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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）03-082-04中圖分類號：TP273

★雷云飛（國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司煤制油分公司，寧夏靈武750415）

關鍵詞：化工裝置；鍋爐控制；先進控制；全自動優(yōu)化控制

1　前言

大型煤化工裝置動力站共有10臺煤粉爐、8臺汽輪發(fā)電機組及9個壓力等級蒸汽管網(wǎng)，其中4臺鍋爐為帶再熱系統(tǒng)600t/h鍋爐，6臺鍋爐為不帶再熱640t/h鍋爐；蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)壓力等級多，管網(wǎng)系統(tǒng)中還混入化工區(qū)余熱回收蒸汽，減溫減壓操作非常復雜。生產(chǎn)過程中各主要生產(chǎn)用汽壓力、溫度控制皆不穩(wěn)定，母管制運行的情況下，鍋爐、汽機、管網(wǎng)等復雜系統(tǒng)相互影響。

對于多壓力等級存在的蒸汽管網(wǎng)，鍋爐本身、鍋爐爐群和蒸汽管網(wǎng)都是復雜的耦合系統(tǒng)，鍋爐負荷-給煤-制粉-送風-引風-蒸汽母管高度關聯(lián)。當系統(tǒng)發(fā)生擾動或某個用戶生產(chǎn)裝置的升降負荷，都會造成這個多爐多管網(wǎng)大系統(tǒng)的波動，進而也影響到主生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運行。現(xiàn)場雖然單爐有自動控制，但是對于整個蒸汽管網(wǎng)運行時無法達到所需要的控制指標，不斷進行大范圍的加減負荷，壓力控制曲線如圖1所示。

圖1  蒸汽母管壓力控制曲線

2　研究內(nèi)容

根據(jù)鍋爐特點，本研究從現(xiàn)場設備、儀表現(xiàn)狀及操作人員水平出發(fā)，構建了動力站“多爐多機多等級蒸汽管網(wǎng)”控制優(yōu)化系統(tǒng)，開發(fā)了適用于鍋爐燃燒、脫硫脫硝、多等級母管制蒸汽減溫減壓等工藝流程的先進控制算法，解決了復雜工況下多變量耦合、大滯后、時變等控制難題。

本研究的研究思路如圖2所示，通過實現(xiàn)所有系統(tǒng)的全自動優(yōu)化控制，使各生產(chǎn)裝置達到最經(jīng)濟化運行。本研究實現(xiàn)的先進控制回路和優(yōu)化控制回路如下（包括但不限于）：

（1）鍋爐負荷先進控制與協(xié)調(diào)優(yōu)化控制及給煤優(yōu)化控制；

（2）多爐多機多等級蒸汽管網(wǎng)大系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制；

（3）計劃性升降負荷智能操作模塊。

圖2  研究思路

3　鍋爐負荷先進控制與協(xié)調(diào)優(yōu)化控制及給煤優(yōu)化控制

3.1　研究內(nèi)容

3.1.1　汽包水位優(yōu)化控制

該回路采用了帶有燃燒因素專家算法的三沖量控制算法。所謂燃燒因素是指當鍋爐升降負荷時必須以調(diào)整爐膛燃燒強度為前提。RASO系統(tǒng)建立了能表征爐膛燃燒強度的前饋算法，并把它引入到經(jīng)典三沖量控制模型中，進一步提高了該回路的抗干擾能力和汽包水位的控制精度。其具體方案框圖如圖3所示。

圖3  汽包水位優(yōu)化控制原理

該方案所設計的水位設定值可隨鍋爐負荷高低實時變化，有助于提高鍋爐運行安全穩(wěn)定性。

3.1.2　主汽溫度優(yōu)化控制

該回路采用了帶有燃燒因素前饋算法的主汽溫度-減溫水流量-減溫水閥串級控制算法，也可采用帶有汽溫擾動觀測器算法的主汽溫度-減溫水閥單回路控制算法來達到較高精度的主汽溫度控制。該方案考慮鍋爐在低負荷運行工況下汽溫可能會偏低，將造成母管溫度偏低的情況，為此設計了多爐協(xié)調(diào)算法，即經(jīng)過模型計算后可通過提高其他鍋爐蒸汽溫度設定值用以平衡母管汽溫。其具體方案框圖如圖4所示。

圖4  主汽溫度優(yōu)化控制

專家算法通常由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取6個部分構成，如圖5所示。專家系統(tǒng)的體系結構隨專家系統(tǒng)的類型、功能和規(guī)模的不同而有所差異。

