优化控制系统在煤粉锅炉装置中的应用

李 强 朱建国蔡 兵秦跃东 顾 伟 刘文烈

（1．南通醋酸纤维有限公司；2.浙江中智达科技有限公司）

随着企业原材料成本的上升和国家对于节能减排、环保要求的提高，企业对于生产装置的节能、环保要求日益迫切。南通醋酸纤维有限公司煤粉锅炉已实现DCS系统的集散控制，并搭建了以PID单回路控制和设备联锁保护为主的常规控制策略。由于热电锅炉是一个非线性、时变、大滞后和多变量耦合的复杂系统，主要控制仍以人工经验操作为主，整体自动化水平偏低。由于外界负荷波动频繁，烟气含氧量、主蒸汽压力、温度及SO2、NOx含量等关键工艺指标难以得到较好的控制，运行平稳性不佳，且每次磨煤机的启停都会造成系统的大幅波动。因此，公司引进了针对煤粉炉装置生产过程的在线优化控制系统，优化工艺指标，提高锅炉的燃烧效率，提高自动化水平，降低操作人员的劳动强度。

1 工艺过程简述与控制需求

公司11#锅炉型号为UG-130/9.8-M4，设计生产能力为130t/h，属于典型的热电联产装置，所产蒸汽在用于发电的同时还满足全厂所有生产装置的用汽需求。锅炉为单锅筒、集中下降管、自然循环、“П”形布置的固态排渣煤粉炉。炉膛采用膜式水冷壁，水平烟道装设了两级对流过热器，采用给水喷水减温。尾部竖井烟道中交错布置两级省煤器和两级空气预热器，在高温空预器和低温省煤器之间布置有SCR脱硝装置。

目前，锅炉已采用DCS系统实现了集散控制，但主要工艺指标控制仍以人工为主，目前存在如下问题：

a.每次制粉系统的启停都会造成系统大幅波动，系统快速平稳受限于操作人员的操作水平，而操作人员水平参差不齐，给锅炉的稳定生产带来了挑战。

b.锅炉负荷调整的过程全部由人工完成，操作劳动强度大。

c.锅炉燃烧系统是整个锅炉的核心部分，既要保证燃料的完全燃烧，又要确保安全和节能。燃烧系统在控制炉膛温度、炉膛负压及炉膛氧含量等工艺参数的同时，需要确保给煤系统通畅和一级减温器入口不超温。目前，控制回路仍以人工经验操作为主，整体自动化水平偏低，由于外界负荷波动频繁，烟气含氧量、主蒸汽压力、温度及SO2、NOx含量等关键工艺指标难以得到较好的控制，运行平稳性不佳。

d.烟气脱硫脱硝系统控制已有自动控制回路，但负荷波动过程中，常规控制难以解决滞后和干扰问题，导致波动较大。

综上，公司引进浙江某公司的在线优化控制软件包，结合锅炉过程的控制思路和实际操作经验，研发了锅炉在线优化控制系统，实现对主蒸汽压力、主蒸汽温度、烟气含氧量、炉膛负压及SO2、NOx含量等关键工艺参数的平稳性控制，提高锅炉燃烧效率，同时对磨煤系统实现一键启停，大幅降低操作人员的劳动强度。

2 在线优化控制系统控制策略

2.1 磨煤机控制策略

一键启停磨煤机控制系统。优化控制系统通过工况识别，根据操作规程，实现制粉系统的一键智能启停操作，其控制策略架构如图1所示。在启停过程中，控制系统能自适应控制好主管蒸汽压力、NOx含量及氧含量等各项指标，使整个系统的平稳性比手工操作高出50%以上，并且统一了4个运行班组的操作手法。

图1 制粉系统控制策略架构

磨煤机出口温度、入口负压、压差工艺指标的控制方式为：卡边磨煤机的煤粉温度按下限操作，压差为约束条件，使磨煤机最大负荷运行，达到省电的目的。用给煤量控制磨煤机出口温度，热风门控制磨煤机入口负压，其稳定性比常规操作提高了30%以上。

2.2 燃烧控制策略

建立热电锅炉燃烧多变量模型约束控制器，通过优化调节给煤量、总风量及引风量等操作手段，维持合适的给煤量和送风量（风煤比），实现炉膛温度、烟气含氧量、炉膛负压、主蒸汽压力及主蒸汽流量等工艺指标的平稳控制，使锅炉汽包蒸发量快速满足负荷变化的要求，实现化工生产和汽轮机对蒸汽需求量与锅炉供气量的协调优化控制。

控制器中，根据各被控变量的重要程度划分优先级，并综合变量之间的动态响应特性和滞后因素，在保证锅炉运行安全的前提下，通过对各操作变量的协调联动实现各项工艺指标的平稳控制，实现安全燃烧，提高生产自动化水平，并为优化节能创造条件。燃烧系统控制策略架构如图2所示。

图2 燃烧系统控制策略架构

主蒸汽压力控制系统。以蒸汽产量上限为第一优先级，即当生产负荷超标后，不管总管压力多少，先减负荷；通过智能分配上/中/下层给粉量，实现对主蒸汽压力的平稳控制；通过风粉温度的高低，调节给粉器变频，智能分配给粉量。

炉膛氧含量控制系统。先进控制系统首先保证一次风压稳定，通过调节二次风各风门的风速，实现对炉膛氧含量的平稳控制。

一次风压稳定控制系统。煤粉炉大多数采用液耦进行送风调节，由于液耦存在很大的 “死区”，常规控制不能实现一次风压的自动调节，因此通过基本算法和特殊处理，解决了液耦“大死区”这一难题，实现了国内为数不多的一次风压自动调节。

给煤器风粉平衡控制系统。以风粉温度表征风粉量作为控制依据，以上/中/下各层的平均温度为基准值，根据主蒸汽主管压力，当需要减粉时，风粉温度低的给煤器减少最多，风粉温度最高的减少最少或者不减，反之类推。最终使各层风粉温度差值接近0，达到平衡风粉给煤器的目的。

升降负荷控制系统。根据锅炉热效率算法，先算出升降负荷需要增减的风粉量，提前逐渐增减一次风压、风粉温度，从而达到预期的升降负荷要求。实现智能升降负荷后，升降负荷过程的稳定性提高了40%以上。

二次风量控制系统。通过各风门，实现对风速、流量的量化控制。根据炉膛氧含量指标要求，以生产负荷为前馈，实现对风速、流量的定量调节，满足炉膛低氮燃烧的要求。

3 优化控制系统实现的平台架构

锅炉优化控制器运行在优化控制系统上位机中，优化系统上位机通过网卡与安装有OPC Server接口软件的DCS系统操作站连接，实现优化控制系统上位机与DCS系统的数据双向通信，满足优化系统向DCS系统的读写功能，如图3所示。

图3 优化控制系统上位机与DCS系统连接示意图

4 优化系统应用效果

先控投运前后锅炉主管蒸汽压力运行趋势对比如图4所示。

图4 先控投运前后锅炉主管蒸汽压力运行趋势对比

先控投运前后锅炉一次风压入口运行趋势 对比如图5所示。

图5 先控投运前后锅炉一次风压入口运行趋势对比

先控投运前后锅炉热效率对比如图6和表1 所示。

图6 先控投运前后锅炉热效率对比

表1 先控投运前后锅炉热效率统计

从表1可以看出，先控投运后锅炉热效率平均提高了0.5%。

5 结束语

锅炉先控投运后，自动化水平得到了提升，大幅降低了操作人员的劳动强度，工艺指标平稳性得到了提高，稳定性比先控投用前提高了40%以上，锅炉的热效率有所提高。