循環(huán)流化床機組燃燒優(yōu)化及負荷協(xié)調(diào)控制的實現(xiàn)

王軍

(中石化股份有限公司 天津分公司，天津 300270)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，中國已經(jīng)把節(jié)能降耗、提高能源的利用率作為國家能源發(fā)展的目標。作為能源消耗與轉(zhuǎn)換的熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)，在生產(chǎn)過程中，要引入更加科學有效的生產(chǎn)管理和控制技術(shù)，在響應(yīng)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的同時，也為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟和社會效益。某公司熱電部3臺循環(huán)流化床鍋爐(CFB)由于大滯后、多變量耦合、燃料來源較多、燃料熱值變化大等因素的影響，原有DCS無法實現(xiàn)鍋爐的充分燃燒控制，多爐負荷協(xié)調(diào)控制也未能實現(xiàn)。經(jīng)過專業(yè)論證和考察，該公司引入先進控制技術(shù)(APC)對3臺CFB鍋爐進行燃燒優(yōu)化控制改造，通過優(yōu)化鍋爐燃燒過程中的給煤量和風量，及時、準確地估算和控制鍋爐給煤量、密相床溫、爐膛負壓以及風量，在實現(xiàn)單爐燃燒優(yōu)化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了多爐負荷協(xié)調(diào)控制，提高了蒸汽母管壓力平穩(wěn)度及鍋爐熱效率，實現(xiàn)了減少煤耗的目的。

1 機組及控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

該公司熱電部現(xiàn)有CFB鍋爐3臺，100 MW抽汽發(fā)電機組2臺，系統(tǒng)采用母管制聯(lián)絡(luò)方式，以供汽為主，同時兼顧發(fā)電。DCS采用OVATION 3.0.4，每臺鍋爐配有3臺操作員站和1臺工程師站；汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)采用TRICONEX公司的產(chǎn)品。系統(tǒng)控制難點有如下幾方面：

1) CFB鍋爐的大滯后、多變量耦合以及燃料品質(zhì)多變。

2) “三爐兩機”的母管制系統(tǒng)，負荷擾動既有每臺鍋爐工況變化形成的內(nèi)擾，也有外界負荷變化的外擾，影響因素多、控制難度大。

3) 以供汽為主，且供汽量主要由該公司大乙烯、煉油部和化工部生產(chǎn)需求決定，增加了鍋爐系統(tǒng)負荷調(diào)節(jié)過程的不確定性。

4) 燃料以石油焦和燃煤摻燒，摻燒比例經(jīng)常變化，燃料特性比單純?nèi)济夯騿渭兪徒垢鼜碗s，因此增加了鍋爐系統(tǒng)燃燒過程的不確定性。

2 先進控制系統(tǒng)優(yōu)化目標

由于CFB鍋爐機組沒有投入燃燒及負荷協(xié)調(diào)自動控制，各個運行班組的調(diào)節(jié)缺乏統(tǒng)一的優(yōu)化運行指導，無法實現(xiàn)鍋爐生產(chǎn)的精細化調(diào)整，既影響了生產(chǎn)效益的提高，也不利于現(xiàn)場設(shè)備的運行和維護，實施APC的優(yōu)化目標如下：

1) 提高鍋爐系統(tǒng)的自動投用率，減輕運行人員的勞動強度，讓運行人員有更多時間及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，避免或減少不正常停車。

2) 延長鍋爐長周期運行時間，提高蒸汽系統(tǒng)壓力的平穩(wěn)度，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的提高。

