1、浙江開化合成材料有限公司循環(huán)流化床鍋爐優(yōu)化控制項目 實施方案2016年5月 浙江開化合成材料有限公司 目 錄1、 項目背景32、 鍋爐優(yōu)化控制需求分析33、 鍋爐優(yōu)化控制方案4 （1）鍋爐燃燒系統(tǒng)控制的優(yōu)化5 （2）汽水系統(tǒng)控制的優(yōu)化5 （3）面向煤耗的燃燒的優(yōu)化6 （4）爐況智能診斷專家控制優(yōu)化64、 項目投資預(yù)算75、 項目實施周期計劃86、 勞動衛(wèi)生及工業(yè)安全87、 項目建設(shè)目標(biāo)9八、項目效益評估9 循環(huán)流化床鍋爐優(yōu)化控制項目實施方案一、項目背景 浙江開化合成材料有限公司（以下簡稱“開化合成”）有兩臺循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計規(guī)模分別為35t/hr、45t/hr，正常運行過程中，一臺鍋爐運行，

2、另外一臺備用，滿足全廠所有生產(chǎn)裝置的用汽需求。隨著能源成本的上升和國家對于節(jié)能減排要求的提高，企業(yè)對于鍋爐的節(jié)能技改需求日益迫切。目前，開化合成循環(huán)流化床鍋爐已采用中控JX300-XP系統(tǒng)實現(xiàn)了集散控制，但由于蒸汽鍋爐是一個分布參數(shù)、非線性、時變、大滯后和多變量耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)中的常規(guī)控制策略難以達(dá)到理想的控制效果，除減溫減壓系統(tǒng)實現(xiàn)了自動控制外，絕大多數(shù)控制回路仍處于手動操作狀態(tài)，自動化水平低，爐膛溫度、煙氣含氧量、主蒸汽壓力、爐膛壓力、汽包液位、除氧器液位等關(guān)鍵工藝指標(biāo)運行平穩(wěn)性差，能耗偏高。2、 鍋爐優(yōu)化控制需求分析 開化合成鍋爐運行調(diào)整的任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)裝置用汽的需求，實時的對

3、蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽流量進(jìn)行調(diào)整。其主要控制系統(tǒng)可分為三大部分：燃燒控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和減溫減壓控制系統(tǒng)。目前，減溫減壓控制系統(tǒng)已實現(xiàn)了自動控制，其他各系統(tǒng)均處于手動控制狀態(tài)。燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)是提供適當(dāng)?shù)娜剂狭?，并輔以適當(dāng)?shù)乃惋L(fēng)量，保證燃料和風(fēng)以適當(dāng)?shù)谋壤浞只旌腿紵?，并維持穩(wěn)定的爐膛溫度、蒸汽壓力、煙氣含氧量等主要工藝指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上平穩(wěn)控制蒸汽流量，以快速滿足蒸汽壓力變化需求。另外，為了保證爐膛安全，一般使?fàn)t膛壓力維持微負(fù)壓，爐膛壓力太高則會向外噴火，影響安全性和經(jīng)濟性，爐膛壓力太低，則會使冷空氣進(jìn)入，降低經(jīng)濟性。鑒于鍋爐本身的復(fù)雜性，鍋爐過程控制存在以下幾個難點：（1）系統(tǒng)存在

4、嚴(yán)重耦合，如燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力和汽包水位，還會影響過熱蒸汽溫度和煙氣含氧量等。（2）存在不確定時滯，如燃料量的變化對蒸汽溫度、壓力、汽包水位等的影響有不同的滯后，這些時滯的大小還隨著負(fù)荷狀況的改變而改變。 （3）蒸汽需求量的不確定性變化，由于需要供應(yīng)蒸汽的生產(chǎn)裝置較多，裝置內(nèi)發(fā)生不確定性因素導(dǎo)致裝置用汽量的變化頻率較高，隨機性較高，尤其是合成反應(yīng)裝置用汽系統(tǒng)。由于合成反應(yīng)系統(tǒng)對于蒸汽供需變化的突然性強和幅度大等特點，導(dǎo)致蒸汽總管壓力波動較大。 （4）隨機擾動因素多，如燃料品質(zhì)、管路阻力、運行狀況、火焰中心移動及鍋爐受熱面結(jié)垢等，均屬外部隨機擾動因素。因此，鍋爐是一個多輸入、多輸出且變

