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        循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)先進控制技術應用

        2018-04-26 05:40:24云蘇和
        石油化工自動化 2018年2期
        關鍵詞:控制技術優(yōu)化故障

        云蘇和

        (內(nèi)蒙古神舟硅業(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

        在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中,自動化控制逐漸替代了人員的監(jiān)視和控制功能,在提高生產(chǎn)效率的同時,也減輕了人員的勞動強度。分散控制系統(tǒng)(DCS)在控制上的最大特點是依靠各種控制、運算模塊的靈活組態(tài),可實現(xiàn)多樣化的控制策略以滿足不同情況下的需要。在實現(xiàn)自動控制功能的基礎上,精細化生產(chǎn),“卡邊”生產(chǎn)要求更加突出,更要實現(xiàn)節(jié)能降耗和平穩(wěn)控制,保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

        隨著企業(yè)提出的高柔性、高效益的要求,以經(jīng)典控制理論為基礎的控制方案已經(jīng)不能適應需求,以多變量預測控制為代表的先進控制策略的提出和成功應用之后,先進過程控制受到了過程工業(yè)界的普遍關注。需要強調(diào)的是: 廣泛應用各種先進控制與優(yōu)化技術是挖掘并提升DCS綜合性能最有效、最直接、最具價值的發(fā)展方向。

        2012年某公司的120 t循環(huán)流化床(CFB)鍋爐裝置上采用了先進控制技術,5 a來一直運行穩(wěn)定,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益,與傳統(tǒng)的DCS 控制方式相比,該系統(tǒng)能夠適應具有不確定性、非線性、多變量耦合、大滯后和狀態(tài)不完全性等控制場所。因而,該系統(tǒng)可以有效彌補傳統(tǒng)DCS中的PID控制算法難以滿足復雜工藝控制質(zhì)量與提高效益的要求。

        1 先進控制通信技術架構(gòu)

        鍋爐通用燃燒優(yōu)化控制技術(BCS)立足于各種燃燒裝置最基本的測控儀表,采用先進的軟測量技術、多變量解耦技術、過程優(yōu)化控制技術、故障診斷與安全控制技術、智能調(diào)節(jié)技術及科學的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計技術來實現(xiàn)燃燒裝置的全自動優(yōu)化控制,從而達到安全運行、穩(wěn)定運行和經(jīng)濟運行的所有目標。BCS作為第三方通信軟件,和現(xiàn)有的DCS之間首先要有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),并且可以進行數(shù)據(jù)的訪問和指令的下達,一般要求DCS軟件具有穩(wěn)定可靠的OPC雙向通信功能。BCS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        該項目BCS的通信共包含三部分:

        1) BCS與DCS間的通信,采用國際標準的OPC通信協(xié)議,完成兩系統(tǒng)間的雙向數(shù)據(jù)交換。

        2) BCS與該公司遠程服務系統(tǒng)(HeroRTS)間的通信,基于3G網(wǎng)絡和DTU設備,采用VPN數(shù)據(jù)傳輸技術,優(yōu)化控制系統(tǒng)的實時遠程服務功能。

        3) BCS與該公司脫鹽水站完成兩系統(tǒng)間的雙向數(shù)據(jù)交換和上傳數(shù)據(jù)到調(diào)度室。通過遠程通信技術,技術廠家可以從遙遠的異地對系統(tǒng)進行檢查和監(jiān)控,出現(xiàn)的一般故障可立即得到有效解決,既節(jié)省了人工,提高了效率,也降低了一般故障發(fā)生的概率。同時多了一個可以和其他控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控的手段,提高了生產(chǎn)效率,優(yōu)化了裝置的生產(chǎn)架構(gòu)。

        圖1 BCS系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意

        2 優(yōu)化控制技術關鍵控制回路

        根據(jù)對現(xiàn)場運行情況的分析,結(jié)合BCS技術,可實現(xiàn)鍋爐汽水及燃燒系統(tǒng)的全自動優(yōu)化,BCS內(nèi)部有自己獨立的運算模塊和控制界面,只是將DCS的數(shù)據(jù)進行采集、分析、辨別、整理后進入BCS進行復雜運算,包括專家算法的應用、軟測量技術的應用、各種控制模型的應用以及模型修正及多種PID調(diào)節(jié)算法的應用,最后將運算結(jié)果通過通信直接發(fā)送到需要操作的閥門設備等調(diào)節(jié)對象。

