在日益嚴(yán)格的運行成本與國家法規(guī)制約下，能源消耗與環(huán)境影響是當(dāng)前發(fā)電企業(yè)考慮得越來越多的問題。基于霍尼韋爾TPS控制系統(tǒng)，上海石化熱電總廠的135MW循環(huán)流化床機(jī)組進(jìn)一步采用了綜合能源解決方案（UES），在該項目過程中，該廠副總工程師趙偉杰深深體會到先進(jìn)控制達(dá)到電廠期望。
作為上海石化最重要的輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，上海石化熱電總廠承擔(dān)著為整個公司供電、供熱的重大任務(wù)。一直以來，熱電總廠是公司內(nèi)部的燃料消耗大戶，有燃煤和燃油的兩個發(fā)電站。近年來，熱電總廠以節(jié)能環(huán)保為目標(biāo)，一邊關(guān)停耗能大的燃油機(jī)組，一邊大力推進(jìn)先進(jìn)的循環(huán)流化床機(jī)組發(fā)電技術(shù)及其自動化控制與優(yōu)化水平。
上海石化熱電總廠的循環(huán)流化床機(jī)組為二爐一機(jī)結(jié)構(gòu)（即2臺310t/h CFB與1臺100MW雙抽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組構(gòu)成母管制蒸汽系統(tǒng)），采用典型的CFB 燃燒方式，以煤、石油焦混合燃料作為鍋爐的主要燃料，相比傳統(tǒng)煤粉爐具有自脫硫和低溫燃燒減少排放的環(huán)保優(yōu)勢。早在2002年，熱電總廠便開始使用霍尼韋爾TPS集散控制系統(tǒng)（DCS）作為該發(fā)電機(jī)組的主控系統(tǒng)，2003年該機(jī)組的控制系統(tǒng)投入率已經(jīng)達(dá)到95％以上。期望于更高的節(jié)能、減排的目標(biāo)，2004年上半年該廠與霍尼韋爾一道開始探討除了常規(guī)模擬量控制方法之外的先進(jìn)控制技術(shù)。2005年，熱電總廠正式與霍尼韋爾公司合作開展專為電力公司、發(fā)電廠和供熱廠設(shè)計的先進(jìn)控制系統(tǒng)--綜合能源解決方案（UES）的原應(yīng)用研究，截至2008年上半年，雙方已完成了2臺CFB中的5A爐主壓力控制（MPC）、先進(jìn)燃燒控制（ACC）、先進(jìn)溫度控制（ATC）部分，另一臺5B爐也將于8月份完成上述部分先進(jìn)控制模塊，然后聯(lián)合實現(xiàn)兩臺鍋爐的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配ELA，并預(yù)計2008年9月份召開項目鑒定會。
常規(guī)回路控制面臨的挑戰(zhàn)
常規(guī)PID控制作為一般"低級"控制手段在工業(yè)過程中一直發(fā)揮著重要作用，然而面對現(xiàn)實復(fù)雜多變的控制對象，常規(guī)PID控制往往效果不佳，甚至無法控制復(fù)雜工業(yè)過程。從控制的角度而言，循環(huán)流化床鍋爐就是一個集分布參數(shù)、非線性、多變量緊密耦合為一體的復(fù)雜控制對象，其自動控制系統(tǒng)需要完成比一般煤粉爐更為復(fù)雜的控制任務(wù)。"由于循環(huán)流化床鍋爐燃燒的復(fù)雜性和特殊性，對一般煤粉鍋爐和其他過程控制對象行之有效的常規(guī)控制方法，已難以保證循環(huán)流化床鍋爐各項控制指標(biāo)的實現(xiàn)。對循環(huán)流化床鍋爐的控制特性及控制系統(tǒng)的研究也是當(dāng)前電廠控制領(lǐng)域的一個新的課題"，熱電總廠副總工程師趙偉杰說道。
具體而言，CFB的控制難題體現(xiàn)在其工藝本身的4大特性上面。首先，因CFB所特有的爐內(nèi)流化狀態(tài)，燃料處在流化狀態(tài)下燃燒。因此燃燒系統(tǒng)是一個大滯后、強(qiáng)耦合、多輸入/多輸出的非線性系統(tǒng)，各個變量之間相互影響；其次，床料特性造成床溫控制是逆向響應(yīng)特性，具有很大的不穩(wěn)定性；其三，熱流量的動態(tài)特性取決于床料中含有的還未燃燒的燃料量--"即燃燃料量"。這是個無法用在線儀表測量的過程狀態(tài)變量。所以，大量的即燃燃料和石灰石床料，對控制過程的影響很大；其四，由于循環(huán)流化床鍋爐燃料--負(fù)荷特性具有很大的遲延和慣性，系統(tǒng)的調(diào)整時間比較長。
