夏建財(cái),張樹江,徐永磊
(1.青島海灣化學(xué)有限公司,山東 青島 266409;2.青島市招生考試院,山東 青島 266108)
循環(huán)流化床鍋爐的燃燒是在燃料的流化狀態(tài)下進(jìn)行的,是一個(gè)多變量耦合、大滯后的非線性系統(tǒng),它的各個(gè)變量之間相互影響, 另外還有飛灰循環(huán)造成的影響,導(dǎo)致其燃燒為較復(fù)雜的過程。因此采取常規(guī)的控制手段及人為的操作干預(yù)都難以保證其各項(xiàng)控制指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。 基于上述問題產(chǎn)生了針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性的優(yōu)化控制系統(tǒng), 它的產(chǎn)生及發(fā)展對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的意義。
(1)行業(yè)現(xiàn)狀
循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)流化燃燒技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是燃料適用廣,燃燒效率較高。相比于煤粉爐等其他鍋爐而言,循環(huán)流化床鍋爐的控制回路更多,系統(tǒng)更加復(fù)雜, 因此循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)控制需要穩(wěn)定主蒸汽壓力的同時(shí), 還應(yīng)保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行以及床層溫度、循環(huán)灰和料層高度的控制。
鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)大部分采用的是DCS 控制系統(tǒng),雖然已具備較高的自動(dòng)化程度,但循環(huán)流化床鍋爐的控制有很多變量耦合, 這些因素的影響導(dǎo)致單獨(dú)的DCS 控制系統(tǒng)很難做到自動(dòng)回路的穩(wěn)定運(yùn)行,因此需要更加完善、優(yōu)化的控制方案才能夠彌補(bǔ)其自身的控制缺陷。
(2)企業(yè)現(xiàn)狀
青島海灣化學(xué)有限公司秉承以 “技術(shù)國際化,裝備大型化,環(huán)境生態(tài)化,管理現(xiàn)代化”的四化理念高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)與發(fā)展。 公司堅(jiān)持走綠色、高端化工企業(yè)路線,從而實(shí)現(xiàn)了綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。
青島海灣化學(xué)有限公司熱電廠主要擔(dān)負(fù)公司各生產(chǎn)裝置蒸汽的供給任務(wù), 現(xiàn)有2 臺(tái)130 t/h、1 臺(tái)150 t/h 高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐, 鍋爐總蒸發(fā)量410 t/h,額定產(chǎn)汽量227.76 萬t/a。
循環(huán)流化床鍋爐是采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù),在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中, 通過給煤機(jī)將煤送入落煤管后進(jìn)入爐膛燃燒, 鍋爐燃燒所需的空氣分別由一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)提供。 其中一次風(fēng)機(jī)送出的空氣經(jīng)過一次風(fēng)空氣預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱后由左右兩側(cè)風(fēng)道引至爐下的水冷風(fēng)室, 通過其中的水冷布風(fēng)板上的多組風(fēng)帽后進(jìn)入燃燒室; 二次風(fēng)機(jī)送出的風(fēng)經(jīng)過二次風(fēng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后, 通過分布在爐膛前后墻上的噴口噴入爐膛,進(jìn)行補(bǔ)充空氣,達(dá)到加強(qiáng)擾動(dòng)與混合的作用。 進(jìn)入爐膛內(nèi)的燃料和空氣在流化狀態(tài)下?lián)交烊紵?,同時(shí)與受熱面進(jìn)行熱交換。在爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的攜帶有大量未燃盡的碳粒子的煙氣會(huì)在爐膛上部進(jìn)一步燃燒并放熱。 煙氣在離開爐膛時(shí)會(huì)夾帶大量物料,經(jīng)過蝸殼式氣冷旋風(fēng)分離器后,未燃盡的物料被分離出來,再經(jīng)返料器返回至爐膛,從而實(shí)現(xiàn)鍋爐的燃燒循環(huán)。