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基于Honeywell DCS的鍋爐燃燒穩態(tài)優(yōu)化控制
 熱電廠(chǎng)提供的能源主要是以電能和熱能的形式出現的,通常是利用鍋爐生成蒸汽,然后將其中一部分提供給汽機發(fā)電,提供電力能源,另一部分作為熱源直接供給用戶(hù)。無(wú)論最后提供的能源形式是何種方式,鍋爐負荷總是變化的。負荷既包含電力負荷也包含熱能負荷。近年來(lái),為解決鍋爐燃燒過(guò)程的優(yōu)化控制問(wèn)題,國內外采取了多種控制手段。盡管它們在一定程度上提高了熱效率,但不能徹底解決鍋爐燃燒的控制問(wèn)題,因為難于建立被控對象的精確數學(xué)模型1~2,仍需要根據負荷變化,人工調控鍋爐運行,才能使鍋爐燃燒過(guò)程更多時(shí)間處于相對平穩狀態(tài),提高燃燒效率。
為了達到提高燃燒效率這個(gè)目的,采用Honeywell S9000系統構建集散控制系統,建立一個(gè)鍋爐、汽機和電網(wǎng)、熱網(wǎng)的監控系統,對系統中狀態(tài)實(shí)施全面監測,無(wú)疑是一個(gè)很好的解決辦法。該系統可將監測數據存入管理數據庫,以便操作人員快速準確地了解系統運行狀態(tài),同時(shí)也使得管理人員能夠分析運行情況,做出生產(chǎn)管理決策。通過(guò)對一些主要的過(guò)程變量實(shí)施自動(dòng)控制,使得整個(gè)系統能夠安全、有效地運行。在此基礎上,對節能影響很大的鍋爐燃燒系統建立穩態(tài)參數優(yōu)化模型,并求得鍋爐燃燒穩態(tài)優(yōu)化模型參數。在這個(gè)優(yōu)化結果的指導下,便可進(jìn)行鍋爐燃燒優(yōu)化控制。
1 基于Honeywell DCS的鍋爐、汽機、電網(wǎng)、熱網(wǎng)運行參數監控系統
美國Honeywell模塊自動(dòng)化控制系統是一種介于大型集散系統、單回路控制器和可編程控制器之間的中小型控制系統。S9000系統是基于9000系列多回路控制器的優(yōu)秀系統,它集所有主要控制硬件于一體,從而在一個(gè)使用方便且有效的單元中實(shí)現回路控制、邏輯控制、數據采集以及操作員接口等功能。Honeywell系統的網(wǎng)絡(luò )通訊功能為開(kāi)放式系統提供了靈活性,操作員/工程師以及過(guò)程控制器由基于TCP/IP協(xié)議的Ethernet網(wǎng)絡(luò )連接,它們之間可以互通信息,也可與上層的工廠(chǎng)級計算機通訊。通過(guò)這一開(kāi)放式系統的通訊平臺容易建立管理級應用,與上層的工廠(chǎng)計算機系統資源進(jìn)行信息交換,可以隨時(shí)獲得整個(gè)系統的信息。這一重要特性增強了用戶(hù)快速做出有效決策的能力。所以采用Honeywell S9000系統對熱電廠(chǎng)汽機、鍋爐和電網(wǎng)、熱網(wǎng)的運行參數進(jìn)行監控,用四個(gè)監視屏幕顯示各種監控參數的實(shí)時(shí)數據、歷史趨勢圖、故障報警等。
汽機主要監控參數有:轉速、功率、主蒸汽溫度、主汽門(mén)前壓力、主汽門(mén)后壓力、蒸汽流量、蒸汽流量累計、抽汽壓力、抽汽流量累計、抽汽溫度、抽汽流量、排汽真空、過(guò)冷度、排汽溫度、凝結水溫等;鍋爐主要監控參數有:汽包壓力控制 、主蒸汽壓力控制 、給水壓力、主蒸汽溫度、給水溫度、減溫器前溫度、減溫器后溫度、主蒸汽流量、給水流量、減溫水前流量、減溫水后流量、汽包水位控制 、爐膛負壓控制 、爐膛溫度、爐膛出口溫度、含氧量、低溫預熱器左壓力、低溫預熱器右壓力、高溫預熱器左壓力、高溫預熱器右壓力、一次風(fēng)壓力控制 、二次風(fēng)壓力、燃油流量、回油流量、燃油壓力、排汽溫度、燃油溫度、引風(fēng)機開(kāi)度、引風(fēng)機電流、送風(fēng)機開(kāi)度、送風(fēng)機電流、給煤機電流、給煤機轉速等;電網(wǎng)主要監控參數有:各汽機電壓、電流和有功功率、電網(wǎng)電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率等;熱網(wǎng)主要監控參數有:主要用戶(hù)的蒸汽流量、蒸汽壓力等。
2 鍋爐燃燒系統穩態(tài)參數優(yōu)化
鍋爐燃燒系統的狀態(tài)好壞直接決定了能源利用率的高低,而鍋爐穩態(tài)運行是否處在優(yōu)化狀態(tài),對燃燒系統來(lái)說(shuō)具有重要的作用。為了保證系統能夠高效運行,可以采取兩方面的措施:一是采用自動(dòng)控制系統保證系統長(cháng)時(shí)間穩定地運行;另一是保證系統穩態(tài)的最優(yōu)狀態(tài),對鍋爐燃燒系統穩態(tài)運行參數進(jìn)行優(yōu)化。
2.1 優(yōu)化模型及其求解
