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(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(jī)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(fù)荷總是變化的。負(fù)荷既包含電力負(fù)荷也包含熱能負(fù)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(fù)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(dá)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(jī)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(jìn)行鍋爐燃燒優(yōu)化控制。

1 基于Honeywell DCS的鍋爐、汽機(jī)、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(jī)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(jī)系統(tǒng)資源進(jìn)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(qiáng)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(jī)、鍋爐和電網(wǎng)、熱網(wǎng)的運行參數(shù)進(jìn)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(jī)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(fù)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(jī)開度、引風(fēng)機(jī)電流、送風(fēng)機(jī)開度、送風(fēng)機(jī)電流、給煤機(jī)電流、給煤機(jī)轉(zhuǎn)速等；電網(wǎng)主要監(jiān)控參數(shù)有：各汽機(jī)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(jìn)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(fù)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(dá)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(fù)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(jìn)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_minx1yf_max

sf_minx2sf_max

mei_minx3mei_max

ly_minyl=f(x1,x2,x3,fh)yl_max

c1,c2,c3分別為送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量的單位價格；

x1,x2,x3分別為送風(fēng)量、引風(fēng)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(shù)；

函數(shù)f（x1,x2,x3,fh）是一個用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的模型；

yf_min、yf_max分別表示送風(fēng)量的最小、最大限制值；

sf_min、sf_max分別表示引風(fēng)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(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系是一個非線性關(guān)系，使用一個四層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來描述。而當(dāng)優(yōu)化出決策變量，求得最佳氧含量和爐膛負(fù)壓之值時，也需要構(gòu)造一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過建立氧含量和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系，爐膛負(fù)壓之值時，也需要構(gòu)造一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過建立氧含量和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系，爐膛負(fù)壓送風(fēng)量、引負(fù)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系來進(jìn)步求得它們的最佳值。

使用罰函數(shù)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：

公式

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(shù)系數(shù)。

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）對其一個j(1≤j≤8)，有：-gj(x1,x2,x3,yl) ≥ ε，則：

Mk+1,j=10×Mk,j，令k=k+1，轉(zhuǎn)第2步，否則停止迭代。

2.2 四層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其訓(xùn)練

函數(shù)f(x1,x2,x3,fh)是一個用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的BP模型，表示主蒸汽壓力和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系。這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個4×10×10×1的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：輸入層有四個輸入量（送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量）；第四層輸出層，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(jīng)元。網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練就是確定網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)，使代價函數(shù)量小，采用的是變步長反向傳播（Back Propagation）的學(xué)習(xí)算法。

在優(yōu)化程序中，使用主蒸汽壓力和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系模型作為一個結(jié)束參加優(yōu)化。同時在獲得了模型的優(yōu)化結(jié)果以后，為了同底層控制系統(tǒng)連接，通過建立含量和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系模型，爐膛負(fù)壓和給煤量、引風(fēng)量、送風(fēng)量以及主蒸汽流量之間的關(guān)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來表示的。算法完成一樣，僅僅是輸入輸出數(shù)據(jù)不一樣，訓(xùn)練出來的模型表示了不同的關(guān)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(gòu)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壓控制方式；送風(fēng)量控制保證空氣預(yù)熱后送風(fēng)壓力在一定范圍內(nèi)，在送風(fēng)壓力允許的條件下，按照風(fēng)煤比偏差調(diào)節(jié)送風(fēng)量，維持煙氣氧含量在一定的范圍內(nèi)，風(fēng)煤比根據(jù)負(fù)荷的變化而變化，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒；引風(fēng)量控制使?fàn)t膛負(fù)壓保持常值。其中，隨負(fù)荷變化的最優(yōu)風(fēng)煤比是通過鍋爐穩(wěn)態(tài)優(yōu)化程序計算再加上實際經(jīng)驗得到的。

圖1 鍋爐燃燒控制框圖

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(zhǔn)控制量跟隨閥位信號變化；（2）設(shè)置偏差死區(qū)及變化率死區(qū)，當(dāng)被控制參數(shù)偏差及其變化率在死區(qū)范圍內(nèi)時，投入后自動按照前饋變量進(jìn)行控制；（3）偏差或者偏差變化率超過死區(qū)以后，進(jìn)行模糊控制。所有控制方式在計算實際輸出時都采用加權(quán)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(quán)值；Kc為變化率權(quán)值；Kf為前饋權(quán)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(shè)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(shù)在一定范圍內(nèi)變化，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)避免不必要的頻繁動作；采用權(quán)值輸出，使系統(tǒng)可以進(jìn)一步設(shè)置權(quán)值表，針對不同情況進(jìn)行處理，改善控制品質(zhì)。

4 鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)優(yōu)化運行結(jié)果

鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)優(yōu)化程序具備如下功能：

·建立爐膛負(fù)壓風(fēng)送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量和主蒸汽流量之間的關(guān)系模型；

·建立煙汽氧含量同送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量和主蒸汽流量之間的關(guān)系模型；

·建立主蒸汽壓力風(fēng)送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量和主蒸汽流量之間的關(guān)系模型；

·鍋爐穩(wěn)態(tài)參數(shù)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(jīng)有關(guān)專家鑒定，節(jié)能效果高達(dá)4%?；径沤^了冒黑煙現(xiàn)象，減輕了對環(huán)境的污染。該系統(tǒng)離線優(yōu)化程序為進(jìn)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。