分離后的煙氣經(jīng)由轉(zhuǎn)向室、高低溫過熱器、節(jié)煤器、一次風(fēng)空氣預(yù)熱器、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器后由尾部煙道排出, 再經(jīng)電除塵系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)進(jìn)行除塵、脫硫,合格的煙氣進(jìn)入煙囪后實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。因采用循環(huán)流化床燃燒方式,通過向爐內(nèi)進(jìn)行添加石灰石的操作, 能夠顯著降低煙氣中二氧化硫的排放量, 而采用空氣分級(jí)供風(fēng)和低溫的燃燒技術(shù)則能夠?qū)崿F(xiàn)有效抑制氮氧化物的生成量。
鍋爐APC 先進(jìn)過程控制軟件是鍋爐優(yōu)化控制的專用軟件, 各項(xiàng)鍋爐燃燒多變量綜合優(yōu)化回路設(shè)計(jì)及調(diào)試都通過PCO(Process Control Optimination)先控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。
鍋爐APC 先進(jìn)過程控制軟件包包含PCO 鍋爐先進(jìn)控制軟件、鍋爐系統(tǒng)性能計(jì)算軟件、下位機(jī)DCS監(jiān)控系統(tǒng)控制切換邏輯與安全保護(hù)等模塊, 具備專業(yè)的先進(jìn)過程模型辨識(shí)、預(yù)測(cè)控制、專家控制等智能優(yōu)化控制策略, 內(nèi)含的性能計(jì)算軟件可實(shí)時(shí)在線評(píng)估鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行效率與控制優(yōu)化效果等, 真正做到優(yōu)化控制與在線評(píng)估為一體的先進(jìn)過程控制優(yōu)化軟件包。
鍋爐先進(jìn)控制軟件是基于鍋爐過程機(jī)理制定的先進(jìn)控制方案,整個(gè)系統(tǒng)可分塊投切,方便靈活。
循環(huán)流化床鍋爐多變量燃燒優(yōu)化控制的自動(dòng)回路主要包括燃料給定自動(dòng)、 一次風(fēng)與二次風(fēng)給定及配比自動(dòng)、引風(fēng)給定自動(dòng)、床層差壓排渣自動(dòng);與自動(dòng)控制相關(guān)的參數(shù)包括鍋爐熱負(fù)荷、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、爐膛溫度、爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量、床層溫度、床層差壓。
通過不斷分析循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性,可以得出循環(huán)流化床鍋爐多變量燃燒優(yōu)化控制的主要原理如下。
爐床內(nèi)所釋放出來的熱流量與床層燃料內(nèi)含有的燃料量成正比, 因此可以通過一次風(fēng)與二次風(fēng)的配比來實(shí)現(xiàn)控制爐床所釋放的熱流量, 同時(shí)用進(jìn)料量來實(shí)現(xiàn)控制及穩(wěn)定床層燃料內(nèi)的燃料量, 實(shí)現(xiàn)基本燃燒控制策略。
循環(huán)流化床鍋爐多變量燃燒優(yōu)化綜合控制模型的主要特征是通過以反映循環(huán)流化床鍋爐燃燒所產(chǎn)生的“蓄熱池”來儲(chǔ)存熱量的床層溫度信號(hào)為基礎(chǔ),在各運(yùn)行參數(shù)額定設(shè)計(jì)的約束限制范圍內(nèi), 風(fēng)量根據(jù)爐膛出口溫度,爐膛壓差的變化調(diào)整物料濃度,快速穩(wěn)定鍋爐熱負(fù)荷的變化; 通過以風(fēng)煤配比實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整給煤量來穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷, 同時(shí)通過調(diào)整床層溫度,達(dá)到維持鍋爐內(nèi)燃燒儲(chǔ)存熱量穩(wěn)定的目的;以最佳氧含量來保證經(jīng)濟(jì)性; 以風(fēng)量前饋及爐膛壓力信號(hào)調(diào)整負(fù)壓; 通過排渣的自動(dòng)調(diào)節(jié)在不同的負(fù)荷下穩(wěn)定在相應(yīng)的最佳床壓定值。
海灣化學(xué)鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)項(xiàng)目自2018 年11月22 日啟動(dòng), 于12 月16 日進(jìn)入連續(xù)投運(yùn)保穩(wěn)階段。經(jīng)過一個(gè)月的系統(tǒng)保穩(wěn)與參數(shù)優(yōu)化工作, 鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)已具備連續(xù)長期穩(wěn)定運(yùn)行能力, 并可快速響應(yīng)外界負(fù)荷大幅波動(dòng), 工藝指標(biāo)波動(dòng)幅度較人工操作有明顯降低,系統(tǒng)平穩(wěn)性大幅提升,自動(dòng)控制效果良好,自動(dòng)投運(yùn)率超過90%。
