模型預(yù)測(cè)先進(jìn)控制技術(shù)在480t/h CFB中的應(yīng)用

張鵬軍，張代華，段 鋒，王彩麗

（1.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017000；2.內(nèi)蒙古伊泰煤基新材料研究院有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017000）

0 引言

內(nèi)蒙古伊泰化工120萬(wàn)噸/年精細(xì)化學(xué)品項(xiàng)目配套4×480t/h循環(huán)流化床鍋爐，型號(hào)SG-480/9.81-M2304，由上海鍋爐廠有限公司制造，型式為單汽包自然循環(huán)、單爐膛，無(wú)中間再熱，π型布置，平衡通風(fēng)，水冷式旋風(fēng)分離器，固態(tài)排渣高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐[1]。

根據(jù)安全穩(wěn)定蒸汽需求，正常工況3臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行，1臺(tái)備用，單臺(tái)負(fù)荷300t/h，負(fù)荷率約為62.5%。蒸汽用量相對(duì)穩(wěn)定，最大干擾來(lái)源于空分裝置汽輪機(jī)用汽，其用汽量波動(dòng)較大時(shí)可達(dá)20 t/h～30 t/h，波動(dòng)較小時(shí)為10 t/h～20 t/h。當(dāng)用汽量波動(dòng)時(shí)，由單臺(tái)鍋爐調(diào)節(jié)。這種負(fù)荷波動(dòng)，操作人員一般保持一次風(fēng)量不變，僅調(diào)整給煤量和二次風(fēng)量，其它（包括脫硝系統(tǒng)在內(nèi)）保持不變。4臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行處于同行業(yè)較高水平，但仍有改進(jìn)和提升空間。

同時(shí)隨著國(guó)家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，原設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行的NOx排放值在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下很難達(dá)標(biāo)。通過(guò)先進(jìn)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)NOx排放量達(dá)標(biāo)，成為各企業(yè)共同期待的目標(biāo)。

伊泰化工生產(chǎn)過(guò)程控制方面采用Honeywell PKS 430 DCS控制系統(tǒng)，對(duì)工藝過(guò)程穩(wěn)定操作起到了關(guān)鍵作用。因其主要采用常規(guī)控制，除過(guò)熱蒸汽溫度控制和鍋爐汽包液位三沖量控制投用自動(dòng)外，其它控制回路均處于手動(dòng)控制狀態(tài)，自控率總體水平不高。針對(duì)循環(huán)流化床燃煤鍋爐多輸入/多輸出的非線性、強(qiáng)耦合和大滯后[2]的復(fù)雜控制對(duì)象，存在多項(xiàng)熱量及物料平衡的工藝關(guān)系，是多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，無(wú)法將相關(guān)的多個(gè)變量統(tǒng)籌考慮，協(xié)調(diào)控制，不能整體考慮控制目標(biāo)。其控制品質(zhì)無(wú)法達(dá)到工藝過(guò)程對(duì)大擾動(dòng)下產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的控制。

1 模型預(yù)測(cè)控制原理

本項(xiàng)目基于先進(jìn)過(guò)程控制（APC）技術(shù)，通過(guò)單爐控制和多爐控制優(yōu)化，在控制器中融入對(duì)鍋爐燃燒與蒸汽動(dòng)力流程工藝的深入理解，在系統(tǒng)內(nèi)嵌入“人腦機(jī)制”，使原本僅能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)操作的控制器具備工藝優(yōu)化功能。針對(duì)循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐裝置開(kāi)發(fā)APC先進(jìn)控制解決方案，使得CFB鍋爐在應(yīng)對(duì)煤質(zhì)變化、負(fù)荷調(diào)整等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，能夠以模擬預(yù)測(cè)和中間過(guò)程尋優(yōu)調(diào)整及時(shí)加以響應(yīng)。由APC系統(tǒng)代替操作員進(jìn)行系統(tǒng)操作，克服了基于反饋的常規(guī)調(diào)節(jié)模式的滯后和波動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了“最佳工藝工程師”與“最佳操作員”的統(tǒng)一，并且對(duì)裝置進(jìn)行全年24h無(wú)休監(jiān)控和控制優(yōu)化，確保鍋爐運(yùn)行在較高的燃燒效率區(qū)間，降低蒸汽煤耗并提供更為穩(wěn)定的蒸汽，同時(shí)通過(guò)鍋爐性能差異的動(dòng)態(tài)判斷，優(yōu)化負(fù)荷調(diào)整分配，兼顧各自的爐溫約束，限制各鍋爐調(diào)節(jié)幅度，確保安全，延長(zhǎng)鍋爐使用壽命[3]。