圖5  專家算法原理

3.1.3　鍋爐負荷-給煤優(yōu)化控制

該回路通過控制各給煤機變頻指令實現(xiàn)對本鍋爐負荷的控制。操作人員設置鍋爐基本負荷控制點和本臺鍋爐負荷的優(yōu)化運行區(qū)間，多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化模型可根據(jù)母管壓力波動情況對基本負荷控制點進行修正，同時調(diào)整給煤量、給煤機變頻指令，燃料氣摻燒及廢液摻燒量變化時相應修正給煤量控制點，一次風、二次風、引風及汽水系統(tǒng)控制回路都將進行相應調(diào)整。其具體方案框圖如圖6所示。

圖6  鍋爐負荷——給煤優(yōu)化控制

該方案還設計了針對鍋爐某臺磨煤機事故跳閘時的煤量處理模型、給煤量自尋優(yōu)模型以及應對各磨煤機性能不同的智能偏置算法。

3.1.4　一次風優(yōu)化控制

該回路通過磨煤機熱一次風擋板實現(xiàn)鍋爐各磨煤機一次風量控制。其具體方案框圖如圖7所示。

圖7  一次風優(yōu)化控制

每臺磨煤機一次風量的控制點等于各磨煤機煤粉流量乘以設定的風煤比，一次風測量信號中還包含控制風溫的冷風量，風溫控制回路為單回路PID。

3.1.5　二次風優(yōu)化控制

該回路通過控制二次風擋板實現(xiàn)鍋爐煙氣含氧量在各種工況下的控制點浮動和精確控制，從而保證鍋爐的經(jīng)濟燃燒。其具體方案框圖如圖8所示。

圖8  二次風優(yōu)化控制

二次風量控制點模型包含三部分：基本二次風量、氧量補償風量（優(yōu)化啟動前以固定氧含量控制二次風量，氧量控制點是經(jīng)過優(yōu)化而浮動的）、二次風優(yōu)化風量（在煤質、負荷、儀表精度等發(fā)生變化時自動計算風量的增量修正二次風量，從而達到經(jīng)濟燃燒）。

3.2　研究結論

鍋爐各控制回路實現(xiàn)全自動優(yōu)化控制，且自控率達到100%。負荷控制回路、主汽溫度控制回路、汽包水位控制回路、爐膛負壓控制回路、一次風壓控制回路、煙氣氧量控制回路、制粉系統(tǒng)回路均實現(xiàn)全自動運行，自控率可以達到100%。

4　多爐多等級蒸汽管網(wǎng)大系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

4.1　研究內(nèi)容

現(xiàn)場蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)壓力等級多，包括九個壓力等級，管網(wǎng)系統(tǒng)中還混入化工區(qū)余熱回收蒸汽，減溫減壓操作非常復雜。生產(chǎn)過程中各主要生產(chǎn)用汽壓力、溫度控制皆不穩(wěn)定，母管制運行的情況下，鍋爐、汽機、管網(wǎng)等復雜系統(tǒng)相互影響，給后續(xù)化工裝置的長周期安全穩(wěn)定運行帶來一定影響。

（1）根據(jù)蒸汽用戶總負荷、鍋爐的燃料-負荷特性曲線和各爐爐況智能動態(tài)確定各臺鍋爐出力，并使鍋爐在滿足總負荷需求的前提下總用煤量進一步減少；

（2）當某種干擾使蒸汽母管壓力發(fā)生波動時迅速使一臺或若干臺調(diào)節(jié)爐的負荷、給煤機、送風機、引風機同時動作以最快速度穩(wěn)定蒸汽母管壓力，即多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化功能。

4.2　多爐協(xié)調(diào)優(yōu)化算法

若干臺鍋爐運行產(chǎn)生11.5MPa高壓蒸汽匯入母管，母管蒸汽壓力是時刻都在波動的，鍋爐的運行變化、汽機發(fā)電負荷的調(diào)整、各個壓力等級用汽客戶的負荷變化都會導致母管壓力的波動。母管壓力的穩(wěn)定主要靠鍋爐負荷以及汽機發(fā)電負荷的快速與精準調(diào)整來維持。本方案基于爐跟機運行模式來設計：即負荷優(yōu)化分配模型根據(jù)干擾大小快慢以及各爐當前狀態(tài)智能決策充當調(diào)節(jié)爐的鍋爐的臺數(shù)以及各自承擔的最佳負荷調(diào)整量，各爐的先進控制與優(yōu)化控制模型負責快、準、穩(wěn)、優(yōu)地把負荷調(diào)整指令執(zhí)行到位。管網(wǎng)圖與鍋爐爐群關系簡畫如圖9所示。

圖9  多等級管網(wǎng)與鍋爐爐群關系

4.3　項目研究結果

通過曲線對比，BCS優(yōu)化控制相對于DCS集散控制更加地平穩(wěn)，控制對象運行更加穩(wěn)定。

在BCS控制模式下，要求控制精度達到R±0.15MPa（90%時間），設定值為11.65MPa；要求范圍為（11.50~11.80MPa）壓力處于要求范圍時間在24小時內(nèi)，測試時母管壓力平均值為11.65MPa，最大值11.78MPa，最低值11.50MPa；蒸汽母管壓力控制精度達到R±0.15MPa（90%時間），波動范圍收窄55%以上。

