锅炉优化控制系统

概述：随着机组容量、运行参数的提高、负荷需求, 迫使参与调频的机组负荷频繁波动, 导致运行过程中过程变量产生较大的偏差, 需要运行人员手动干预才能保证生产过程的正常运行, 原有的PID控制系统已难以满足电力生产的要求。 同时由于近年燃料价格的逐节攀升, 以及电力行业减排的繁重任务, 寻求电力机组的节能减排措施已成为电力生产企业所面临的问题。

先进优化控制技术具有优化、自适应、自学习等功能,在现代电厂的控制与优化运行中逐渐显露优势。

锅炉优化控制系统是在机组原有的 DCS上层增设装有先进控制器软件的上位机, 通过 Modbus/OPC 接口与 DCS 系统连接。 先进控制器从DCS中采集相关的运行数据, 计算出当前时刻的控制指令最优值, 通过 Modbus/OPC 接口发送到 DCS 系统, 由 DCS 送到现场执行装置执行。

锅炉优化控制系统采用多变量模型预测控制(简称 MPC) 算法。 MPC 是一种基于模型、滚动优化并结合反馈校正的优化控制算法。 模型预测控制综合利用实时信息和模型信息, 对目标函数不断进行滚动优化, 并根据实际测得的对象输出修正或补偿预测模型, 具有自适应功能。它可以有效地抑制各种扰动因素对被控变量的影响, 使机组在受到频繁和大幅度扰动的情况下仍能保持良好的控制品质。同时它还考虑机组运行中包括设备安全在内的各种约束条件, 能在严格满足约束的情况下使设备运行在最佳工作点附近, 实现“卡 边”控制。

一、先进优化控制技术在电力机组主、再热蒸汽温度控制中的应用

1、主蒸汽温度先进控制系统标

基于多变量模型预测控制技术的主蒸 汽温度先进控制可以改善蒸汽温度控制系 统的动态特性,提高锅炉出口过热蒸汽温度 的稳定性,减小过热蒸汽的温度变化范围, 进而允许过热器在更高温度上运行, 获得更高的热效率。

主蒸汽温度先进控制系统在 300MW 机组上的投运效果如下表所示:

2、再热蒸汽温度先进控制系统

基于多变量模型预测控制技术的再热汽温先进控制可以有效地克服主汽温系统和再热汽温系统相互之间的耦合。系统投运后,可在变负荷工况下将再热蒸汽温度控制 在±4°C之内。

二、先进优化控制技术在电力机组燃烧控制系统中的应用

我国燃煤机组锅炉燃用的煤普遍存在着煤种多变, 偏离设计、煤质劣化、着火困难和燃烬差等问题, 因此煤质的变化成为机组运行过程中一个重要干扰因素。煤质的在线监测和识别已成为燃烧先进控制系统中非常必要的一个技术内容和手段。

燃烧先进控制系统的结构主要包括煤质实时在线检测和燃烧控制优化系统两部分。

煤质在线检测装置采用火焰闪烁特性、光谱特性、燃烧后烟气组分、炉膛温度特性等多源数据融合的手段, 实现机组当前燃用煤质的在线检测和辨识。燃烧控制优化系统包括静态和动态两层优化。静态优化是利用建模技术结合当前 行数据, 给出在机组当前运行工况下最佳燃烧静态参数,作为设定值提供了实时优化的目标。动态优化是采用多变量模型预测控制算法, 根据机组当前工况在多目标多约束条件下实时在线寻优, 实现在保证机组锅炉安全运行和污染物气体排放达标的前提下, 锅炉的效率接近最优。

燃烧先进控制系统投运后可达到的技术指标如下表所示。

三、先进控制系统投运后的经济效益分析

在电力机组上应用先进控制技术实现机组的优化运行, 不仅可以有效地提高机组运行的安全性,还能很好地提高机组运行效率, 减小机组氮氧化物的排放量,对实现电 力机组的节能减排目标有重要意义。

以 300MW 机组为例,主、再热蒸汽温度先进优化控制系统投运后的直接经济效益为人民币 500 万元/年左右(按汽温平均运行值 提高 3°C计算), 锅炉燃烧先进控制系统投运后的直接经济效益一般为人民币 300~600 万元/年以上。