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★杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司 劉俊杰

關(guān)鍵詞：低壓飽和蒸汽加熱爐；和利時(shí)DCS；燃燒優(yōu)化；模型預(yù)測(cè)卡邊控制

1　前沿

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)增強(qiáng)，國家對(duì)工業(yè)發(fā)展提出的創(chuàng)新、綠色、低碳、高效節(jié)能新的發(fā)展理念，成為各企業(yè)發(fā)展的重要方向和機(jī)遇^[1]。鋼鐵企業(yè)作為社會(huì)的基礎(chǔ)和支柱企業(yè)，更是早已改變以往的粗放管理，都在追求能源高效利用、低碳環(huán)保和創(chuàng)新發(fā)展的精細(xì)化控制模式^[2,3]。從鋼鐵企業(yè)不斷加大對(duì)生產(chǎn)富余產(chǎn)物的綜合利用，到環(huán)保設(shè)備的大力投入都體現(xiàn)出發(fā)展理念的改變^[1-3]。本文介紹的鋼鐵企業(yè)的能源二次綜合利用，主要是通過飽和蒸汽加熱爐燃燒高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中富余的煤氣加熱轉(zhuǎn)爐冶煉過程回收的飽和蒸汽，產(chǎn)生過熱蒸汽用于高效發(fā)電或生產(chǎn)用汽。由于冶煉生產(chǎn)的間歇性特點(diǎn)，其所產(chǎn)飽和蒸汽和煤氣的壓力及流量存在較大波動(dòng)，這就導(dǎo)致飽和蒸汽加熱爐在燃燒及產(chǎn)汽過程中出現(xiàn)波動(dòng)頻繁、能源利用率低、操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。為解決以上問題，本文提出了一種基于和利時(shí)DCS的加熱爐燃燒優(yōu)化控制和機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方案，可根據(jù)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)進(jìn)行各個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化自動(dòng)控制，在實(shí)現(xiàn)加熱爐的穩(wěn)定安全運(yùn)行情況下提高了能源利用率，降低了成本。

2　低壓飽和蒸汽加熱爐工藝及特點(diǎn)

本文介紹的低壓飽和蒸汽發(fā)電過程主要是以轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量飽和蒸汽為原料，通過加熱爐加熱，形成過熱蒸汽送至汽輪機(jī)組發(fā)電或外生產(chǎn)用汽，其中加熱爐所使用的燃料也是鋼廠在冶煉過程中產(chǎn)生的富余煤氣。廣東某鋼廠的一臺(tái)低壓飽和蒸汽加熱爐工藝流程如圖1所示。

圖1 低壓飽和蒸汽加熱爐工藝流程圖

低壓飽和蒸汽加熱爐燃燒煤氣來自煉鋼生產(chǎn)富余煤氣，經(jīng)過加熱爐燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔猓訜嵊赊D(zhuǎn)爐生產(chǎn)回收的飽和蒸汽，送至后端汽機(jī)發(fā)電機(jī)組和對(duì)外供汽系統(tǒng)。作為能源整合二次高效利用轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，整個(gè)加熱爐以倒“U”字形布置，左側(cè)布置上下兩個(gè)煤氣燃燒器，每個(gè)燃燒器配置兩個(gè)煤氣調(diào)節(jié)閥，分別控制燃燒器中心和外層火焰。通過煤氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，與加熱爐右側(cè)布置的換熱器進(jìn)行對(duì)流換熱，最后煙氣通過加熱爐尾部空預(yù)器后由煙道排入大氣。轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)回收的飽和蒸汽經(jīng)過加熱爐過熱蒸汽300℃左右，送至汽輪機(jī)組進(jìn)行發(fā)電或?qū)ν馍a(chǎn)供汽。輔機(jī)配置引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)各一臺(tái)，用于維持爐膛負(fù)壓和燃燒氧量。煤氣輸入管道配置一個(gè)煤氣緊急放散閥，用于緊急放散煤氣使用。飽和蒸汽輸入管道配置一個(gè)飽和蒸汽放散調(diào)節(jié)閥，用于放散多余飽和蒸汽。

