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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(chǎn)60萬噸的玉米加工企業(yè)，主要產(chǎn)品是玉米淀粉、玉米胚芽油以及飼料等農(nóng)副產(chǎn)品，其自備電站配置2×155t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐+1×CB18MW抽汽背壓式汽輪發(fā)電機組+1×C12MW抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組，自備電站擔負著為玉米加工主裝置提供穩(wěn)定電力供給與高品質(zhì)蒸汽供給的雙重任務。由于全廠是孤網(wǎng)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(diào)整時經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)整不及時，或者出現(xiàn)過調(diào)與欠調(diào)現(xiàn)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(fā)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(chǎn)穩(wěn)定與安全，運行操作人員只能頻繁手動調(diào)節(jié)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(tǒng)為西門子系統(tǒng)，在不改變原DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并保證原DCS系統(tǒng)的獨立性與穩(wěn)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(yè)APC優(yōu)化控制系統(tǒng)，采用OPC外掛的方式與西門子DCS系統(tǒng)進行通訊對接。實現(xiàn)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(diào)節(jié)，在鍋爐負荷30%~110%之間可以實現(xiàn)全自動調(diào)節(jié)。2016年9月和利時的工藝專家與調(diào)試工程師進駐現(xiàn)場，依次完成了通訊調(diào)試與對接，DCS側(cè)切換邏輯的修改，工藝數(shù)據(jù)的采集與建模，單臺鍋爐各回路的自動調(diào)試，全廠母管協(xié)調(diào)控制的調(diào)試，最終項目在2016年12月全部調(diào)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(xiàn)了母管制機組在出現(xiàn)鍋爐產(chǎn)汽與外界用汽之間不平衡時，達到快速穩(wěn)定蒸汽母管壓力的目的，實現(xiàn)鍋爐汽水系統(tǒng)、配風系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)的全自動運行與燃燒優(yōu)化，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

3　和利時熱電行業(yè)APC優(yōu)化控制系統(tǒng)主要功能介紹

和利時熱電行業(yè)APC優(yōu)化控制系統(tǒng)是對鍋爐燃燒自動的先進控制，是對母管制運行機組的協(xié)調(diào)控制，它的主要功能包括：

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

（2）涉及鍋爐效率的重要參數(shù)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(yōu)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(yōu)化控制，穩(wěn)態(tài)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(wěn)定性。

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

4　和利時熱電行業(yè)APC優(yōu)化控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)的控制必須協(xié)調(diào)控制才能保證鍋爐負荷、壓力、氧量、溫度、負壓的穩(wěn)定。針對鍋爐燃燒系統(tǒng)的這種特殊性，APC優(yōu)化控制系統(tǒng)的研發(fā)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(yōu)、反饋校正等核心技術(shù)，真正實現(xiàn)了鍋爐在正常工況與異常工況下的全自動運行。優(yōu)化控制系統(tǒng)輸入輸出原理圖如圖1所示。

圖1 APC系統(tǒng)輸入輸出原理圖

4.1　多變量自適應優(yōu)化控制器

多變量自適應優(yōu)化控制器（HiaP）是基于數(shù)學控制理論研發(fā)的，與傳統(tǒng)PID控制思想類似，但其性能卻遠高于傳統(tǒng)PID，具有多變量輸入、參數(shù)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(fā)份等）是時刻在變化的，并不是單一化學原料，所以當煤質(zhì)發(fā)生變化時，整個燃燒過程就會發(fā)生變化，如果參數(shù)模型不能自動適用煤種的變化，那么燃料回路的調(diào)整就會偏離實際需要的狀態(tài)。

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

圖2 自適應優(yōu)化控制器（HiaP）數(shù)學模型及傳遞函數(shù)

4.2　智能仿人工控制策略

該項技術(shù)是為適應工業(yè)現(xiàn)場而開發(fā)的，主要有2個功能，包括：

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

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

圖3 常規(guī)控制與APC控制的調(diào)節(jié)曲線與調(diào)節(jié)時間對比

4.3　自動尋優(yōu)送風調(diào)節(jié)系統(tǒng)

鍋爐的燃燒效率與鍋爐的氧含量有直接的關(guān)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(guān)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。基于這個理論，我們在系統(tǒng)中植入自動尋優(yōu)模型，在燃煤熱值相對穩(wěn)定的情況下自動啟動尋優(yōu)程序，根據(jù)預先設(shè)定的尋優(yōu)步長與尋優(yōu)時間來完成尋優(yōu)過程，進而找到最佳風煤配比系數(shù)K1,利用優(yōu)化系數(shù)K來修正送風調(diào)節(jié)回路，使得鍋爐效率最高。當煤種發(fā)生變化，使得燃煤熱值超出相對穩(wěn)定區(qū)域時，系統(tǒng)將再次自動啟動尋優(yōu)程序，在最短的時間內(nèi)尋找最佳風煤配比系數(shù)Kn，通過該系數(shù)指導送風調(diào)節(jié)回路，將系統(tǒng)重新調(diào)整到最高效率的狀態(tài)。

4.4　燃料預測優(yōu)化控制

在燃燒系統(tǒng)進入相對穩(wěn)態(tài)時，即同時滿足下列條件：

· 主蒸汽壓力設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于0.02MPa；

· 主蒸汽流量設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于2t/h；

· 鍋爐含氧量設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于0.5%；

· 鍋爐床溫設(shè)定值與測量值調(diào)節(jié)偏差小于3℃；

當4個條件同時滿足時，系統(tǒng)判定鍋爐已經(jīng)進入相對穩(wěn)態(tài)，此時系統(tǒng)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(chǎn)汽率F0，并且F0是連續(xù)滾動優(yōu)化的動態(tài)數(shù)據(jù)。通過單位煤量產(chǎn)汽率F0指導煤量控制，既保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，又增加了系統(tǒng)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(diào)節(jié)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(fā)生互擾與震蕩，母管壓力控制無法實現(xiàn)解耦。而APC優(yōu)化協(xié)調(diào)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(yōu)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(xié)調(diào)模式對比圖

