先进控制系统在300MW循环流化床机组的应用研究

陈宇肇（福建华电永安发电有限公司）

先进控制系统在300MW循环流化床机组的应用研究

陈宇肇（福建华电永安发电有限公司）

分析了福建华电永安电厂300MW循环流化床机组DCS控制系统的现状及问题，通过对先进控制系统的分析调研、确定实施方案、实施和解决相关问题的过程，利用一种先进控制系统在300MW循环流化床机组上对现有控制策略进行改造，解决了目前机组在自动控制方面存在的投入率低、控制效果不理想的问题。

CFB锅炉；DCS系统分析；先进控制系统；无辨识自适应预估控制

引言

随着电力行业的供需关系的逐步改变，以及电力系统自动化程度的不断提高，电厂对分散控制系统DCS及其自动化监控系统提出了更高的要求，要求各上网机组不仅能提供稳定的电量，还要具备快速响应调峰、调频、逐步实现AGC控制等功能，以提高电网安全系数、增强电厂的整体效益和竞争力。目前由于循环流化床机组的燃烧特性，常规PID控制策略很难实现CFB锅炉燃烧自动控制，导致机组的自动投入率极低，机炉协调控制无法投运，AGC控制也无法实现，无法满足电网对CFB机组调度要求。而先进控制系统在CFB机组燃烧及机炉协调控制上的应用，为此提供了一种良好的解决途径。

1 CFB机组控制系统

1.1 DCS系统及现有功能介绍

DCS是分散控制系统（Distributed Control System）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS以其高可靠性、开放性新、灵活性和易维护等特性，已广泛应用于各行业的控制领域，目前大型CFB机组均配置有较先进的DCS系统，且各控制回路功能基本齐全。

福建华电永安发电有限公司2×300MW机组 “上大压小”工程7号机组为300MW循环流化床机组，锅炉为东方锅炉厂制造的单炉膛、一次中间再热、汽冷式旋风分离器、露天布置、固态排渣的1025t/h亚临界参数自然循环单汽包循环流化床锅炉。机组重要辅机包括两台二次风机、两台引风机、两台一次风机、两台汽动给水泵和一台30%容量的电动调速给水泵（电泵作启动及备用）等。锅炉点火方式采用机械雾化、高能点火花点火。

DCS采用北京华电南自天元科技股份有限公司的TCS3000分散控制系统，实现功能包括DAS、FSSS、SCS、ECS、MEH、MCS（含CCS、RB、AGC）等。

1.2 机组控制系统存在的问题

由于CFB锅炉热惯性大、煤质多变、各种风量之间强力耦合等特性，造成锅炉燃烧大滞后、非线性等问题，燃烧过程的自动控制用常规的PID控制很难解决。目前，机组现有的DCS控制系统中燃烧自动调节系统不能解决CFB锅炉燃烧非线性、大滞后、多耦合等复杂的动态特性，调节品质差，锅炉运行参数波动大，机组在供热运行工况下协调控制无法投入。机组在手动操作方式下存在多种弊端，比如：①压力波动较大。该问题是循环流化床锅炉运行普遍存在的问题，所有机组都在手动操作下，在要求负荷稳定前提下，压力的波动都较大，该情况损伤设备（特别是汽机），不利于机组长期运行，同时增加能耗；②操作人员劳动强度大，增加人为失误，并且操作人员忙于一般运行，没有精力顾及提高机组运行经济性；③手动操作方式，使得机组运行严重依赖于操作人员操作水平及劳动态度，不利于科学管理；④基于手动操作，对于节能降耗，缺乏实施平台，不利于经济运行。

基于以上这些问题，我厂拟采用先进行控制系统对现有的锅炉燃烧和机炉协调系统进行改造，使循环流化床锅炉投入燃烧过程的自动控制，从而使发电机组运行更加稳定，达到减轻操作人员劳动强度，提高机组的经济运行，实现机炉协调自动控制。

