热电厂给水母管压力优化控制系统及应用*

丛经纬 赵东晓 宋祎（扬子石油化工有限公司热电厂）

引言

热电厂并列运行锅炉给水通常采取的是给水泵并列母管制运行模式。在整个母管制给水系统中，锅炉热给水母管的压力是最重要的参数之一，必须维持在理想数值。若母管给水压力太低，可能会造成锅炉断水的严重事故；而若给水压力太高，则给泵的电流会大大增加，给泵的电耗明显增加。目前热电厂给水母管压力控制中往往存在自动投入率低、母管压力波动大，以及母管压力定值设置不合理，造成厂用电率高等问题。因此，同时从提高参数调节品质和节能降耗两个方面入手，研究开发给水母管压力优化控制系统，对于进一步提高并列运行机组的安全性和经济性都具有重要意义。

国内针对该问题已经开展了部分工作。给出一种给水母管压力的变增益调节方法，但未考虑给泵运行组合方式和给水母管压力定值的优化问题[1]；虽然对热电厂给水系统的节能问题进行了分析，但未能给出对给水系统进行优化的具体方法，也没有实现与控制系统的结合[2]。

笔者在进行深入分析的基础上，研究开发了一种基于多变量复合平衡协调策略的给水母管压力控制系统，并针对给水系统的节能问题开发了运行优化专家系统，实现了对给泵运行组合方式和给水母管压力定值的优化。现场应用结果表明，该优化控制策略和系统不但能够保证变负荷情况下给水母管压力的稳定，同时能够显著降低厂用电率，具有满意的节能效果。

1 现状

1.1 概况

某热电厂母管制给水系统的流程图见图1。热电厂母管制锅炉给水系统，在实际工程设计与应用中，为了保证负荷最大时给水泵系统满足输出要求，通常需要按系统的最大输出能力配备给水泵系统，而真正使用中，绝大多数情况下并非需要系统在满负荷下使用，而是根据负载的实际需要，通过流量控制元件如阀门或通过调速改造等实现流量或压力控制，以满足生产过程的需要。目前，为了实现给水系统节能，基本上都采用设置部分调速泵等方式，实现系统负荷或压力的调整。

1.2 存在问题

给水母管压力无法投入自动控制，只能通过手动操作来维持压力，给水母管压力降压设定值存在一定的盲目性，运行人员手动操作强度大，操作人员全凭经验进行，极易出现超调、欠调、调节不及时等现象，导致给水母管压力控制质量差，不利于各给水泵的安全可靠运行及对各台锅炉汽包水位的调整，从而影响锅炉、汽机的安全、经济运行。

图1 母管给水系统的工艺流程

2 给水母管压力优化控制系统

针对上述问题，研究开发一种基于多变量复合平衡协调策略的给水母管压力优化控制系统。其控制原理图见图2。

基本原理：首先根据锅炉总负荷对给水流量的要求，利用给水母管压力定值及运行组合方式优化算法，并以给泵总耗电量最低为目标对母管压力定值进行优化；在此基础上，采用多变量复合平衡协调控制策略同时控制N台调速泵的转速，以维持给水母管压力的稳定。

为及时消除各种扰动对给水母管压力的影响，采用状态空间预测控制算法构成多变量复合平衡协调控制器的核心：

1）该算法可以有效处理多变量控制问题。

2）通过状态扩增并利用Kalman滤波器进行状态估计，可以有效消除建模无差和不可测扰动对母管压力控制效果的影响。

3）通过建立锅炉总负荷Ne变化对给水母管压力影响的前馈预测模型，可以实现对前馈控制作用的优化，使变负荷情况下母管压力更加稳定。母管压力预测控制算法的目标函数公式为

式中：J为预测控制的性能指标；Np为预测步数；Nu为控制步数；Ps为给水母管压力定值；P^g为根据状态空间模型得到的母管压力预测值；t代表当前时刻；Δu1…ΔuN为N台调速泵耦合器开度变化量；λ1…λN为控制量加权系数。采用Kalman滤波器估计状态，并利用状态空间模型对未来的母管压力进行预测，之后在每个控制周期对公式（1）进行滚动优化，即可获得控制量Δu1…ΔuN。

此外，该系统还具有以下特点：

1）将锅炉总负荷作为控制系统前馈信号。

2）采用复合控制器，将N台调速给泵共CN种组合状态融为一个复合控制模块中，既能单独设置每台给泵的控制参数，又能实现投入自动的给泵的任意组合，能够实现给泵调速功能的最优组合，切实减少给泵耗电量。

3）采用平衡模块控制器，实现N台给泵控制指令增量输出，克服给泵不同开度区间特性不同的缺点。

4）采用给泵快速响应控制，即在锅炉增减负荷时，若一台给泵耦合器开度达到上下限，则其余投入自动的给泵立即启用快速响应功能，加快调节，保持给水母管压力稳定。

3 给水系统运行优化专家系统设计

3.1 系统功能

运行优化专家系统具备以下功能：

1）实时显示各台给泵信息。包括：电流、调速泵出口压力、计算泵出口流量、泵可调裕量、诊断结论、以及总值等。

2）实时显示当前压力再下降0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa时各台泵的出口流量、增加的裕量以及总的泵可调裕量。