        2.1 汽包水位優(yōu)化控制

        該回路采用了帶有燃燒因素專家算法的三沖量控制算法,模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        2.2 鍋爐負荷-給煤優(yōu)化控制

        該回路通過控制給煤變頻器、一次風閥、二次風閥及引風閥的開度來實現(xiàn)對負荷與床溫的控制,控制模型如圖3所示。

        2.3 一次風優(yōu)化控制

        該回路通過控制一次風擋板或其他執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)鍋爐的正常流化、經(jīng)濟燃燒和床溫控制。一次風優(yōu)化控制模型如圖4所示。

        2.4 二次風優(yōu)化控制

        該回路通過控制二次風擋板或其他執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)鍋爐的進氧量穩(wěn)定和經(jīng)濟燃燒。二次風優(yōu)化控制模型如圖5所示。

        圖2 帶有燃燒因素專家算法的三沖量控制算法模型示意

        2.5 爐膛負壓優(yōu)化控制

        該回路通過控制引風機閥門開度來實現(xiàn)鍋爐負壓的優(yōu)化控制。爐膛負壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù),是運行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。監(jiān)視和控制爐膛負壓對于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內(nèi)燃燒工況、煙道運行工況、分析某些事故的原因均有極其重要的意義。當爐負壓過大時,漏風量增大,吸風機電耗,不完全燃燒損失、排煙熱損失均增大。通過爐膛負壓優(yōu)化控制模型,如圖6所示,結(jié)合一次風、二次風的風量,通過多種算法保持爐膛負壓在正常范圍內(nèi)。

        圖3 鍋爐負荷-給煤優(yōu)化控制模型示意

        圖4 一次風優(yōu)化控制模型示意

        圖5 二次風優(yōu)化控制模型示意

        圖6 爐膛負壓優(yōu)化控制模型示意

        2.6 基于專家系統(tǒng)的床溫優(yōu)化控制

        對高溫返料的CFB鍋爐來說其床溫控制點的高低是隨負荷變化而變化的,其床溫的控制手段主要體現(xiàn)在給煤量和一次風量的控制上。BCS對床溫的控制目標是在滿足負荷需要的前提下保證床溫的最佳穩(wěn)定性,同時還有應對特殊情況下床溫異常升降的功能,即床溫急劇變化時要以恰當?shù)姆绞秸{(diào)節(jié)給煤量和一次風量。因此,在高溫返料的CFB鍋爐上對床溫的控制作用是疊加到負荷-給煤控制回路和一次風優(yōu)化控制回路上的。

        2.7 快速升降負荷自動控制

        在生產(chǎn)過程中,由于工藝的變化,會造成蒸汽負荷的變化,對于計劃中的大幅度快速提降負荷時,操作人員可根據(jù)需要設置提降負荷的幅度和所希望的調(diào)整時間來實現(xiàn)全自動平穩(wěn)地升降負荷。

        通過以上控制技術的實現(xiàn),完美地解決了DCS在控制中只能應用于簡單控制,如單回路控制、串級控制、比例控制等,復雜控制難以實現(xiàn)的不足。采用開放性的多變量專家系統(tǒng)進行模擬控制,根據(jù)現(xiàn)場實際工藝分配各參與變量權(quán)重,更好地實現(xiàn)了自動控制,提升了生產(chǎn)效率,穩(wěn)定了產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量。

        3 安全控制技術改造

        3.1 智能語音報警功能

        BCS將CFB鍋爐的主要運行故障都納進了智能語音報警模型,當某種故障發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生,BCS會以不同的模仿真人聲音進行報警,直接定位到點,如“二號皮帶機給煤異常,可能發(fā)生斷煤,請進行處理!”,如此就可以在第一時間判斷故障發(fā)生的地點,從而準確判斷,并采取有效措施。而一般情況下DCS會發(fā)出按照事故等級的聲音報警,還需要在控制畫面上查找報警位號,根據(jù)報警位號找到報警畫面,再確定報警的位置。

