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1　項目背景介紹

富錦象嶼金谷生化科技有限公司是一家年產60萬噸的玉米加工企業，主要產品是玉米淀粉、玉米胚芽油以及飼料等農副產品，其自備電站配置2×155t/h高溫高壓循環流化床鍋爐+1×CB18MW抽汽背壓式汽輪發電機組+1×C12MW抽汽凝汽式汽輪發電機組，自備電站擔負著為玉米加工主裝置提供穩定電力供給與高品質蒸汽供給的雙重任務。由于全廠是孤網運行，電力負荷的波動比較大，再加上玉米烘干塔的特殊工藝，短時間蒸汽負荷的波動達到10t/min~25t/min，且波動比較頻繁，人工調整時經常出現調整不及時，或者出現過調與欠調現象，導致主蒸汽壓力波動比較大。另外由于鍋爐是母管制運行，2臺鍋爐本身也會發生燃燒振蕩，爐間互擾的問題，控制屬于強耦合，所以為了保證主裝置生產穩定與安全，運行操作人員只能頻繁手動調節鍋爐負荷以滿足外界電負荷與熱負荷的波動，但是勞動強度較大，而效果卻不理想。

2　和利時的解決方案

由于自備電站的DCS系統為西門子系統，在不改變原DCS系統結構并保證原DCS系統的獨立性與穩定性的前提下，和利時針對用戶自備電站的實際問題，增加一套熱電行業APC優化控制系統，采用OPC外掛的方式與西門子DCS系統進行通訊對接。實現對給水控制、減溫水控制、引風控制、一次風控制、二次風控制、給煤機控制的自動調節，在鍋爐負荷30%~110%之間可以實現全自動調節。2016年9月和利時的工藝專家與調試工程師進駐現場，依次完成了通訊調試與對接，DCS側切換邏輯的修改，工藝數據的采集與建模，單臺鍋爐各回路的自動調試，全廠母管協調控制的調試，最終項目在2016年12月全部調試完成并交付用戶使用，很好的解決了該廠存在的實際問題，實現了母管制機組在出現鍋爐產汽與外界用汽之間不平衡時，達到快速穩定蒸汽母管壓力的目的，實現鍋爐汽水系統、配風系統、給煤系統的全自動運行與燃燒優化，實現了節能減排的目的。

3　和利時熱電行業APC優化控制系統主要功能介紹

和利時熱電行業APC優化控制系統是對鍋爐燃燒自動的先進控制，是對母管制運行機組的協調控制，它的主要功能包括：

（1）實現鍋爐的全自動運行（包括汽水系統、配風系統、給煤系統等），將自動控制參數控制的更加平穩，保證鍋爐的正常運行，將操作員從繁重的監控中解脫出來。

（2）涉及鍋爐效率的重要參數壓紅線運行（如主汽壓力、主汽溫度、床溫、氧量等），提高鍋爐效率。

（3）自動優化風煤比，以適應煤種的變化，保證燃燒的充分性，降低鍋爐損失（如排煙損失、機械未完全燃燒損失等），提高鍋爐效率。

（4）燃料預測優化控制，穩態情況下提高控制精度，外界擾動時大幅度提高響應的快速性和穩定性。

（5）母管制鍋爐負荷優化分配控制，實現鍋爐產汽與外界用汽之間的相對平衡，對全廠鍋爐的負荷進行優化分配，穩定母管壓力，使得綜合效率得到優化提高。

4　和利時熱電行業APC優化控制系統關鍵技術介紹

鍋爐的燃燒過程是一個極其復雜的化學過程與物理傳熱過程，鍋爐的燃料量、送風量、引風量的控制具有強耦合、非線性、多變性、大滯后等特點，所以整個燃燒系統的控制必須協調控制才能保證鍋爐負荷、壓力、氧量、溫度、負壓的穩定。針對鍋爐燃燒系統的這種特殊性，APC優化控制系統的研發集成了多變量自適應控制器、智能仿人工控制策略、預測控制、模糊控制、自動尋優、反饋校正等核心技術，真正實現了鍋爐在正常工況與異常工況下的全自動運行。優化控制系統輸入輸出原理圖如圖1所示。

圖1 APC系統輸入輸出原理圖

4.1　多變量自適應優化控制器

多變量自適應優化控制器（HiaP）是基于數學控制理論研發的，與傳統PID控制思想類似，但其性能卻遠高于傳統PID，具有多變量輸入、參數模型在線自適應、計算效率高等特點。特別適用于燃料控制回路，因為鍋爐的入爐燃煤的成分（灰份、水份、硫份、揮發份等）是時刻在變化的，并不是單一化學原料，所以當煤質發生變化時，整個燃燒過程就會發生變化，如果參數模型不能自動適用煤種的變化，那么燃料回路的調整就會偏離實際需要的狀態。