3）给出运行优化指导。运行优化系统诊断结论的依据为：实时计算得出的泵可调总裕量若超出当前相同状况下运行中最小定速泵X裕量，即当前情况下停运一台泵后还有X裕量时，即输出诊断结论提示运行人员可以进行泵运行方式的优化；并根据当前在运锅炉、给泵的数量和位置，给泵的效率及待载能力，依据直供及系统调整能力最大原则，推算哪台泵停运最佳。

若当前母管压力下不具备优化条件，则该系统还具有诊断母管压力再下降0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa情况下，泵可调总裕量是否能够满足优化，优化诊断条件与上述一致。若满足条件即显示诊断结论以提示运行人员可以优化。

3.2 系统设计

在实现了“给水母管压力协调控制”自动运行的基础上，还需对给泵运行组合方式及母管压力定值进行优化，实现进一步节能降耗。目前母管制给水泵系统运行和操作的水平还比较低，尤其是在母管压力定值（运行红线）的确定以及给泵运行方式优化组合方面通常是按运行经验确定，存在较大偏差，不利于给水系统节能降耗运行。

降低给水母管压力定值，既要保证锅炉运行安全，同时要降低给泵耗电量。降压运行总体上肯定是节能的，但降压多少不是与节能效果成正比的。随着泵出口压力的降低，较额定出口压力的偏差增大，出口流量增大，泵的工作点也将偏移，泵的自身效率随之降低，会消耗一部分节能量，因此泵的选型不宜过大，偏离实际运行工况。给水母管压力降压红线最优值的确定是以厂给泵耗电率最小来寻觅的。

此外，母管制给水系统还具有较大的节能空间，降低厂给泵耗电率的决定因素是优化给水泵运行台数即运行组合方式。母管压力下降，给泵流量必然增加，此时泵的功率也会增加。通过“寻优”计算出给水泵优化运行组合方式，给予运行操作人员优化给泵运行的指导建议，从而使最大程度的节约能源成为可能。

给水母管压力定值及给泵运行组合方式优化的核心归结为求解以下优化问题[3]：

式中：JP为给水母管压力定值及给水泵运行组合方式优化的性能指标函数；Ni为第i台给水泵的耗功；ηi为该泵的效率；ai={0,1}代表某台定速泵的启停状态；Qi为给水母管压力为Ps时第i台给水泵的流量；Q(Ne)代表锅炉总负荷为Ne时所需的给水流量。

表1 优化前后给泵耗电率指标对比

优化公式（2）以M台给水泵总的耗功最小为优化目标，待优化变量包括母管压力定值Ps和定速泵的启停状态变量ai，因此是一个混合整数规划问题，并采用遗传算法对该问题进行求解[4]。

该专家系统不但能够计算当前压力下的各台运行的定速泵的出口流量以及各台运行的调速泵的出口流量，而且优化诊断算法能够提供各台定速泵在当前压力下降低0.1 MPa或0.3 MPa时增加的流量，以及调速泵具有的调整裕量。以此做为当前运行方式及给泵数量的判断依据，实时运算判断当前调速泵总裕量、调速泵总裕量+定速泵出口压力下降0.1MPa时的裕量、调速泵总裕量+定速泵出口压力下降0.3 MPa时的裕量，当上述任一情况能够满足停运1台给泵时，则提示运行操作人员及时按此红线运行，并停运某台给泵，以达到最大程度的节能。

4 现场应用

4.1 实施步骤

1）进行N台调速给泵特性试验，锅炉给水系统最低容忍给水母管压力运行实验。对N台调速给泵的耦合器开度、电动机电流、母管压力、给泵出口压力等参数进行特性试验，找出每一台给泵的安全运行区间，以及各参数之间的关系，为控制参数的优化打下基础。

2）控制系统搭建和控制参数优化。通过调整锅炉总负荷前馈相关参数，达到锅炉总负荷变化时及时进行调整，稳定给水母管压力；调整调速给泵各自的控制参数，达到控制最优化，及时调整开度，稳定母管压力；调整给水母管压力设定值，使给水母管压力设定值降低0.3～0.5 MPa运行；调整N台给泵各自的运行上下限，根据给泵自身特性及安全高效的运行区间，选择合理的运行上下限，既保证给泵的安稳节能运行，同时也保证给水母管压力稳定。

4.2 节电效果

根据某厂提供的生产统计报表，给水母管优化控制系统投用后，实现了系统降压运行，节能效果显著，厂给泵耗电率优化效果如表1所示。

5 结论

该文创新提出了一种基于多变量复合平衡协调策略的给水母管压力控制方法，并在国内首次开发了相应的控制和运行优化系统，使并列运行锅炉给水系统的经济运行得到显著重视和巨大效益。现场应用结果表明，该系统不但能够保证变负荷情况下给水母管压力的稳定，而且可以实现对给泵运行组合方式和给水母管压力定值的优化，从而达到显著降低厂用电率，节能降耗的目的。