5、量相互耦合并具有不確定時滯的復(fù)雜控制對象。綜上，根據(jù)開化合成循環(huán)流化床鍋爐的生產(chǎn)運行現(xiàn)狀，采用DCS常規(guī)控制僅實現(xiàn)了基礎(chǔ)控制和安全聯(lián)鎖功能，存在調(diào)節(jié)不及時、不準(zhǔn)確等缺點，從而造成了裝置的波動，增加了消耗。隨著能源成本的上升和國家對于節(jié)能減排要求的提高，企業(yè)急需對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，即在進(jìn)一步完善相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)和檢測儀表的基礎(chǔ)之上，在DCS常規(guī)控制的基礎(chǔ)上采用預(yù)測控制、智能控制、軟測量等先進(jìn)控制策略，并結(jié)合鍋爐生產(chǎn)經(jīng)驗，建立符合開化合成鍋爐運行要求的優(yōu)化控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高鍋爐的自動化控制水平，增強工藝參數(shù)的平穩(wěn)性及生產(chǎn)的安全性，并通過對工藝指標(biāo)的“卡邊”優(yōu)化，提高鍋爐熱效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)

6、。3、 鍋爐優(yōu)化控制方案循環(huán)流化床鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)主要包括鍋爐燃燒系統(tǒng)控制器、給水系統(tǒng)控制器及面向煤耗的燃燒優(yōu)化器等。由于各個控制系統(tǒng)中存在較多的變量關(guān)聯(lián)和耦合特性，因此需要針對各個系統(tǒng)的不同特性建立合適的控制方案，以實現(xiàn)對整個鍋爐的優(yōu)化控制。圖5.1是蒸汽鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 提高蒸汽鍋爐綜合自動化水平和工藝參數(shù)平穩(wěn)性；實現(xiàn)燃燒優(yōu)化、降低煤耗、提高鍋爐運行經(jīng)濟性期望目標(biāo)工況智能診斷與監(jiān)控汽水系統(tǒng)控制器煤耗燃燒優(yōu)化器燃燒系統(tǒng)控制器35t/hr鍋爐45t/hr鍋爐DCS常規(guī)控制系統(tǒng)多變量預(yù)測控制智能控制軟測量 圖5.1循環(huán)流化床鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（1）鍋爐燃燒系統(tǒng)控制的優(yōu)化根

7、據(jù)循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)工藝特點和過程控制需求，采用多變量模型預(yù)測控制和智能控制，建立鍋爐燃燒系統(tǒng)控制器，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)給煤機變頻、一次風(fēng)變頻、二次風(fēng)變頻、引風(fēng)級變頻、冷渣機變頻等操作手段，維持合適的風(fēng)煤比，克服蒸汽需求量的變化干擾，當(dāng)蒸汽需求量發(fā)生變化時，提前調(diào)節(jié)各操作變量實現(xiàn)對蒸汽壓力、爐膛溫度、煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓、料床差壓等工藝指標(biāo)的平穩(wěn)控制，使鍋爐汽包蒸發(fā)量快速滿足負(fù)荷變化的要求，實現(xiàn)化工生產(chǎn)對蒸汽需求量與鍋爐供氣量的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。多變量預(yù)測控制器中，根據(jù)各被控變量的重要性劃分優(yōu)先級，并綜合變量之間動態(tài)響應(yīng)特性和滯后因素，在保證鍋爐運行安全的前提下，通過對各操作變量的協(xié)調(diào)聯(lián)動實現(xiàn)各項工

8、藝指標(biāo)的平穩(wěn)控制，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定運行，提高生產(chǎn)自動化水平，并為優(yōu)化節(jié)能創(chuàng)造條件。（2）汽水系統(tǒng)控制的優(yōu)化汽包水位及除氧器液位、溫度、壓力等是鍋爐運行的重要工藝參數(shù)，需要控制在一定范圍內(nèi)，為鍋爐系統(tǒng)的安全運行提供保證。汽包水位控制器采用多變量預(yù)測控制，根據(jù)汽包水位的變化趨勢，克服用戶對蒸汽需求變化和“假液位”現(xiàn)象等干擾，實現(xiàn)汽包水位的平穩(wěn)控制。除氧器控制器采用多變量預(yù)測控制，根據(jù)鍋爐運行負(fù)荷變化，合理調(diào)節(jié)除氧器給水調(diào)節(jié)閥和蒸汽調(diào)節(jié)閥，有效克服相關(guān)干擾因素，實現(xiàn)對除氧器液位、溫度、壓力等工藝參數(shù)的平穩(wěn)控制。經(jīng)過對蒸汽鍋爐的工藝分析，其主要被控變量（CVs）、操作變量（MVs）、干擾變量（DVs）如

