摘? 要: 介紹了采用Honeywell系統(tǒng)構(gòu)建集散控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),，完成對(duì)鍋爐、汽機(jī)和電網(wǎng),、熱網(wǎng)主要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，并對(duì)主要的過(guò)程變量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的方案,。在此基礎(chǔ)上對(duì)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(gè)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。
關(guān)鍵詞: 鍋爐? 燃燒控制? Honeywell DCS? 穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制
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??? 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(wú)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)荷,。近年來(lái)，為解決鍋爐燃燒過(guò)程的優(yōu)化控制問(wèn)題,，國(guó)內(nèi)外采取了多種控制手段,。盡管它們?cè)谝欢ǔ潭壬咸岣吡藷嵝剩荒軓氐捉鉀Q鍋爐燃燒的控制問(wèn)題,，因?yàn)殡y于建立被控對(duì)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(yùn)行,，才能使鍋爐燃燒過(guò)程更多時(shí)間處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài),，提高燃燒效率。
為了達(dá)到提高燃燒效率這個(gè)目的,，采用Honeywell S9000系統(tǒng)構(gòu)建集散控制系統(tǒng),，建立一個(gè)鍋爐、汽機(jī)和電網(wǎng)、熱網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng),，對(duì)系統(tǒng)中狀態(tài)實(shí)施全面監(jiān)測(cè),，無(wú)疑是一個(gè)很好的解決辦法。該系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入管理數(shù)據(jù)庫(kù),，以便操作人員快速準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),，同時(shí)也使得管理人員能夠分析運(yùn)行情況，做出生產(chǎn)管理決策,。通過(guò)對(duì)一些主要的過(guò)程變量實(shí)施自動(dòng)控制,，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠安全、有效地運(yùn)行,。在此基礎(chǔ)上,，對(duì)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(gè)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(yùn)行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)
美國(guó)Honeywell模塊自動(dòng)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(gè)使用方便且有效的單元中實(shí)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(kāi)放式系統(tǒng)提供了靈活性，操作員/工程師以及過(guò)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(jí)計(jì)算機(jī)通訊。通過(guò)這一開(kāi)放式系統(tǒng)的通訊平臺(tái)容易建立管理級(jí)應(yīng)用,，與上層的工廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源進(jìn)行信息交換,，可以隨時(shí)獲得整個(gè)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(duì)熱電廠汽機(jī),、鍋爐和電網(wǎng)、熱網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,，用四個(gè)監(jiān)視屏幕顯示各種監(jiān)控參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),、歷史趨勢(shì)圖、故障報(bào)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(jì),、抽汽壓力,、抽汽流量累計(jì)、抽汽溫度,、抽汽流量,、排汽真空、過(guò)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(fù)壓" title="負(fù)壓">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(kāi)度,、引風(fēng)機(jī)電流、送風(fēng)機(jī)開(kāi)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(wú)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(yùn)行是否處在優(yōu)化狀態(tài)，對(duì)燃燒系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有重要的作用,。為了保證系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行,，可以采取兩方面的措施:一是采用自動(dòng)控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地運(yùn)行;另一是保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的最優(yōu)狀態(tài)，對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(shí)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(shí)，可得到最大的節(jié)能效果,，對(duì)環(huán)境的污染也最小,。由此可見(jiàn)，如何使燃燒過(guò)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(diǎn)所在,。由燃煤鏈條鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)可知，燃燒過(guò)程的優(yōu)劣主要取決于煤層厚度,、鏈條運(yùn)行速度和送風(fēng)量,、引風(fēng)量的合理控制。
為此,，構(gòu)造一個(gè)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" title="氧含量">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(kāi)度),、引風(fēng)量(引風(fēng)擋板開(kāi)度)和給煤量,。在進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中要滿足鍋爐運(yùn)行的基本約束，即各個(gè)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(gè)給定的范圍之內(nèi),。優(yōu)化模型為:
在這個(gè)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(gè)非線性關(guān)系，使用一個(gè)四層的前饋" title="前饋">前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(shí)，也需要構(gòu)造一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，通過(guò)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)系來(lái)進(jìn)一步求得它們的最佳值,。
使用罰函數(shù)方法求這個(gè)模型的解時(shí),，需將上面的模型重新寫為如下的無(wú)約束最小化形式:
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(wú)約束極值問(wèn)題優(yōu)化模型(2)的最優(yōu)解;
(3)若對(duì)某一個(gè)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,。
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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(gè)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(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)4×10×10×1的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):輸入層有四個(gè)輸入量(送風(fēng)量,、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量);第四層是輸出層,，有一個(gè)輸出量(主蒸汽壓力);第二和第三層是中間層,，各有十個(gè)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(jià)函數(shù)最小,，采用的是變步長(zhǎng)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(gè)約束參加優(yōu)化。同時(shí)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(guò)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(gè)模型也是使用同樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)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(lái)的模型表示了不同的關(guān)系。
3 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)優(yōu)化
實(shí)時(shí)控制部分由Honeywell系統(tǒng)構(gòu)成,。為了保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(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(shí)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(guò)鍋爐穩(wěn)態(tài)優(yōu)化程序計(jì)算再加上實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得到的。
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在控制算法的選擇上,，為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,，使用了模糊控制算法。實(shí)際控制作用有三種形式:(1)手動(dòng)操作,，在這種情況下,，基準(zhǔn)控制量跟隨閥位信號(hào)變化;(2)設(shè)置偏差死區(qū)及其變化率死區(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(shí),，投入后自動(dòng)按照前饋?zhàn)兞窟M(jìn)行控制;(3)偏差或者偏差變化率超過(guò)死區(qū)以后,，進(jìn)行模糊控制,。所有控制方式在計(jì)算實(shí)際輸出時(shí)都采用加權(quán)輸出，即按照下式計(jì)算:
式中,，Xc為控制變量;Ke為偏差權(quán)值" title="權(quán)值">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?zhàn)兞坎檎铱刂票砀袼玫目刂谱兞俊?/P>
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(dòng)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(duì)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(yùn)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;
·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(yùn)以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)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(duì)環(huán)境的污染,。該系統(tǒng)離線優(yōu)化程序?yàn)檫M(jìn)一步掌握鍋爐燃燒狀態(tài),、提高運(yùn)行水平提供了有力的支持，是一個(gè)易于操作,、易于使用的程序,。
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參考文獻(xiàn)
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