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★杭州和利時自動化有限公司 劉俊杰

關鍵詞：低壓飽和蒸汽加熱爐；和利時DCS；燃燒優化；模型預測卡邊控制

1　前沿

隨著技術的快速發展，環保及可持續發展的意識增強，國家對工業發展提出的創新、綠色、低碳、高效節能新的發展理念，成為各企業發展的重要方向和機遇^[1]。鋼鐵企業作為社會的基礎和支柱企業，更是早已改變以往的粗放管理，都在追求能源高效利用、低碳環保和創新發展的精細化控制模式^[2,3]。從鋼鐵企業不斷加大對生產富余產物的綜合利用，到環保設備的大力投入都體現出發展理念的改變^[1-3]。本文介紹的鋼鐵企業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、焦爐、轉爐生產中富余的煤氣加熱轉爐冶煉過程回收的飽和蒸汽，產生過熱蒸汽用于高效發電或生產用汽。由于冶煉生產的間歇性特點，其所產飽和蒸汽和煤氣的壓力及流量存在較大波動，這就導致飽和蒸汽加熱爐在燃燒及產汽過程中出現波動頻繁、能源利用率低、操作人員勞動強度大等問題。為解決以上問題，本文提出了一種基于和利時DCS的加熱爐燃燒優化控制和機爐協調控制方案，可根據生產工藝特點進行各個設備的協調優化自動控制，在實現加熱爐的穩定安全運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

本文介紹的低壓飽和蒸汽發電過程主要是以轉爐生產過程中產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組發電或外生產用汽，其中加熱爐所使用的燃料也是鋼廠在冶煉過程中產生的富余煤氣。廣東某鋼廠的一臺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富余煤氣，經過加熱爐燃燒，產生高溫煙氣，加熱由轉爐生產回收的飽和蒸汽，送至后端汽機發電機組和對外供汽系統。作為能源整合二次高效利用轉換的核心設備，整個加熱爐以倒“U”字形布置，左側布置上下兩個煤氣燃燒器，每個燃燒器配置兩個煤氣調節閥，分別控制燃燒器中心和外層火焰。通過煤氣燃燒產生的高溫煙氣，與加熱爐右側布置的換熱器進行對流換熱，最后煙氣通過加熱爐尾部空預器后由煙道排入大氣。轉爐生產回收的飽和蒸汽經過加熱爐過熱蒸汽300℃左右，送至汽輪機組進行發電或對外生產供汽。輔機配置引風機和送風機各一臺，用于維持爐膛負壓和燃燒氧量。煤氣輸入管道配置一個煤氣緊急放散閥，用于緊急放散煤氣使用。飽和蒸汽輸入管道配置一個飽和蒸汽放散調節閥，用于放散多余飽和蒸汽。

3　自動控制系統的難點

從工藝和設計角度分析，飽和蒸汽加熱爐燃燒富余煤氣加熱飽和蒸汽產生過熱蒸汽，用于發電或外供蒸汽，實現了能源的二次利用。但實際生產中，因為鋼鐵的冶煉生產過程是間歇性的，其所產生的飽和蒸汽量、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等各種因素，導致操作人員需要時刻保持精神高度集中，并對各個設備進行頻繁操作，以維持加熱爐燃燒的穩定以及產汽溫度和壓力在要求范圍內。例如其中飽和蒸汽流量突然減少，不但對煤氣要進行減少調整，還要對送引風等多個設備操作同步進行控制。如果操作不及時，不僅會引起發電負荷降低，甚至會影響整個系統的安全穩定運行及導致設備損壞。如上所述，飽和蒸汽加熱爐各個設備運行控制在DCS上操作僅依靠人工操作或簡單的自動控制方案無法解決各種不確定因素所帶來的影響，對整個機組的穩定運行也有安全隱患。基于以上問題，本文設計了和利時DCS的燃燒優化和機爐協調控制系統，可結合工藝特點協調自動運行各個控制設備，實現了機組的整體安全穩定運行。

4　優化自動控制方案的設計

針對以上問題，本文以廣東某鋼廠一臺額定負荷為60t/h飽和蒸汽加熱爐（一臺轉爐最大產汽40t/h），配置一臺9MW的純凝發電機組，煤氣最大用量為2500m³/h的低壓飽和蒸汽發電系統為研究對象，深入分析了現場的運行工況及特點，并結合和利時燃燒優化自動控制方案進行了具體控制方案設計，如下文所述。