3) 實現(xiàn)燃燒和一、二次風及引風的自動控制，提高鍋爐主蒸汽溫度的控制精度。

4) 探索和優(yōu)化多爐負荷協(xié)調(diào)功能，優(yōu)化機組運行參數(shù)，綜合提高供熱系統(tǒng)效率。

3 先進控制系統(tǒng)實施方案

APC系統(tǒng)主要有8個回路： 給煤量控制，通過調(diào)節(jié)給煤量，實現(xiàn)主蒸汽壓力平均值控制在設(shè)定值的±0.2 MPa以內(nèi)；一次風控制，通過調(diào)節(jié)一次風機入口擋板和A，B兩側(cè)一次風風門的開度，提供鍋爐燃燒所需要的流化風量；二次風控制，通過調(diào)節(jié)二次風機入口擋板開度，實現(xiàn)氧平均值控制在設(shè)定值的±0.5%以內(nèi)；引風控制，通過調(diào)節(jié)引風機入口擋板開度，實現(xiàn)爐膛負壓平均值控制在設(shè)定值的±100 Pa以內(nèi)；冷渣機床壓控制，通過調(diào)節(jié)冷渣機變頻指令，實現(xiàn)床壓平均值控制在設(shè)定值±0.4 kPa以內(nèi)；石灰石給料量控制，通過調(diào)節(jié)4臺旋轉(zhuǎn)給料機指令，控制脫硫塔入口SO2的質(zhì)量濃度值小于1 500 mg/m3；減溫水主蒸汽溫度控制，通過調(diào)節(jié)減溫水體積流量，實現(xiàn)主蒸汽溫度平均值控制在設(shè)定值±3 ℃以內(nèi)；多爐負荷協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)多爐之間的負荷協(xié)調(diào)控制。

3.1 給煤量控制

給煤量控制由主蒸汽壓力-給煤控制系統(tǒng)、給煤機自動控制系統(tǒng)組成，以主蒸汽壓力控制為主，用密相床溫和外界蒸汽體積流量變化作前饋控制。

控制器輸出的總?cè)剂狭堪锤櫰骄峙涞姆椒ǚ峙浣o4臺給煤機，即未投自動時，給煤機控制器輸出跟蹤給煤機手動操作指令，投入自動后控制系統(tǒng)將增減的給料量平均分配給4臺給煤機，由控制器自動輸出控制指令，實現(xiàn)燃燒優(yōu)化系統(tǒng)控制下給煤機控制的手/自動無擾切換與控制。控制方案如圖1所示。

圖1 給煤量控制方案示意

在單臺給煤機控制中，操作工可以根據(jù)設(shè)備情況，選擇可以投入自動控制的給煤機將其投自動，APC系統(tǒng)會根據(jù)每臺給煤機的手/自動狀態(tài)，識別投入自動的給煤機，實現(xiàn)總給煤量自動分配調(diào)節(jié)，不投自動的給煤機由操作工手動操作。

3.2 一次風控制

一次風為CFB鍋爐燃燒提供足夠的流化風量，并保持合適的一次風壓力。該控制回路分為兩部分：

1) 一次風風壓控制，根據(jù)不同工況下的風壓設(shè)定值調(diào)節(jié)一次風機入口擋板，維持適合的風壓。在風壓控制過程中，加入了風壓、一次風機電流以及爐膛負壓的上、下限保護，如在負壓超低限時，不下調(diào)風機入口擋板；當負壓超高限時，不上調(diào)風機入口擋板，保護鍋爐的正常運行。

2) 一次風流化風量控制。根據(jù)一次風流化風量設(shè)定值，及時調(diào)節(jié)A、B兩側(cè)一次風門開度，保持合適的流化風量。在自動控制下，系統(tǒng)會根據(jù)燃料量、負荷的變化，自動校正流化風量，當燃料量和負荷變化時，既能保證合適的流化風量，又能根據(jù)燃料量、負荷和風壓的變化，及時地調(diào)節(jié)流化風量。在流化風量控制過程中，也加入了風壓、一次風機電流以及爐膛負壓的上、下限保護。一次風控制方案如圖2所示。

