优化控制系统在水泥窑余热电站上的应用

2021-08-15董伟强

水泥技术 2021年4期

董伟强

1 余热发电系统介绍

水泥窑余热发电系统[1]通常由汽轮发电机系统、余热锅炉系统、化学水和循环水系统等构成。余热锅炉热源来自于水泥窑窑头和窑尾废气，整个余热发电机组是随动系统，当水泥窑废气能量发生较大波动时，余热电站主要参数亦随之波动。

常规的余热发电系统设有DCS控制系统，可实现报警、跳机和联锁及一些PID控制功能，如，除盐水箱水位的联锁；汽包水位、热井水位、给水压力的PID控制，均压箱压力控制；汽包紧急排汽、紧急放水联锁；主蒸汽温度、压力自动联锁控制等。这些功能在工况稳定条件下，能辅助工作人员完成相关操作任务。但水泥窑余热发电机组负荷多变，常规的DCS控制系统需要工作人员具有丰富的经验才能完成相关操作，工作强度也比较大。尤其是余热发电站汽包水位的PID控制，存在汽包水位波动较大的问题，严重影响了余热电站的安全平稳运行。

近年来，随着余热发电系统自动化技术水平的提高，引入优化控制系统后，为余热电站的少人值守或准无人值守打下了基础，降低了操作人员的劳动强度。

2 优化控制系统介绍

2.1 优化控制系统构成

优化控制系统由优化控制器、优化工作站和优化控制策略构成，如图1所示。

图1 优化控制系统构成

优化控制系统基于优化控制器强大的运算能力，可以实现一些复杂算法，如解耦控制、超前控制、预测控制和模糊控制[1]等先进控制算法；可以实现多个优化控制子系统的并列运行和多个优化控制回路同时工作；可以实现优化控制策略[2]的在线修改，且修改时对系统的干扰小。

水泥生产线窑头和窑尾锅炉汽包水位采用的控制策略，是基于串级+前馈的变参数调节的控制策略（见图2、图3）。热井水位和主给水定压调节控制采用的是单冲量PID参数调节的控制策略（见图4、图5）。

图2 窑头锅炉汽包水位控制策略

图3 窑尾锅炉汽包水位控制策略

图4 热井水位控制策略

图5 主给水压力控制策略

2.2 优化控制系统与DCS控制系统的关系

优化控制系统从DCS控制系统获取相应数据，通过算法计算出最优控制参数，再返回DCS控制系统实现最优控制。当优化系统出现问题时，可与DCS系统安全解离，不影响DCS系统的正常运行。

3 优化控制系统的应用

3.1 优化控制系统调节回路

优化控制系统控制回路主要有窑头余热锅炉汽包水位优化控制回路，窑尾余热锅炉汽包水位优化控制回路，窑头、窑尾余热锅炉汽包水位协调控制回路，热井水位优化控制回路，除氧器水位优化控制回路，给水压力优化控制回路，主蒸汽温度优化控制回路，冷凝器循环水出口温度控制回路等。这些调节控制回路在水泥窑余热发电控制系统上的应用，能更好地实现余热发电系统的平稳运行，实现余热发电系统的少人值守或准无人值守。

3.2 优化控制系统的实际应用案例

以某水泥窑余热发电项目为例，将优化控制系统运用于窑头窑尾汽包水位、热井水位、主给水压力的调节控制回路，其控制效果对比如下：

（1）汽包水位控制效果对比

如图6、7所示，红色线为汽包水位[4]，蓝色线为汽包水位设定值，绿色线为调节阀开度。从图可知，优化控制系统投入前，DCS系统使用PID控制锅炉汽包水位，锅炉汽包水位可以在一定程度上得到控制，但锅炉汽包水位存在波动，且存在调节阀指令变化频繁的情况，影响了执行器的使用寿命，操作人员的劳动量也较大。优化控制系统投入后，锅炉汽包水位变化范围明显缩小，且汽包水位调节阀指令变化幅度和变化次数显著减少，不仅有益于延长执行器使用寿命，而且还降低了操作人员的劳动强度，减少了余热发电系统因汽包水位变化导致的系统跳停次数，提高了系统运行的稳定性。

图6 优化控制前锅炉汽包水位变化情况

图7 优化控制后锅炉汽包水位变化情况

（2）热井水位优化控制效果对比

从图8、9所示，红色线为汽包水位，蓝色线为汽包水位设定值，绿色线为凝结水泵给定频率。从图可知，优化控制系统投入前，DCS系统自动控制热井水位，热井水位存在一定波动，凝结水泵变频指令变化频繁，影响了凝结水泵变频器的寿命，而且操作人员的劳动量也较大。优化控制系统投入后，热井水位变化范围明显缩小，且凝结水泵变频器变频指令变化幅度和变化次数显著减少，不仅有益于延长凝结水泵变频器的寿命，而且还降低了操作人员的劳动强度，提高了系统运行的稳定性。

图8 优化控制前热井水位变化情况

（3）主给水的压力控制效果对比

如图10、11所示，红色线为汽包水位，蓝色线为汽包水位设定值，绿色线为给水泵给定频率。从图可知，优化控制系统投入前，锅炉汽包水位变化时，由操作人员手动控制给水压力，控制给水泵频率，主给水压力因受给水系统干扰而发生较大幅度的变化，不利于整个系统的安全稳定运行。优化控制系统投入后，系统发生干扰时，主给水压力能够得到及时控制，主给水压力的变化范围相比优化控制系统投入前有明显缩小，整个余热电站水系统的稳定性得到提升，操作人员的劳动强度大幅降低，为余热电站少人值守或准无人值守打下了坚实基础。