余熱機組水系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

王富有,方 正

(1.南京科遠智慧科技集團股份有限公司,江蘇 南京 211102；2.江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室,江蘇 南京 211102)

水泥余熱發(fā)電技術(shù)是符合國家產(chǎn)業(yè)政策的綠色發(fā)電技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保等可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)特點。目前，水泥生產(chǎn)線配套的余熱發(fā)電機組，普遍具有顯著的經(jīng)濟效益。當前，水泥余熱發(fā)電機組作為水泥生產(chǎn)企業(yè)的配套設(shè)施，往往作為企業(yè)的一個工段存在，對其自動化運行水平的重視程度不足，這就導(dǎo)致了水泥余熱發(fā)電機組自動化水平普遍不高、運行人員運行操作量大、工作強度大。需亟待提高水泥余熱發(fā)電機組自動化水平[1-3]。

1 水泥余熱發(fā)電機組系統(tǒng)分析

水泥余熱發(fā)電機組系統(tǒng)進行工藝系統(tǒng)分析是設(shè)計其自動控制的基礎(chǔ)，典型水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 典型水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)工藝流程圖

該余熱發(fā)電機組為4 500 t/d新型干法熟料水泥生產(chǎn)線配套的純低溫余熱發(fā)電機組，額定主蒸汽壓力為0.689 MPa，額定主蒸汽溫度為314.3 ℃，額定主蒸汽流量43.6 t/h。該類型余熱發(fā)電機組在水泥生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的特點是，不配置除氧器，鍋爐主給水管道直接與AQC鍋爐汽包、PH鍋爐汽包、閃蒸器相連。

該水泥余熱發(fā)電機組是一個典型的隨動系統(tǒng)，其自動控制策略的設(shè)計需要考慮水泥生產(chǎn)過程的影響和系統(tǒng)本身特點的影響。水泥余熱發(fā)電機組的鍋爐負荷受水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)狀況直接影響。水泥生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝過程導(dǎo)致水泥余熱發(fā)電機組鍋爐負荷變動頻繁，是影響水泥余熱機組平穩(wěn)運行的主要外部干擾因素。水泥余熱發(fā)電機組水系統(tǒng)是一個直連強耦合系統(tǒng)，水系統(tǒng)中的任何子系統(tǒng)的波動或干擾，都會對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的影響，是水泥余熱機組平穩(wěn)控制的主要內(nèi)部干擾因素。

該余熱發(fā)電機組在運行過程中，因水系統(tǒng)耦合性強，AQC鍋爐汽包水位、PH鍋爐汽包水位和閃蒸器水位控制相互干擾，且AQC鍋爐汽包給水、PH鍋爐汽包給水存在搶水現(xiàn)象，難以實現(xiàn)整個水系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。在實際運行過程中，AQC鍋爐汽包水位、PH鍋爐汽包水位控制和閃蒸器水位控制發(fā)生擾動，最終都會將擾動累加到凝汽器，導(dǎo)致凝汽器水位大幅度變化，凝汽器水位難以控制[4-5]。

2 水泥余熱發(fā)電機組水系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制設(shè)計

根據(jù)以上對水泥余熱機組水系統(tǒng)的分析，進行水系統(tǒng)解耦協(xié)同控制，即將水系統(tǒng)作為一個整體，實現(xiàn)整體控制，控制目標不再局限于某個單一控制回路的控制[6-7]。

2.1 閃蒸器給水平衡控制

在實際運行中，閃蒸器水位受AQC鍋爐給水流量、PH鍋爐給水流量、AQC鍋爐省煤器出口溫度調(diào)節(jié)閥開度和冷凝器回水流量變化的擾動，會發(fā)生周期性大幅度波動，控制難度較大。由于系統(tǒng)的沒有安裝閃蒸器給水流量測點，進入閃蒸器的給水流量無法直接得出。

針對這種情況，采用工質(zhì)平衡原理對進入閃蒸器的給水流量進行計算，將計算得出的閃蒸器實際給水流量和進入閃蒸器的實際工質(zhì)量作為控制參考變量加入到閃蒸器水位控制過程中，提高閃蒸器水位控制的抗干擾能力。閃蒸器給水流量和進入閃蒸器的實際工質(zhì)量計算方法如下：

qSZQfw=qlns-qfwT

(1)

qSZQhs=qfwT-qAQCfw-qPHfw

(2)

qSZQT=qSZQfw-qSZQhs-qSZQST

(3)