1.3 先进控制系统介绍

目前已在复杂工业应用的先进控制技术主要有：

预测控制：是目前应用较广泛，也较成熟的先进控制算法，国内外已开发和正在开发的第四代先进控制APC软件基本上是采用模型预测控制（MPC）。该算法虽然可以解决不少复杂过程的控制问题，但在CFB锅炉上应用存在较大问题：①需要通过对生产过程施加多处脉冲信号或阶跃信号来辨识模型，对正常生产会产生一些影响，特别是CFB锅炉自平衡能力较差，影响会更大，故很难得到厂方的认可。②预测模型不能在线校正，因此工况变化后，为保证控制效果，需要重新施加信号辨识模型或调整控制器参数，因此需要较强的在线维护力量。显然预测控制虽然精度较高，但缺乏自适应能力，并不适合CFB锅炉这样多变的过程。③预测控制对解决大滞后控制问题尚不够理想。

无模型自适应控制：所谓无模型控制器实际上应称为“泛模型控制”，其设计是以下述泛模型作为基础：

从中导出控制律为：

其实现时，步骤为：①实时辨识φ（k），得到估计值φ^（k）；②根据控制律得到控制输出u（k）。

可见无模型自适应控制的关键和一般自适应控制类似，即需在线辨识参数。为保证在线辨识的稳定性和控制器的鲁棒性，具体实施时，需要增加了一些其它安全保障参数，现场整定难度较大，目前还没见到在CFB锅炉成功应用的报道。

无辨识自适应（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（k），r0（k），r1（k）依据几何原理在线自动整定，无需人工干涉。可见该控制律与传统的PID控制类似，无需模型、也无需在线辨识，实施容易。特别是因为它不需要辨识模型，因此实施时无需对生产过程施加信号，可以把对生产的影响降到最小。不同于传统PID控制的是它可以自动确定控制参数，投运后无需人工调整参数，控制器能自动适应操作条件和各种工况的变化（这一点很重要，是使控制器能在象CFB锅炉这样多变过程长期运行的基础）。和预测控制相比，无辨识自适应控制并不以“最优”为控制目标，而更强调稳定和自适应能力，因此从理论上说，其控制精度不如预测控制。但由于工业过程的复杂性，真正的“最优”其实很难做到，稳定和自适应往往更为实用。

IFA技术基于几何控制理论，其控制思想在20世纪80年代末期由国外学者提出，90年代中期经江青茵教授改造后并首先提出无辨识自适应预估（IFAP）控制技术。该技术发表后引起业内重视，至今已有30余篇论文引用。

本项目将IFAP控制技术用于CFB锅炉燃烧控制，并在工业实施中获得理想的控制效果。特别是采用基于自搜寻技术的IFAP技术，解决了锅炉控制中的大滞后问题，使控制系统不仅可以长期投运，控制精度也很高。

2 实施先进控制系统的目的

目前CFB机组的燃烧自动控制和机炉协调控制已制约着电厂生产运行管理的有效提高和进步，不能很好的满足机组负荷对电网的快速响应要求，通过调研分析，实施先进控制系统的主要目的如下：

（1）指导机组的经济运行：为生产、检修、运行及管理人员提供真实全面的分析数据，通过先进控制系统即可查阅、监视机组各种运行参数，对各项指标进行复杂分析计算，得出调整的操作方式，以指导机组的优化运行。

（2）降低成本，提高效益：根据机组燃烧机理，对机组运行进行调整、及时优化机组运行参数，减少损耗，降低煤耗，提高锅炉热效率。

（3）逐步实现管控一体化：随着电力逐步市场化，通过先进控制系统的实施，大大提高工厂自动化水平，实现电力调度、运行方式等方面以最佳效益方式工作，同时也为今后实现AGC控制奠定了基础。

