锅炉APC先进过程优化控制解决方案

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1、专业服务，创造价值循环流化床锅炉 APC 先进过程优化控制解决方案2013-11-131 公司简介集团(中控)始创于是中国领先的自动化与信息化技术、产品、解决方案供 应商，业务涉及工厂自动化、公用工程信息化、装备自动化等领域。公司是中控 科技集团的核心成员企业，致力于工厂自动化领域的现场总线与控制系统以及流 程模拟仿真系统的研究开发、生产制造、市场营销及工程服务。2 行业背景2.1 行业现状循环流化床(CFB)燃烧技术是最近几十年发展起来的一种新型燃烧技术，由 于循环流化床锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、高效脱硫的特点，因此近年 来有了很大的发展，我国的循环流化床也经历了小型、中型、大型三个

2、发展阶段， 循环流化床能够解决我国燃烧锅炉存在包括环境问题在内的诸多现实问题，因此 中国将成为循环流化床锅炉最大的商业市场。2.2 行业难点由于循环流化床锅炉燃料是在流化状态下燃烧，锅炉燃烧系统惯性大，各个 变量之间相互影响，加上有飞灰循环等影响因素，因此CFB锅炉燃烧系统是一 个大滞后、强耦合，多干扰的复杂非线性系统，自动燃烧优化控制难度较大，是 业内公认的控制难点。鉴于循环流化床锅炉燃烧的复杂性和特殊性，对一般煤粉锅炉和其他过程控 制对象行之有效的常规控制方法，已难保证循环流化床锅炉各项控制指标的实 现。有别于常规控制，中控锅炉 APC 先进控制解决方案采用多变量模型预测控 制、专家规则控

3、制等智能控制策略，能够更好地结合专家经验的同时克服系统大 滞后、强耦合、多干扰等控制难点，可以较好地实现CFB锅炉系统安全高效率 的燃烧自动控制，各项指标稳定度大幅提升，经济效益比较可观。3 项目可行性分析3.1 现场概述贵公司炉机系统属中小型循环流化床多炉多机系统，实行母管制运行方式。 一次检测仪表性能良好，风机调节为挡板和变频控制，主汽温度挡板调节， 除挡板调节死区稍大外，其余执行器调节死区小于 1%，即执行器死区情况基本 满足优化控制需求。流化床控制系统采用中控DCS系统,CS上配置传统的PID自动控制回路中， 汽包水位控制回路、给煤控制、一次风控制、二次风控制、引风控制、减温水控 制等

4、大部分回路，现场均由操作人员手动操作。3.2 优化空间3.2.1 数据分析对现场 DCS 数据进行取样分析，以#炉为例，数据包选取年 10 月 1 日至年 10 月 20 日，总计 20 天的数据，进行离线统计分析，主要分析主汽压力、主汽 温度、烟氧含量、炉膛负压、床层温度、床层压差六个指标的平均值与平均波动 幅度两项特性值。如下表所示：序号指标平均值平均波动范围备注1主汽压力8.3MPa+0.5Mpa2主汽温度540C+0.5C3烟氧含量3.5%+1%氧量较低4炉膛负压lOPa+120Pa5床层温度955C15C床温较咼6床层压差8.9KPa+0.3KPa通过数据统计结果分析可知，由于现场燃

5、煤的挥发分较高，氧量平均值较低，同时床温已经较高，因此燃烧效率本身提高空间就有限了，但各指标的平稳度还 是有提升空间的，同时通过综合调整，可适当提高锅炉的传热效率，从而进一步 提升锅炉的燃烧效率。3.2.2 优化空间通过现场数据分析，包括与领导、相关技术人员、DCS技术人员的技术交流 沟通，评估现场发现存在如下可提升的空间：（1）各指标的稳定性可进一步提升，波动幅度可减少 30%以上；（2）各指标的经济运行匹配有待于进一步优化，提高锅炉效率降低煤耗， 实现经济运行之目的；即，贵方现场锅炉燃烧系统存在可观的优化空间。3.3 项目可行性分析现场的现有设备，仪表，控制系统条件是否满足优化控制系统需求