式中：qSZQfw為閃蒸器給水流量，m3；qSZQhs為通過AQC鍋爐省煤器出口溫度調(diào)節(jié)閥回到閃蒸器的回水流量，m3；qlns為冷凝水流量，m3；qfwT為給水泵出口給水流量，m3；qAQCfw為AQC鍋爐給水流量，m3；qPHfw為PH鍋爐給水流量，m3；qSZQST為閃蒸器出口蒸汽流量，m3；qSZQT為進入閃蒸器的實際工質(zhì)量，m3。

在凝結(jié)水流量、鍋爐給水流量和閃蒸器蒸汽流量測點均正常的情況下，閃蒸器水位控制采用類似燃煤鍋爐汽包水位的雙調(diào)節(jié)器控制方法。當凝結(jié)水流量、鍋爐給水流量和閃蒸器蒸汽流量測點任意一個出現(xiàn)故障時，采用單調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閃蒸器水位，無故障的相關(guān)測點經(jīng)過補償后作為單調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閃蒸器水位的前饋信號。閃蒸器水位單調(diào)節(jié)器和雙調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)可實現(xiàn)自動切換，這樣能夠提高閃蒸器水位自動控制投入水平，實現(xiàn)閃蒸器水位在較大的負荷區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)自動控制。

2.2 AQC鍋爐汽包水位控制

AQC鍋爐汽包水控制是水泥余熱鍋爐控制的一個重點。受水泥生產(chǎn)工藝的影響，AQC鍋爐入口煙氣溫度會發(fā)生小幅度(40 ℃以上)周期性波動以及大幅度波動(100 ℃以上)，這將導(dǎo)致鍋爐負荷頻繁變化，AQC汽包水位周期性變化，給水需求周期性變化明顯。同時AQC鍋爐熱負荷周期性變化也是整個余熱發(fā)電機組水系統(tǒng)頻繁波動變化的根源。針對這種情況，需要結(jié)合水泥生產(chǎn)線運行規(guī)律、AQC鍋爐煙氣溫度以及煙氣擋板開度對進入AQC鍋爐的熱量進行估計，將該熱量信號作為控制汽包水位的一個前饋量，用以修正鍋爐給水流量需求指令，在鍋爐熱量變化的同時及時對給水流量需求指令進行修正。鍋爐熱量變化對給水流量需求指令的修正值計算方法如下：

qaqcfwk=Qaqcyq×k0+qaqcst×k1

(4)

Qaqcyq=Taqcyq×STAQCyq×k2

(5)

STaqcfw=qaqcst×k3+Qaqcyq×k4

(6)

式中：qaqcfwk為AQC鍋爐熱量變化對給水流量需求指令的修正值；Qaqcyq為進入AQC鍋爐的熱量估算值；Taqcyq為AQC鍋爐入口煙氣溫度，℃；STAQCyq為AQC鍋爐入口煙氣擋板實際開度；k0、k1、k2均為修正系數(shù)。STaqcfw為熱量和主蒸汽流量對給水調(diào)節(jié)閥開度指令的前饋值；qaqcst為AQC鍋爐出口蒸汽流量；k3為修正系數(shù)，k4為修正系數(shù)。

AQC鍋爐汽包水位采用雙調(diào)節(jié)器控制方式，保留單調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方式，并引入鍋爐熱量變化和主蒸汽流量變化對給水流量需求指令的修正值。當參與控制的參數(shù)發(fā)生測點故障時，AQC鍋爐汽包水位自動切換至單調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方式，這樣能夠提高QC鍋爐汽包水位自動控制投入水平，實現(xiàn)AQC鍋爐汽包水位在較大的負荷區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)自動控制。當AQC鍋爐汽包水位由雙調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)自動切換值單調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方式時，修正系數(shù)k1的數(shù)值也將隨之發(fā)生變化。

