★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；模型預測卡邊控制

1　前沿

隨著(zhù)技術(shù)的快速發(fā)展，環(huán)保及可持續發(fā)展的意識增強，國家對工業(yè)發(fā)展提出的創(chuàng )新、綠色、低碳、高效節能新的發(fā)展理念，成為各企業(yè)發(fā)展的重要方向和機遇^[1]。鋼鐵企業(yè)作為社會(huì )的基礎和支柱企業(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)展的精細化控制模式^[2,3]。從鋼鐵企業(yè)不斷加大對生產(chǎn)富余產(chǎn)物的綜合利用，到環(huán)保設備的大力投入都體現出發(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(guò)飽和蒸汽加熱爐燃燒高爐、焦爐、轉爐生產(chǎn)中富余的煤氣加熱轉爐冶煉過(guò)程回收的飽和蒸汽，產(chǎn)生過(guò)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)，這就導致飽和蒸汽加熱爐在燃燒及產(chǎn)汽過(guò)程中出現波動(dòng)頻繁、能源利用率低、操作人員勞動(dòng)強度大等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，本文提出了一種基于和利時(shí)DCS的加熱爐燃燒優(yōu)化控制和機爐協(xié)調控制方案，可根據生產(chǎn)工藝特點(diǎn)進(jìn)行各個(gè)設備的協(xié)調優(yōu)化自動(dòng)控制，在實(shí)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(diǎn)

本文介紹的低壓飽和蒸汽發(fā)電過(guò)程主要是以轉爐生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量飽和蒸汽為原料，通過(guò)加熱爐加熱，形成過(guò)熱蒸汽送至汽輪機組發(fā)電或外生產(chǎn)用汽，其中加熱爐所使用的燃料也是鋼廠(chǎng)在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的富余煤氣。廣東某鋼廠(chǎng)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(lái)自煉鋼生產(chǎn)富余煤氣，經(jīng)過(guò)加熱爐燃燒，產(chǎn)生高溫煙氣，加熱由轉爐生產(chǎn)回收的飽和蒸汽，送至后端汽機發(fā)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(gè)加熱爐以倒“U”字形布置，左側布置上下兩個(gè)煤氣燃燒器，每個(gè)燃燒器配置兩個(gè)煤氣調節閥，分別控制燃燒器中心和外層火焰。通過(guò)煤氣燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣，與加熱爐右側布置的換熱器進(jìn)行對流換熱，最后煙氣通過(guò)加熱爐尾部空預器后由煙道排入大氣。轉爐生產(chǎn)回收的飽和蒸汽經(jīng)過(guò)加熱爐過(guò)熱蒸汽300℃左右，送至汽輪機組進(jìn)行發(fā)電或對外生產(chǎn)供汽。輔機配置引風(fēng)機和送風(fēng)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(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)飽和蒸汽放散調節閥，用于放散多余飽和蒸汽。

3　自動(dòng)控制系統的難點(diǎn)

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(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，用于發(fā)電或外供蒸汽，實(shí)現了能源的二次利用。但實(shí)際生產(chǎn)中，因為鋼鐵的冶煉生產(chǎn)過(guò)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(guò)熱蒸汽壓力和溫度以及外部用汽波動(dòng)等各種因素，導致操作人員需要時(shí)刻保持精神高度集中，并對各個(gè)設備進(jìn)行頻繁操作，以維持加熱爐燃燒的穩定以及產(chǎn)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(jìn)行減少調整，還要對送引風(fēng)等多個(gè)設備操作同步進(jìn)行控制。如果操作不及時(shí)，不僅會(huì )引起發(fā)電負荷降低，甚至會(huì )影響整個(gè)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(gè)設備運行控制在DCS上操作僅依靠人工操作或簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制方案無(wú)法解決各種不確定因素所帶來(lái)的影響，對整個(gè)機組的穩定運行也有安全隱患?；谝陨蠁?wèn)題，本文設計了和利時(shí)DCS的燃燒優(yōu)化和機爐協(xié)調控制系統，可結合工藝特點(diǎn)協(xié)調自動(dòng)運行各個(gè)控制設備，實(shí)現了機組的整體安全穩定運行。