3　自動(dòng)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)

從工藝和設(shè)計(jì)角度分析，飽和蒸汽加熱爐燃燒富余煤氣加熱飽和蒸汽產(chǎn)生過熱蒸汽，用于發(fā)電或外供蒸汽，實(shí)現(xiàn)了能源的二次利用。但實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)殇撹F的冶煉生產(chǎn)過程是間歇性的，其所產(chǎn)生的飽和蒸汽量、煤氣量也是隨之變化的，加上燃燒狀況、過熱蒸汽壓力和溫度以及外部用汽波動(dòng)等各種因素，導(dǎo)致操作人員需要時(shí)刻保持精神高度集中，并對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行頻繁操作，以維持加熱爐燃燒的穩(wěn)定以及產(chǎn)汽溫度和壓力在要求范圍內(nèi)。例如其中飽和蒸汽流量突然減少，不但對(duì)煤氣要進(jìn)行減少調(diào)整，還要對(duì)送引風(fēng)等多個(gè)設(shè)備操作同步進(jìn)行控制。如果操作不及時(shí)，不僅會(huì)引起發(fā)電負(fù)荷降低，甚至?xí)绊懻麄€(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行及導(dǎo)致設(shè)備損壞。如上所述，飽和蒸汽加熱爐各個(gè)設(shè)備運(yùn)行控制在DCS上操作僅依靠人工操作或簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制方案無法解決各種不確定因素所帶來的影響，對(duì)整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行也有安全隱患?；谝陨蠁栴}，本文設(shè)計(jì)了和利時(shí)DCS的燃燒優(yōu)化和機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可結(jié)合工藝特點(diǎn)協(xié)調(diào)自動(dòng)運(yùn)行各個(gè)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的整體安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4　優(yōu)化自動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)

針對(duì)以上問題，本文以廣東某鋼廠一臺(tái)額定負(fù)荷為60t/h飽和蒸汽加熱爐（一臺(tái)轉(zhuǎn)爐最大產(chǎn)汽40t/h），配置一臺(tái)9MW的純凝發(fā)電機(jī)組，煤氣最大用量為2500m³/h的低壓飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，深入分析了現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行工況及特點(diǎn)，并結(jié)合和利時(shí)燃燒優(yōu)化自動(dòng)控制方案進(jìn)行了具體控制方案設(shè)計(jì)，如下文所述。

燃燒系統(tǒng)煤氣控制方案：主要以過熱蒸汽溫度為控制目標(biāo)，通過控制煤氣總操控制上下兩層燃燒器的煤氣閥門開度調(diào)節(jié)燃燒煤氣量，即燃燒后煙氣的溫度，最終實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)，此部分是加熱爐運(yùn)行控制及整個(gè)機(jī)組控制的核心環(huán)節(jié)之一。本文設(shè)計(jì)的控制方案如圖2所示，采用串級(jí)PID控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合和利時(shí)優(yōu)化模型預(yù)測(cè)卡邊和專家變參數(shù)功能塊，主調(diào)以過熱蒸汽溫度為被調(diào)量，副調(diào)以煤氣流量為被調(diào)量，控制設(shè)備為上下兩層燃燒器4個(gè)煤氣調(diào)節(jié)閥。