2 模型預(yù)測(cè)控制模塊

項(xiàng)目采用成熟的AVEVA APC2020多變量模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合過(guò)程控制領(lǐng)域豐富的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，提供關(guān)于循環(huán)流化床鍋爐的先進(jìn)控制解決方案，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)的同時(shí)，提高裝置產(chǎn)能，降低單位產(chǎn)品能耗，帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。

模型預(yù)測(cè)控制[4]（Model Predictive Control，MPC）是一種多變量高級(jí)控制技術(shù)。它基于系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，通過(guò)收集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)辨識(shí)出過(guò)程中各種變量之間的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系，即建立模型。模型預(yù)測(cè)控制模塊通過(guò)辨識(shí)的模型，認(rèn)知各種擾動(dòng)因素對(duì)于被控變量的影響，計(jì)算被控變量在接下來(lái)時(shí)段的變化趨勢(shì)，從而實(shí)時(shí)不斷地更新控制策略，提高過(guò)程控制品質(zhì)。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，可預(yù)測(cè)被控變量在未來(lái)時(shí)段發(fā)生的變化。根據(jù)未來(lái)時(shí)刻，變量對(duì)于設(shè)定值的偏差，及時(shí)調(diào)整控制策略，使被控變量可以緊靠設(shè)定點(diǎn)，提高過(guò)程的控制品質(zhì)。

3 模型預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1 服務(wù)器安裝軟件

1）霍尼韋爾DCS系統(tǒng)RDM軟件

RDM軟件為霍尼韋爾DCS系統(tǒng)提供給第三方使用的軟件，目前安裝在APC系統(tǒng)服務(wù)器上?；裟犴f爾DCS服務(wù)器有A、B主備之分，當(dāng)DCS服務(wù)器切換時(shí)，主服務(wù)器切到備用服務(wù)器仍然可以正常通訊，不影響OPC數(shù)據(jù)通信。

2）AVEVA APC2020

AVEVA APC2020先進(jìn)過(guò)程控制是一套基于模型的預(yù)測(cè)控制軟件，具有以下特點(diǎn)：①采用線性動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)被控變量的開(kāi)環(huán)行為；②預(yù)測(cè)被控變量是否會(huì)操作約束條件；③利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)矯正預(yù)測(cè)值；④可對(duì)各種非常規(guī)動(dòng)態(tài)過(guò)程建模；⑤自動(dòng)階躍測(cè)試；⑥內(nèi)置線性優(yōu)化功能；⑦快速趨勢(shì)圖組態(tài)；⑧數(shù)據(jù)分析便利。

3）其它軟件

U盤插拔防毒系統(tǒng)SMX軟件，旨在防止U盤任意插拔感染傳播病毒，只有系統(tǒng)注冊(cè)認(rèn)證過(guò)的U盤方可使用，否則無(wú)法識(shí)別，并且任何插拔U盤均有記錄。

MCafee麥卡菲殺毒軟件能夠自動(dòng)偵測(cè)文件的安全性，若文件內(nèi)含病毒，會(huì)立即告警并做適當(dāng)自動(dòng)處理，可使用密碼將個(gè)人的設(shè)定文件鎖定。

3.2 OPC接口通訊

AVEVA APC模型預(yù)測(cè)軟件將通過(guò)OPC實(shí)現(xiàn)同底層霍尼韋爾PKS 430DCS控制系統(tǒng)的讀寫通訊。為了避免其他系統(tǒng)對(duì)于APC控制系統(tǒng)的干擾，單獨(dú)為APC控制系統(tǒng)配置1臺(tái)OPC服務(wù)器。

3.3 APC數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

對(duì)需要階躍測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，對(duì)有問(wèn)題的數(shù)據(jù)要予以剔除。要被剔除的數(shù)據(jù)主要發(fā)生在以下場(chǎng)景中：出現(xiàn)大的過(guò)程擾亂，數(shù)據(jù)采集發(fā)生故障，沒(méi)有明顯的數(shù)據(jù)響應(yīng)，關(guān)鍵的控制回路飽和或失效，出現(xiàn)未測(cè)量到的較大干擾。

