基于XD-APC的135MW循环流化床机组自动控制系统优化

朱云峰 陈 妍 李金广

（1、河南中孚电力有限公司，河南 巩义 451200 2、大连电力勘察设计院有限公司，辽宁 大连 1160113、华北水利水电学院，河南 郑州 450011）

1 引言

循环流化床机组对负荷响应具有纯迟延、非线性环节，给机组和锅炉协调控制系统控制策略的设计及控制参数的整定带来很大难度，并且同类机组的经济安全协调控制在国内可借鉴的经验不多。传统的循环流化床机组控制系统因现场设备、控制逻辑等方面存在不足，未能实现锅炉燃烧自动控制与机炉协调控制[1]。

为了进一步提高循环流化床机组的自动化运行水平，满足机组安全、经济的需要，本文一方面针对135MW循环流化床机组燃烧及机组协调自动控制系统进行分析和研究，另一方面针对循环流化床锅炉对负荷响应的特点，对燃烧系统选择了一种工业现场容易实现的基于现代控制理论的控制策略，采用先进的XD-APC控制软件实现对135MW循环流化床锅炉机组负荷自动控制优化。

河南某电力公司有1#和2#135MW循环流化床机组，采用XD-APC自动控制软件对135MW循环流化床锅炉机组自动控制系统进行优化。

2 XD-APC控制软件介绍

XD-APC是工业过程先进控制及仿真组态软件的简称。它是一套实时的平台软件，带有工业过程基础模型库和先进控制及实时优化的基础算法库，并具备强大的在线计算能力和非线性工业模型的在线求解能力，可通过图形组态实现工业过程的先进控制、在线优化、软仪表和故障诊断等项技术[2]。

XD-APC是近年来迅速发展的高新技术，采用先进控制，可以改进控制效果、增加过程的平稳性、提高控制精度、改进工业过程的操作水平和提高经济效益。XD-APC主要用以解决复杂流程工业过程存在的多变量耦合、大滞后、时变等由传统的PID控制无法解决的控制问题。以该软件为开发和运行平台，可开发实施各类工业先进控制系统和在线优化、软仪表及故障诊断系统，适合于解决传统控制手段难于解决的控制问题:包括多变量和复合回路控制，时变过程和原料、负载多变的装置的控制，大滞后过程的控制，约束控制等。

3 优化控制实施方案

采用XD-APC控制平台软件，一台控制监视站（研华工控机）作为运行平台，通过Foxboro I/A Series 50系统本身提供的OPC通讯协议，通过OPC Server读写DCS中的在线实时数据，在数据采集工控机上安装OPC Server软件，通过安装在工程师站上的API Server应用程序实现二者之间的数据通讯，实现XD-APC先进控制软件的数据读取及数据的写入，通过OPC通讯，读写速度快，且不影响DCS系统运行安全[3]。其系统网络连接如图1。

3.1 床温－过热蒸汽压力的协调控制

这一过程由主汽压力－密相温度控制级(该级控制设置密相温度给定值)、密相温度－给煤控制级(该级控制设置总给煤量给定值)、甲、乙、丙、丁四台称重给煤机自动控制系统组成。控制系统中，密相温度平均值取密相下温度和密相中部温度的平均值。控制器输出的总给煤量按跟踪平均分配的方法分配给甲、乙、丙、丁四台给煤机:即末投自动时，甲给煤机给定、乙给煤机给定、丙给煤机给定、丁给煤机给定均会自动跟踪实际测量的瞬时给煤量，甲乙丙丁四台给煤机控制器的输出则跟踪手动操作时操作人员给出的甲、乙、丙、丁给煤机控制指令。这些跟踪值在投入自动后作为偏置量处理，投入自动后控制系统再将增减的给煤量在上述偏置量的基础上平均分配给甲乙丙丁四台给煤机给定值，由控制器自动输出控制指令。

在压力回路处于自动控制状态时，操作人员直接在原DCS控制总貌画面上，按照原来改变功率目标值的操作方法，设定新的功率目标值，点击“输入”、“执行”后，由原有DCS系统改变汽机调门开度，先控系统根据汽机调门的变化量和当前给煤量与电负荷的关系，计算前馈值，直接加到给煤控制器，同时随着汽机调门开度的变化，主汽压力随之改变，这时压力控制回路同时起作用，通过调节给煤来调节主汽压力。

3.2 一次风量－料床温度－炉膛粒子温度的协调控制

一次风控制的主要目的是维持风煤比稳定，这里风煤比等于一次风量除以总给煤量，故控制的一次风量会随着给煤量的增减而自动增减。控制器的调整对象为1＃风机入口挡板开度和2#风机入口挡板开度处。风煤比的给定值在控制器于“手动”位置时会自动跟踪实际的风煤比值的10分钟平均值(5秒计算一次)，当控制器处于“自动”状态，风煤比给定值即为投入自动时的风煤比平均值，在自动控制状态下，根据煤质和密相温度对风煤比给定进行在线修正。风量控制的主逻辑图见下图:

3.3 二次风量－氧量控制

二次风控制的目标是维持一、二次风量比例的稳定和保证省煤器处的出口氧含量，控制器的调整对象为1、2＃二次风机入口挡板和右上、右下、左上、左下四个阀门。其中:

3.3.1 二次风量给定按一、二次风比率 (占80%)和氧量给定(占20%)计算。其中一、二次分比率为投自控时的5分钟平均跟踪值（可考虑对此做优化计算）,氧量给定由操作人员在操作台设置。

3.3.2 1、2＃风机风压给定值由先进控制系统根据二次风给定值自动计算。

3.3.3 右上、右下、左上、左下四个风门的偏置采用跟踪方式。

3.4 过热气温、再热汽温度控制系统实现方案

过热汽温、再热汽温度控制系统(该级控制设置再热汽温度给定值)1#、2#再热汽烟温调节档板控制系统和左右二级减温水控制系统组成，主逻辑控制框图见下图:

3.5 负荷协调控制[4]

负荷协调控制系统由负荷控制、燃烧控制(主气压控制)、风量控制三个子系统组成。

3.5.1 负荷控制器仅当操作台上的控制状态处于“CCS投入”状态时和电负荷给定值时才会开始运行，此时控制器的输出信号会“写”到汽门的控制目标，运行人员不能再设置。

3.5.2 条件输出单元的作用是为燃烧控制(给煤控制)系统提供调整给煤量的前馈信号。其逻辑为:当电负荷控制器状态为自动时，输出电负荷给定值的变化信号，而当电负荷控制器状态为手动时，输出汽门指令变化信号，前馈量则根据实时计算的给煤和负荷、密相温度的增益关系确定。

3.5.3 电负荷控制处于“自动”状态时，可以通过给定值的延时单元实现先调煤、后调负荷(调门)，这样对主气压控制较有利。

3.5.4 负荷协调控制可在电负荷控制器处在“手动”和“自动”的时候进行，电负荷控制处于“手动”时，由运行人员设置汽门控制目标，控制系统根据实际汽门的变化，向燃烧控制系统送出前馈信号，在调整汽门的同时，调整给煤量,而当电负荷控制处于自动时，运行人员只需改变负荷给定值，其余动作由控制系统完成。

4 系统优化目标

经XD-APC优化后的系统，主汽温度、负荷控制偏差、过热汽温度、炉膛床温等参数都能控制在工艺要求范围之内。其系统优化实现的目标参数为:

图3 主逻辑控制框图

a.在煤质稳定时，压力误差在+0.2MPa以内，负荷控制偏差在目标值的+2%以内；变负荷率为≥1.5MW/分钟；b.在煤质波动较大或断煤时，压力误差能控制在+0.35MPa以内；c.一、二次风控制稳定，在变负荷时风量调整及时，炉膛负压稳定；d.炉膛床温整体控制平稳，不会出现超温现象；e.氧量调整整体平稳，炉内燃烧状况稳定；f.主汽温度控制平稳，没有大幅度的波动，没有超限现象发生；g.过热汽温度、再热汽温度控制在540℃以下，吹灰时其温度控制基本不会发生超温现象；h.各控制参数控制稳定，机组运行安全稳定；i.经过对各项数据分析，无论实际煤耗还是标准煤耗，协调自控系统均有较好地节能效果。

XD-APC软件的使用，为企业管理提供一个信息平台,使生产更加平稳，生产成本进一步下降，事故进一步减少，带来巨大的经济效益和社会效益。目前在设备正常的条件下，该协调控制系统可实现100%自动投运率，完全实现了优化目标。

5 结论

应用XD-APC对135MW循环流化床锅炉机组自动控制进行优化后，机组运行稳定可靠，几乎无需维护，并且操作方便、技术先进、扩展性好，机组自动控制系统已实现了“协调”控制方式运行。较大程度解决了负荷响应的大纯迟延、大惯性、非线性、多变量紧密偶合的问题，使调节品质上一个新的台阶，达到了预定的控制优化目标。同时也较大的减少了运行人员的操作强度，提高了锅炉运行效率，具有一定的节能减排效果，系统运行的安全性也得到了进一步提高，对其他同类机组的优化运行具有一定的借鉴意义。

[1]李香运.循环流化床锅炉燃烧自动先进控制系统应用技术 [J]电气技术 2009.6

[2]江青茵.曹志凯.文严峻.陈龙腾.周华.循环流化床锅炉燃烧过程优化控制系统 [Z].科技成果.

[3]Takao Senda.Akiko Iizuka-Kogo.Takanori Onouchi. Atsushi Shimomura.Adenomatous polyposis coli(APC)plays multiple roles in the intestinaland colorectalepithelia[J].Medical Molecular Morphology.2007.6

[4]曾祥平.循环流化床锅炉负荷协调控制系统研究 [D].厦门:厦门大学 2007.