圖2 加熱爐煤氣控制方案框圖

常規(guī)PID控制參數(shù)基本為固定參數(shù)，對(duì)煤氣量這種非線性波動(dòng)變化的調(diào)節(jié)效果較差，因此本方案引入專家變參數(shù)控制，根據(jù)被調(diào)量與目標(biāo)值的偏差和變化速率進(jìn)行PID參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整^[4-6]。但專家變參整控制也只能針對(duì)單一被調(diào)量的非線性變化進(jìn)行一定量快速響應(yīng)，當(dāng)多個(gè)因素影響則無法實(shí)現(xiàn)控制器超前或快速響應(yīng)。因此，本文結(jié)合模型預(yù)測(cè)卡邊控制引入熱蒸汽溫度、煤氣流量、爐膛煙氣溫度、飽和蒸汽流量參數(shù)，通過對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、迭代算法形成關(guān)系模型，再由模型輸出限制和超前指導(dǎo)PID的輸出（煤氣量目標(biāo)值），從而實(shí)現(xiàn)在煤氣量或飽和蒸汽量大幅波動(dòng)情況下可以快速進(jìn)行煤氣量自動(dòng)調(diào)整，保證過熱蒸汽溫度穩(wěn)定。例如當(dāng)飽和蒸汽流量增加且速率很快，通過模型提前增加主PID輸出下限，提高煤氣量目標(biāo)值，可以避免調(diào)節(jié)延后引起過熱蒸汽溫度降低較多。其中每個(gè)燃燒器的兩個(gè)煤氣閥根據(jù)先開中心火焰煤氣閥、再開外層火焰煤氣閥，關(guān)時(shí)則先外層后內(nèi)層的控制方式，保證燃燒火焰的穩(wěn)定。本方案采取分程方式F2（X）和F3（X）實(shí)現(xiàn)。

本方案模型預(yù)測(cè)F1（X）中主要采用的為循環(huán)迭代算法，以大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)加權(quán)平均為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)輸出值預(yù)測(cè)的算法，其計(jì)算公式如下：

注：式1中YC為當(dāng)前計(jì)算周期的預(yù)測(cè)值，CZ為上一計(jì)算周期的計(jì)算值，TM為預(yù)測(cè)采樣時(shí)間長度，IN為所述實(shí)際輸入值，QX為所述實(shí)際輸入值滾動(dòng)優(yōu)化的權(quán)重系數(shù)。

通過引入多個(gè)參數(shù)之間的短時(shí)線性關(guān)系，采用長時(shí)間大量數(shù)據(jù)的滾動(dòng)加權(quán)計(jì)算，達(dá)到預(yù)測(cè)一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行理想輸出值的范圍，用于指導(dǎo)控制器輸出。以數(shù)據(jù)量最少為數(shù)小時(shí)的采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的滾動(dòng)迭代計(jì)算，參數(shù)之間的關(guān)系模型也隨之不斷變化，并且也不會(huì)因個(gè)別數(shù)據(jù)干擾信號(hào)擾動(dòng)帶來錯(cuò)誤預(yù)測(cè)值。參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析包括對(duì)參數(shù)的變化速率、變化方向、數(shù)值大小進(jìn)行判斷，預(yù)測(cè)參數(shù)變化趨勢(shì)，提前輸出對(duì)應(yīng)閥門的調(diào)整量，結(jié)合迭代算法推斷出最優(yōu)的閥門開度控制的參考值及卡變控制值。上述算法均采用和利時(shí)DCS軟件MACSV6中集成的強(qiáng)大功能塊編輯功能，借助ST和CFC語言等豐富靈活的編程語言方式，將控制方案邏輯編輯封裝成獨(dú)立功能塊，便于項(xiàng)目中的快速應(yīng)用及不斷積累迭代更新。

送風(fēng)系統(tǒng)控制方案：采用PID串級(jí)控制，主調(diào)以加熱爐煙氣含氧量為被調(diào)量，副調(diào)以送風(fēng)量為被調(diào)量^[4]。結(jié)合煤氣流量與送風(fēng)量為參數(shù)優(yōu)化模型的預(yù)測(cè)卡邊控制及前饋控制，實(shí)現(xiàn)煤氣量波動(dòng)時(shí)保證送風(fēng)量的快速調(diào)整，避免因爐膛溫度過高導(dǎo)致過熱器燒毀，或風(fēng)量過大或調(diào)整不及時(shí)引起滅火等問題。

引風(fēng)系統(tǒng)控制方案：采用常規(guī)PID控制，以爐膛負(fù)壓為被調(diào)量^[4]，增加送風(fēng)量前饋控制，實(shí)現(xiàn)超前同步協(xié)調(diào)控制，抑制煤氣量突變引起送風(fēng)快速調(diào)節(jié)導(dǎo)致負(fù)壓波動(dòng)。

