優(yōu)化控制系統(tǒng)在水泥窯余熱電站上的應(yīng)用

董偉強(qiáng)

1 余熱發(fā)電系統(tǒng)介紹

水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)[1]通常由汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、化學(xué)水和循環(huán)水系統(tǒng)等構(gòu)成。余熱鍋爐熱源來(lái)自于水泥窯窯頭和窯尾廢氣，整個(gè)余熱發(fā)電機(jī)組是隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)水泥窯廢氣能量發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，余熱電站主要參數(shù)亦隨之波動(dòng)。

常規(guī)的余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)有DCS控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警、跳機(jī)和聯(lián)鎖及一些PID控制功能，如，除鹽水箱水位的聯(lián)鎖；汽包水位、熱井水位、給水壓力的PID控制，均壓箱壓力控制；汽包緊急排汽、緊急放水聯(lián)鎖；主蒸汽溫度、壓力自動(dòng)聯(lián)鎖控制等。這些功能在工況穩(wěn)定條件下，能輔助工作人員完成相關(guān)操作任務(wù)。但水泥窯余熱發(fā)電機(jī)組負(fù)荷多變，常規(guī)的DCS控制系統(tǒng)需要工作人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)才能完成相關(guān)操作，工作強(qiáng)度也比較大。尤其是余熱發(fā)電站汽包水位的PID控制，存在汽包水位波動(dòng)較大的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了余熱電站的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

近年來(lái)，隨著余熱發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)水平的提高，引入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，為余熱電站的少人值守或準(zhǔn)無(wú)人值守打下了基礎(chǔ)，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 優(yōu)化控制系統(tǒng)介紹

2.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)構(gòu)成

優(yōu)化控制系統(tǒng)由優(yōu)化控制器、優(yōu)化工作站和優(yōu)化控制策略構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化控制系統(tǒng)構(gòu)成

優(yōu)化控制系統(tǒng)基于優(yōu)化控制器強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜算法，如解耦控制、超前控制、預(yù)測(cè)控制和模糊控制[1]等先進(jìn)控制算法；可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)優(yōu)化控制子系統(tǒng)的并列運(yùn)行和多個(gè)優(yōu)化控制回路同時(shí)工作；可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制策略[2]的在線修改，且修改時(shí)對(duì)系統(tǒng)的干擾小。

水泥生產(chǎn)線窯頭和窯尾鍋爐汽包水位采用的控制策略，是基于串級(jí)+前饋的變參數(shù)調(diào)節(jié)的控制策略（見(jiàn)圖2、圖3）。熱井水位和主給水定壓調(diào)節(jié)控制采用的是單沖量PID參數(shù)調(diào)節(jié)的控制策略（見(jiàn)圖4、圖5）。

圖2 窯頭鍋爐汽包水位控制策略

圖3 窯尾鍋爐汽包水位控制策略

圖4 熱井水位控制策略

圖5 主給水壓力控制策略

2.2 優(yōu)化控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)的關(guān)系

優(yōu)化控制系統(tǒng)從DCS控制系統(tǒng)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)算法計(jì)算出最優(yōu)控制參數(shù)，再返回DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可與DCS系統(tǒng)安全解離，不影響DCS系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)回路

優(yōu)化控制系統(tǒng)控制回路主要有窯頭余熱鍋爐汽包水位優(yōu)化控制回路，窯尾余熱鍋爐汽包水位優(yōu)化控制回路，窯頭、窯尾余熱鍋爐汽包水位協(xié)調(diào)控制回路，熱井水位優(yōu)化控制回路，除氧器水位優(yōu)化控制回路，給水壓力優(yōu)化控制回路，主蒸汽溫度優(yōu)化控制回路，冷凝器循環(huán)水出口溫度控制回路等。這些調(diào)節(jié)控制回路在水泥窯余熱發(fā)電控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，能更好地實(shí)現(xiàn)余熱發(fā)電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)余熱發(fā)電系統(tǒng)的少人值守或準(zhǔn)無(wú)人值守。