3.4 APC控制基礎(chǔ)

基礎(chǔ)過(guò)程控制系統(tǒng)通常采用常規(guī)PID回路實(shí)現(xiàn)回路控制。它以單回路或串級(jí)控制為主，進(jìn)行單參數(shù)調(diào)節(jié)，很少考慮變量間的相互作用，且常規(guī)PID控制室在控制變量產(chǎn)生偏差后才進(jìn)行調(diào)節(jié)的。由于裝置變量總是存在相互作用，因而在裝置狀況或者生產(chǎn)方案發(fā)生變化時(shí)，需要同時(shí)調(diào)節(jié)多個(gè)控制回路，并確保各調(diào)節(jié)量相互匹配，才能將裝置的操作點(diǎn)控制在某一范圍內(nèi)。然而，即使操作經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員也很難同時(shí)調(diào)節(jié)多個(gè)控制回路，并確保各調(diào)節(jié)量相互匹配，且保持穩(wěn)定以至達(dá)到最優(yōu)。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)歷史趨勢(shì)圖Fig.1 Historical trend diagram of the production process data of the circulating fluidized bed boiler

圖2 模型預(yù)測(cè)控制偏置嵌入DCS常規(guī)PID邏輯圖Fig.2 Logic diagram of model predictive control bias embedded in DCS conventional PID

表1 常規(guī)PID控制與模型預(yù)測(cè)先進(jìn)過(guò)程控制對(duì)比表Table 1 Comparison of conventional PID control and model prediction advanced process control

圖3 模型預(yù)測(cè)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of model predictive control

將其應(yīng)用于連續(xù)過(guò)程工業(yè)的解決方案，它將整個(gè)生產(chǎn)裝置或某個(gè)工藝單元整體作為一個(gè)研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，量化描述獨(dú)立變量（包括前饋?zhàn)兞浚┡c各個(gè)相應(yīng)工藝變量之間的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)模型，建立工藝過(guò)程的多變量動(dòng)態(tài)矩陣控制器[5]；利用模型預(yù)測(cè)裝置關(guān)鍵控制變量的變化，通過(guò)提前預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)提前控制，提前調(diào)節(jié)多個(gè)相關(guān)的操作變量，因而提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性。

采用APC軟件平臺(tái)中的建模工具配置和建立過(guò)程模型，評(píng)價(jià)模型識(shí)別的結(jié)果——自變量（獨(dú)立變量，MV/FV）和因變量（CV）的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在模型識(shí)別過(guò)程中，對(duì)過(guò)程模型進(jìn)行多次修正測(cè)試，直到模型滿足工程實(shí)際需要。

MV（Manipulated Variable）：控制/操作變量，由控制器調(diào)整的操縱變量。

CV（Controlled Variable）：被控變量或受控變量，一般指帶設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)的受控變量或帶最小/最大極限的約束變量。

FV/DV（Feedforward/Disturbance Variable）：前饋/干擾變量，用于前饋預(yù)測(cè)的可測(cè)量擾動(dòng)的前饋擾動(dòng)變量，可以測(cè)量其對(duì)被控變量施加影響的程度，但是不可以控制或者操作的變量。

3.5 APC控制策略

智能APC先進(jìn)控制系統(tǒng)解決方案中，控制策略包括：蒸汽管網(wǎng)壓力控制器，主蒸汽溫度、爐膛溫度控制器，氧含量控制、風(fēng)量控制和給煤機(jī)控制及NOX排放控制等。在實(shí)際裝置應(yīng)用后，預(yù)計(jì)蒸汽煤耗降低0.5%，并將主蒸汽壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低50%。在穩(wěn)定供汽品質(zhì)的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源并顯著降低污染排放物的效果。