飽和蒸汽放散閥控制方案：此部分是整個(gè)加熱爐控制的另一個(gè)重要核心，以過熱蒸汽壓力為調(diào)節(jié)目標(biāo)，控制其閥門開度放散掉不合格或過多的飽和蒸汽量，維持過熱蒸汽壓力和溫度穩(wěn)定。在本方案中采用的PID控制基礎(chǔ)上，引入以上相關(guān)各個(gè)相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型及仿人工控制優(yōu)化算法，進(jìn)行PID輸出的卡邊和前饋控制，以及專家變參控制，可實(shí)現(xiàn)飽和蒸汽放散閥根據(jù)不同運(yùn)行狀況及時(shí)快速調(diào)整?？刂品桨缚驁D如圖3所示。

圖3 飽和蒸汽放散閥控制方案框圖

此部分雖然以過熱蒸汽的壓力為被調(diào)量，但同時(shí)要兼顧發(fā)電負(fù)荷、飽和蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、主蒸汽門前溫度等參數(shù)的變化趨勢(shì)及范圍，不但需要保證飽和蒸汽壓力穩(wěn)定，還要兼顧上面各個(gè)參數(shù)的運(yùn)行在安全穩(wěn)定范圍內(nèi)。例如當(dāng)飽和蒸汽壓力過高且仍在上升，說明飽和蒸汽量過多，后續(xù)要減少過熱蒸汽用量，需要打開放散閥，放散掉多余的飽和蒸汽，避免壓力過高損壞設(shè)備。再如過熱蒸汽溫度過低且仍在下降趨勢(shì)，說明可能煤氣量不足或飽和蒸汽量過大，需要打開放散閥，放散掉一部分飽和蒸汽，維持過熱蒸汽溫度，保證后續(xù)汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度滿足運(yùn)行要求。

汽輪機(jī)發(fā)電部分控制方案：主要由DEH進(jìn)行控制，采用定壓模式運(yùn)行，以機(jī)前壓力為控制目標(biāo)，當(dāng)壓力高時(shí)發(fā)電負(fù)荷也自動(dòng)增加，反之減少發(fā)電負(fù)荷目標(biāo)。機(jī)前壓力與過熱蒸汽壓力管道聯(lián)通，過熱蒸汽壓力由飽和蒸汽放散閥與煤氣調(diào)節(jié)閥配合完成主要調(diào)節(jié)控制，機(jī)前壓力由DEH進(jìn)行相對(duì)緩慢的變化進(jìn)行調(diào)整，機(jī)爐配合協(xié)同控制，不僅穩(wěn)定了飽和蒸汽加熱爐的運(yùn)行狀況，還使得汽機(jī)機(jī)組能在較高的效率下運(yùn)行。

上文列出的各個(gè)控制回路雖然描述相對(duì)獨(dú)立，但實(shí)際調(diào)節(jié)過程中各個(gè)回路之間也是需要協(xié)調(diào)配合。例如在快速調(diào)節(jié)飽和蒸汽放散閥時(shí)與煤氣閥也是配合協(xié)調(diào)同步控制，因后續(xù)無減溫減壓調(diào)節(jié)，當(dāng)過飽和蒸汽突然增加，熱蒸汽溫度下降過快，在判斷蒸汽溫度過低時(shí)，需要打開放散閥，減少飽和蒸汽量，并及時(shí)增加煤氣量，煤氣閥輸出參照模型預(yù)測(cè)輸出值，保證溫度輸出正常，同時(shí)送引風(fēng)也會(huì)隨之同步協(xié)調(diào)調(diào)整。當(dāng)機(jī)前壓力升高，汽機(jī)DEH收到增加負(fù)荷指令，及時(shí)調(diào)整負(fù)荷，穩(wěn)定機(jī)前壓力，當(dāng)機(jī)前壓力過高或者發(fā)電負(fù)荷到上限時(shí)同樣需要打開放散閥及減少煤氣量，保證機(jī)組安全運(yùn)行。另外如果后續(xù)汽機(jī)進(jìn)汽前沒有減溫減壓環(huán)節(jié)，其加熱爐產(chǎn)生的過熱蒸汽壓力和溫度的穩(wěn)定尤其需要煤氣流量閥和飽和蒸汽閥的互相緊密同步控制，抑制煤氣量和飽和蒸汽的波動(dòng)對(duì)蒸汽的影響。所有設(shè)備之間需要互相協(xié)調(diào)控制，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定和高效運(yùn)行，以及二次能源的充分利用。