圖2 一次風控制方案示意

3.3 二次風控制

根據(jù)鍋爐負荷和給料量的變化，自動調(diào)節(jié)二次風機入口擋板開度，提供合適的二次風量來維持氧氣體積分數(shù)在設(shè)定值范圍內(nèi)，保證爐內(nèi)燃料的充分燃燒，提高鍋爐效率。二次風控制分為二次風風壓控制和氧氣體積分數(shù)控制兩部分，根據(jù)設(shè)定的二次風風壓，自動調(diào)節(jié)二次風機入口擋板開度；根據(jù)操作工設(shè)定省煤器出口氧氣體積分數(shù)，自動調(diào)節(jié)二次風環(huán)管電動門開度。二次風環(huán)管電動門自動調(diào)節(jié)時，將二次風風壓等運行參數(shù)作為保護條件，避免二次風風壓過高或過低。二次風控制方案如圖3所示。

圖3 二次風控制方案示意

3.4 引風控制

根據(jù)爐膛負壓的設(shè)定值，自動調(diào)節(jié)引風機入口擋板開度，維持爐膛負壓在設(shè)定值允許的范圍內(nèi)波動。在方案的實施過程中，加入一次風和二次風反饋作為引風控制的前饋信號，可以減小一、二次風變化時爐膛負壓的波動范圍。引風控制方案如圖4所示。

圖4 引風控制方案示意

3.5 冷渣機床壓控制

床壓控制采用單回路控制方式，根據(jù)床壓設(shè)定值，計算出床壓控制總指令，通過聯(lián)鎖給定計算算法自動調(diào)節(jié)A，B冷渣機變頻轉(zhuǎn)速，維持床壓的穩(wěn)定，控制器算法為IFAP算法，即無辯識自適應(yīng)控制。冷渣機床壓控制方案如圖5所示。

圖5 冷渣機床壓控制方案示意

操作工可以根據(jù)單臺冷渣機設(shè)備狀態(tài)選擇是否投入自動，系統(tǒng)對投入自動的冷渣機進行控制，運行方式靈活可控，可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)或排渣量選擇1臺或2臺投入自動控制，使系統(tǒng)有更好的適應(yīng)性。

3.6 石灰石給料量控制

根據(jù)脫硫塔入口SO2的質(zhì)量濃度調(diào)節(jié)4臺旋轉(zhuǎn)給料機的指令，控制石灰石的給料量，減少脫硫塔入口SO2的質(zhì)量濃度以及波動范圍，減小爐后脫硫的調(diào)節(jié)難度。脫硫控制系統(tǒng)主要根據(jù)SO2的質(zhì)量濃度調(diào)整石灰石的給料量，由于爐內(nèi)石灰石反應(yīng)存在滯后，在控制方案中加入預估校正控制，通過對SO2的質(zhì)量濃度的預估，解決反應(yīng)過程滯后的問題。根據(jù)SO2的質(zhì)量濃度設(shè)定值，計算出石灰石給料量控制總指令，通過聯(lián)鎖給定計算算法，調(diào)節(jié)4臺旋轉(zhuǎn)給料機的轉(zhuǎn)速，控制石灰石投入量，控制器算法為IFAP算法，控制方案如圖6所示。

圖6 石灰石給料量控制方案示意

3.7 減溫水主蒸汽溫度控制

主蒸汽溫度控制根據(jù)工藝規(guī)程，采用兩級雙回路協(xié)調(diào)控制，控制方案如圖7所示。

圖7 減溫水主蒸汽溫度控制方案

3.8 多爐負荷協(xié)調(diào)控制

多爐負荷協(xié)調(diào)控制是在APC單爐燃燒優(yōu)化控制實現(xiàn)的基礎(chǔ)上進行的多爐負荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的應(yīng)用，分別應(yīng)用于1臺、2臺或者3臺鍋爐投入燃燒優(yōu)化自動后的負荷協(xié)調(diào)優(yōu)化分配，目的是提高母管系統(tǒng)上多臺鍋爐對負荷調(diào)節(jié)的響應(yīng)。多爐負荷協(xié)調(diào)控制方案如圖8所示。

