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基于Honeywell DCS的鍋爐燃燒穩態(tài)優(yōu)化控制
摘要：介紹了采用Homeywell系統構建集散控制系統，完成對鍋爐、汽機和電網(wǎng)、熱網(wǎng)主要參數的實(shí)時(shí)監測，并對主要的過(guò)程變量實(shí)現自動(dòng)控制的方案。在此基礎上對節能影響很大的鍋爐燃燒系統建立了穩態(tài)參數優(yōu)化模型，并獲得鍋爐燃燒系統穩態(tài)參數優(yōu)化模型參數。在這個(gè)優(yōu)化模型結果的指導下，熱電廠(chǎng)的能源利用率提高4%左右。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苛。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。盡管它們在一定程序上提高了熱效率，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)間處于相對平衡狀態(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)系統通史完全、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)化狀化，對燃燒系統來(lái)說(shuō)具有重要的作用。為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)際實(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
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