循環(huán)流化床鍋爐燃燒是一個(gè)非常典型的多變量耦合的被控對(duì)象, 由于對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的研究還不夠系統(tǒng)完善, 因此實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐燃燒的自動(dòng)控制單靠PID 控制算法是難以實(shí)現(xiàn)的。要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制, 引入先進(jìn)控制理念至循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)(即模糊控制)至關(guān)重要。通過大量實(shí)踐表明,模糊控制能夠有效對(duì)非線性、時(shí)變性和復(fù)雜的被控對(duì)象進(jìn)行控制。
通過應(yīng)用模糊控制的理論方法對(duì)常規(guī)PID 控制進(jìn)行改進(jìn), 將常規(guī)PID 控制與模糊控制有機(jī)結(jié)合,形成一種“綜合性控制方案”,再配合多種前饋控制方案, 繼而應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)這一非線性、多變量耦合的復(fù)雜被控對(duì)象,實(shí)現(xiàn)較為滿意的控制效果。
循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制的實(shí)現(xiàn)必須要理清各個(gè)變量之間的關(guān)系,即煤與負(fù)荷、床溫之間的關(guān)系;負(fù)荷與床層溫度之間的關(guān)系;爐膛吸熱量與煤、床層溫度之間的關(guān)系。 通過采用模糊控制的方法并結(jié)合DCS 控制功能來實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒控制目的。 因此引入模糊控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的燃燒控制, 模糊控制的基本方法是通過控制系統(tǒng)算法來模仿人的經(jīng)驗(yàn)思維,繼而通過理論計(jì)算的方法進(jìn)行進(jìn)一步的校正,最后再通過DCS 控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。
投入運(yùn)行的自動(dòng)控制回路如下。
(1)汽包液位優(yōu)化控制
三沖量串級(jí)控制, 通過主給水閥自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)汽包液位穩(wěn)定控制。
(2)主汽溫度優(yōu)化控制
串級(jí)控制, 通過減溫水閥自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)主汽溫度穩(wěn)定控制。通過串級(jí)回路調(diào)節(jié)減溫水輸出,以總風(fēng)量、總給煤量、負(fù)荷信息為前饋量增強(qiáng)反應(yīng)速率,實(shí)現(xiàn)主汽溫度的精確跟蹤。
(3)鍋爐負(fù)荷-給煤優(yōu)化控制
鍋爐熱負(fù)荷采用典型熱量計(jì)算(或爐膛出口溫度簡化)表征,充分考慮到爐內(nèi)灰濃度等信息,通過給煤自動(dòng)結(jié)合適量配風(fēng)實(shí)現(xiàn)鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定控制。
鍋爐的熱量信號(hào)由主汽壓力與汽包壓力微分組合計(jì)算得出,作為鍋爐負(fù)荷表征。鍋爐負(fù)荷調(diào)整可選兩種調(diào)節(jié)模式,調(diào)壓模式與定量模式。 調(diào)壓模式下,鍋爐參與母管壓力調(diào)節(jié), 鍋爐熱量設(shè)定值由母管協(xié)調(diào)控制模塊修正;定量模式下,鍋爐帶固定負(fù)荷,鍋爐熱量值可由人工設(shè)定。
鍋爐負(fù)荷回路的調(diào)整由給煤、 一次風(fēng)和二次風(fēng)三個(gè)控制手段共同實(shí)現(xiàn), 其中給煤根據(jù)負(fù)荷調(diào)整需求計(jì)算得出, 通過適當(dāng)?shù)娘L(fēng)煤比計(jì)算得出一次風(fēng)調(diào)節(jié)量,再通過一二次風(fēng)配比調(diào)整二次風(fēng),從而通過三者的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)鍋爐負(fù)荷的跟蹤調(diào)整。
(4)二次風(fēng)優(yōu)化控制
煙氣中的氧含量可以通過二次風(fēng)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。
針對(duì)鍋爐不同的負(fù)荷狀態(tài), 實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前最佳氧量設(shè)定值,該值可由人工設(shè)定。在風(fēng)煤配比不合適的情況下,實(shí)際氧量與設(shè)定值會(huì)有差距,通過調(diào)整二次風(fēng)輸出可實(shí)現(xiàn)氧量的精確跟蹤。