4　優(yōu)化自動(dòng)控制方案的設計

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

燃燒系統煤氣控制方案：主要以過(guò)熱蒸汽溫度為控制目標，通過(guò)控制煤氣總操控制上下兩層燃燒器的煤氣閥門(mén)開(kāi)度調節燃燒煤氣量，即燃燒后煙氣的溫度，最終實(shí)現過(guò)熱蒸汽溫度的調節，此部分是加熱爐運行控制及整個(gè)機組控制的核心環(huán)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(shí)優(yōu)化模型預測卡邊和專(zhuān)家變參數功能塊，主調以過(guò)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(gè)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(xiàn)性波動(dòng)變化的調節效果較差，因此本方案引入專(zhuān)家變參數控制，根據被調量與目標值的偏差和變化速率進(jìn)行PID參數的實(shí)時(shí)調整^[4-6]。但專(zhuān)家變參整控制也只能針對單一被調量的非線(xiàn)性變化進(jìn)行一定量快速響應，當多個(gè)因素影響則無(wú)法實(shí)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(guò)對各個(gè)參數進(jìn)行統計分析、迭代算法形成關(guān)系模型，再由模型輸出限制和超前指導PID的輸出（煤氣量目標值），從而實(shí)現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)調整，保證過(guò)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(guò)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(guò)熱蒸汽溫度降低較多。其中每個(gè)燃燒器的兩個(gè)煤氣閥根據先開(kāi)中心火焰煤氣閥、再開(kāi)外層火焰煤氣閥，關(guān)時(shí)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(shí)現。

本方案模型預測F1（X）中主要采用的為循環(huán)迭代算法，以大量歷史數據進(jìn)行滾動(dòng)加權平均為基礎，實(shí)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(shí)間長(cháng)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)化的權重系數。

通過(guò)引入多個(gè)參數之間的短時(shí)線(xiàn)性關(guān)系，采用長(cháng)時(shí)間大量數據的滾動(dòng)加權計算，達到預測一定時(shí)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(shí)的采集數據為基礎的滾動(dòng)迭代計算，參數之間的關(guān)系模型也隨之不斷變化，并且也不會(huì )因個(gè)別數據干擾信號擾動(dòng)帶來(lái)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(jìn)行判斷，預測參數變化趨勢，提前輸出對應閥門(mén)的調整量，結合迭代算法推斷出最優(yōu)的閥門(mén)開(kāi)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中集成的強大功能塊編輯功能，借助ST和CFC語(yǔ)言等豐富靈活的編程語(yǔ)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(fēng)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(fēng)量為被調量^[4]。結合煤氣流量與送風(fēng)量為參數優(yōu)化模型的預測卡邊控制及前饋控制，實(shí)現煤氣量波動(dòng)時(shí)保證送風(fēng)量的快速調整，避免因爐膛溫度過(guò)高導致過(guò)熱器燒毀，或風(fēng)量過(guò)大或調整不及時(shí)引起滅火等問(wèn)題。

引風(fēng)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(fēng)量前饋控制，實(shí)現超前同步協(xié)調控制，抑制煤氣量突變引起送風(fēng)快速調節導致負壓波動(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(guò)熱蒸汽壓力為調節目標，控制其閥門(mén)開(kāi)度放散掉不合格或過(guò)多的飽和蒸汽量，維持過(guò)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(guān)各個(gè)相關(guān)參數的統計關(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(zhuān)家變參控制，可實(shí)現飽和蒸汽放散閥根據不同運行狀況及時(shí)快速調整?？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(guò)熱蒸汽的壓力為被調量，但同時(shí)要兼顧發(fā)電負荷、飽和蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度、主蒸汽門(mén)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(gè)參數的運行在安全穩定范圍內。例如當飽和蒸汽壓力過(guò)高且仍在上升，說(shuō)明飽和蒸汽量過(guò)多，后續要減少過(guò)熱蒸汽用量，需要打開(kāi)放散閥，放散掉多余的飽和蒸汽，避免壓力過(guò)高損壞設備。再如過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)低且仍在下降趨勢，說(shuō)明可能煤氣量不足或飽和蒸汽量過(guò)大，需要打開(kāi)放散閥，放散掉一部分飽和蒸汽，維持過(guò)熱蒸汽溫度，保證后續汽輪機進(jìn)汽溫度滿(mǎn)足運行要求。