2.3 PH鍋爐汽包水位控制

PH鍋爐汽包水控制是水泥余熱鍋爐控制的另一個難點。其控制難點在于，鍋爐給水泵至PH鍋爐行程較遠，管路壓損較大，當AQC鍋爐負荷大幅度變化和AQC鍋爐省煤器出口溫度調(diào)節(jié)閥開度變化時，各管路存在搶水現(xiàn)象。AQC鍋爐汽包水位控制、AQC鍋爐省煤器出口溫度控制和PH鍋爐汽包水位控制之間耦合明顯。另外，受水泥生產(chǎn)工藝的影響，PH鍋爐入口煙氣溫度會發(fā)生小幅度(40 ℃以上)波動，這將導(dǎo)致鍋爐負荷發(fā)生變化。

根據(jù)以上情況，PH鍋爐汽包水位控制需要克服AQC鍋爐給水流量變化、AQC鍋爐省煤器出口溫度調(diào)節(jié)閥開度變化對PH鍋爐汽包水位的干擾，實現(xiàn)AQC鍋爐汽包水位控制、AQC鍋爐省煤器出口溫度控制和PH鍋爐汽包水位控制解耦；需要對進入PH鍋爐的熱量進行估計，對PH鍋爐汽包水位控制進行補償。針對PH鍋爐汽包水位控制的解耦需求，需要將AQC鍋爐給水流量變化、AQC鍋爐省煤器出口溫度調(diào)節(jié)閥開度作為解耦控制變量。針對PH鍋爐汽包水位控制的熱量補償需求，需要結(jié)合水泥生產(chǎn)線運行規(guī)律，根據(jù)煙氣擋板開度和煙氣溫度對進入PH鍋爐的熱量進行估計，將該熱值作為控制PH鍋爐汽包水位的一個前饋量，用以修正鍋爐給水流量需求指令，在鍋爐熱量變化時及時對給水流量需求指令進行修正。

解耦控制和鍋爐熱量變化對給水流量需求指令的修正值計算方法如下：

qphfwk=Qphyq×k5+qphst×k6

(7)

Qphyq=Tphyq×STPHyq×k7

(8)

STphfw=qphst×k8+Qphyq×k9

(9)

STphx=STAQCfw×k10+STAQCT×k11

(10)

式中：qphfwk為鍋爐熱量變化對PH鍋爐給水流量需求指令的修正值；Qphyq為進入PH鍋爐的熱量估算值；qphst為PH鍋爐出口蒸汽流量；Tphyq為PH鍋爐入口煙氣溫度，℃；STPHyq為PH鍋爐入口煙氣擋板實際開度；k5～k11均為修正系數(shù)；STphfw為PH鍋爐煙氣熱量和主蒸汽流量計算得出的PH鍋爐水位控制的前饋值；STphx為AQC鍋爐汽包水位控制、AQC鍋爐省煤器出口水溫控制，對PH鍋爐汽包水位控制的解耦修正值。

PH鍋爐汽包水位采用雙調(diào)節(jié)器控制方式，并保留單調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方式。雙調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時，主調(diào)調(diào)節(jié)PH鍋爐汽包水位，副調(diào)調(diào)節(jié)給水流量。主調(diào)引入鍋爐熱量變化和主蒸汽流量變化作為給水流量需求指令的修正值，副調(diào)引入解耦修正指令。當參與控制的參數(shù)存在測點故障時，PH鍋爐汽包水位自動切換為單調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方式，這樣能夠提高PH鍋爐汽包水位自動控制投入水平，實現(xiàn)PH鍋爐汽包水位在較大的負荷區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)自動控制。當PH鍋爐汽包水位控制由雙調(diào)節(jié)器控制自動切換值單調(diào)節(jié)器控制時，修正系數(shù)k6的數(shù)值也將隨之發(fā)生變化。

2.4 AQC鍋爐省煤器出口水溫控制

AQC鍋爐省煤器出口水溫過高會導(dǎo)致AQC鍋爐省煤器出口給水沸騰，給水帶汽，影響AQC鍋爐和PH鍋爐的安全運行。在實際運行中，進入AQC鍋爐的熱量周期性變化，而進入AQC鍋爐的熱量變化對進入鍋爐省煤器出口水溫的影響是一個大滯后過程，這導(dǎo)致了鍋爐省煤器出口水溫控制難以控制。另外，AQC鍋爐給水流量變化會直接影響AQC鍋爐省煤器給水流量，AQC鍋爐省煤器出口水溫控制需要考慮AQC鍋爐汽包水位控制的干擾。

