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基于Honeywell DCS的鍋爐燃燒穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制
 熱電廠提供的能源主要是以電能和熱能的形式出現的,通常是利用鍋爐生成蒸汽,然后將其中一部分提供給汽機發(fā)電,提供電力能源,另一部分作為熱源直接供給用戶。無論最后提供的能源形式是何種方式,鍋爐負荷總是變化的。負荷既包含電力負荷也包含熱能負荷。近年來,為解決鍋爐燃燒過程的優(yōu)化控制問題,國內外采取了多種控制手段。盡管它們在一定程度上提高了熱效率,但不能徹底解決鍋爐燃燒的控制問題,因為難于建立被控對象的精確數學模型1~2,仍需要根據負荷變化,人工調控鍋爐運行,才能使鍋爐燃燒過程更多時間處于相對平穩(wěn)狀態(tài),提高燃燒效率。
為了達到提高燃燒效率這個目的,采用Honeywell S9000系統(tǒng)構建集散控制系統(tǒng),建立一個鍋爐、汽機和電網、熱網的監(jiān)控系統(tǒng),對系統(tǒng)中狀態(tài)實施全面監(jiān)測,無疑是一個很好的解決辦法。該系統(tǒng)可將監(jiān)測數據存入管理數據庫,以便操作人員快速準確地了解系統(tǒng)運行狀態(tài),同時也使得管理人員能夠分析運行情況,做出生產管理決策。通過對一些主要的過程變量實施自動控制,使得整個系統(tǒng)能夠安全、有效地運行。在此基礎上,對節(jié)能影響很大的鍋爐燃燒系統(tǒng)建立穩(wěn)態(tài)參數優(yōu)化模型,并求得鍋爐燃燒穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型參數。在這個優(yōu)化結果的指導下,便可進行鍋爐燃燒優(yōu)化控制。
1 基于Honeywell DCS的鍋爐、汽機、電網、熱網運行參數監(jiān)控系統(tǒng)
美國Honeywell模塊自動化控制系統(tǒng)是一種介于大型集散系統(tǒng)、單回路控制器和可編程控制器之間的中小型控制系統(tǒng)。S9000系統(tǒng)是基于9000系列多回路控制器的優(yōu)秀系統(tǒng),它集所有主要控制硬件于一體,從而在一個使用方便且有效的單元中實現回路控制、邏輯控制、數據采集以及操作員接口等功能。Honeywell系統(tǒng)的網絡通訊功能為開放式系統(tǒng)提供了靈活性,操作員/工程師以及過程控制器由基于TCP/IP協議的Ethernet網絡連接,它們之間可以互通信息,也可與上層的工廠級計算機通訊。通過這一開放式系統(tǒng)的通訊平臺容易建立管理級應用,與上層的工廠計算機系統(tǒng)資源進行信息交換,可以隨時獲得整個系統(tǒng)的信息。這一重要特性增強了用戶快速做出有效決策的能力。所以采用Honeywell S9000系統(tǒng)對熱電廠汽機、鍋爐和電網、熱網的運行參數進行監(jiān)控,用四個監(jiān)視屏幕顯示各種監(jiān)控參數的實時數據、歷史趨勢圖、故障報警等。
汽機主要監(jiān)控參數有:轉速、功率、主蒸汽溫度、主汽門前壓力、主汽門后壓力、蒸汽流量、蒸汽流量累計、抽汽壓力、抽汽流量累計、抽汽溫度、抽汽流量、排汽真空、過冷度、排汽溫度、凝結水溫等;鍋爐主要監(jiān)控參數有:汽包壓力控制 、主蒸汽壓力控制 、給水壓力、主蒸汽溫度、給水溫度、減溫器前溫度、減溫器后溫度、主蒸汽流量、給水流量、減溫水前流量、減溫水后流量、汽包水位控制 、爐膛負壓控制 、爐膛溫度、爐膛出口溫度、含氧量、低溫預熱器左壓力、低溫預熱器右壓力、高溫預熱器左壓力、高溫預熱器右壓力、一次風壓力控制 、二次風壓力、燃油流量、回油流量、燃油壓力、排汽溫度、燃油溫度、引風機開度、引風機電流、送風機開度、送風機電流、給煤機電流、給煤機轉速等;電網主要監(jiān)控參數有:各汽機電壓、電流和有功功率、電網電流、電壓、有功功率、無功功率等;熱網主要監(jiān)控參數有:主要用戶的蒸汽流量、蒸汽壓力等。
2 鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數優(yōu)化