1）蒸汽側(cè)：過(guò)熱蒸汽溫度/過(guò)熱蒸汽壓力。

2）燃燒側(cè)：流化床溫/稀相溫度/床層差壓/稀相差壓/飛灰含碳量/底渣含碳量/過(guò)剩氧含量/NOx原始排放濃度。

3）脫硝側(cè)：NOx最終排放濃度/氨逃逸濃度。

3.6 系統(tǒng)測(cè)試建模

系統(tǒng)建模關(guān)鍵步驟是階躍測(cè)試。項(xiàng)目首先關(guān)注數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等預(yù)處理，對(duì)可能存在問(wèn)題的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。然后，依據(jù)對(duì)工藝過(guò)程深入的理解，選擇相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模工作。建模過(guò)程中，根據(jù)工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的操作變量一個(gè)一個(gè)進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試，以一級(jí)減溫水為例，觀察動(dòng)態(tài)矩陣響應(yīng)曲線，反復(fù)測(cè)試，直到測(cè)試模型與實(shí)際情況相符為準(zhǔn)。建模過(guò)程中爭(zhēng)取工藝技術(shù)人員和操作人員的支持，使其理解先進(jìn)控制的理念，更好地配合制定出合理的調(diào)整策略指導(dǎo)操作。

圖4 模型預(yù)測(cè)控制策略MV典型回路圖Fig.4 Typical loop diagram of model predictive control strategy MV

3.7 預(yù)期效果

通過(guò)AVEVA APC系統(tǒng)，預(yù)期達(dá)到以下效果：提高裝置基礎(chǔ)自動(dòng)化水平；提升基礎(chǔ)自動(dòng)化投用率，實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)流量、二次風(fēng)流量、爐膛負(fù)壓系統(tǒng)和總?cè)剂舷到y(tǒng)的自動(dòng)控制；穩(wěn)定流化床溫/稀相溫度/床層差壓/稀相差壓，降低飛灰含碳量/過(guò)剩氧濃度/NOx原始排放；降低NOx最終排放，減少氨逃逸；降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)優(yōu)化后，人工控制將變?yōu)樽詣?dòng)控制，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，引導(dǎo)操作人員將注意力轉(zhuǎn)向最佳過(guò)程參數(shù)配置和調(diào)整；能實(shí)現(xiàn)智能操作模式和人工操作之間的快速無(wú)擾切換；預(yù)期鍋爐熱效率增加0.2%～0.4%。

4 組織保證

項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，確保項(xiàng)目順利進(jìn)行，成立模型預(yù)測(cè)調(diào)試小組，由先進(jìn)控制儀控組、生產(chǎn)工藝組共同組成。

先進(jìn)控制儀控組：軟硬件驗(yàn)收維護(hù)、先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)維護(hù)，包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建，與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)應(yīng)用等基礎(chǔ)工作，了解生產(chǎn)先進(jìn)控制項(xiàng)目的數(shù)據(jù)分析、建模、功能設(shè)計(jì)、組態(tài)等過(guò)程，進(jìn)行先進(jìn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)試，參與階躍測(cè)試，會(huì)簽試運(yùn)行報(bào)告和驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。

圖5 減溫水系統(tǒng)建模過(guò)程圖Fig.5 Modeling process diagram of desuperheating water system

生產(chǎn)工藝組：從工藝生產(chǎn)角度進(jìn)行分析、指導(dǎo)，針對(duì)系統(tǒng)操作提出限定范圍，跟蹤項(xiàng)目指標(biāo)運(yùn)行情況并對(duì)指標(biāo)驗(yàn)證，提供生產(chǎn)工藝過(guò)程資料，討論并批準(zhǔn)先進(jìn)控制功能設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)試計(jì)劃、階躍測(cè)試計(jì)劃和DCS操作界面，參加APC控制器現(xiàn)場(chǎng)安裝前的出廠驗(yàn)收測(cè)試（FAT），給出修改意見(jiàn)和批準(zhǔn)FAT報(bào)告，會(huì)簽試運(yùn)行報(bào)告和驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目采用MPC模型預(yù)測(cè)控制先進(jìn)控制技術(shù)，將先進(jìn)控制理論與生產(chǎn)過(guò)程相結(jié)合，以計(jì)算機(jī)技術(shù)與DCS常規(guī)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制。通過(guò)實(shí)施優(yōu)化控制，使循環(huán)流化床鍋爐不間斷地平穩(wěn)優(yōu)化運(yùn)行，以達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)，優(yōu)化指標(biāo)，節(jié)能減排，降低操作員勞動(dòng)強(qiáng)度的目的[6]。