汽輪機發(fā)電部分控制方案：主要由DEH進(jìn)行控制，采用定壓模式運行，以機前壓力為控制目標，當壓力高時(shí)發(fā)電負荷也自動(dòng)增加，反之減少發(fā)電負荷目標。機前壓力與過(guò)熱蒸汽壓力管道聯(lián)通，過(guò)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(jìn)行相對緩慢的變化進(jìn)行調整，機爐配合協(xié)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(gè)控制回路雖然描述相對獨立，但實(shí)際調節過(guò)程中各個(gè)回路之間也是需要協(xié)調配合。例如在快速調節飽和蒸汽放散閥時(shí)與煤氣閥也是配合協(xié)調同步控制，因后續無(wú)減溫減壓調節，當過(guò)飽和蒸汽突然增加，熱蒸汽溫度下降過(guò)快，在判斷蒸汽溫度過(guò)低時(shí)，需要打開(kāi)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測輸出值，保證溫度輸出正常，同時(shí)送引風(fēng)也會(huì )隨之同步協(xié)調調整。當機前壓力升高，汽機DEH收到增加負荷指令，及時(shí)調整負荷，穩定機前壓力，當機前壓力過(guò)高或者發(fā)電負荷到上限時(shí)同樣需要打開(kāi)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(jìn)汽前沒(méi)有減溫減壓環(huán)節，其加熱爐產(chǎn)生的過(guò)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(dòng)對蒸汽的影響。所有設備之間需要互相協(xié)調控制，才能實(shí)現整個(gè)飽和蒸汽發(fā)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(yōu)化控制方案的應用

采用上文所述的燃燒優(yōu)化和機爐協(xié)調控制方案，現場(chǎng)實(shí)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?jì)?yōu)化控制趨勢圖，主要通過(guò)控制燃燒煤氣流量調節過(guò)熱蒸汽出口溫度，紅色為溫度目標值294℃，綠色為溫度實(shí)際值。當飽和蒸汽流量突增（天藍色），導致過(guò)熱蒸汽溫度下降時(shí)，優(yōu)化控制通過(guò)模型預測前饋和卡邊控制對煤氣量（黃色）進(jìn)行快速超前控制，且對輸出量進(jìn)行限制，避免增加過(guò)多。

圖4 加熱爐煤氣流量?jì)?yōu)化控制趨勢圖

圖5為機前壓力優(yōu)化控制趨勢圖，紅色為機前壓力目標值0.71MPa，綠色為壓力實(shí)際值。在過(guò)熱蒸汽壓力或煤氣量等因素導致機前壓力波動(dòng)時(shí)，通過(guò)自動(dòng)調整發(fā)電負荷（天藍色）維持發(fā)電機組的安全運行。隨著(zhù)壓力的變化，及時(shí)調整發(fā)電負荷量，充分轉換利用富余煤氣和飽和蒸汽的能量?jì)r(jià)值。

圖5 機前壓力優(yōu)化控制趨勢圖

在采用基于和利時(shí)DCS的加熱爐燃燒優(yōu)化控制和機爐協(xié)調控制方案后，整個(gè)低壓飽和蒸汽加熱發(fā)電機組的自控率可長(cháng)期運行在95%以上。采用標準偏差計算方式，統計分析相關(guān)運行重要參數24小時(shí)的實(shí)時(shí)數據分析結果如表1所示，重要參數的波動(dòng)幅度均有大幅下降，可長(cháng)時(shí)間穩定運行。

表1 系統重要參數波動(dòng)情況統計分析表

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，爐膛負壓和氧量控制因調節不及時(shí)，導致滅火情況降低70%以上，運行操作人員勞動(dòng)強度大幅降低，操作人員每班組人數相應減少。

6　結束語(yǔ)

通過(guò)應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，達到了可長(cháng)期自動(dòng)運行、控制參數合格穩定的要求，不僅實(shí)現了能源高效綜合利用、節能減排、改善環(huán)境，并且對鋼鐵企業(yè)的能源充分轉換利用和生產(chǎn)成本的降低都具有非常重要的意義。希望本文能對同類(lèi)能源綜合利用項目的自動(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，高級工程師，碩士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)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