6、呢？通过 现场考察分析发现，一次检测元件的性能良好，保证了测量信号的质量，在改善 风量挡板调节精度后，可为优化控制提供了良好的控制手段，DCS系统可以提供 实时运行数据库。综上所述，我们可以得出如下结论：（1）现场存在较大的优化空间，具备经济效益挖潜空间。（2）现场设备、仪表、系统条件良好，满足优化控制系统需求条件。暨在对现场外围硬件设备不进行大幅改造或追加投资的情况下，现场满足实 施锅炉自动燃烧控制技术的条件，能够通过对控制系统的优化提升，使得循环流 化床能够全自动运行，降低运行人员劳动强度的同时，又能提高机组的经济运行 能力，达到节能降耗的目的。4 中控锅炉燃烧优化控制方案4.1 PCO

7、过程优化控制平台简介PCO 平台软件是基于行业领先的技术和经验优势以及雄厚的软件研发实力 和深刻的业务理解开发的一套优化软件体系，是浙江中控优化解决方案的重要组成部分。它继承了浙江中控组态软件易用高效的特点，并在优化控制领域进行了 深入研究。能够帮助用户减少人工操作、提高控制效果，从而达到节能、减排、 增效的最终目的。PCO 平台软件可以与中控 AdvTrol Pro 2.5、AdvTrol Pro 2.65 及 Visual Field 组态软件进行底层的数据通信，无需通过OPC即可进行数据的采集及写出，减 少了 OPC传输可能带来的安全和稳定的问题，同时也可与其他厂商系统通过 OPC进行通

8、信，做到了兼容性和稳定性的统一；严格的用户权限和操作记录功 能，可以使用户方便地进行管理；与组态软件共享的流程图及报警界面，让操作 员在组态软件和优化软件间无缝连接；严密的安全机制，可以确保在断电或其它 预料外情况下自动及时切成手动操作，保证现场的安全；精确到秒的投运率合格 率统计，使用户能准确地了解当前生产状况和PCO软件带来的效益提升。PCO平台内置了功能强大的控制器和成熟的通用控制算法库，可以由工程人 员根据现场项目实际情况进行配置开发，形成项目定制的专用控制模块，能够实 现从回路级到设备级再到全工艺过程的全方位优化，实现从单回路优化控制到全 装置的先进控制与实时优化。使用户不用了解复杂

9、的控制方案和控制理论，不用 进行繁琐的文件配置，仅关注由中控专家提炼出来的一些参数设置，就可以达到 良好的控制效果。行业控制器臟自定义控制器模块CPPBMHNRFB6占PW控制第袪功能VF/PROgjg 接口模块 槿匏乩斓数际国更鱷OPC 接 口平台管建VF/PRO其皂DGS监破件图1 PC0软件构架图4.2循环流化床锅炉APC先进过程优化控制方案锅炉APC先进过程控制解决方案是基于PCO优化控制平台，将先进控制技术用于循环流化床锅炉燃烧过程控制，使锅炉装置在优化条件下实现节能、高效、 安全、稳定运行，是集现状评估分析、方案设计、系统配置选型与成套、专业软 件提供、优化控制组态与调试、技术培训

10、于一体的“交钥匙型”优化控制整体解决方案。循环流化床锅炉优化控制系统包含上下位机两部分。图2锅炉APC先进过程控制方案框图上位机实时优化控制系统基于中控PCO过程优化控制平台，包含PCO锅 炉燃烧优化控制与性能计算两部分，从而构成上位机的实时优化与在线评估计 算系统；下位机为现场DCS监控系统上所做的安全联锁切换，通过OPC客户/服务 器功能实现与上位机的安全互动，现场执行器操作权限的在线切换。421 PCO先控平台MCC母管协调控制主蒸汽母管压力控制目标为：主蒸汽母管压力控制系统协调本台锅炉与其它并列运行锅炉的运行使主蒸汽母管压力控制达到最佳状态，快速、准确和稳定的响应机侧热、电负荷指令的变

11、化传统的主蒸汽母管压力控制方式常面临如下问题：锅炉本身容易发生燃烧振荡锅炉之间互扰严重锅炉与汽机之间藕合关系复杂由于这些难点的困扰，使得蒸汽母管压力难以控制，供热品质很难保证， 蒸汽母管压力的波动对供热品质形成极大的威胁，甚至波及到热用户的设备 安全运行，所以为了保证机组安全，提高供热品质，运行人员只能频繁手动 调节锅炉负荷以实现稳定蒸汽母管压，但是劳动强度大，且效果又不是很好。针对这一不足，中控MCC母管压力控制系统采用如下方法克服传统方式 的不足：（1）系统内外部扰动的在线区分内扰是指锅炉燃烧率的扰动，其特征是锅炉主汽压力与锅炉主汽流量同 向反应，外扰是指汽机电热负荷或邻炉对本炉的扰动，其

