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基于Honeywell DCS的鍋爐燃燒穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制
摘要：介紹了采用Homeywell系統(tǒng)構(gòu)建集散控制系統(tǒng)，完成對鍋爐、汽機和電網(wǎng)、熱網(wǎng)主要參數(shù)的實時監(jiān)測，并對主要的過程變量實現(xiàn)自動控制的方案。在此基礎(chǔ)上對節(jié)能影響很大的鍋爐燃燒系統(tǒng)建立了穩(wěn)態(tài)參數(shù)優(yōu)化模型，并獲得鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)優(yōu)化模型參數(shù)。在這個優(yōu)化模型結(jié)果的指導(dǎo)下，熱電廠的能源利用率提高4%左右。熱電廠提供的能源主要是以電能和熱能的形式出現(xiàn)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苛。近年來，為解決鍋爐燃燒過程的優(yōu)化控制問題，國內(nèi)外采取了多種控制手段。盡管它們在一定程序上提高了熱效率，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(shù)學(xué)模型[1～2],仍需要根據(jù)負荷變化，人工調(diào)控鍋爐運行，才能使鍋爐燃燒過程更多時間處于相對平衡狀態(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(gòu)建集散控制系統(tǒng)，建立一個鍋爐、汽機和電網(wǎng)、熱網(wǎng)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(shù)據(jù)存入管理數(shù)據(jù)庫，以便操作人員快速準(zhǔn)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(chǎn)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)通史完全、有效地運行。在此基礎(chǔ)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(shù)優(yōu)化模型，并求得鍋爐燃燒穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型參數(shù)。在這個優(yōu)化結(jié)果的指導(dǎo)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(wǎng)、熱網(wǎng)運行參數(shù)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(xiàn)回路控制、邏輯控制、數(shù)據(jù)采集以及操作員接口等功能。Honeywell系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(xié)議的Ethernet網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(wǎng)、熱網(wǎng)的運行參數(shù)進行監(jiān)控，用四個監(jiān)視屏幕顯示各種監(jiān)控參數(shù)的實時數(shù)據(jù)、歷史趨勢圖、故障報警等。
汽機主要監(jiān)控參數(shù)有：轉(zhuǎn)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(jié)水溫等；鍋爐主要監(jiān)控參數(shù)有：汽包壓力（控制）、主蒸汽壓力（控制）、給水壓力、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(yù)熱器左壓力、低溫預(yù)熱器右壓力、高溫預(yù)熱器左壓力、高溫預(yù)熱器右壓力、一次風(fēng)壓力（控制）、二次風(fēng)壓力、燃油流量、回油流量、燃油壓力、排汽溫度、燃油溫度、引風(fēng)機開度、引風(fēng)機電流、送風(fēng)機開度、送風(fēng)機電流、給煤機電流、給煤機轉(zhuǎn)速等；電網(wǎng)主要監(jiān)控參數(shù)有：各汽機電壓、電流和有功功率、電網(wǎng)電流、電壓、有功功率、無功功率等；熱網(wǎng)主要監(jiān)控參數(shù)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(shù)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)化狀化，對燃燒系統(tǒng)來說具有重要的作用。為保證系統(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(shù)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際實踐可知，保持煤與風(fēng)的合理配比，可以提高鍋爐的熱效率；控制與鼓風(fēng)量相適應(yīng)的引風(fēng)量，使鍋爐具有適宜的爐膛負壓，可以避免因噴火或漏風(fēng)而引起的熱效率降低。當(dāng)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(wù)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(fēng)量、引風(fēng)量的合理控制。
為此，構(gòu)造一個優(yōu)化模型，主要輸入量是送風(fēng)量、引風(fēng)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(biāo)函數(shù)是追求能量消耗最小，決策量是送風(fēng)量（送風(fēng)擋板開度）、引風(fēng)量（引風(fēng)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(nèi)變化，且主蒸汽壓力要控制在一個給定的范圍之內(nèi)。優(yōu)化模型為：
min z=c1x1 c2x2 c3x3 (1)
其中，yf_min
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