針對AQC鍋爐省煤器的運行特點，將進入AQC鍋爐的熱量估計加入到AQC鍋爐省煤器出口水溫控制過程中，以實現(xiàn)AQC鍋爐省煤器出口水溫控制的滯后補償。針對窯頭運行不定時出現(xiàn)的AQC鍋爐入口煙氣溫度大幅度快速升高的現(xiàn)象，為避免AQC鍋爐省煤器出口給水沸騰，需要進行給水壓力補償。即，在AQC鍋爐省煤器出口水溫持續(xù)升高接近高限值時，適當提高給水壓力。AQC鍋爐煙氣熱量對AQC鍋爐省煤器出口水溫控制的修正值和給水壓力補償值的計算方法如下：

AQCSTaqctx=Qaqcyq×k12

(11)

AQCSTaqcty=STAQCfw×k13

(12)

b=F(PfwPact-a)-FWfwTact

(13)

FWfwPspx=F(b)

(14)

式中：AQCSTaqctx為AQC鍋爐熱量變化對AQC鍋爐省煤器出口水溫控制指令的修正值；AQCSTaqcty為AQC鍋爐汽包水位控制對AQC鍋爐省煤器出口水溫控制的修正值；Qaqcyq為進入AQC鍋爐的熱量估算值；PfwPact為給水壓力實際值，Pa；a為AQC鍋爐省煤器管路壓損，Pa；F(PfwPact-a)為PfwPact-a壓力下AQC鍋爐省煤器出口給水飽和溫度，℃；FWfwTact為AQC鍋爐省煤器出口溫度實際值，F(xiàn)WfwPxpx為給水壓力設(shè)定值的補償值。

AQC鍋爐省煤器出口水溫控制采用單調(diào)節(jié)器+前饋的控制方式，AQCSTaqctx和AQCSTaqcty作為前饋。調(diào)節(jié)器采用變參數(shù)處理和限值處理，當鍋爐省煤器出口水溫變化速度較快時，適當提高調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度；當AQC鍋爐省煤器出口水溫控制指令低于一定值時，限值調(diào)節(jié)器輸出，避免進入閃蒸器熱水流量過低。

2.5 冷凝器水位控制

通過水泥余熱發(fā)電機組系統(tǒng)分析可知，該類型余熱發(fā)電機組是一個強耦合系統(tǒng)，且所有的擾動都會對冷凝器水位產(chǎn)生影響。為快速克服干擾需要考慮水系統(tǒng)其他參數(shù)控制對冷凝器水位的控制的影響，而其他參數(shù)控制過程最終體現(xiàn)為給水流量變化和冷凝水流量的變化。另外，由于冷凝器水容積較小，為實現(xiàn)將冷凝器水位控制在合理的運行區(qū)間內(nèi)，需要冷凝器補水調(diào)節(jié)閥和回水調(diào)節(jié)閥共同參與冷凝器水位的控制。

針對該余熱機組運行的實際情況，提高冷凝器水位控制的抗干擾能力，將冷凝水壓力投入自動控制，穩(wěn)定冷凝水壓力。在冷凝水壓力自動投入后，回水系統(tǒng)為帶壓回水，其開度變化對冷凝器水位變化的反應(yīng)比較迅速(補水過程為負壓補水)。因此，對于冷凝器水位控制，加強回水調(diào)節(jié)閥水調(diào)節(jié)作用，當冷凝器水位低于某給定值后，加強補水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用。防止補水調(diào)節(jié)閥和回水調(diào)節(jié)閥相互擾動，冷凝器水位頻繁波動。對補水調(diào)節(jié)閥采用前饋控制并引入微分作用，以提高冷凝器水位控制的抗干擾能力?；厮{(diào)節(jié)閥前饋值計算方法如下：

SThsx=(Qaqcfw+Qphfw+Qszqfw)×k14+AQCSTaqct×k15

(15)