12、特征是锅炉主汽压 力与锅炉主汽流量反向反应。/忑 、十汽包3摘兰巾一4东包4 4佥热器克匕图3母管协调能力平衡原理图*3 卜（2）并行锅炉负荷调整权重的动态分配母管并行运行的锅炉可根据自身情况和负荷调衡能力大小，选择“定压 运行”（带固定负荷）或“调压运行”（母管协调）两种方式。MCC模块实时 跟踪控制母管压力，计算出并行锅炉总体负荷调整量，结合人工设置的初始 权重，并根据参与“调压运行”的锅炉数量，考虑到参与调节的锅炉负荷余 量以及负荷跟踪能力，动态计算出每台“调压运行”锅炉的负荷权重，进而 计算出每台“调压运行”锅炉的负荷调整量，并及时调整输出的各台锅炉的 负荷设定值上。为克服母管制运行方

13、式的蓄热惯性，应使锅炉控制尽快跟随汽机需要， 即克服母管压力控制的外部扰动，对应汽机侧调峰机组的能量量信号要进入 锅炉侧参与控制。422 PCO先控平台PCO锅炉燃烧优化控制PCO 锅炉燃烧优化控制是基于锅炉过程机理，同时结合锅炉燃烧行业专家 经验与高效的操作经验而制定的先控方案，采用了专家规则控制，非线性控制等 技术手段，将整个锅炉系统分割成若干控制段，各控制段间既相互联系又可独立 投切，方便灵活，实现给煤、配风自动控制、燃烧优化控制、动态适应汽机端负 荷需求，同时保证系统最大的燃烧效率，烟气指标满足排放标准。（1）多变量锅炉燃烧控制 多变量锅炉燃烧控制的主要目标是，在保证锅炉燃烧效率的前提

14、下快速匹配 负荷变化需求，实现锅炉系统稳定与经济运行。多变量锅炉燃烧系统为四入输入四输出系统，四个控制目标为主汽压力、烟 氧含量、床层温度与床层压差，四个控制手段为一次风、二次风、给煤与排渣， 采用专家规则与非线性控制相结合的控制方法，根据锅炉负荷变化同时调整给煤 量、一次风量、二次风量与排渣，从而保证锅炉燃烧效率的基础上快速匹配负荷 需求。风煤比、一二次风配比通过目标优化得到当前负荷下的最佳量，同时接受人 工调整量，综合结果用于控制输出。床层压差此处指料层高度，根据锅炉动力场试验结果，结合现场炉膛下部风 室压力，通过床层压差与布风板阻力计算，同时考虑到燃料密度等信息综合计算 出实时料层高度信

15、息，以此作为该回路的控制目标，控制手段为排渣，实时接收 来自燃烧调节前馈的处理结果，采用非线性控制算法，从而实现料层高度的快速 精确稳定控制。为克服系统滞后的影响，将来自汽机端的负荷需求DEB信号变化作为系统 DV,快速响应系统负荷变化，从而实现主汽压力、床层温度、床层压差、烟氧 含量随系统负荷变化的精确稳定控制。（2）炉膛负压控制炉膛负压回路控制目标为炉膛负压，控制手段为引风，实时接收来自一二次 风变化前馈的处理结果，采用非线性控制算法，从而实现炉膛负压的快速精确稳 定控制。（3）主汽温度控制主汽温度回路控制目标为主汽温度以及减温器出口汽温，控制手段为减温 水，实时接收来自燃烧调节前馈的处理

16、结果，采用非线性控制算法，从而实现主汽温度的快速精确稳定控制。图4 PCO锅炉APC先进过程控制软件423 PCO先控平台一一系统性能计算锅炉系统性能计算软件包含锅炉燃烧及对许多不能直接测量的机组和主要 设备的性能指标测算，具体如下：（1）机组性能如机组热耗率、汽耗率、循环热效率、厂用电率、发电煤耗、供电煤耗等。（2）锅炉性能如燃烧效率、排烟热损失和其他各项燃烧损失等。（3）空预器性能如空预器漏风率、烟气侧效率、空气侧效率等。当机组处于稳定运行工况时，计算出来的运行性能值具有较高的精确度。2该部分为可选配置，即根据能耗核算方法选择是否配置该模块。图5系统性能计算主界面图424安全联锁切换锅炉安