5　優(yōu)化控制方案的應(yīng)用

采用上文所述的燃燒優(yōu)化和機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方案，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證效果及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析情況如圖4、圖5所示。圖4為煤氣流量?jī)?yōu)化控制趨勢(shì)圖，主要通過控制燃燒煤氣流量調(diào)節(jié)過熱蒸汽出口溫度，紅色為溫度目標(biāo)值294℃，綠色為溫度實(shí)際值。當(dāng)飽和蒸汽流量突增（天藍(lán)色），導(dǎo)致過熱蒸汽溫度下降時(shí)，優(yōu)化控制通過模型預(yù)測(cè)前饋和卡邊控制對(duì)煤氣量（黃色）進(jìn)行快速超前控制，且對(duì)輸出量進(jìn)行限制，避免增加過多。

圖4 加熱爐煤氣流量?jī)?yōu)化控制趨勢(shì)圖

圖5為機(jī)前壓力優(yōu)化控制趨勢(shì)圖，紅色為機(jī)前壓力目標(biāo)值0.71MPa，綠色為壓力實(shí)際值。在過熱蒸汽壓力或煤氣量等因素導(dǎo)致機(jī)前壓力波動(dòng)時(shí)，通過自動(dòng)調(diào)整發(fā)電負(fù)荷（天藍(lán)色）維持發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。隨著壓力的變化，及時(shí)調(diào)整發(fā)電負(fù)荷量，充分轉(zhuǎn)換利用富余煤氣和飽和蒸汽的能量?jī)r(jià)值。

圖5 機(jī)前壓力優(yōu)化控制趨勢(shì)圖

在采用基于和利時(shí)DCS的加熱爐燃燒優(yōu)化控制和機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方案后，整個(gè)低壓飽和蒸汽加熱發(fā)電機(jī)組的自控率可長期運(yùn)行在95%以上。采用標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方式，統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)運(yùn)行重要參數(shù)24小時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示，重要參數(shù)的波動(dòng)幅度均有大幅下降，可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 系統(tǒng)重要參數(shù)波動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)分析表

在采用優(yōu)化控制方案后，粗略估算單位煤氣發(fā)電功率提高1%以上，爐膛負(fù)壓和氧量控制因調(diào)節(jié)不及時(shí)，導(dǎo)致滅火情況降低70%以上，運(yùn)行操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，操作人員每班組人數(shù)相應(yīng)減少。

6　結(jié)束語

通過應(yīng)用本文所述的低壓飽和蒸汽發(fā)電優(yōu)化自動(dòng)控制方案，進(jìn)一步提高了鋼鐵企業(yè)豐富余熱資源及富余煤氣的綜合利用生產(chǎn)控制的自控率，達(dá)到了可長期自動(dòng)運(yùn)行、控制參數(shù)合格穩(wěn)定的要求，不僅實(shí)現(xiàn)了能源高效綜合利用、節(jié)能減排、改善環(huán)境，并且對(duì)鋼鐵企業(yè)的能源充分轉(zhuǎn)換利用和生產(chǎn)成本的降低都具有非常重要的意義。希望本文能對(duì)同類能源綜合利用項(xiàng)目的自動(dòng)化控制提供一定參考。

作者簡(jiǎn)介：

劉俊杰（1986-），男，河北石家莊人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)過程自動(dòng)化和鍋爐燃燒優(yōu)化控制。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年10月刊