        3.2 通信故障自動切換功能

        當BCS與DCS的OPC通信出現(xiàn)異常且在一定時間內(nèi)沒有自動恢復時,BCS會自動將控制權(quán)無擾切換到DCS側(cè)并報警。

        3.3 安全限幅功能

        BCS為每個控制回路都設計了鍋爐正常運行的安全開度,避免出現(xiàn)測量異常導致模型計算錯誤或人為誤操作造成的安全隱患。當然,模型本身也作了很多必要的安全限幅。

        3.4 部分儀表故障的自動處理

        儀表故障的處理主要有三種情形: 測量儀表不準確,BCS會根據(jù)其變化趨勢實施有效的優(yōu)化操作;BCS可以自動剔除完全損壞的儀表,如密相層溫度,并自動消除由此帶來的突變影響或可切換至軟測量模型;設計了智能控制器用于處理那些特性不好的閥門或伺服執(zhí)行機構(gòu)等。

        3.5 部分工藝故障的自動處理

        BCS已完成了如下工藝故障的自動處理模型: 斷煤自動處理模型;左右兩側(cè)床溫或氧含量不平衡處理模型。

        BCS加入這2個模型以后極大地減輕了操作人員的勞動強度,縮短了故障的判斷時間,提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)過程中的安全風險。

        4 統(tǒng)計技術應用

        主要針對每一個班次的主要運行參數(shù)、運行穩(wěn)定性等關鍵運行參數(shù)進行統(tǒng)計顯示,同時還對本班次的各個回路的自控率及總自控率、操作質(zhì)量等進行統(tǒng)計,可以直觀地顯示本班、上班及本月的統(tǒng)計結(jié)果,讓運行人員能夠了解上班及以前的操作水平,為其運行提供參考。

        該鍋爐采用BCS技術改造后實現(xiàn)了最佳的運行效果,并解決了現(xiàn)場存在的一系列問題。解決了DCS的PID回路在進行調(diào)節(jié)時,由于循環(huán)流化床鍋爐所特有的燃燒過程滯后大、多變量耦合嚴重、燃料特性多變、燃燒過程具有很強的非線性特性等因素影響,燃燒系統(tǒng)自動控制一直運行不佳,以及風機擋板調(diào)節(jié)輸出非線性,難以平穩(wěn)控制等突出問題。

        5 結(jié)束語

        BCS的應用達到了如下目標: 實現(xiàn)了鍋爐全自動優(yōu)化運行,降低了工人勞動強度,提高了安全生產(chǎn)水平;運行可靠且自控率大于90%;在實現(xiàn)全自動燃燒的基礎上實現(xiàn)鍋爐給煤和二次風的優(yōu)化以實現(xiàn)鍋爐的最經(jīng)濟運行。在現(xiàn)有煤耗基礎上可降低煤耗2.0%以上,即1臺120 t CFB鍋爐在使用BCS技術后,按1臺鍋爐運行在額定負荷下每年用1.0×105t標煤計算(滿負荷運行),可節(jié)約標煤2 000 t 以上。在一定程度上實現(xiàn)更環(huán)保運行方式,實現(xiàn)了燃料充分燃燒,保證了鍋爐穩(wěn)定運行,在一定程度上解決煙囪冒黑煙和因燃燒溫度控制不穩(wěn)而過量生成SO2,NOx的環(huán)保問題,降低排煙溫度。通過5 a的穩(wěn)定運行,驗證了BCS應用的可靠性,節(jié)能效果十分明顯,經(jīng)濟效益突出,操作工反應控制良好,裝置運行更加平穩(wěn)。

        參考文獻:

        [1] 葛寶明,林飛,李國國.先進控制理論及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

        [2] 馬菲.DCS控制系統(tǒng)的構(gòu)成與操作[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2012.

        [3] 王樹青,金曉明,先進控制技術應用實例[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2005.

        [4] 李海青.軟測量技術原理及應用[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2005.

        [5] 鄭偉軍.循環(huán)流化床(CFB)鍋爐裝置操作[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2015.

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