俞保云，江青茵，鄧飛

（1.嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016；2.廈門大學(xué)，福建 廈門 361005；3.杭州浙江工業(yè)大學(xué)藍(lán)屋電子有限公司，浙江 杭州 310014）

一、背景

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司現(xiàn)有3臺220t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐和1臺260t/h高溫高壓循環(huán)流化床污泥焚燒鍋爐。公司自成立以來，積極從事節(jié)能減排工作，在浙江省率先采用高溫高壓污泥焚燒鍋爐，實(shí)現(xiàn)污泥無害化處理處置，節(jié)省了大量的污泥填埋土地，消除了二次污染。

但污泥與燃煤摻混后的熱值較低，且容易發(fā)生堵煤，DCS配置的自動控制系統(tǒng)無法適應(yīng)工況的變化。加上循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程具有滯后、非線性、多參數(shù)、強(qiáng)耦合的特性，造成控制難度大。特別是4臺鍋爐系統(tǒng)采用母管制聯(lián)絡(luò)方式，管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，互相之間有干擾。鍋爐以供汽為主，負(fù)荷變化較大。在這些因素綜合作用下，導(dǎo)致鍋爐無法投入自動運(yùn)行，其給煤、一次風(fēng)、二次風(fēng)、引風(fēng)等控制均需手動操作，容易引發(fā)人為失誤，造成很多不良后果。因此，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐燃燒自動控制意義重大。

杭州浙江工業(yè)大學(xué)藍(lán)屋電子有限公司(以下簡稱藍(lán)屋電子)開發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以兼顧鍋爐負(fù)荷、蒸汽壓力、主汽溫度、汽包水位、爐膛負(fù)壓、氧量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、給煤量、床溫、床壓等眾多參數(shù)，在維持燃燒過程和蒸汽壓力平穩(wěn)的前提下滿足負(fù)荷變化，實(shí)現(xiàn)了鍋爐燃燒的自動控制，具有自適應(yīng)能力強(qiáng)(可適應(yīng)煤質(zhì)30%以內(nèi)的變化)、組態(tài)和仿真能力強(qiáng)、實(shí)施方便、安全性強(qiáng)的特點(diǎn)。

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司4臺鍋爐采用母管制聯(lián)絡(luò)方式，以供汽為主、發(fā)電為為輔。1#、2#、3#鍋爐為同一個(gè)DCS控制網(wǎng)絡(luò)，4#鍋爐為單獨(dú)DCS控制網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)屋電子針對循環(huán)流化床鍋爐的高效燃燒優(yōu)化控制要求，基于無辨識自適應(yīng)預(yù)估算法，依據(jù)粒子濃度模型和風(fēng)煤比、一二次風(fēng)比率、含氧量等多參數(shù)量約束的燃燒效率在線優(yōu)化控制機(jī)制，建立了基于煤品質(zhì)在線觀測和熱效率在線觀測計(jì)算相融合的前饋調(diào)控方法；在此基礎(chǔ)上，開發(fā)完成了循環(huán)流化床鍋爐的燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括DCS組態(tài)式架構(gòu)、XD-APC組態(tài)控制軟件、故障診斷模塊等，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程的無人值守閉環(huán)穩(wěn)定控制和高效燃燒優(yōu)化控制，節(jié)能降耗效果明顯。

二、控制方案

1.通信方案

燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)采用“外掛式”控制方案，系統(tǒng)為加掛在原有DCS系統(tǒng)上的上位軟件，通過DCS系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通信時(shí)，可以采用OPC或Modbus進(jìn)行通信。在單獨(dú)的工作站上安裝控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)啟動OPC(或Modbus)服務(wù)進(jìn)程，軟件通過自帶的OPC(或Modbus)客戶模塊與DCS網(wǎng)絡(luò)上的OPC(或Modbus)服務(wù)器相連，通過OPC(或Modbus)服務(wù)器讀取測量數(shù)據(jù)，并輸出給OPC(或Modbus)服務(wù)器，再由OPC(或Modbus)服務(wù)器將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入DCS相應(yīng)的I/O點(diǎn)。不影響DCS系統(tǒng)已有的功能，安全可靠。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

2.負(fù)壓--引風(fēng)控制系統(tǒng)實(shí)施方案

采用單回路控制方式，測量(被控)信號為爐膛負(fù)壓，調(diào)節(jié)信號為引風(fēng)機(jī)擋板開度（若擋板常開，則調(diào)節(jié)變頻電流），控制器算法為IFAP算法(無辨識自適應(yīng)預(yù)估控制)。為使控制更加平穩(wěn)，加入燃燒系統(tǒng)的控制指令作為前饋信號，使控制系統(tǒng)可以提前動作應(yīng)對負(fù)荷擾動。該控制系統(tǒng)相對獨(dú)立，其控制回路需要時(shí)可以獨(dú)立切換為DCS的控制方式（圖2）。

圖2 負(fù)壓--引風(fēng)控制系統(tǒng)

3.燃燒控制系統(tǒng)的實(shí)施方案

燃燒（給煤）控制系統(tǒng)為燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的核心部分，包括主蒸汽壓力-密相溫度-給煤控制系統(tǒng)及一次風(fēng)、二次風(fēng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)各部分互相聯(lián)系、又相對獨(dú)立，可以獨(dú)立投運(yùn)。