多爐負荷協(xié)調(diào)通過對每臺鍋爐主控模式的判斷，采用控制模式計算、負荷協(xié)調(diào)分配功能塊；結(jié)合每臺鍋爐的負荷分配矩陣，根據(jù)每臺鍋爐的主控模式計算出每臺鍋爐在母管系統(tǒng)蒸汽壓力及外界負荷變化時，該臺鍋爐需要在總負荷中分配的變化量；通過該臺鍋爐自動燃燒系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)該臺鍋爐的燃燒系統(tǒng)，達到優(yōu)化分配的目的，既提高了鍋爐系統(tǒng)對外界負荷變化的響應(yīng)速度，也充分發(fā)揮了每臺鍋爐的效率。

圖8 多爐負荷協(xié)調(diào)控制方案示意

4 先進控制系統(tǒng)運行平臺

4.1 系統(tǒng)配置原則

為了確保裝置生產(chǎn)的安全，裝置的APC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均采取上位機方式，通信接口實現(xiàn)上位機與DCS之間數(shù)據(jù)的實時交換。多變量預估控制器、工藝計算在上位機運行，APC輸出控制指令通過DCS執(zhí)行器的手操器來實現(xiàn)。

4.2 APC平臺配置

該公司CFB鍋爐裝置的DCS采用OVATION系統(tǒng)，APC平臺配置： 3臺OPC接口服務(wù)器，讀寫數(shù)據(jù)點數(shù)在3 000點以上，安裝OVATION系統(tǒng)OPC服務(wù)器，提供APC與DCS之間的數(shù)據(jù)雙向通信。增設(shè)3臺APC服務(wù)器，安裝APC軟件，實現(xiàn)APC控制的組態(tài)和運算控制。網(wǎng)絡(luò)拓撲連接如圖9所示。

圖9 APC平臺配置網(wǎng)絡(luò)拓撲連接示意

5 系統(tǒng)運行效果分析

2018年6月6日監(jiān)測的一次風量自動實時控制運行曲線如圖10所示，從圖中可以看到自動控制方式下，一次風量跟蹤速度快，控制精度高。

圖10 一次風量控制效果示意

由圖10分析可知，隨著鍋爐主蒸汽流量的變化，一次風總風量給定值發(fā)生變化后，一次風機入口擋板控制指令能夠快速精確地響應(yīng)一次風量變化。

2018年1月25日監(jiān)測的二次風氧氣體積分數(shù)自動實時控制運行如圖11所示。由圖11分析可知，當氧體積分數(shù)設(shè)定值發(fā)生變化后，二次風風壓控制和二次風氧體積分數(shù)控制指令能夠快速精確地響應(yīng)氧體積分數(shù)設(shè)定值變化，控制精度高。

圖11 二次風控制效果示意

6 經(jīng)濟效益分析

投用APC自動后的效益分析，采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析的方法，分別取投用APC系統(tǒng)前后各5個月的實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析見表1所列。

表1 APC系統(tǒng)投用前后經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過表1對鍋爐裝置投用APC系統(tǒng)前后運行參數(shù)的統(tǒng)計分析可以看到： 投用APC后鍋爐的飛灰含碳質(zhì)量分數(shù)下降了0.24個百分點；主蒸汽溫度提高了0.64 ℃；噸汽耗燃料量降低了1.596 kg/t。

7 結(jié)束語

該公司熱電部CFB鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了燃燒過程的自動控制，提高了鍋爐運行的自動化水平，減少了運行人員的工作量，鍋爐及相關(guān)裝置運行更加平穩(wěn)，提高了鍋爐的熱效率，降低了煤耗，取得了明顯的經(jīng)濟效益。通過多爐負荷協(xié)調(diào)控制，解決了母管控制系統(tǒng)中多爐之間負荷分配協(xié)調(diào)的難題，進一步提高了蒸汽系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。