燃燒系統煤氣控制方案：主要以過熱蒸汽溫度為控制目標，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節燃燒煤氣量，即燃燒后煙氣的溫度，最終實現過熱蒸汽溫度的調節，此部分是加熱爐運行控制及整個機組控制的核心環節之一。本文設計的控制方案如圖2所示，采用串級PID控制結構，結合和利時優化模型預測卡邊和專家變參數功能塊，主調以過熱蒸汽溫度為被調量，副調以煤氣流量為被調量，控制設備為上下兩層燃燒器4個煤氣調節閥。

圖2 加熱爐煤氣控制方案框圖

常規PID控制參數基本為固定參數，對煤氣量這種非線性波動變化的調節效果較差，因此本方案引入專家變參數控制，根據被調量與目標值的偏差和變化速率進行PID參數的實時調整^[4-6]。但專家變參整控制也只能針對單一被調量的非線性變化進行一定量快速響應，當多個因素影響則無法實現控制器超前或快速響應。因此，本文結合模型預測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，通過對各個參數進行統計分析、迭代算法形成關系模型，再由模型輸出限制和超前指導PID的輸出（煤氣量目標值），從而實現在煤氣量或飽和蒸汽量大幅波動情況下可以快速進行煤氣量自動調整，保證過熱蒸汽溫度穩定。例如當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，提高煤氣量目標值，可以避免調節延后引起過熱蒸汽溫度降低較多。其中每個燃燒器的兩個煤氣閥根據先開中心火焰煤氣閥、再開外層火焰煤氣閥，關時則先外層后內層的控制方式，保證燃燒火焰的穩定。本方案采取分程方式F2（X）和F3（X）實現。

本方案模型預測F1（X）中主要采用的為循環迭代算法，以大量歷史數據進行滾動加權平均為基礎，實現輸出值預測的算法，其計算公式如下：

注：式1中YC為當前計算周期的預測值，CZ為上一計算周期的計算值，TM為預測采樣時間長度，IN為所述實際輸入值，QX為所述實際輸入值滾動優化的權重系數。

通過引入多個參數之間的短時線性關系，采用長時間大量數據的滾動加權計算，達到預測一定時間內穩定運行理想輸出值的范圍，用于指導控制器輸出。以數據量最少為數小時的采集數據為基礎的滾動迭代計算，參數之間的關系模型也隨之不斷變化，并且也不會因個別數據干擾信號擾動帶來錯誤預測值。參數的統計分析包括對參數的變化速率、變化方向、數值大小進行判斷，預測參數變化趨勢，提前輸出對應閥門的調整量，結合迭代算法推斷出最優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DCS軟件MACSV6中集成的強大功能塊編輯功能，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立功能塊，便于項目中的快速應用及不斷積累迭代更新。

送風系統控制方案：采用PID串級控制，主調以加熱爐煙氣含氧量為被調量，副調以送風量為被調量^[4]。結合煤氣流量與送風量為參數優化模型的預測卡邊控制及前饋控制，實現煤氣量波動時保證送風量的快速調整，避免因爐膛溫度過高導致過熱器燒毀，或風量過大或調整不及時引起滅火等問題。

引風系統控制方案：采用常規PID控制，以爐膛負壓為被調量^[4]，增加送風量前饋控制，實現超前同步協調控制，抑制煤氣量突變引起送風快速調節導致負壓波動。

飽和蒸汽放散閥控制方案：此部分是整個加熱爐控制的另一個重要核心，以過熱蒸汽壓力為調節目標，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定。在本方案中采用的PID控制基礎上，引入以上相關各個相關參數的統計關系模型及仿人工控制優化算法，進行PID輸出的卡邊和前饋控制，以及專家變參控制，可實現飽和蒸汽放散閥根據不同運行狀況及時快速調整。控制方案框圖如圖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量，但同時要兼顧發電負荷、飽和蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、主蒸汽門前溫度等參數的變化趨勢及范圍，不但需要保證飽和蒸汽壓力穩定，還要兼顧上面各個參數的運行在安全穩定范圍內。例如當飽和蒸汽壓力過高且仍在上升，說明飽和蒸汽量過多，后續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備。再如過熱蒸汽溫度過低且仍在下降趨勢，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，保證后續汽輪機進汽溫度滿足運行要求。