(5)床層溫度-一次風(fēng)優(yōu)化控制
床層溫度通過一次風(fēng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。 床層溫度可根據(jù)需求選擇隨負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整, 或是人工設(shè)置。主要通過一次風(fēng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)床層溫度的精確跟蹤,通過引入給煤量與一次風(fēng)、 二次風(fēng)配比的床溫修正協(xié)調(diào), 平衡床溫調(diào)整與鍋爐負(fù)荷與煙氣含氧量調(diào)整的關(guān)系。
(6)爐膛負(fù)壓優(yōu)化控制
爐膛負(fù)壓通過引風(fēng)調(diào)節(jié), 考慮到一二次風(fēng)前饋影響,最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
爐膛負(fù)壓可保證燃料合理的停留時(shí)間, 根據(jù)實(shí)際路況可進(jìn)行爐膛溫度的人工設(shè)定。 通過調(diào)節(jié)引風(fēng)輸出匹配送風(fēng)量,實(shí)現(xiàn)爐膛負(fù)壓的精確跟蹤。
爐膛負(fù)壓回路控制爐膛負(fù)壓, 其控制手段為引風(fēng)量,通過實(shí)時(shí)接收來自一次風(fēng)、二次風(fēng)變化前饋的處理結(jié)果,通過非線性算法,實(shí)現(xiàn)爐膛負(fù)壓的精確、快速、穩(wěn)定控制。
(7)床層壓差-料層厚度(排渣)控制
床層壓差表征密相區(qū)料層厚度信息, 對(duì)負(fù)荷穩(wěn)定控制極為重要,因此將其納入整體控制系統(tǒng),采用排渣機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。
由鍋爐空床阻力特性試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)獲得的測(cè)試數(shù)據(jù),結(jié)合實(shí)時(shí)一次風(fēng)量,完全流化狀態(tài)下計(jì)算出料層厚度(即床層壓差),料層厚度與床層溫度共同決定了當(dāng)前爐底蓄熱量大小, 這與鍋爐負(fù)荷調(diào)整密切相關(guān),因此料層厚度定值隨鍋爐負(fù)荷情況實(shí)時(shí)調(diào)整,也可人工進(jìn)行偏置設(shè)置。 料層厚度調(diào)整通過排渣機(jī)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)床層厚度的精確跟蹤。
目前公司鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)工況正常,設(shè)備運(yùn)行良好的基礎(chǔ)上,可實(shí)現(xiàn)全部系統(tǒng)自動(dòng),各指標(biāo)連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。適應(yīng)煤質(zhì)變化,快速跟蹤負(fù)荷,通過鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的自尋優(yōu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒的最優(yōu)控制,使鍋爐燃燒的效率最大化,最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)。
(1)投用前后控制參數(shù)對(duì)比
公司鍋爐下游用戶有氯堿廠、氯乙烯廠、聚氯乙烯廠及苯乙烯廠等用汽生產(chǎn)裝置, 并且聚氯乙烯裝置為間歇生產(chǎn), 負(fù)荷波動(dòng)頻繁, 且每次波動(dòng)幅度不同,變化量為10~20 t,鍋爐負(fù)荷波動(dòng)大造成人工手動(dòng)操作很難。
通過鍋爐APC 先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各工藝指標(biāo)穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)比前后趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),顯著提高了鍋爐系統(tǒng)穩(wěn)定性,控制效果良好,自動(dòng)投運(yùn)率高。 鍋爐自動(dòng)系統(tǒng)各工藝指標(biāo)平均波動(dòng)幅度較手動(dòng)時(shí)平均下降30%以上,工藝指標(biāo)平穩(wěn)性大幅提升。