17、全联锁切换主要功能是实现上位机优化控制软件与下位机DCS系统 间的安全互动，执行变量的控制权限切换，系统安全联锁保护等功能。具体功能 如下：（3）通讯故障联锁。上位机PCO平台通过OPC客户/服务器功能实现与下位机DCS系统的数据交 互，安全联锁模块需要实时监测二者的通讯状态，一旦数据通讯失败，该模块主 动将所有执行器的控制权限切换为下位机手动控制。（4）系统安全联锁。锅炉系统自身的安全联锁（如停炉，MFT等）引入安全联锁模块，当系统安 全联锁触发时，该模块主动将所有执行器的控制权限切换为下位机手动控制。（5）测点故障联锁。 被控变量测点出现故障，相应控制回路执行器的控制权限切换为下位机手动

18、控制。（4）执行器故障联锁。 执行器出现故障，相应控制回路控制权限切换为下位机手动控制。（5）控制效果跟踪联锁 该部分功能只对优化控制回路的控制效果进行跟踪，如出现调整速度过快， 波动幅度过大等不良控制状态，该模块主动将该回路执行器的控制权限切换为下 位机手动控制。5 系统架构图行器通讯接口优化服务器操作站CFB APCDCS控制系统检测仪表图6锅炉APC系统架构被控对象锅炉APC系统核心为APC优化服务器，主要包含数据通讯与优化控制软件 两部分。（1）数据通讯整个控制系统的数据源为下位机DCS系统。中控 DCS 系统：中控锅炉 APC 先控方案与下位机 DCS 系统可实现无缝连 接，进行安全

19、稳定的数据交互。非中控系统需具备OPCServer软件，中控锅炉APC软件通过OPC协议与下位机系统实现数据交互。（2）APC 优化控制软件包 优化控制服务器一台（工业电脑）。中控PCO优化控制平台软件包。6 评估方案6.1 预期收益现场循环流化床锅炉系统密封性良好，仪表设备完好，执行机构的调节精度满足精度要求的前提下，通过中控锅炉APC先进过程控制解决方案可实现： 锅炉燃烧系统各关键变量的稳态偏差范围减小（减小 30%以上），系统 稳定性将得到较大幅度地提升，大幅降低人工操作强度。 锅炉燃烧系统煤耗降低 0.6%0.8%左右，系统控制平稳带来的间接收益 也比较可观。6.2 收益分析在设备无故

20、障时，可实现以上锅炉控制回路全部自动投运，最终真正实现节 能降耗。1）投入自动后，可以降低操作人员劳动强度。操作人员可以把更多的精力 投入到现场设备的的巡检，提高设备的完好性。2）床压稳定自动控制，为保证床温在较高工况下运行，床压的定值是负荷 的函数，并遵循：低负荷，低床压，高负荷，高床压的自动运行方式， 床压信号需要经过计算，屏蔽布风板阻力的影响，真正反映料层的实践 厚度，床层厚度与床温的结合表示了锅炉储藏热量的总和，床压自动的 稳定投入，利于负荷变化锅炉的灰平衡，为其他优化参数的调整基础有 良好的效果。3) 床温自动控制，在保证满足脱硫及脱销、设备安全运行的前提下，稳定 的提高床温，并改善

21、物料燃烧环境，使物料在密相区得以较充分的燃烧， 提高了密相区燃烧份额，稀相区的不完全燃烧成份降低，飞灰可燃物得 到明显的降低。及实现床压随负荷的随动自动调节，可以有效减少炉渣 含碳量，减少不完全固体不完全燃烧损失，同时可以减少风机电耗。4) 炉膛负压的自动控制可以使炉膛压力偏差在土40Pa以内，可以使锅炉在更合适的炉膛压力下运行；密封情况良好下，自动控制可以确保炉膛出 口在偏差范围很小的微负压运行，减少风量损失及风机电耗，同时也延 长物料在炉膛的停留时间，减少飞灰含炭量。此项可以减少机械不完全 损失，预计可以降低炉渣含碳量 0.1%-0.2%，飞灰含碳量降低 1%-2%， 如果炉渣与飞灰份额比

