和利时母管制机组APC优化方案及其应用

刘德成，李福军，赵立军（杭州和利时自动化有限公司，北京 100176）

和利时母管制机组APC优化方案及其应用

刘德成，李福军，赵立军（杭州和利时自动化有限公司，北京 100176）

针对母管制机组一直存在的蒸汽母管压力难以稳定控制的问题，本文提出了一种基于和利时DCS控制系统的APC协调控制方案。该方案可以解耦影响锅炉燃烧的主要因素，优化分配锅炉负荷，快速平衡锅炉产汽与外界用汽之间的能量差，达到稳定蒸汽母管压力的目的。现场的实际应用证明了该方案的可行性。

母管制；优化分配；APC；效益；节能减排

1 引言

相比单元机组，母管制机组除了锅炉自身燃烧工况变化引起的各种扰动外，还存在着锅炉之间的相互扰动。这种影响与负荷变化情况、各炉燃烧特性和各炉在母管中所处的位置等都有关系。而且即使外部负荷稳定的情况下，并列锅炉的燃烧参数变化也将相互影响，使母管压力的调整难度增加。为了保证主装置生产安全，提高供热品质，运行人员只能频繁手动调节锅炉负荷以尽量保证蒸汽母管压力稳定，但是实际操作强度较大，而且效果也不理想。

对此，杭州和利时自动化有限公司在多年电力行业应用经验的基础上，以APC控制技术为核心，提出了母管制机组APC优化解决方案。该方案在CJ(沈阳)热源厂4台90t/h低温低压循环流化床锅炉的母管制机组上进行了实际应用，效果良好。

2 和利时APC优化控制方案总体框架

APC优化控制系统是专门针对母管制运行机组协调控制方案，整体框架如图1。

图1 APC优化控制方案总体框架

它可以实现以下控制功能：

（1）实现锅炉的全自动运行（包括汽水系统、燃烧系统、辅助系统等），各种参数更加平稳，将操作员从繁重的监控中解脱出来。

（2）涉及锅炉效率的重要参数压红线运行（如主汽压力、主汽温度、床温、氧量等），提高锅炉效率。

（3）自动优化风煤比，以适应煤种的变化，保证燃烧的充分性，降低锅炉损失（如排烟损失、未完全燃烧损失等）。

（4）燃料预测优化控制，稳态情况下提高控制精度，外界扰动时大幅度提高响应的快速性和稳定性。

（5）母管制锅炉负荷优化分配控制，实现锅炉产汽与外界用汽之间的相对平衡，对全厂锅炉的负荷进行优化分配，稳定母管压力，使得综合效率得到优化提高。

3 APC优化控制方案关键技术

APC优化控制系统的研发是建立在行业专家多年的经验积累的基础上的，系统中研发了很多独特的新控制技术，其中关键技术如下。

3.1 新型送风调节自动控制

锅炉的燃烧效率与锅炉的氧含量有直接的关系，在散热损失与灰渣显热损失相对不变的情况下，如果氧量过低，排烟损失q2虽然较低，但是机械未完全燃烧损失q4却很高，总体效率还是较低。如果氧量过高，排烟损失q2明显增高，即使机械未完全燃烧损失q4较低，但是总体效率依然较低，具体氧含量与锅炉效率损失可用图2所示的曲线表达。

图2 锅炉氧含量与效率损失曲线图

从图2中可以肯定的是，燃烧过程中存在一个最佳氧含量，使得q2+q4最小。基于这个理论，我们在系统中植入自动寻优模型，在燃煤热值相对稳定的情况下自动启动寻优程序，根据预先设定的寻优步长与寻优时间来完成寻优过程，进而找到最佳风煤配比系数K1，利用优化系数K来修正送风调节回路，使得锅炉效率最高。当煤种发生变化，使得燃煤热值超出相对稳定区域时，系统将再次自动启动寻优程序，在最短的时间内寻找最佳风煤配比系数Kn，通过该系数指导送风调节回路，将系统重新调整到最高效率的状态。

3.2 新型引风调节自动控制

锅炉运行过程中，引风机的可靠运行是保证锅炉安全燃烧的最主要因素。故而在大多数热电厂，由于引风机是挡板调节，考虑到安全因素运行人员宁可选择手动调节引风机的调节系统。针对运行人员对投入引风机调节系统顾虑的问题，协调控制系统中使用了专家系统引风自动调节安全策略，保证了引风调节系统的安全性，主要包括：

• 设置自动调节系统指令限制自投切算法；

• 设置暂态/稳态区域，抑制系统的自振；

• 设置双侧风机负荷（电流）自平衡系统，防止风机进入失速区域；

• 前馈回路专家策略，快速消除内外扰动。传统引风调节与新型引风调节参数对比如表1所示。

表1 传统引风调节与新型引风调节参数对比表

3.3 燃料预测优化控制

在燃烧系统进入相对稳态时，即同时满足下列条件:

• 主蒸汽压力设定值与测量值调节偏差小于0.02MPa；

• 主蒸汽流量设定值与测量值调节偏差小于2t/h；

• 锅炉含氧量设定值与测量值调节偏差小于0.5%；

• 锅炉床温设定值与测量值调节偏差小于3℃；

当4个条件同时满足时，系统判定锅炉已经进入相对稳态，此时系统自动记忆当前的主蒸汽流量和煤量，并自动计算预测单位煤量产汽率F0，并且F0是连续滚动优化的动态数据。通过单位煤量产汽率F0指导煤量控制，既保证了系统稳态时调节的稳定性，又增加了系统响应外界负荷的速度和准确度。

3.4 经济床温综合优化控制系统

循环流化床锅炉的床温高低将直接影响锅炉的燃烧效率，床温越高，燃烧越充分，换热效率越高，当然床温太高对锅炉的安全也将产生很大的威胁，相应的散热损失也将增加，所以床温控制必须和氧量控制协调考虑。另外床温的大幅度波动也是造成CFB锅炉结焦的主要原因，所以床温控制要兼顾稳定性与经济性。

循环流化床锅炉床温控制采用床温与氧量协调控制的基本思想，而且是一次风，二次风，燃料协调控制，这样既可以保证床温和氧量控制的稳定性和快速性，又可保证锅炉的效率最高。具体经济床温函数如表2所示。

表2 锅炉负荷与经济床温的对应函数表

3.5 锅炉运行模式控制策略

一般情况下锅炉燃烧控制主要调节锅炉出口压力，并不响应汽机、临炉、供热的负荷变化以及母管压力的波动，所以锅炉燃烧之间容易发生互扰与震荡，母管压力控制无法实现解耦。而APC优化协调控制模式下，不但要控制本炉的出口压力，还要进行锅炉与汽机的智能解耦，优化分配锅炉负荷，两种模式的对比简图如图3所示。

图3 单炉模式与协调模式对比图

3.6 智能权数分配专家系统

智能权数分配专家系统是建立在对主蒸汽母管结构参数，母管上锅炉、汽机以及热用户阵列方式进行数学建模的基础上的。沿程阻力K=λLv2/(2gd)，由此得到阻力K与管道长度L成正比、与管道直径成反比。根据管道损失K最低原则，按照“就近”思想设计负荷分配，通过智能分配各台锅炉的权重系数，减少蒸汽在母管内的横向流动，减少管道阻力损失，实现快速响应并消除扰动因素。

4 APC优化控制系统的应用效果

CJ（沈阳）热源厂通过使用和利时APC优化控制系统后，可以实现锅炉从45%~105%负荷的全自动运行，蒸汽母管压力的波动范围大幅度减小，床温、氧量等参数控制也更加平稳，应用效果达到了预期要求，具体的运行参数曲线对比如图4、图5所示。

图4 手动调节（8小时），波动0.21MPa左右

图5 自动调节（8小时），波动小于0.04MP

CJ（沈阳）热源厂投入和利时APC优化控制系统前的手动控制模式与投入APC优化控制系统后的优化控制模式下，两种模式重要参数及性能指标对比如表3所示。

表3 手动控制模式与优化控制模式参数与指标对比

该项目带来了明显的经济效益：

• 锅炉综合效率提高≥1.5%；

• 产汽标煤耗节省（以5500大卡标煤折算）≥2.1kg/t ；

• 直接经济效益估算（一年按300天算）≥2.1×90×4×24×300×500元/t=272.1万/年；

• 降低运行操作人员的劳动强度；

• 投入优化后的减员增效；

• 参数控制稳定后减少金属管道的蠕变冲击，延长设备寿命。

5 结语

随着工业规模的迅速扩大，行业竞争的日趋激烈，热电厂用户对于设备安全性的要求越来越高，这就要求母管制机组的热电厂对于供给的蒸汽品质要有更高的保证，简单地依靠操作管理人员频繁手动调节蒸汽负荷，既增加劳动强度又无法可靠的保证供热品质，采用和利时APC优化控制系统可以很好地解决锅炉汽机的耦合，解决锅炉之间的互扰，快速响应锅炉汽机以及负荷的变化，稳定蒸汽母管压力，提高供热品质，解决母管制机组多年来的困扰，带来经济效益和社会效益。

The Hollysys APC Optimal Scheme and Its Application for Header System Unit

Aiming at unstable steam pressure of header system unit, an APC coordinated control scheme is proposed on the basis of the Hollysys control system in this paper. In order to stabilize header steam pressure, this scheme is able to decouple the main factors affecting the boiler combustion, optimize distribution of the load, and balance steamy energy difference between production and use. Feasibility of the scheme is proved by the practical application.

Header system; Optimize and distribute; APC; Benefit; Energysaving emission reduction

刘德成（1972-），男，吉林磐石人，本科，工程师，现就职于北京和利时集团，主要研究方向为电力行业集散控制。

B

1003-0492(2014)03-0068-03

TP273

李福军（1982-），男，宁夏惠农人，本科，工程师，现就职杭州和利时自动化有限公司，主要研究方向为集散控制系统及电力行业锅炉自动化控制。

赵立军（1972-），男，吉林松原人，本科，工程师，现就职北京和利时集团，主要研究方向为热电锅炉优化控制。