锅炉优化控制系统项目设计方案
锅炉优化控制系统项目
设计方案
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浙江开化合成材料有限公司循环流化床锅炉优化控制项目
实
施
方
案
2016年5月
浙江开化合成材料有限公司
目录
一、项目背景 (3)
二、锅炉优化控制需求分析 (3)
三、锅炉优化控制方案 (4)
（1）锅炉燃烧系统控制的优化 (5)
（2）汽水系统控制的优化 (5)
（3）面向煤耗的燃烧的优化 (6)
（4）炉况智能诊断专家控制优化 (6)
四、项目投资预算 (7)
五、项目实施周期计划 (8)
六、劳动卫生及工业安全 (8)
七、项目建设目标 (9)
八、项目效益评估 (9)
循环流化床锅炉优化控制项目实施方案
一、项目背景
浙江开化合成材料有限公司（以下简称“开化合成”）有两台循环流化床锅炉，设计规模分别为35t/hr、45t/hr，正常运行过程中，一台锅炉运行，另外一台备用，满足全厂所有生产装置的用汽需求。随着能源成本的上升和国家对于节能减排要求的提高，企业对于锅炉的节能技改需求日益迫切。
目前，开化合成循环流化床锅炉已采用中控JX300-XP系统实现了集散控制，但由于蒸汽锅炉是一个分布参数、非线性、时变、大滞后和多变量耦合的复杂系统，DCS系统中的常规控制策略难以达到理想的控制效果，除减温减压系统实现了自动控制外，绝大多数控制回路仍处于手动操作状态，自动化水平低，炉膛温度、烟气含氧量、主蒸汽压力、炉膛压力、汽包液位、除氧器液位等关键工艺指标运行平稳性差，能耗偏高。
二、锅炉优化控制需求分析
开化合成锅炉运行调整的任务是根据生产装置用汽的需求，实时的对蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽流量进行调整。其主要控制系统可分为三大部分：燃烧控制系统、给水控制系统和减温减压控制系统。目前，减温减压控制系统已实现了自动控制，其他各系统均处于手动控制状态。燃烧控制系统的任务是提供适当的燃料量，并辅以适当的送风量，保证燃料和风以适当的比例充分混和燃烧，并维持稳定的炉膛温度、蒸汽压力、烟气含氧量等主要工艺指标，在此基础上平稳控制蒸汽流量，以快速满足蒸汽压力变化需求。另外，为了保证炉膛安全，一般使炉膛压力维持微负压，炉膛压力太高则会向外喷火，影响安全性和经济性，炉膛压力太低，则会使冷空气进入，降低经济性。
鉴于锅炉本身的复杂性，锅炉过程控制存在以下几个难点：
（1）系统存在严重耦合，如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力和汽包水位，还会影响过热蒸汽温度和烟气含氧量等。
（2）存在不确定时滞，如燃料量的变化对蒸汽温度、压力、汽包水位等的影响有不同的滞后，这些时滞的大小还随着负荷状况的改变而改变。
（3）蒸汽需求量的不确定性变化，由于需要供应蒸汽的生产装置较多，装置内发生不确定性因素导致装置用汽量的变化频率较高，随机性较高，尤其是合成反应装置用汽系统。由于合成反应系统对于蒸汽供需变化的突然性强和幅度大等特点，导致蒸汽总管压力波动较大。
（4）随机扰动因素多，如燃料品质、管路阻力、运行状况、火焰中心移动及锅炉受热面结垢等，均属外部随机扰动因素。因此，锅炉是一个多输入、多输出且变量相互耦合并具有不确定时滞的复杂控制对象。
综上，根据开化合成循环流化床锅炉的生产运行现状，采用DCS常规控制仅实现了基础控制和安全联锁功能，存在调节不及时、不准确等缺点，从而造成了装置的波动，增加了消耗。随着能源成本的上升和国家对于节能减排要求的提高，企业急需对锅炉系统进行优化控制，即在进一步完善相关执行机构和检测仪表的基础之上，在DCS常规控制的基础上采用预测控制、智能控制、软测量等先进控制策略，并结合锅炉生产经验，建立符合开化合成锅炉运行要求的优化控制系统，进一步提高锅炉的自动化控制水平，增强工艺参数的平稳性及生产的安全性，并通过对工艺指标的“卡边”优化，提高锅炉热效率，实现节能降耗的目标。
三、锅炉优化控制方案
循环流化床锅炉优化控制系统主要包括锅炉燃烧系统控制器、给水系统控制器及面向煤耗的燃烧优化器等。由于各个控制系统中存在较多的变量关联和耦合特性，因此需要针对各个系统的不同特性建立合适的控制方案，以实现对整个锅炉的优化控制。图是蒸汽锅炉优化控制系统的总体结构示意图。
图循环流化床锅炉优化控制系统总体结构
（1）锅炉燃烧系统控制的优化
根据循环流化床锅炉燃烧系统工艺特点和过程控制需求，采用多变量模型预测控制和智能控制，建立锅炉燃烧系统控制器，通过优化调节给煤机变频、一次
风变频、二次风变频、引风级变频、冷渣机变频等操作手段，维持合适的风煤比，克服蒸汽需求量的变化干扰，当蒸汽需求量发生变化时，提前调节各操作变量实现对蒸汽压力、炉膛温度、烟气含氧量、炉膛负压、料床差压等工艺指标的平稳控制，使锅炉汽包蒸发量快速满足负荷变化的要求，实现化工生产对蒸汽需求量与锅炉供气量的协调优化控制。多变量预测控制器中，根据各被控变量的重要性划分优先级，并综合变量之间动态响应特性和滞后因素，在保证锅炉运行安全的前提下，通过对各操作变量的协调联动实现各项工艺指标的平稳控制，实现安全、稳定运行，提高生产自动化水平，并为优化节能创造条件。
