、也無需在線辨識，實施容易。特別是因為它不需要辨識模型，因此實施時無需對生產(chǎn)過程施加信號，可以把對生產(chǎn)的影響降到最小。不同于傳統(tǒng)PID控制的是它可以自動確定控制參數(shù)，投運后無需人工調(diào)整參數(shù)，控制器能自動適應(yīng)操作條件和各種工況的變化（這一點很重要，是使控制器能在象CFB鍋爐這樣多變過程長期運行的基礎(chǔ)）。和預(yù)測控制相比，無辨識自適應(yīng)控制并不以“最優(yōu)”為控制目標(biāo)，而更強調(diào)穩(wěn)定和自適應(yīng)能力，因此從理論上說，其控制精度不如預(yù)測控制。但由于工業(yè)過程的復(fù)雜性，真正的“最優(yōu)”其實很難做到，穩(wěn)定和自適應(yīng)往往更為實用。

IFA技術(shù)基于幾何控制理論，其控制思想在20世紀(jì)80年代末期由國外學(xué)者提出，90年代中期經(jīng)江青茵教授改造后并首先提出無辨識自適應(yīng)預(yù)估（IFAP）控制技術(shù)。該技術(shù)發(fā)表后引起業(yè)內(nèi)重視，至今已有30余篇論文引用。

本項目將IFAP控制技術(shù)用于CFB鍋爐燃燒控制，并在工業(yè)實施中獲得理想的控制效果。特別是采用基于自搜尋技術(shù)的IFAP技術(shù)，解決了鍋爐控制中的大滯后問題，使控制系統(tǒng)不僅可以長期投運，控制精度也很高。

2 實施先進控制系統(tǒng)的目的

目前CFB機組的燃燒自動控制和機爐協(xié)調(diào)控制已制約著電廠生產(chǎn)運行管理的有效提高和進步，不能很好的滿足機組負(fù)荷對電網(wǎng)的快速響應(yīng)要求，通過調(diào)研分析，實施先進控制系統(tǒng)的主要目的如下：

（1）指導(dǎo)機組的經(jīng)濟運行：為生產(chǎn)、檢修、運行及管理人員提供真實全面的分析數(shù)據(jù)，通過先進控制系統(tǒng)即可查閱、監(jiān)視機組各種運行參數(shù)，對各項指標(biāo)進行復(fù)雜分析計算，得出調(diào)整的操作方式，以指導(dǎo)機組的優(yōu)化運行。

（2）降低成本，提高效益：根據(jù)機組燃燒機理，對機組運行進行調(diào)整、及時優(yōu)化機組運行參數(shù)，減少損耗，降低煤耗，提高鍋爐熱效率。

（3）逐步實現(xiàn)管控一體化：隨著電力逐步市場化，通過先進控制系統(tǒng)的實施，大大提高工廠自動化水平，實現(xiàn)電力調(diào)度、運行方式等方面以最佳效益方式工作，同時也為今后實現(xiàn)AGC控制奠定了基礎(chǔ)。

3 先進控制系統(tǒng)實施方案的確定

目前先進控制系統(tǒng)是基于機組實時運行數(shù)據(jù)的高級應(yīng)用（如運行優(yōu)化、性能計算等），因此在系統(tǒng)策劃時，采取整體規(guī)劃分步實施的方式。首先是建立實時數(shù)據(jù)的采集、圖形曲線顯示、控制參數(shù)仿真等數(shù)據(jù)使用平臺，同時充分考慮今后進行高級應(yīng)用的擴展功能；其次根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)需要進行控制系統(tǒng)投運。

先進控制系統(tǒng)的成本和性能的關(guān)鍵可選因素為先進控制的數(shù)據(jù)庫、軟件平臺和硬件網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)其它電廠的應(yīng)用實踐及實際情況，實時數(shù)據(jù)庫為先進控制系統(tǒng)自帶；為保證先進控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信速度和可靠性，先進控制系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)采取建立專用先進控制網(wǎng)絡(luò)，通過OPC站讀寫數(shù)據(jù)。

4 先進控制系統(tǒng)實施方案

4.1 總體方案說明

系統(tǒng)采用大連凱博的先進控制系統(tǒng)（KB-APC），建立專用先進控制硬件網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)集成了無辨識自適應(yīng)（IFA）控制器和100多種運算模塊，可以滿足多種復(fù)雜的工業(yè)過程控制的應(yīng)用要求。通過建立專用先進控制硬件網(wǎng)絡(luò)，能夠使得整個信息系統(tǒng)層次分明，對目前的信息系統(tǒng)沒有任何影響，安全性和可靠性得到進一步提高。該先進控制網(wǎng)絡(luò)接口的功能是實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)與先進控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