由燃料燃燒及熱工控制的研究和實(shí)踐可知,保持煤與風(fēng)的合理配比,可以提高鍋爐的熱效率;控制與鼓風(fēng)量相適應的引風(fēng)量,使鍋爐具有適宜的爐膛負壓,可以避免因噴火或漏風(fēng)而引起的熱效率降低。當燃燒效率最高、熱損失最小時(shí),可得到最大的節能效果,對環(huán)境的污染也最小。由此可見(jiàn),如何使燃燒過(guò)程工作在最佳燃燒區,從而達到最大熱效率是燃燒控制的根本任務(wù)和難點(diǎn)所在。由燃煤鏈條鍋爐的運行特點(diǎn)可知,燃燒過(guò)程的優(yōu)劣主要取決于煤層厚度、鏈條運行速度和送風(fēng)量、引風(fēng)量的合理控制。 為此,構造一個(gè)優(yōu)化模型,主要輸入量是送風(fēng)量、引風(fēng)量和給煤量,輸出量是氧含量、爐膛負壓和主蒸汽壓力。其目標函數是追求能量消耗最小,決策量是送風(fēng)量(送風(fēng)擋板開(kāi)度)、引風(fēng)量(引風(fēng)擋板開(kāi)度)和給煤量。在進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中要滿(mǎn)足鍋爐運行的基本約束,即各個(gè)決策變量在一定的范圍以?xún)茸兓?,且主蒸汽壓力要控制在一個(gè)給定的范圍之內。優(yōu)化模型為:
min z=c1x1+c2x2+c3x3(1) 
其中,yf_min<x1<yf_max
sf_min<x2<sf_max
mei_min<x3<mei_max
yl_min<yl=fx1x2x3fh?。迹欤撸恚幔?br /> c1,c2,c3分別為送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量的單位價(jià)格;
x1,x2,x3分別為送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量;  
yl是主蒸汽壓力,它是x1,x2,x3和主蒸汽流量的函數;  
函數fx1x2x3,fh 是一個(gè)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )表示的模型; 
yf_min、yf_max分別表示送風(fēng)量的最小、最大限制值;
sf_min、sf_max分別表示引風(fēng)量的最小、最大限制值;  
mei_min、mei_max分別表示給煤量的最小、最大限制值;
yl_min、yl_max分別表示主蒸汽壓力的最小、最大限制值。
在這個(gè)優(yōu)化模型中,主蒸汽壓力和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系是一個(gè)非線(xiàn)性關(guān)系,使用一個(gè)四層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)描述。而當優(yōu)化出決策變量,求得最佳氧含量和爐膛負壓之值時(shí),也需要構造一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ),通過(guò)建立氧含量和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系,爐膛負壓和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)一步求得它們的最佳值。
使用罰函數方法求這個(gè)模型的解時(shí),需將上面的模型重新寫(xiě)為如下的無(wú)約束最小化形式:
min p(X,M)=c1x1+c2x2+c3x3+Mi[min(0,gi(x1,x2,x3,yl))]2 
其中,g1x1x2x3yl?。剑保妫撸恚椋?br /> g2x1x2x3yl?。剑妫撸恚幔?br /> g3x1x2x3yl?。剑玻螅妫撸恚椋?br /> g4x1x2x3yl?。剑螅妫撸恚幔?br /> g5x1x2x3yl?。剑常恚澹椋撸恚椋?br /> g6x1x2x3yl?。剑恚澹椋撸恚幔?br /> g7x1x2x3yl?。剑欤欤撸恚椋?br /> g8x1x2x3yl?。剑欤撸恚幔?br /> Mi(i=12…,8)是罰函數系數。
優(yōu)化模型1 的求解步驟為:
(1)?。停椋煟椋剑雹煟并煛?,8 初始值為1000,允許誤差為εk=1;
(2)求無(wú)約束極值問(wèn)題優(yōu)化模型2 的最優(yōu)解;
(3)若對某一個(gè)j1≤j≤8,有-gj(x1,x2,x3,yl≥ε,
則:
Mk+1j=10×Mkj,令k=k+1,轉第2步,否則停止迭代。