自連續(xù)投運(yùn)以來,鍋爐APC 先進(jìn)控制系統(tǒng)一直處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),控制穩(wěn)定,參數(shù)平穩(wěn)。 整個(gè)回路運(yùn)行至今出現(xiàn)2 次切除狀態(tài), 均為操作人員手動(dòng)切除,切除了燃燒系統(tǒng)(主汽壓力、煙氧含量、爐膛負(fù)壓、床層溫度),總共切除時(shí)間為22 min,切除原因?yàn)槎物L(fēng)量下限設(shè)定偏大和鍋爐負(fù)荷波動(dòng)過大造成,操作人員擔(dān)心系統(tǒng)調(diào)不過來, 實(shí)際還在系統(tǒng)可控范圍之內(nèi),可不用切除系統(tǒng)。
(2)投用后對(duì)節(jié)能降耗、優(yōu)化操作產(chǎn)生的效益分析
鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的投入使用,實(shí)現(xiàn)了鍋爐燃燒與汽水系統(tǒng)全自動(dòng), 自動(dòng)控制系統(tǒng)整體投運(yùn)率高,自動(dòng)控制回路可長期在自動(dòng)方式下運(yùn)行, 投入自動(dòng)后,明顯降低了DCS 操作人員的干預(yù)頻次及操作強(qiáng)度,可以使操作人員把更多精力投入到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備及關(guān)鍵位置巡檢和對(duì)工藝關(guān)鍵控制指標(biāo)的關(guān)注上。
各項(xiàng)燃燒優(yōu)化控制自動(dòng)的投入,通過低氧燃燒、正壓燃燒及一次、 二次風(fēng)合理配比對(duì)爐膛燃燒份額的優(yōu)化等措施,實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)傳熱、傳質(zhì)過程有效強(qiáng)化,鍋爐爐膛貧氧區(qū)內(nèi)的燃燒狀況得到有效改善, 同等負(fù)荷工況下,排煙溫度有所降低,同等負(fù)荷下同比排煙溫度可以降低1.0~2.0 ℃,降低煤耗0.05%~0.10%。
鍋爐實(shí)現(xiàn)了“薄料床燃燒”,解決了鍋爐的一次風(fēng)室壓力偏高、負(fù)壓狀態(tài)不穩(wěn)的問題;使“稀相區(qū)”的磨損狀況得到改觀, 從而解決了運(yùn)行周期較短的問題。實(shí)現(xiàn)了鍋爐“飛灰含碳量”、“爐渣含碳量”的有效下降, 鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好轉(zhuǎn)—實(shí)現(xiàn)鍋爐床層溫度自動(dòng)控制,床層溫度控制誤差10~15 ℃;自動(dòng)控制系統(tǒng)在線率達(dá)到90%以上。
熱電廠的運(yùn)行管理、設(shè)備管理、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的管理及鍋爐技術(shù)人員流動(dòng)的管理都有了提升, 鍋爐實(shí)現(xiàn)“壓紅線運(yùn)行”,使“煤耗量”節(jié)約1%以上。
總之,鍋爐自動(dòng)投入運(yùn)行后,可以盡可能挖掘在運(yùn)鍋爐的潛能, 由于脫硫效率與鍋爐效率在運(yùn)行時(shí)有矛盾之處,提高鍋爐效率會(huì)犧牲脫硫效率指標(biāo)。需在兼顧脫硫效率平衡的情況下, 鍋爐效率運(yùn)行在最佳狀態(tài),鍋爐可以降低煤耗在1%左右。 同時(shí)通過實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制, 大幅減少工藝控制參數(shù)的偏差, 既降低工藝操作人員的操作頻次及人為原因造成誤操作的概率,又延長設(shè)備的使用周期,實(shí)現(xiàn)鍋爐長期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
循環(huán)流化床鍋爐的燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)與原有的完全依賴于DCS 操作人員的經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行的人為干預(yù)相比, 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)無論是在確保鍋爐各設(shè)備運(yùn)行的協(xié)調(diào)性, 還是提高設(shè)備運(yùn)行管理水平和降低設(shè)備運(yùn)維成本上都有明顯優(yōu)勢(shì)。 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)在保證設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定、鍋爐充分燃燒的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)鍋爐排煙熱損失降低,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、環(huán)保減排,實(shí)現(xiàn)了長周期自動(dòng)投運(yùn), 該優(yōu)化控制系統(tǒng)可有效提升循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)化水平,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)。