4.6　智能母管協(xié)調(diào)專家系統(tǒng)

智能母管協(xié)調(diào)專家系統(tǒng)是建立在對現(xiàn)場母管制機組工藝過程進行研究的基礎(chǔ)上的，更是建立在對主蒸汽母管結(jié)構(gòu)參數(shù)，母管上鍋爐、汽機以及熱用戶陣列方式進行數(shù)學建模的基礎(chǔ)上的。根據(jù)管道損失K最低原則，智能分配各臺鍋爐的權(quán)重系數(shù)。

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(tǒng)是按照“就近原則”設(shè)計的，減少蒸汽在母管內(nèi)的橫向流動，減少管道阻力損失，實現(xiàn)快速響應并消除擾動因素，穩(wěn)定母管壓力的目的。

5　項目為用戶實現(xiàn)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(yōu)化控制系統(tǒng)前的手動控制模式與投入APC優(yōu)化控制系統(tǒng)后的優(yōu)化控制模式的重要參數(shù)及性能指標對比如表1所示。

表1 手動控制模式與優(yōu)化控制模式參數(shù)與指標對比

經(jīng)過初步估算，和利時APC優(yōu)化控制系統(tǒng)在富錦象嶼金谷生化科技有限公司投入以后帶來的經(jīng)濟效益包括：

· 產(chǎn)汽標煤耗節(jié)省（以5000大卡標煤折算）≥1.32kg/t。

· 直接經(jīng)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(yōu)化控制系統(tǒng)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(yōu)化后的減員增效；

· 參數(shù)控制穩(wěn)定后減少金屬管道的蠕變沖擊，延長設(shè)備壽命。

6　項目實施意義

隨著工業(yè)規(guī)模的迅速擴大，行業(yè)競爭的日趨激烈，用戶對于設(shè)備的安全性、工藝的穩(wěn)定性要求越來越高，簡單的靠提高操作人員操作技術(shù)水平，既增加勞動強度又無法快速地保證生產(chǎn)的供需平衡，和利時熱電行業(yè)APC優(yōu)化控制系統(tǒng)利用先進的多變量自適應控制器、智能仿人工技術(shù)、預測控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、自動尋優(yōu)技術(shù)、智能母管協(xié)調(diào)技術(shù)等實現(xiàn)了對富錦象嶼金谷生化科技有限公司自備電站的優(yōu)化控制，解決了用戶電負荷與熱負荷波動大，工藝參數(shù)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(shù)的控制穩(wěn)定性和鍋爐效率，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，為企業(yè)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(yè)部副總經(jīng)理 李福軍

自動化博覽：和利時能夠為能源管理行業(yè)提供哪些產(chǎn)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(yè)提供的產(chǎn)品包括：針對電力行業(yè)、化工行業(yè)、食品醫(yī)藥行業(yè)的APC系統(tǒng)（先進過程控制），針對壓縮機的ITCC系統(tǒng)（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(tǒng)（制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）。

在功能上，和利時的APC系統(tǒng)不僅具備了常規(guī)APC系統(tǒng)具備的建模、傳遞函數(shù)、發(fā)動辨識功能，還具有反饋校正功能，用于修正由于傳遞函數(shù)偏差造成的控制對象調(diào)節(jié)偏差。在技術(shù)上，和利時工藝專家通過多年經(jīng)驗的積累，在APC系統(tǒng)內(nèi)嵌入了針對各行業(yè)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(yè)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(yōu)控制策略、汽水系統(tǒng)大數(shù)據(jù)自學習控制策略、智能母管協(xié)調(diào)控制策略等。

和利時的ITCC解決方案，在系統(tǒng)平臺方面采用了和利時自主研發(fā)的SIL3級安全儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)是中國第一套擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)。針對壓縮機系統(tǒng)的核心解決方案包括：轉(zhuǎn)速控制策略、防喘證控制策略、負荷分配控制策略、保護聯(lián)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(yè)發(fā)展情況如何？您感受到能源管理市場正在發(fā)生著哪些變化，呈現(xiàn)出哪些特點？

李福軍：近年來隨著經(jīng)濟競爭越來越強烈、國家節(jié)能減排的力度越來越大、勞動力成本越來越高，企業(yè)對于節(jié)能減排與能源管理的意識越來越強，一方面追求投入與產(chǎn)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(xiàn)減員增效。五年前企業(yè)對DCS控制系統(tǒng)的要求是能夠?qū)崿F(xiàn)基本的集中控制、遠程操作以及聯(lián)鎖保護等，但近年來企業(yè)除了基本的DCS系統(tǒng)外，還配套APC優(yōu)化控制系統(tǒng)、MES廠級能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對工藝、能源的綜合管理，盡可能為企業(yè)提供增值利潤點，企業(yè)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(yè)的未來前景？

李福軍：未來在國家經(jīng)濟形勢嚴峻、環(huán)保持續(xù)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(yè)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(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、減員增效的目的，同時，能源管理行業(yè)將會被推向高速發(fā)展的軌道。另外，對于清潔能源項目（風力發(fā)電、太陽能光熱發(fā)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(lǐng)域還處于摸索階段，未來中國能源管理市場會呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長態(tài)勢。

摘自《自動化博覽》2017年10月刊