3 先进控制系统实施方案的确定

目前先进控制系统是基于机组实时运行数据的高级应用（如运行优化、性能计算等），因此在系统策划时，采取整体规划分步实施的方式。首先是建立实时数据的采集、图形曲线显示、控制参数仿真等数据使用平台，同时充分考虑今后进行高级应用的扩展功能；其次根据仿真结果，结合生产需要进行控制系统投运。

先进控制系统的成本和性能的关键可选因素为先进控制的数据库、软件平台和硬件网络，根据其它电厂的应用实践及实际情况，实时数据库为先进控制系统自带；为保证先进控制系统的网络通信速度和可靠性，先进控制系统硬件网络采取建立专用先进控制网络，通过OPC站读写数据。

4 先进控制系统实施方案

4.1 总体方案说明

系统采用大连凯博的先进控制系统（KB-APC），建立专用先进控制硬件网络，该系统集成了无辨识自适应（IFA）控制器和100多种运算模块，可以满足多种复杂的工业过程控制的应用要求。通过建立专用先进控制硬件网络，能够使得整个信息系统层次分明，对目前的信息系统没有任何影响，安全性和可靠性得到进一步提高。该先进控制网络接口的功能是实现过程控制系统中的实时数据与先进控制系统的数据通讯。

4.2 系统实施原则

（1）统一规划，分步实施：整个先进控制系统的实施既要满足改造计划中提出的当前功能需求，即能够满足当前基本的先进控制应用功能，也要满足以后先进控制应用功能的不断扩充的需要。

（2）统一标准，信息共享：在实施先进控制中，要确定统一的数据交换标准，有利于全厂各种信息系统有效地交换数据，以达到信息共享的目的，使全公司的IT系统有机地集成在一起，既各自发挥独有的功能，又能产生综合优化功能。

（3）统一管理，集中力量，多专业合作：先进控制是一个涉及到多个专业的复杂应用系统，包含了IT技术、电站专业知识、控制技术等。因此实施先进控制需要多个专业部门分工协作，同时又需要成立一个团队统一领导先进控制的实施。

4.3 相关技术指标

（1）蒸汽压力：①在负荷稳定状态时，压力过程值平均误差保持在压力给定值的±0.3MPa以内；②外部负荷增减10%负荷时，负荷变化率3MW/min时，压力平均误差保持在给定值的0.5MPa以内。

（2）负荷：自动投入情况下机组负荷控制在给定值的±3MW以内，负荷调整速率2～3MW/min。

（3）床温变化：床温控制在正常工艺允许的范围内，床温波动在±35℃以内；工况变化较大时，控制在工艺允许波动范围内。

（4）氧量：控制在给定值的±0.35以内。

（5）炉膛负压：控制在给定值的±100Pa以内。

（6）在主设备无故障的情况下，先进控制系统所有自动回路自动投入率达到95%以上。

4.4 先进控制系统主要控制回路具体方案

先进控制系统所设计的控制回路主要有以下五个回路：①主汽压力控制；②一次风控制；③氧量控制；④炉膛负压控制；⑤机炉协调控制；各控制回路相互依存，协调配合进行控制。

4.4.1 床温－过热蒸汽压力的协调控制

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）、1#～8#给煤机自动控制系统组成，为了使给煤控制系统能快速响应外界供热负荷的变化，在方案中，加入供热流量的前馈计算，实现给煤的超前调节，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下述跟踪平均分配的方法分配给1#～8#八台给煤机，即未投自动时，1#～8#给煤机给定均会自动跟踪实际测量的瞬时给煤量，1#～8#八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1#～8#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1#～8#八台给煤机给定值，由控制器自动输出控制指令，控制逻辑见图1。

4.4.2 一次风量控制

一次风控制的主要目的是维持正常的流化和床温工作点的需求，同时根据煤质系数、床温、烟气氧含量等参数，对一次风给定做在线修正。控制器的调整对象为两台一次风机变频指令，系统设置一个操作人员一次风给定值的设定模块，操作人员可以根据实际运行工况对一次风控制系统进行校正，控制方案示意图如图2。