所以引入多變量自適應優化控制器（HiaP）可以很好地解決煤種發生變化的自適應調節，具體自適應優化控制器的數學模型及傳遞函數如圖2所示。

圖2 自適應優化控制器（HiaP）數學模型及傳遞函數

4.2　智能仿人工控制策略

該項技術是為適應工業現場而開發的，主要有2個功能，包括：

（1）解決現場設備由于存在缺陷，設備特性異常投自動的問題。因部分設備存在控制非線性、死區大、執行機構反應不靈敏等現象，我們模擬人工操作，克服非線性、死區大等問題，使有缺陷的設備依然能夠投自動。

（2）解決燃燒系統反應滯后的問題。系統設計了仿人工智能加速回路，模擬人工操作、先使系統超調，然后再迅速拉回，大大縮短了響應時間。具體常規控制與APC控制的調節曲線以及調節時間對比如圖3所示。

圖3 常規控制與APC控制的調節曲線與調節時間對比

4.3　自動尋優送風調節系統

鍋爐的燃燒效率與鍋爐的氧含量有直接的關系，在散熱損失與灰渣顯熱損失相對不變的情況下，如果氧量過低，排煙損失q2雖然較低，但是機械未完全燃燒損失q4卻很高，總體效率還是較低。如果氧量過高，排煙損失q2明顯增高，即使機械未完全燃燒損失q4較低，但是總體效率依然較低，具體氧含量與鍋爐效率損失可用圖4所示的曲線表達。

圖4 鍋爐效率與氧量對應關系圖

從圖4中可以肯定的是，燃燒過程中存在一個最佳氧含量，使得q2+q4最小?；谶@個理論，我們在系統中植入自動尋優模型，在燃煤熱值相對穩定的情況下自動啟動尋優程序，根據預先設定的尋優步長與尋優時間來完成尋優過程，進而找到最佳風煤配比系數K1,利用優化系數K來修正送風調節回路，使得鍋爐效率最高。當煤種發生變化，使得燃煤熱值超出相對穩定區域時，系統將再次自動啟動尋優程序，在最短的時間內尋找最佳風煤配比系數Kn，通過該系數指導送風調節回路，將系統重新調整到最高效率的狀態。

4.4　燃料預測優化控制

在燃燒系統進入相對穩態時，即同時滿足下列條件：

· 主蒸汽壓力設定值與測量值調節偏差小于0.02MPa；

· 主蒸汽流量設定值與測量值調節偏差小于2t/h；

· 鍋爐含氧量設定值與測量值調節偏差小于0.5%；

· 鍋爐床溫設定值與測量值調節偏差小于3℃；

當4個條件同時滿足時，系統判定鍋爐已經進入相對穩態，此時系統自動記憶當前的主蒸汽流量和煤量，并自動計算預測單位煤量產汽率F0，并且F0是連續滾動優化的動態數據。通過單位煤量產汽率F0指導煤量控制，既保證了系統穩態時調節的穩定性，又增加了系統響應外界負荷的速度和準確度。

4.5　鍋爐運行模式控制策略

一般情況下鍋爐燃燒控制主要調節鍋爐出口壓力，并不響應汽機、臨爐、供熱的負荷變化以及母管壓力的波動，所以鍋爐燃燒之間容易發生互擾與震蕩，母管壓力控制無法實現解耦。而APC優化協調控制模式下，不但要控制本爐的出口壓力，還要進行鍋爐與汽機的智能解耦，優化分配鍋爐負荷，兩種模式的對比簡圖如圖5所示。

圖5 單爐模式與協調模式對比圖

4.6　智能母管協調專家系統

智能母管協調專家系統是建立在對現場母管制機組工藝過程進行研究的基礎上的，更是建立在對主蒸汽母管結構參數，母管上鍋爐、汽機以及熱用戶陣列方式進行數學建模的基礎上的。根據管道損失K最低原則，智能分配各臺鍋爐的權重系數。