鍋爐燃燒系統(tǒng)的狀態(tài)好壞直接決定了能源利用率的高低,而鍋爐穩(wěn)態(tài)運行是否處在優(yōu)化狀態(tài),對燃燒系統(tǒng)來說具有重要的作用。為了保證系統(tǒng)能夠高效運行,可以采取兩方面的措施:一是采用自動控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定地運行;另一是保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的最優(yōu)狀態(tài),對鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行參數進行優(yōu)化。
2.1 優(yōu)化模型及其求解
由燃料燃燒及熱工控制的研究和實踐可知,保持煤與風的合理配比,可以提高鍋爐的熱效率;控制與鼓風量相適應的引風量,使鍋爐具有適宜的爐膛負壓,可以避免因噴火或漏風而引起的熱效率降低。當燃燒效率最高、熱損失最小時,可得到最大的節(jié)能效果,對環(huán)境的污染也最小。由此可見,如何使燃燒過程工作在最佳燃燒區(qū),從而達到最大熱效率是燃燒控制的根本任務和難點所在。由燃煤鏈條鍋爐的運行特點可知,燃燒過程的優(yōu)劣主要取決于煤層厚度、鏈條運行速度和送風量、引風量的合理控制。 為此,構造一個優(yōu)化模型,主要輸入量是送風量、引風量和給煤量,輸出量是氧含量、爐膛負壓和主蒸汽壓力。其目標函數是追求能量消耗最小,決策量是送風量(送風擋板開度)、引風量(引風擋板開度)和給煤量。在進行優(yōu)化的過程中要滿足鍋爐運行的基本約束,即各個決策變量在一定的范圍以內變化,且主蒸汽壓力要控制在一個給定的范圍之內。優(yōu)化模型為:
min z=c1x1+c2x2+c3x3(1) 
其中,yf_min<x1<yf_max
sf_min<x2<sf_max
mei_min<x3<mei_max
yl_min<yl=fx1x2x3fh <yl_max
c1,c2,c3分別為送風量、引風量、給煤量的單位價格;
x1,x2,x3分別為送風量、引風量、給煤量;  
yl是主蒸汽壓力,它是x1,x2,x3和主蒸汽流量的函數;  
函數fx1x2x3,fh 是一個用BP神經網絡表示的模型; 
yf_min、yf_max分別表示送風量的最小、最大限制值;
sf_min、sf_max分別表示引風量的最小、最大限制值;  
mei_min、mei_max分別表示給煤量的最小、最大限制值;
yl_min、yl_max分別表示主蒸汽壓力的最小、最大限制值。
在這個優(yōu)化模型中,主蒸汽壓力和送風量、引風量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關系是一個非線性關系,使用一個四層的前饋神經網絡來描述。而當優(yōu)化出決策變量,求得最佳氧含量和爐膛負壓之值時,也需要構造一個神經網絡,通過建立氧含量和送風量、引風量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關系,爐膛負壓和送風量、引風量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關系來進一步求得它們的最佳值。
使用罰函數方法求這個模型的解時,需將上面的模型重新寫為如下的無約束最小化形式:
min p(X,M)=c1x1+c2x2+c3x3+Mi[min(0,gi(x1,x2,x3,yl))]2 
其中,g1x1x2x3yl =x1-yf_min
g2x1x2x3yl =yf_max-x1
g3x1x2x3yl =x2-sf_min
g4x1x2x3yl =sf_max-x2
g5x1x2x3yl =x3-mei_min
g6x1x2x3yl =mei_max-x3
g7x1x2x3yl =yl-yl_min
g8x1x2x3yl =yl_max-yl
Mi(i=12…,8)是罰函數系數。
優(yōu)化模型1 的求解步驟為:
(1)取Mii=12…,8 初始值為1000,允許誤差為εk=1;
(2)求無約束極值問題優(yōu)化模型2 的最優(yōu)解;
(3)若對某一個j1≤j≤8,有-gj(x1,x2,x3,yl≥ε,
則:
Mk+1j=10×Mkj,令k=k+1,轉第2步,否則停止迭代。