主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統(tǒng)采用專利控制技術(shù)——無辨識自適應(yīng)預(yù)估控制技術(shù)，為三級串級控制系統(tǒng)（見圖3），主控制對象為各臺鍋爐的出口主蒸汽壓力(測量)，壓力給定在單爐控制時(shí)由人工給定?？刂葡到y(tǒng)的副控制器為床溫，通過下部床溫多個(gè)測點(diǎn)的特殊平均值(該計(jì)算方法可以自動剔除誤測值)計(jì)算出床溫平均值作為被控信號，床溫給定則由主控制器自動給出，通過調(diào)節(jié)給煤量控制溫度。

圖3 燃燒控制系統(tǒng)

(1)主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統(tǒng)的串級結(jié)構(gòu)的設(shè)置主要為了應(yīng)對煤質(zhì)變化。由于床溫對煤質(zhì)變化較為靈敏，串級方式有利于控制器及時(shí)對煤質(zhì)變化作出反應(yīng)，及時(shí)增加或減少給煤量。

(2)對于外界負(fù)荷變化，主要通過預(yù)估引進(jìn)前饋控制量，使給煤控制器能及時(shí)動作。主蒸汽壓力-床溫-給煤控制系統(tǒng)的主控、副控均采用IFAP控制器，以應(yīng)對調(diào)節(jié)滯后和工況多變的過程特性。

(3)每臺爐的各臺給煤機(jī)的分配采用“跟蹤平均分配”和偏置分配，即手動時(shí)，控制器自動跟蹤實(shí)時(shí)的給煤分配比例，投入自控后，在跟蹤的比例的基礎(chǔ)上，將需要增加或減少的給煤量平均分配給各臺給煤機(jī)。在自動控制時(shí)，操作人員可調(diào)整“給煤偏置”來在線修改給煤分配比例。

(4)給煤機(jī)連鎖控制。主要處理在給煤機(jī)跳機(jī)或斷煤情況下的自動控制。當(dāng)某臺或某幾臺給煤機(jī)斷煤時(shí)，控制系統(tǒng)會自動按設(shè)定的方式將煤量分配給其余正常運(yùn)行的給煤機(jī)，保持總煤量的穩(wěn)定，當(dāng)給煤機(jī)恢復(fù)正常以后，控制系統(tǒng)會自動恢復(fù)斷煤時(shí)的煤量，無需人工干預(yù)。

4.一次風(fēng)、二次風(fēng)控制系統(tǒng)的實(shí)施方案

一、二次風(fēng)控制目標(biāo)是為燃燒過程提供足夠的氧量和流化風(fēng)量，包括風(fēng)量給定值計(jì)算和風(fēng)量控制兩個(gè)子系統(tǒng)。

一次風(fēng)控制的主要目的是維持風(fēng)煤比穩(wěn)定和床溫工作點(diǎn)的需求，風(fēng)煤比為一次風(fēng)量和給煤量的比例，故控制的一次風(fēng)量會隨著給煤量的增減而自動增減?？刂破鞯恼{(diào)整對象為一次風(fēng)機(jī)入口擋板開度。風(fēng)煤比的給定值在控制器處于“手動”位置時(shí)會自動跟蹤實(shí)際風(fēng)煤比值的10min平均值(5s計(jì)算1次)，一旦控制器處于“自動”狀態(tài)，風(fēng)煤比給定值即為投入自動時(shí)的風(fēng)煤比平均值，在自動控制狀態(tài)下，根據(jù)爐膛粒子濃度分布和床溫對風(fēng)煤比給定進(jìn)行在線修正(圖4)。

圖4 一次風(fēng)控制系統(tǒng)

二次風(fēng)量給定按一二次風(fēng)比率和氧量給定計(jì)算。二次風(fēng)控制的調(diào)節(jié)對象為二次風(fēng)機(jī)入口擋板開度(若擋板常開，則調(diào)節(jié)變頻電流)，如圖5所示。

圖5 二次風(fēng)（氧量）控制系統(tǒng)

風(fēng)量控制器均采用單回路的IFAP控制方式，可獨(dú)立切換控制方式。總風(fēng)量的實(shí)測值將被引入主蒸汽壓力控制系統(tǒng)，作為部分控制參數(shù)的校正依據(jù)。同時(shí)，主蒸汽控制部分的測點(diǎn)和控制結(jié)果也將引入風(fēng)量系統(tǒng)，作為給定計(jì)算和風(fēng)量控制的校正依據(jù)和限制依據(jù)。風(fēng)量給定值計(jì)算將是在線優(yōu)化的主要對象，在實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動控制的基礎(chǔ)上，可以對風(fēng)量的給定計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化處理，以提高鍋爐的效率。

三、系統(tǒng)實(shí)施效果

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施包括優(yōu)化控制系統(tǒng)與DCS的通信、優(yōu)化控制方案在線仿真、投運(yùn)準(zhǔn)備、試運(yùn)行、驗(yàn)收投運(yùn)五個(gè)階段。該系統(tǒng)投運(yùn)近1年來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、控制精度高。主汽溫度±3℃，主汽壓力±0.15MPa，主蒸汽參數(shù)達(dá)標(biāo)率明顯提高，同時(shí)風(fēng)機(jī)電耗、排煙溫度、飛灰含碳量等均有下降，經(jīng)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)測試，鍋爐綜合熱效率提高1.5%以上，每臺鍋爐年節(jié)約標(biāo)煤2 000t以上，年節(jié)約成本200萬元以上。