2.2 四層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型及其訓練 函數f(x1,x2,x3,fh)是一個(gè)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )表示的BP模型,表示主蒸汽壓力和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系。這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)4×10×10×1的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ):輸入層有四個(gè)輸入量送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量??;第四層是輸出層,有一個(gè)輸出量主蒸汽壓力??;第二和第三層是中間層,各有十個(gè)神經(jīng)元。網(wǎng)絡(luò )的訓練就是確定網(wǎng)絡(luò )的連接權,使代價(jià)函數最小,采用的是變步長(cháng)反向傳播Back Propagation 的學(xué)習算法。
在優(yōu)化程序中,使用主蒸汽壓力和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系模型作為一個(gè)約束參加優(yōu)化。同時(shí)在獲得了模型的優(yōu)化結果以后,為了同底層控制系統連接,通過(guò)建立氧含量和送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系模型,爐膛負壓和給煤量、引風(fēng)量、送風(fēng)量以及主蒸汽流量之間的關(guān)系模型獲得底層控制系統的給定值。這兩個(gè)模型也是使用同樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型來(lái)表示的。算法完成一樣,僅僅是輸入輸出數據不一樣,訓練出來(lái)的模型表示了不同的關(guān)系。
3 實(shí)時(shí)控制系統及其穩態(tài)優(yōu)化
實(shí)時(shí)控制部分由Honeywell系統構成。為了保證系統長(cháng)期穩定運行,燃燒控制采用模糊控制律。系統框圖如圖1所示。主蒸汽壓力控制采用定壓控制方式;送風(fēng)量控制保證空氣預熱后送風(fēng)壓力在一定范圍內,在送風(fēng)壓力允許的條件下,按照風(fēng)煤比偏差調節送風(fēng)量,維持煙氣氧含量在一定的范圍內,風(fēng)煤比根據負荷的變化而變化,實(shí)現經(jīng)濟燃燒;引風(fēng)量控制使爐膛負壓保持常值。其中,隨負荷變化的最優(yōu)風(fēng)煤比是通過(guò)鍋爐穩態(tài)優(yōu)化程序計算再加上實(shí)際經(jīng)驗得到的。
在控制算法的選擇上,為了保證控制系統穩定運行,使用了模糊控制算法。實(shí)際控制作用有三種形式:1手動(dòng)操作,在這種情況下,基準控制量跟隨閥位信號變化;2設置偏差死區及其變化率死區,當被控制參數偏差及其變化率在死區范圍內時(shí),投入后自動(dòng)按照前饋變量進(jìn)行控制;3偏差或者偏差變化率超過(guò)死區以后,進(jìn)行模糊控制。所有控制方式在計算實(shí)際輸出時(shí)都采用加權輸出,即按照下式計算:
Xc=Xco+KeXce+KcXcc+KfXt (3)  
式中,Xc為控制變量;Ke為偏差權值;Kc為變化率權值;Kf為前饋權值;Xce、Xcc、Xt分別為按偏差、變化率及前饋變量查找控制表格所得的控制變量。
采用設置偏差死區及其變化率死區措施,使系統允許被控制量參數在一定范圍內變化,從而使執行機構避免不必要的頻繁動(dòng)作;采用權值輸出,使系統可以進(jìn)一步設置權值表,針對不同情況進(jìn)行處理,改善控制品質(zhì)。
4 鍋爐燃燒系統穩態(tài)參數優(yōu)化運行結果
鍋爐燃燒系統穩態(tài)參數優(yōu)化程序具備如下功能:
·建立爐膛負壓同送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量和主蒸汽流量之間的關(guān)系模型;
·建立煙汽氧含量同送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量和主蒸汽流量之間的關(guān)系模型;
·建立主蒸汽壓力同送風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量和主蒸汽流量之間的關(guān)系模型;
·鍋爐穩態(tài)參數優(yōu)化。
鍋爐燃燒穩態(tài)優(yōu)化控制系統自2000年4月投運以來(lái),系統運行穩定,節能效果顯著(zhù)。經(jīng)有關(guān)專(zhuān)家鑒定,節能效果高達4%?;径沤^了冒黑煙現象減輕了對環(huán)境的污染。該系統離線(xiàn)優(yōu)化程序為進(jìn)一步掌握鍋爐燃燒狀態(tài)、提高運行水平提供了有力的支持,是一個(gè)易于操作、易于使用的程序。
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