式中：Qaqcfw為AQC鍋爐給水實際流量；Qphfw為PH鍋爐給水實際流量；Qszqfw為閃蒸器給水實際給水流量；AQCSTaqct為AQC鍋爐省煤器出口溫度調(diào)節(jié)閥開度。k14為修正系數(shù)；k15為修正系數(shù)，修正系數(shù)具體值通過調(diào)試得出。當為AQC鍋爐給水實際流量測點、PH鍋爐給水實際流量測點以及閃蒸器給水實際給水流量相關(guān)測點故障時，相應(yīng)的測量信號保持不變，以避免對冷凝器水位控制產(chǎn)生較大影響。

2.6 水系統(tǒng)解耦控制

在上文中對PH鍋爐汽包水位進行了解耦控制功能設(shè)計。但在實際運行中，AQC鍋爐負荷變化過大時，AQC鍋爐給水流量變化較大。此時，雖然PH鍋爐負荷平穩(wěn)，解耦控制修正值不足以滿足PH鍋爐汽包水位控制的需求，PH給水調(diào)節(jié)閥全開，汽包水位下降。因此，為提高系統(tǒng)的魯棒性，提高PH鍋爐汽包水位控制水平，針對進一步解耦控制需要，將給水泵出口壓力投入自動運行。

給水泵出口壓力投入自動運行會在一定程度上提高PH鍋爐汽包水位控制水平，但給水泵出口壓力控制過高，給水泵電耗過大，影響機組的安全運行。給水泵出口壓力的控制需要根據(jù)整個機組運行的實際需要進行自適應(yīng)調(diào)整。針對該控制需求，設(shè)計給水泵出口壓力設(shè)定值自適應(yīng)變化，即在保持最低給水泵出口壓力控制目標的基礎(chǔ)上，對給水泵出口壓力設(shè)定值進行自適應(yīng)修正。給水泵出口壓力設(shè)定值自適應(yīng)修正值的方法如下：

FWPspact=FWPPsp+FWPspx+FWPspy

(16)

FWPspy=F(STph)

(17)

式中：FWPspact為修正后給水壓力設(shè)定值，給水壓力控制目標值以此為目標；FWPPsp為操作員給定的給水壓力設(shè)定值；FWPspy為PH鍋爐給水調(diào)節(jié)閥開度對給水壓力設(shè)定值的修正值；STph為PH鍋爐實際給水調(diào)節(jié)閥開度；F(STph)為以STph為變量的函數(shù)。

通過給水壓力設(shè)定值進行修正，可以在滿足PH鍋爐汽包水位的控制的同時，給水泵出口壓力控制在合理的范圍內(nèi)，不過多增加給水泵運行電耗。該方法在實際運行中，對于PH鍋爐汽包水位的控制起到了比較明顯的控制效果。

3 水泥余熱發(fā)電機組水系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制效果

根據(jù)以上控制思路設(shè)計控制組態(tài)并進行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如圖2所示。

通過以上控制策略調(diào)試，該余熱發(fā)電機組AQC鍋爐汽包水位、閃蒸器水位控制在設(shè)定值的±20 mm以內(nèi)變化、冷凝器水位、PH鍋爐汽包水位控制在設(shè)定值的±50 mm以內(nèi)變化，AQC鍋爐省煤器出口水溫控制在設(shè)定值±3 ℃以內(nèi)，控制效果明顯。在實際機組運行過程中，所有控制回路的自動投入率在98%以上，機組運行自動化水平明顯提高，運行操作人員工作量大為減少。根據(jù)項目現(xiàn)場實際情況，增加了語音報警功能，在系統(tǒng)自動控制功能退出時及時發(fā)出語音報警，系統(tǒng)運行的安全性大為提高，原本的專職操作員也改為了兼職操作員，實現(xiàn)了減員增效。

圖2所示為各條件下參數(shù)變化情況。

圖2 優(yōu)化后控制效果圖

4 結(jié) 論

水泥余熱機組作為水泥生產(chǎn)線的配套系統(tǒng)，其對整個水泥生產(chǎn)過程的節(jié)能運行起著重要作用，其自動化運行水平應(yīng)當?shù)玫綉?yīng)有重視。通過水泥余熱發(fā)電機組控制策略的優(yōu)化和調(diào)試，可以明顯提高機組運行的自動化水平，安全運行水平。能夠?qū)⒉僮鲉T解放出來，將精力和注意力放在提高機組運行經(jīng)濟性方面，實現(xiàn)技術(shù)和經(jīng)濟效益雙贏。