汽輪機發電部分控制方案：主要由DEH進行控制，采用定壓模式運行，以機前壓力為控制目標，當壓力高時發電負荷也自動增加，反之減少發電負荷目標。機前壓力與過熱蒸汽壓力管道聯通，過熱蒸汽壓力由飽和蒸汽放散閥與煤氣調節閥配合完成主要調節控制，機前壓力由DEH進行相對緩慢的變化進行調整，機爐配合協同控制，不僅穩定了飽和蒸汽加熱爐的運行狀況，還使得汽機機組能在較高的效率下運行。

上文列出的各個控制回路雖然描述相對獨立，但實際調節過程中各個回路之間也是需要協調配合。例如在快速調節飽和蒸汽放散閥時與煤氣閥也是配合協調同步控制，因后續無減溫減壓調節，當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，需要打開放散閥，減少飽和蒸汽量，并及時增加煤氣量，煤氣閥輸出參照模型預測輸出值，保證溫度輸出正常，同時送引風也會隨之同步協調調整。當機前壓力升高，汽機DEH收到增加負荷指令，及時調整負荷，穩定機前壓力，當機前壓力過高或者發電負荷到上限時同樣需要打開放散閥及減少煤氣量，保證機組安全運行。另外如果后續汽機進汽前沒有減溫減壓環節，其加熱爐產生的過熱蒸汽壓力和溫度的穩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對蒸汽的影響。所有設備之間需要互相協調控制，才能實現整個飽和蒸汽發電機組的安全穩定和高效運行，以及二次能源的充分利用。

5　優化控制方案的應用

采用上文所述的燃燒優化和機爐協調控制方案，現場實際應用驗證效果及運行數據分析情況如圖4、圖5所示。圖4為煤氣流量優化控制趨勢圖，主要通過控制燃燒煤氣流量調節過熱蒸汽出口溫度，紅色為溫度目標值294℃，綠色為溫度實際值。當飽和蒸汽流量突增（天藍色），導致過熱蒸汽溫度下降時，優化控制通過模型預測前饋和卡邊控制對煤氣量（黃色）進行快速超前控制，且對輸出量進行限制，避免增加過多。

圖4 加熱爐煤氣流量優化控制趨勢圖

圖5為機前壓力優化控制趨勢圖，紅色為機前壓力目標值0.71MPa，綠色為壓力實際值。在過熱蒸汽壓力或煤氣量等因素導致機前壓力波動時，通過自動調整發電負荷（天藍色）維持發電機組的安全運行。隨著壓力的變化，及時調整發電負荷量，充分轉換利用富余煤氣和飽和蒸汽的能量價值。

圖5 機前壓力優化控制趨勢圖

在采用基于和利時DCS的加熱爐燃燒優化控制和機爐協調控制方案后，整個低壓飽和蒸汽加熱發電機組的自控率可長期運行在95%以上。采用標準偏差計算方式，統計分析相關運行重要參數24小時的實時數據分析結果如表1所示，重要參數的波動幅度均有大幅下降，可長時間穩定運行。

表1 系統重要參數波動情況統計分析表

在采用優化控制方案后，粗略估算單位煤氣發電功率提高1%以上，爐膛負壓和氧量控制因調節不及時，導致滅火情況降低70%以上，運行操作人員勞動強度大幅降低，操作人員每班組人數相應減少。

6　結束語

通過應用本文所述的低壓飽和蒸汽發電優化自動控制方案，進一步提高了鋼鐵企業豐富余熱資源及富余煤氣的綜合利用生產控制的自控率，達到了可長期自動運行、控制參數合格穩定的要求，不僅實現了能源高效綜合利用、節能減排、改善環境，并且對鋼鐵企業的能源充分轉換利用和生產成本的降低都具有非常重要的意義。希望本文能對同類能源綜合利用項目的自動化控制提供一定參考。

作者簡介：

劉俊杰（1986-），男，河北石家莊人，高級工程師，碩士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化和鍋爐燃燒優化控制。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2023年10月刊