4.2 系統(tǒng)實施原則

（1）統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施：整個先進控制系統(tǒng)的實施既要滿足改造計劃中提出的當(dāng)前功能需求，即能夠滿足當(dāng)前基本的先進控制應(yīng)用功能，也要滿足以后先進控制應(yīng)用功能的不斷擴充的需要。

（2）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，信息共享：在實施先進控制中，要確定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，有利于全廠各種信息系統(tǒng)有效地交換數(shù)據(jù)，以達到信息共享的目的，使全公司的IT系統(tǒng)有機地集成在一起，既各自發(fā)揮獨有的功能，又能產(chǎn)生綜合優(yōu)化功能。

（3）統(tǒng)一管理，集中力量，多專業(yè)合作：先進控制是一個涉及到多個專業(yè)的復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)，包含了IT技術(shù)、電站專業(yè)知識、控制技術(shù)等。因此實施先進控制需要多個專業(yè)部門分工協(xié)作，同時又需要成立一個團隊統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)先進控制的實施。

4.3 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

（1）蒸汽壓力：①在負(fù)荷穩(wěn)定狀態(tài)時，壓力過程值平均誤差保持在壓力給定值的±0.3MPa以內(nèi)；②外部負(fù)荷增減10%負(fù)荷時，負(fù)荷變化率3MW/min時，壓力平均誤差保持在給定值的0.5MPa以內(nèi)。

（2）負(fù)荷：自動投入情況下機組負(fù)荷控制在給定值的±3MW以內(nèi)，負(fù)荷調(diào)整速率2～3MW/min。

（3）床溫變化：床溫控制在正常工藝允許的范圍內(nèi)，床溫波動在±35℃以內(nèi)；工況變化較大時，控制在工藝允許波動范圍內(nèi)。

（4）氧量：控制在給定值的±0.35以內(nèi)。

（5）爐膛負(fù)壓：控制在給定值的±100Pa以內(nèi)。

（6）在主設(shè)備無故障的情況下，先進控制系統(tǒng)所有自動回路自動投入率達到95%以上。

4.4 先進控制系統(tǒng)主要控制回路具體方案

先進控制系統(tǒng)所設(shè)計的控制回路主要有以下五個回路：①主汽壓力控制；②一次風(fēng)控制；③氧量控制；④爐膛負(fù)壓控制；⑤機爐協(xié)調(diào)控制；各控制回路相互依存，協(xié)調(diào)配合進行控制。

4.4.1 床溫－過熱蒸汽壓力的協(xié)調(diào)控制

由主汽壓力－密相溫度控制級（該級控制設(shè)置密相溫度給定值）、密相溫度－給煤控制級 （該級控制設(shè)置總給煤量給定值）、1#～8#給煤機自動控制系統(tǒng)組成，為了使給煤控制系統(tǒng)能快速響應(yīng)外界供熱負(fù)荷的變化，在方案中，加入供熱流量的前饋計算，實現(xiàn)給煤的超前調(diào)節(jié)，密相溫度平均值取密相下溫度和密相中部溫度的平均值。

控制器輸出的總給煤量按下述跟蹤平均分配的方法分配給1#～8#八臺給煤機，即未投自動時，1#～8#給煤機給定均會自動跟蹤實際測量的瞬時給煤量，1#～8#八臺給煤機控制器的輸出則跟蹤手動操作時操作人員給出的1#～8#給煤機控制指令，這些跟蹤值在投入自動后作為偏置量處理，投入自動后控制系統(tǒng)再將增減的給煤量在上述偏置量的基礎(chǔ)上平均分配給1#～8#八臺給煤機給定值，由控制器自動輸出控制指令，控制邏輯見圖1。

4.4.2 一次風(fēng)量控制

一次風(fēng)控制的主要目的是維持正常的流化和床溫工作點的需求，同時根據(jù)煤質(zhì)系數(shù)、床溫、煙氣氧含量等參數(shù)，對一次風(fēng)給定做在線修正。控制器的調(diào)整對象為兩臺一次風(fēng)機變頻指令，系統(tǒng)設(shè)置一個操作人員一次風(fēng)給定值的設(shè)定模塊，操作人員可以根據(jù)實際運行工況對一次風(fēng)控制系統(tǒng)進行校正，控制方案示意圖如圖2。

4.4.3 機爐協(xié)調(diào)控制

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由負(fù)荷控制、燃燒控制、風(fēng)量控制三個子系統(tǒng)組成，主邏輯圖見圖3。

圖1

圖2

圖3

其中在線觀測單元實現(xiàn)鍋爐燃燒效率、發(fā)電效率、給煤含碳量、煤耗等優(yōu)化指標(biāo)和過程主要干擾的在線計算。在線優(yōu)化單元主要根據(jù)電負(fù)荷給定值和各優(yōu)化指標(biāo)，計算給煤前饋量、主汽壓力給定值和一次風(fēng)、二次風(fēng)量給定值。負(fù)荷控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)控主汽流量，燃燒控制則負(fù)責(zé)調(diào)控燃燒量，風(fēng)量控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)整一、二次風(fēng)量；聯(lián)合診斷單元根據(jù)主汽壓力變化信息、密相溫度超限信息、一二次風(fēng)機限制信息、給煤機故障診斷等故障診斷信息和限制信息，對所有控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)，保證系統(tǒng)安全。同時采用獨創(chuàng)的協(xié)調(diào)方案解決多變量控制問題。