3.2 優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用案例

以某水泥窯余熱發(fā)電項(xiàng)目為例，將優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)用于窯頭窯尾汽包水位、熱井水位、主給水壓力的調(diào)節(jié)控制回路，其控制效果對(duì)比如下：

（1）汽包水位控制效果對(duì)比

如圖6、7所示，紅色線為汽包水位[4]，藍(lán)色線為汽包水位設(shè)定值，綠色線為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。從圖可知，優(yōu)化控制系統(tǒng)投入前，DCS系統(tǒng)使用PID控制鍋爐汽包水位，鍋爐汽包水位可以在一定程度上得到控制，但鍋爐汽包水位存在波動(dòng)，且存在調(diào)節(jié)閥指令變化頻繁的情況，影響了執(zhí)行器的使用壽命，操作人員的勞動(dòng)量也較大。優(yōu)化控制系統(tǒng)投入后，鍋爐汽包水位變化范圍明顯縮小，且汽包水位調(diào)節(jié)閥指令變化幅度和變化次數(shù)顯著減少，不僅有益于延長(zhǎng)執(zhí)行器使用壽命，而且還降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了余熱發(fā)電系統(tǒng)因汽包水位變化導(dǎo)致的系統(tǒng)跳停次數(shù)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖6 優(yōu)化控制前鍋爐汽包水位變化情況

圖7 優(yōu)化控制后鍋爐汽包水位變化情況

（2）熱井水位優(yōu)化控制效果對(duì)比

從圖8、9所示，紅色線為汽包水位，藍(lán)色線為汽包水位設(shè)定值，綠色線為凝結(jié)水泵給定頻率。從圖可知，優(yōu)化控制系統(tǒng)投入前，DCS系統(tǒng)自動(dòng)控制熱井水位，熱井水位存在一定波動(dòng)，凝結(jié)水泵變頻指令變化頻繁，影響了凝結(jié)水泵變頻器的壽命，而且操作人員的勞動(dòng)量也較大。優(yōu)化控制系統(tǒng)投入后，熱井水位變化范圍明顯縮小，且凝結(jié)水泵變頻器變頻指令變化幅度和變化次數(shù)顯著減少，不僅有益于延長(zhǎng)凝結(jié)水泵變頻器的壽命，而且還降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖8 優(yōu)化控制前熱井水位變化情況

（3）主給水的壓力控制效果對(duì)比

如圖10、11所示，紅色線為汽包水位，藍(lán)色線為汽包水位設(shè)定值，綠色線為給水泵給定頻率。從圖可知，優(yōu)化控制系統(tǒng)投入前，鍋爐汽包水位變化時(shí)，由操作人員手動(dòng)控制給水壓力，控制給水泵頻率，主給水壓力因受給水系統(tǒng)干擾而發(fā)生較大幅度的變化，不利于整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。優(yōu)化控制系統(tǒng)投入后，系統(tǒng)發(fā)生干擾時(shí)，主給水壓力能夠得到及時(shí)控制，主給水壓力的變化范圍相比優(yōu)化控制系統(tǒng)投入前有明顯縮小，整個(gè)余熱電站水系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提升，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，為余熱電站少人值守或準(zhǔn)無(wú)人值守打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖9 優(yōu)化控制后熱井水位變化情況

圖10 優(yōu)化控制前主給水壓力變化情況

圖11 優(yōu)化控制后主給水壓力變化情況

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水泥窯余熱電站引入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，可以減少操作人員，同時(shí)降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，符合余熱電站未來(lái)發(fā)展方向和業(yè)主對(duì)余熱電站智能化控制要求，能夠?qū)崿F(xiàn)減員增效。該系統(tǒng)可用于BOT余熱電站并產(chǎn)生直接效益，同時(shí)滿足國(guó)內(nèi)余熱電站EPC項(xiàng)目業(yè)主的智能化要求，有利于市場(chǎng)上新項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。