5　計劃性升降負荷智能操作模塊研究

5.1　研究內(nèi)容

鍋爐在生產(chǎn)過程中經(jīng)常受到外界工況的影響會發(fā)生快速升降負荷。在快速升降負荷發(fā)生時，會出現(xiàn)鍋爐整個爐況的變化，增加快速升降負荷模塊，該模塊通過當前負荷和目標負荷的偏差及時調(diào)整煤量，在調(diào)整煤量的同時，設定完成調(diào)整時間，計算出需要調(diào)整的煤量，而不是一味兒地進行加減煤或者是大幅度的加減煤。計算的結果可以比較平滑的輸出煤量，滿足工況的升降負荷。在調(diào)整過程中，該模塊的輸出還要跟蹤氧量、爐膛壓力、主汽溫度和主汽壓力的變化，不能一味兒地快速調(diào)整煤量。當氧量、爐膛壓力等一系列鍋爐運行數(shù)據(jù)發(fā)生較大的變化時，對應的控制回路也要做好相互協(xié)調(diào)。

5.2　負荷調(diào)整和氧量修正控制策略

鍋爐在負荷模式下，進行負荷快速調(diào)整，計算出煤量對應負荷的多少再進行逐步地調(diào)整煤量輸出。煤量輸出的同時，風機也要進行相應的調(diào)整，當煤量輸出到一個階段后就開始慢慢地調(diào)整煤量。風機控制需要根據(jù)實際的設定點進行調(diào)整，在調(diào)整過程中還需要根據(jù)。煤質修正函數(shù)和噸汽煤耗修正能夠穩(wěn)定鍋爐對煤量和風量的調(diào)整，做到風煤優(yōu)化輸出。投用鍋爐臺數(shù)越多越能減少煤量、風量對鍋爐出力的影響。

5.3　先進控制理論應用

由于鍋爐負荷控制的復雜，耦合性、時變性嚴重，常規(guī)PID算法無法實現(xiàn)精準控制。本研究創(chuàng)新性地使用了先進控制理論，把人的操作經(jīng)驗、工況變化規(guī)律和現(xiàn)代控制理論結合在一起，達到理想的控制效果。先進控制模型融合了專家控制、預測控制、模糊控制、重疊控制、自適應PID等功能，將被控變量的變化趨勢、幅度以及干擾來源進行智能計算，作為智能控制器的輸入進而提高了控制品質。

5.4　最佳工況挖掘模塊原理

（1）自動完成數(shù)據(jù)收集、分析、處理、建模等全部過程；

（2）模塊定時啟動，可自動定時更新最佳工況模型；

圖10  最佳工況挖掘原理

（3）最佳工況模型可在線指導優(yōu)化控制系統(tǒng)快速調(diào)整至最佳工況；

（4）優(yōu)化系統(tǒng)備有安全保護機制，即使在最佳工況挖掘模型工作異常情況下也可保證裝置安全生產(chǎn)。

5.5　項目研究結果

本研究在自動變負荷控制回路中設定了兩種控制模式，分別為單爐負荷模式和母管壓力模式，兩種模式為無擾切換，可在給煤投用自動時任意選擇。通過現(xiàn)場單爐負荷、母管壓力控制的投用，鍋爐運行穩(wěn)定，滿足工況的需求，單爐負荷下對母管壓力控制擾動能夠起到抑制作用，并且能夠跟隨設定負荷變化及時調(diào)整給煤量，實現(xiàn)鍋爐自動變負荷控制。

6　應用效果及推廣應用

本研究通過先進控制模型并結合爐群環(huán)保控制參數(shù)與復雜工況指標之間的數(shù)學模型，并基于該數(shù)學模型耦合傳統(tǒng)PID控制原理，解決了不同煤質及復雜工況下鍋爐及蒸汽大管網(wǎng)控制回路無法正常投用的問題，提高了控制精度，同時穩(wěn)定了蒸汽管網(wǎng)的波動。同時，本研究使用先進控制理論，把人的操作經(jīng)驗、工況變化規(guī)律和現(xiàn)代控制理論結合在一起，達到了理想的控制效果。先進控制模型融合了專家控制、預測控制、模糊控制、重疊控制、自適應PID等功能，將被控變量的變化趨勢、幅度以及干擾來源進行智能計算，作為智能控制器的輸入進而提高了控制品質。

作者簡介：

雷云飛（1990-），男，寧夏青銅峽人，中級工程師，學士，現(xiàn)就職于國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司煤制油分公司，研究方向為熱能與動力工程。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2025年3月刊