5 系統(tǒng)實施具體項目

建立電廠先進控制系統(tǒng)的專用通信網(wǎng)絡(luò)，建立先進控制系統(tǒng)的運行平臺，建立先進控制系統(tǒng)與OPC站的接口等。

5.1 建立獨立的先進控制硬件網(wǎng)絡(luò)

在冗余工業(yè)以太網(wǎng)上增加一臺OPC站，通過與OPC站進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)的通訊。先進控制系統(tǒng)工作站通過以太網(wǎng)絡(luò)與OPC站進行高速實時數(shù)據(jù)的雙向通訊，獨立的先進控制網(wǎng)絡(luò)具有下述特點：

（1）采用獨立的先進控制網(wǎng)絡(luò)進行實時數(shù)據(jù)的高速收集和傳送，不會出現(xiàn)信息堵塞，從而保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度；

（2）系統(tǒng)架構(gòu)清晰，對原有控制系統(tǒng)的影響程度最小，保證先進控制系統(tǒng)及過程控制系統(tǒng)的安全。

先進控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，在DCS系統(tǒng)冗余以太網(wǎng)交換機上，新加一臺OPC站，先進控制系統(tǒng)（KB-APC）與OPC站進行數(shù)據(jù)通訊。

圖4

5.2 先進控制系統(tǒng)具體實施過程

（1）實現(xiàn)KB-APC先進控制軟件與DCS系統(tǒng)的通訊：即實現(xiàn)優(yōu)化控制軟件讀、寫現(xiàn)場數(shù)據(jù)問題。保證DCS系統(tǒng)與先進控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸正常是保證先進控制系統(tǒng)工作實施的基礎(chǔ)。

（2）先進控制方案的在線仿真階段：在實現(xiàn)“讀”的基礎(chǔ)上即可對控制方案做在線仿真，仿真的同時可對方案進行調(diào)整。在線仿真時只用采集到的現(xiàn)場的操作數(shù)據(jù)，因此只涉及“讀”操作，并且不會送任何數(shù)據(jù)到DCS系統(tǒng)，不會影響機組的正常生產(chǎn)。

（3）先進控制系統(tǒng)的投運準(zhǔn)備：為準(zhǔn)備投運先進控制系統(tǒng)，需要對DCS做一些邏輯和畫面的調(diào)整。

（4）先進控制系統(tǒng)調(diào)試階段：在上述“讀、寫”通訊和仿真基礎(chǔ)上，進行最后的先進控制系統(tǒng)試運行和現(xiàn)場調(diào)試。

（5）優(yōu)化控制系統(tǒng)的正式投運及驗收。

（6）用戶培訓(xùn)：包括使用操作培訓(xùn)和維護檢修培訓(xùn)。

6 結(jié)論

（1）實施先進控制系統(tǒng)后，解決了CFB機組燃燒自動控制的問題，為機組的優(yōu)化運行和實現(xiàn)AGC控制提供了條件。

（2）提高機組自動回路的投入率。目前已經(jīng)實現(xiàn)CFB鍋爐燃燒和機爐協(xié)調(diào)控制的自動投入，在現(xiàn)場設(shè)備正常情況下，自動回路投用率在95%以上，機組的運行參數(shù)指標(biāo)得到了提高。

（3）實現(xiàn)了節(jié)能和深化清潔燃燒效果，節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益。投自動以后，機組運行更加平穩(wěn)，爐膛燃燒狀況穩(wěn)定，提高了鍋爐的熱效率，發(fā)電煤耗降低0.5%以上。

（4）采用先進控制，可以改進控制效果，增加過程的平穩(wěn)性，提高控制精度。投入自動后，大量的調(diào)節(jié)工作由手動變?yōu)樽詣?，減少了操作人員大量的重復(fù)性操作，降低了操作人員的勞動強度；投自動以后，操作人員可以有更多的時間和精力去關(guān)注機組設(shè)備的運行情況，及早發(fā)現(xiàn)一些設(shè)備隱患，以便及時處理。

（5）為以后提高運行人員操作水平和規(guī)范機組運行操作規(guī)程提供經(jīng)驗借鑒。

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TM621

A

2095-2066（2016）33-0032-04

2016-11-12

陳宇肇，高級工程師，長期從事火電廠檢修、運行及電力技術(shù)管理工作，具有豐富的電廠現(xiàn)場經(jīng)驗，目前主要從事火力發(fā)電廠的生產(chǎn)、經(jīng)營及管理工作。