（2）汽水系统控制的优化
汽包水位及除氧器液位、温度、压力等是锅炉运行的重要工艺参数，需要控制在一定范围内，为锅炉系统的安全运行提供保证。
汽包水位控制器采用多变量预测控制，根据汽包水位的变化趋势，克服用户对蒸汽需求变化和“假液位”现象等干扰，实现汽包水位的平稳控制。
除氧器控制器采用多变量预测控制，根据锅炉运行负荷变化，合理调节除氧器给水调节阀和蒸汽调节阀，有效克服相关干扰因素，实现对除氧器液位、温度、压力等工艺参数的平稳控制。经过对蒸汽锅炉的工艺分析，其主要被控变量（CVs）、操作变量（MVs）、干扰变量（DVs）如下表
表格燃烧系统、汽水系统优化主要变量
以上为锅炉初步确定的变量，项目实施时将根据锅炉实际运行情况进行调整，最终的控制变量以详细设计方案为准。
（3）面向煤耗的燃烧的优化
在锅炉燃烧系统优化中，以保证炉膛温度和蒸汽压力稳定为第一优先级指标，在动态控制指标满足、操纵变量有自由度的前提下，再优化第二级的经济性能指标。针对多输入多输出锅炉燃烧过程模型，采用一种包含模型预测控制在内的两层结构优化控制策略来解决该过程控制问题。基于下层优化是基于炉膛温度和蒸汽压力带约束条件的控制性能指标的动态优化，上层优化是锅炉热效率和节煤等经济性能指标的稳态优化。
（4）炉况智能诊断专家控制优化
建立锅炉运行过程实时监控和智能诊断系统，通过监控关键工艺指标的变化、设备异常事件、锅炉检测仪表可能出现的数据异常突变或较大偏差等，及时发现并给出报警信息并采取滤波剔除或解除优化控制、紧急自动处理等措施，避免炉况恶化，为工业锅炉的安全、平稳运行提供保障。
锅炉热效率状况的实时监控和智能诊断，首先根据锅炉工艺特点，通过工艺计算和回归分析，建立锅炉热效率软测量模型，在线计算锅炉热效率，准确判断锅炉的运行工况，从而为锅炉的燃烧优化提供参考依据，实现经济运行，热效率计算基本原理函数表达式如下：
()2CO D Q ==Q gs gq gw H H N H
η??-???有效总 式中：
D gs ——蒸汽流量，kg
gq H ——蒸汽热焓，kj/kg
gw H ——给水热焓，kj/kg
2
CO N ——CO 2生成量，mol H —— 反应生成热，kj/mol
（5）为达到预期的优化目标，先进控制要求锅炉装置中各主要控制回路必须有性能良好、灵活好用的执行机构（调节阀）及精准的测量仪表，结合45T 炉现有的仪表装备的现状，需将45T 炉的五台气动风门执行机构更换成电动执行机构
四、项目投资预算：
（一）、先进控制系统软硬件费用：
（二）、先进控制系统工程实施费用：
（三）、电气仪表提升费用
综上，项目总投资约++=万人民币（万元）
五、项目实施周期计划
综合现场条件及项目实施周期等因素，项目总体进度计划如下：
项目总体实施时间约需7月，运行考核、效益评估和项目验收时间另计。
六、劳动卫生及工业安全
1.防电伤害措施
⑴电气设备应采取必要的机械，电气联锁装置以防止误操作。
⑵电气设备设计严格按照带电部分最少安全净距执行。
⑶电气设备选用有五防设施的设备，配电室要严格执行工作票制度。
⑷在高压电气设备的周围按规定设置栅栏或屏蔽装置。
⑸所有电气设备要有防止雷击设施并有接地设施。
2.防机械伤害措施
⑴所有机械外露传动部件均应加装防护装置或采取其他防护措施。
⑵设备布置上要有足够的检修场地。
3.其它防范措施
⑴所有钢平台及楼梯要采用花纹钢板或格栅板，以防工作人员滑倒。
⑵在楼梯孔平台等处周围设置保护围栏，以防高出跌伤。
⑶在粉尘含量高的场所安装通风机，已达到除尘防爆效果。
4、劳动保护
（1）．在易发生粉尘飞扬的区域设置必要的防尘设施，降低由于粉尘对工人的健康带来的影响。
（2）．工人的工作场所采取必要的噪声防治措施，以保护工作人员的身体健康。
（3）、仪表更换电动装置及电工牵拉动力电缆时严格按公司安全管理制度佩带安全冒、安全绳及劳保手套和劳保鞋
七、项目建设目标
在常规控制的基础上，分别建立35t/hr锅炉、45t/hr锅炉的优化控制系统，包括燃烧系统控制、汽水系统控制、面向煤耗的燃烧优化控制等。项目主要建设目标总结如下：
（1）在锅炉正常运行期间，优化控制系统的投用率不低于90％（工艺系统不具备自控条件的不计算在内），降低生产劳动强度，进一步提高锅炉的自动化控制水平，增强工艺参数的平稳性；
（2）优化控制系统投运后，可提高炉膛温度、蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛负压、料床差压、汽包水位、除氧器液位、除氧器温度、除氧器压力等关键工艺参数的平稳性，与常规控制相比，关键工艺参数的标准偏差（波动幅度）降低30%以上；
（3）通过实施燃烧优化和“卡边”控制后，提高锅炉热效率，锅炉的吨蒸汽标煤消耗比实施前平均降低%；
（4）建立锅炉运行安全保障系统，具有故障诊断和自动切换功能，当锅炉系统出现主要仪表和设备故障时能自动无扰切换到常规控制状态，并进行报警提示。