對于上述控制難題，常規(guī)回路調(diào)節(jié)顯得力不從心。相比之下，伴隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，先進(jìn)控制技術(shù)(Advanced Process Control，APC)，作為區(qū)別于常規(guī)PID控制并具有更好控制效果的控制策略，成為現(xiàn)代復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程的首選。通過APC，主要可以在提高生產(chǎn)過程操作和控制穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品質(zhì)量均勻性，提高裝置處理能力，實現(xiàn)節(jié)能減排方面獲得更佳的綜合效益。
綜合能源系統(tǒng)的實施
根據(jù)先進(jìn)控制項目的實施經(jīng)驗，一般項目時間都要至少持續(xù)一年左右。為了達(dá)到預(yù)期效果，合同雙方緊密合作，實施的過程大致如下：
首先是采集數(shù)據(jù)建立實時數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行數(shù)據(jù)試驗。副總工程師趙偉杰說："我們將鍋爐負(fù)荷分幾個不同的值運行，在每一個點上可以把空氣溫度，空氣氧量等參數(shù)設(shè)置到不同點，比如300t/h負(fù)荷的時候氧量分3個點，分別是2.5、3.5、4，考慮到石灰石對CFB燃燒效率的影響，我們在不同的參數(shù)下進(jìn)行了為期2月每天24小時的試驗。"其次，分析各種采集數(shù)據(jù)，例如底灰的含碳量等。所有數(shù)據(jù)拿到之后進(jìn)入霍尼韋爾的先控實驗室進(jìn)行分析，以便得出一個可行性業(yè)績報告，對鍋爐特性和先控效益提升進(jìn)行分析。然后，雙方進(jìn)一步進(jìn)行動態(tài)的特性研究，辨識出CFB的控制特性。
趙偉杰高工認(rèn)為，項目取得的重大技術(shù)突破是對CFB的燃燒特性分析和控制實現(xiàn)。"循環(huán)流化床爐燃燒系統(tǒng)控制的難點是床料中的即燃燃料量、石灰石量對燃燒過程的影響。對此，我們采用基于卡爾曼濾波的軟測量技術(shù)建立了爐內(nèi)的即燃燃料量、石灰石量、瞬時石灰石的消耗率以及熱流量等4個模型，并成功應(yīng)用在循環(huán)流化床鍋爐的先進(jìn)控制系統(tǒng)中。目前正在為這些模型申請國際專利"，霍尼韋爾電站部系統(tǒng)顧問戴宗繚專家說道。
整個UES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的配置如下圖所示，
UES系統(tǒng)的軟件方面主要實現(xiàn)了先進(jìn)燃燒控制（ACC），先進(jìn)溫度自控（ATC），主壓力控制（MPC）、汽機(jī)/鍋爐經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配ELA-T/ELA-B以及連線控制（TLC）等幾大模塊，其工作流程是：操作員將每天計劃生產(chǎn)的供熱量、發(fā)電量輸入TLC模塊，將蒸汽母管壓力控制的范圍輸入到MPC中；TLC模塊不斷優(yōu)化生產(chǎn)方案，將數(shù)據(jù)送到MPC和ELA_T；MPC的多變量控制器按壓力設(shè)定的控制范圍，給出總熱量作為ELA_B的設(shè)定值，由ELA_B分配給每臺鍋爐，作為每臺鍋爐ACC的設(shè)定值；ACC向DCS上鍋爐的常規(guī)控制回路給出設(shè)定值，控制鍋爐的燃燒在最佳狀態(tài)。
UES達(dá)到熱電廠期望
根據(jù)分析數(shù)據(jù)報告，上海石化熱電總廠通過實施先進(jìn)控制--UES系統(tǒng)項目，其全部完成預(yù)計將實現(xiàn)鍋爐效率提升0.4%，蒸汽出口溫度提升3℃，負(fù)荷實時優(yōu)化分配后機(jī)組熱效率可提高0.5%。
其中，通過ATC先進(jìn)控制模塊，主蒸汽溫度控制系統(tǒng)在10%外擾下的汽溫超調(diào)量由±5℃降低到±2℃，提高機(jī)組的蒸汽平均溫度3℃。由此創(chuàng)造發(fā)電效益近150萬元；根據(jù)對先進(jìn)燃燒控制性能的測試表明：ACC可有效地提高燃燒熱效率，節(jié)約0.4%的燃料成本。大大減少了廢氣排放量。本項目如按節(jié)約0.4%的燃料成本計算，則可減少成本220余萬元；通過CFB機(jī)組負(fù)荷分配優(yōu)化控制，優(yōu)化機(jī)組的運行，在滿足技術(shù)和環(huán)境的約束下，使機(jī)組取得最大的運行效益。
正如該廠趙偉杰高工總結(jié)的那樣："先進(jìn)控制非常適合于循環(huán)流化床爐這樣的強(qiáng)耦合、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、大滯后的系統(tǒng)，通過UES的實施，得到的最重要的兩點是兩點：一是提高生產(chǎn)能力，二是節(jié)能降耗，保護(hù)環(huán)境。"