2.2 四層前饋神經網絡模型及其訓練 函數f(x1,x2,x3,fh)是一個用神經網絡表示的BP模型,表示主蒸汽壓力和送風量、引風量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關系。這個神經網絡是一個4×10×10×1的前饋神經網絡:輸入層有四個輸入量送風量、引風量、給煤量以及主蒸汽流量 ;第四層是輸出層,有一個輸出量主蒸汽壓力 ;第二和第三層是中間層,各有十個神經元。網絡的訓練就是確定網絡的連接權,使代價函數最小,采用的是變步長反向傳播Back Propagation 的學習算法。
在優(yōu)化程序中,使用主蒸汽壓力和送風量、引風量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關系模型作為一個約束參加優(yōu)化。同時在獲得了模型的優(yōu)化結果以后,為了同底層控制系統(tǒng)連接,通過建立氧含量和送風量、引風量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關系模型,爐膛負壓和給煤量、引風量、送風量以及主蒸汽流量之間的關系模型獲得底層控制系統(tǒng)的給定值。這兩個模型也是使用同樣的神經網絡模型來表示的。算法完成一樣,僅僅是輸入輸出數據不一樣,訓練出來的模型表示了不同的關系。
3 實時控制系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)優(yōu)化
實時控制部分由Honeywell系統(tǒng)構成。為了保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行,燃燒控制采用模糊控制律。系統(tǒng)框圖如圖1所示。主蒸汽壓力控制采用定壓控制方式;送風量控制保證空氣預熱后送風壓力在一定范圍內,在送風壓力允許的條件下,按照風煤比偏差調節(jié)送風量,維持煙氣氧含量在一定的范圍內,風煤比根據負荷的變化而變化,實現經濟燃燒;引風量控制使爐膛負壓保持常值。其中,隨負荷變化的最優(yōu)風煤比是通過鍋爐穩(wěn)態(tài)優(yōu)化程序計算再加上實際經驗得到的。
在控制算法的選擇上,為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行,使用了模糊控制算法。實際控制作用有三種形式:1手動操作,在這種情況下,基準控制量跟隨閥位信號變化;2設置偏差死區(qū)及其變化率死區(qū),當被控制參數偏差及其變化率在死區(qū)范圍內時,投入后自動按照前饋變量進行控制;3偏差或者偏差變化率超過死區(qū)以后,進行模糊控制。所有控制方式在計算實際輸出時都采用加權輸出,即按照下式計算:
Xc=Xco+KeXce+KcXcc+KfXt (3)  
式中,Xc為控制變量;Ke為偏差權值;Kc為變化率權值;Kf為前饋權值;Xce、Xcc、Xt分別為按偏差、變化率及前饋變量查找控制表格所得的控制變量。
采用設置偏差死區(qū)及其變化率死區(qū)措施,使系統(tǒng)允許被控制量參數在一定范圍內變化,從而使執(zhí)行機構避免不必要的頻繁動作;采用權值輸出,使系統(tǒng)可以進一步設置權值表,針對不同情況進行處理,改善控制品質。
4 鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數優(yōu)化運行結果
鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數優(yōu)化程序具備如下功能:
·建立爐膛負壓同送風量、引風量、給煤量和主蒸汽流量之間的關系模型;
·建立煙汽氧含量同送風量、引風量、給煤量和主蒸汽流量之間的關系模型;
·建立主蒸汽壓力同送風量、引風量、給煤量和主蒸汽流量之間的關系模型;
·鍋爐穩(wěn)態(tài)參數優(yōu)化。
鍋爐燃燒穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)自2000年4月投運以來,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,節(jié)能效果顯著。經有關專家鑒定,節(jié)能效果高達4%。基本杜絕了冒黑煙現象減輕了對環(huán)境的污染。該系統(tǒng)離線優(yōu)化程序為進一步掌握鍋爐燃燒狀態(tài)、提高運行水平提供了有力的支持,是一個易于操作、易于使用的程序。
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