22、是 80：20 左右，以上两项床温床压的优化控制 可以提高锅炉效率 0.11%-0.21%，因此可以减少煤耗 0.12%-0.24%。5) 在床温、炉膛负压控制定值适当提高、床压定值随负荷变化稳定控制的 基础上，氧量自动控制的参数偏差可大幅度减少，调整氧量定值信号在 最佳值附近，可在保证在最佳空气过剩系数下运行，减少排烟量损失， 同时减少送引风机电耗；预计通过合理的风煤比、一二次风配比等参数 的自动控制，可以在不影响不完全燃烧的前提下，将氧量定值下调 1% 稳定自动控制，此项可以提高锅炉效率 0.40%-0.45%左右，由于锅炉设 计效率为 90%左右，因此可以减少煤耗 0.45%-0.51%

23、左右。6) 同时以上各项燃烧优化自动的投入，由于通过低氧燃烧、正压燃烧及一、二次风合理配比对炉膛燃烧份额的优化等措施，使使炉内传热、传质过 程得到强化，炉膛内贫氧区的燃烧状况得到有效改善，同等负荷工况下， 排烟温度也会有所降低，预计同等负荷下同比排烟温度可以降低2 C-4C,因此可以减少煤耗0.12%-0.24%左右。7) 主汽温度信号的稳定及提高，将会提高机组的循环热效率，减少供电煤 耗，目前的温度信号还经常达不到额定值，如果自动投入后，温度偏差 减少，预计可以提高主汽温度定值2C左右。由此可以减少供电或供汽 煤耗 0.07%左右。8）主汽压力的稳定及适当提高同样会将会提高机组的循环热效率，

24、减少供 电煤耗，目前主汽压力及主汽母管压力还未达到设计额定值状态，但主 汽压力定值的提高空间也受汽机负荷限制，自动投入后，预计可以每台 锅炉可以适当提高主汽压力定值 0.02MPa 左右,由此可以减少供电或供 汽煤耗 0.04%左右。9）自动参数的稳定对于减少锅炉设备的损耗，延长锅炉的寿命等有明显的 意义。10）在每台锅炉稳定投入自动控制后，可以投入母管压力协调控制，对全厂 机组的经济稳定运行有良好作用，此项也需在自动投运后根据生产数据 来测算。以上综合，单台锅炉自动投入运行后，可以大大挖掘在运锅炉的潜能。由于 锅炉脱硫效率与锅炉效率在运行有矛盾之处，单方面提高锅炉效率，会牺牲掉脱 硫效率指标

25、。所以，在兼顾脱硫效率平衡的情况下，针对不同炉况优化控制可使 锅炉效率损失（Q2+Q3+Q4）运行在最佳状态，由于现场燃烧效率提升空间的限制, 预计锅炉煤耗可降低 0.60.8%左右。同时通过自动控制，大幅度的减少参数偏差，将会减少操作员负担及误操作 概率，延长设备寿命,对装置的长期安全经济运行具有重要意义。6.3 评估方式双方协商确定能耗核算方式（正平衡或反平衡），在优化系统投运调试完毕 后，选择合适的时间段进行能耗核算对比分析。现场仪表设备正常，工况相对稳定，无人为操作带来干扰的情况下，锅炉燃 烧优化软件系统投入正常运行 72 小时内，双方根据控制指标要求进行现场评估， 同时中控提供相应的

26、保运服务。在此期间如设备工况不正常，或人为操作带来较 大干扰，从而使锅炉燃烧优化软件无法实现 72 小时内连续正常投运，且该问题 不能在短时间内解决，则现场验收条件改为，除去手动时间优化软件正常投运累 计运行 72 小时内的控制指标。7 项目实施规划7.1 项目团队架构7.2 项目进度计划整体项目服务包括组织相关技术会议、模型辨识、系统组态、现场安装指导 系统调试、操作员培训、维护培训、投运开车，最终验收等。下表为简略的工程进度表，详细的工程进度表待设计联络会买卖双方协商后再行提交。表 2 优化控制项目工程进度表序号工程阶段时间（人/天）内容责任方1一联会3相互了解、确定计划2方案设计与论证60针对理文进行方案详细设计与论 证工作3模型辨识及优化系40数据采集、模型辨识、控制器调试、统离线测试离线仿真4二次开发90将详细设计方案在PCO平台上开发实现5设备发运与安装调 试7发货、设备安装调试等6二联会燃烧优化系统投运3方案确认、确定燃烧优化系统投运计划，如、，比小小力力产丄口 、_.4 4小小7120燃烧优化系统投运、参数优化、完与调试善调试、保运工作8评估验收7项目优化效果评估，验收，材料交 接工作二O 三年十一月十三日