其中，沿程阻力K=8λl/(π2gd5) 由此公式得出，阻力K與管道長度L成正比與管道直徑的5次方成反比。

所以整個系統是按照“就近原則”設計的，減少蒸汽在母管內的橫向流動，減少管道阻力損失，實現快速響應并消除擾動因素，穩定母管壓力的目的。

5　項目為用戶實現的效益分析

富錦象嶼金谷生化科技有限公司投入和利時APC優化控制系統前的手動控制模式與投入APC優化控制系統后的優化控制模式的重要參數及性能指標對比如表1所示。

表1 手動控制模式與優化控制模式參數與指標對比

經過初步估算，和利時APC優化控制系統在富錦象嶼金谷生化科技有限公司投入以后帶來的經濟效益包括：

· 產汽標煤耗節省（以5000大卡標煤折算）≥1.32kg/t。

· 直接經濟效益估算（ 一年按3 0 0 天算，鍋爐平均負荷按照130t/h算、標煤按500元/t算）≥1.32×130×2×24×300×500元/t=123.55萬/年。

和利時APC優化控制系統投入以后帶來的社會效益包括：

· 降低運行操作人員的勞動強度；

· 投入優化后的減員增效；

· 參數控制穩定后減少金屬管道的蠕變沖擊，延長設備壽命。

6　項目實施意義

隨著工業規模的迅速擴大，行業競爭的日趨激烈，用戶對于設備的安全性、工藝的穩定性要求越來越高，簡單的靠提高操作人員操作技術水平，既增加勞動強度又無法快速地保證生產的供需平衡，和利時熱電行業APC優化控制系統利用先進的多變量自適應控制器、智能仿人工技術、預測控制技術、模糊控制技術、自動尋優技術、智能母管協調技術等實現了對富錦象嶼金谷生化科技有限公司自備電站的優化控制，解決了用戶電負荷與熱負荷波動大，工藝參數波動頻繁的問題，降低了操作人員的勞動強度，提高了工藝參數的控制穩定性和鍋爐效率，實現了節能減排的目的，為企業和用戶帶來雙贏。

精彩對話

杭州和利時自動化有限公司熱電行業部副總經理 李福軍

自動化博覽：和利時能夠為能源管理行業提供哪些產品或者解決方案？其具有怎樣的特色？

李福軍：和利時能夠為能源管理行業提供的產品包括：針對電力行業、化工行業、食品醫藥行業的APC系統（先進過程控制），針對壓縮機的ITCC系統（透平壓縮機綜合控制）以及針對全廠能源管控平臺的MES系統（制造企業生產過程執行系統）。

在功能上，和利時的APC系統不僅具備了常規APC系統具備的建模、傳遞函數、發動辨識功能，還具有反饋校正功能，用于修正由于傳遞函數偏差造成的控制對象調節偏差。在技術上，和利時工藝專家通過多年經驗的積累，在APC系統內嵌入了針對各行業以及不同裝置工藝特點、難點的解決方案用來解決復雜工藝的控制問題。針對熱電行業的核心解決方案包括：鍋爐燃料自適應控制策略、鍋爐送風自動尋優控制策略、汽水系統大數據自學習控制策略、智能母管協調控制策略等。

和利時的ITCC解決方案，在系統平臺方面采用了和利時自主研發的SIL3級安全儀表系統，該系統是中國第一套擁有獨立自主知識產權的系統。針對壓縮機系統的核心解決方案包括：轉速控制策略、防喘證控制策略、負荷分配控制策略、保護聯鎖以及退守策略等。

自動化博覽：和利時近年來在能源管理行業發展情況如何？您感受到能源管理市場正在發生著哪些變化，呈現出哪些特點？

李福軍：近年來隨著經濟競爭越來越強烈、國家節能減排的力度越來越大、勞動力成本越來越高，企業對于節能減排與能源管理的意識越來越強，一方面追求投入與產出比追求更高的效益，另一方面通過配套能源管理項目實現減員增效。五年前企業對DCS控制系統的要求是能夠實現基本的集中控制、遠程操作以及聯鎖保護等，但近年來企業除了基本的DCS系統外，還配套APC優化控制系統、MES廠級能源管理系統，實現對工藝、能源的綜合管理，盡可能為企業提供增值利潤點，企業對能源管理的需求越來越普遍。

自動化博覽：請您談談和利時如何看待中國能源管理行業的未來前景？

李福軍：未來在國家經濟形勢嚴峻、環保持續高壓、煤炭資源逐漸緊缺、勞動力成本越來越高的大背景下，企業必須主動挖掘增值利潤點，通過各種能源管理項目助力企業實現節能減排、減員增效的目的，同時，能源管理行業將會被推向高速發展的軌道。另外，對于清潔能源項目（風力發電、太陽能光熱發電）、分布式能源項目、智能城市供熱項目、智慧工廠項目等將會得到國家的大力支持與推廣，目前這些領域還處于摸索階段，未來中國能源管理市場會呈現爆發式的增長態勢。

摘自《自動化博覽》2017年10月刊