4.4.3 机炉协调控制

机炉协调控制系统由负荷控制、燃烧控制、风量控制三个子系统组成，主逻辑图见图3。

图1

图2

图3

其中在线观测单元实现锅炉燃烧效率、发电效率、给煤含碳量、煤耗等优化指标和过程主要干扰的在线计算。在线优化单元主要根据电负荷给定值和各优化指标，计算给煤前馈量、主汽压力给定值和一次风、二次风量给定值。负荷控制系统负责调控主汽流量，燃烧控制则负责调控燃烧量，风量控制系统负责调整一、二次风量；联合诊断单元根据主汽压力变化信息、密相温度超限信息、一二次风机限制信息、给煤机故障诊断等故障诊断信息和限制信息，对所有控制系统进行协调，保证系统安全。同时采用独创的协调方案解决多变量控制问题。

5 系统实施具体项目

建立电厂先进控制系统的专用通信网络，建立先进控制系统的运行平台，建立先进控制系统与OPC站的接口等。

5.1 建立独立的先进控制硬件网络

在冗余工业以太网上增加一台OPC站，通过与OPC站进行数据交换，实现现场数据与控制系统控制数据的通讯。先进控制系统工作站通过以太网络与OPC站进行高速实时数据的双向通讯，独立的先进控制网络具有下述特点：

（1）采用独立的先进控制网络进行实时数据的高速收集和传送，不会出现信息堵塞，从而保证系统的响应速度；

（2）系统架构清晰，对原有控制系统的影响程度最小，保证先进控制系统及过程控制系统的安全。

先进控制系统网络结构如图4所示，在DCS系统冗余以太网交换机上，新加一台OPC站，先进控制系统（KB-APC）与OPC站进行数据通讯。

图4

5.2 先进控制系统具体实施过程

（1）实现KB-APC先进控制软件与DCS系统的通讯：即实现优化控制软件读、写现场数据问题。保证DCS系统与先进控制系统的数据传输正常是保证先进控制系统工作实施的基础。

（2）先进控制方案的在线仿真阶段：在实现“读”的基础上即可对控制方案做在线仿真，仿真的同时可对方案进行调整。在线仿真时只用采集到的现场的操作数据，因此只涉及“读”操作，并且不会送任何数据到DCS系统，不会影响机组的正常生产。

（3）先进控制系统的投运准备：为准备投运先进控制系统，需要对DCS做一些逻辑和画面的调整。

（4）先进控制系统调试阶段：在上述“读、写”通讯和仿真基础上，进行最后的先进控制系统试运行和现场调试。

（5）优化控制系统的正式投运及验收。

（6）用户培训：包括使用操作培训和维护检修培训。

6 结论

（1）实施先进控制系统后，解决了CFB机组燃烧自动控制的问题，为机组的优化运行和实现AGC控制提供了条件。

（2）提高机组自动回路的投入率。目前已经实现CFB锅炉燃烧和机炉协调控制的自动投入，在现场设备正常情况下，自动回路投用率在95%以上，机组的运行参数指标得到了提高。

（3）实现了节能和深化清洁燃烧效果，节能降耗，提高经济效益。投自动以后，机组运行更加平稳，炉膛燃烧状况稳定，提高了锅炉的热效率，发电煤耗降低0.5%以上。

（4）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。投入自动后，大量的调节工作由手动变为自动，减少了操作人员大量的重复性操作，降低了操作人员的劳动强度；投自动以后，操作人员可以有更多的时间和精力去关注机组设备的运行情况，及早发现一些设备隐患，以便及时处理。

（5）为以后提高运行人员操作水平和规范机组运行操作规程提供经验借鉴。

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TM621

A

2095-2066（2016）33-0032-04

2016-11-12

陈宇肇，高级工程师，长期从事火电厂检修、运行及电力技术管理工作，具有丰富的电厂现场经验，目前主要从事火力发电厂的生产、经营及管理工作。