9、下表5.1 控制器被控變量操縱變量干擾變量燃燒系統(tǒng)控制器蒸汽壓力給煤機變頻蒸汽流量爐膛溫度一次風(fēng)機變頻燃煤發(fā)熱量煙氣含氧量二次風(fēng)機變頻爐膛負(fù)壓引風(fēng)機變頻風(fēng)煤比冷渣機轉(zhuǎn)速料床差壓汽水系統(tǒng)控制器汽包水位汽包給水調(diào)節(jié)閥開度蒸汽流量除氧器液位除氧器給水調(diào)節(jié)閥開度除氧器溫度除氧蒸汽調(diào)節(jié)閥開度除氧器壓力表格5.1 燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)優(yōu)化主要變量 以上為鍋爐初步確定的變量，項目實施時將根據(jù)鍋爐實際運行情況進(jìn)行調(diào)整，最終的控制變量以詳細(xì)設(shè)計方案為準(zhǔn)。（3）面向煤耗的燃燒的優(yōu)化在鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化中，以保證爐膛溫度和蒸汽壓力穩(wěn)定為第一優(yōu)先級指標(biāo)，在動態(tài)控制指標(biāo)滿足、操縱變量有自由度的前提下，再優(yōu)化第二級的經(jīng)濟性能

10、指標(biāo)。針對多輸入多輸出鍋爐燃燒過程模型，采用一種包含模型預(yù)測控制在內(nèi)的兩層結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制策略來解決該過程控制問題。基于下層優(yōu)化是基于爐膛溫度和蒸汽壓力帶約束條件的控制性能指標(biāo)的動態(tài)優(yōu)化，上層優(yōu)化是鍋爐熱效率和節(jié)煤等經(jīng)濟性能指標(biāo)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化。（4）爐況智能診斷專家控制優(yōu)化建立鍋爐運行過程實時監(jiān)控和智能診斷系統(tǒng)，通過監(jiān)控關(guān)鍵工藝指標(biāo)的變化、設(shè)備異常事件、鍋爐檢測儀表可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常突變或較大偏差等，及時發(fā)現(xiàn)并給出報警信息并采取濾波剔除或解除優(yōu)化控制、緊急自動處理等措施，避免爐況惡化，為工業(yè)鍋爐的安全、平穩(wěn)運行提供保障。鍋爐熱效率狀況的實時監(jiān)控和智能診斷，首先根據(jù)鍋爐工藝特點，通過工藝計算和回歸分析，

11、建立鍋爐熱效率軟測量模型，在線計算鍋爐熱效率，準(zhǔn)確判斷鍋爐的運行工況，從而為鍋爐的燃燒優(yōu)化提供參考依據(jù)，實現(xiàn)經(jīng)濟運行，熱效率計算基本原理函數(shù)表達(dá)式如下： 式中： 蒸汽流量，kg 蒸汽熱焓，kj/kg 給水熱焓，kj/kg CO2生成量，mol 反應(yīng)生成熱，kj/mol（5）為達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)，先進(jìn)控制要求鍋爐裝置中各主要控制回路必須有性能良好、靈活好用的執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）及精準(zhǔn)的測量儀表，結(jié)合45T爐現(xiàn)有的儀表裝備的現(xiàn)狀，需將45T爐的五臺氣動風(fēng)門執(zhí)行機構(gòu)更換成電動執(zhí)行機構(gòu)四、項目投資預(yù)算：（一）、先進(jìn)控制系統(tǒng)軟硬件費用：序號品名規(guī)格數(shù)量單價（萬元）總價（萬元）1DELL服務(wù)器2.0GHz

12、4核雙CPU；內(nèi)存：16GB；硬盤SAS 500G*2；液晶顯示器：22LED；雙千兆以太網(wǎng)卡1222服務(wù)器操作系統(tǒng)Windows Server 2008中文標(biāo)準(zhǔn)版10.50.52OPC接口軟件中控JX-300XP系統(tǒng)OPC接口軟件1113APC-SuiteV10.0APC-iSYS先進(jìn)控制平臺（V3.0）11010APC-Adcon預(yù)測控制軟件（V10.0）14545APC-Sensor軟測量軟件（V10.0）188小計（萬元）66.5 （二）、先進(jìn)控制系統(tǒng)工程實施費用： 序號工程實施費總價（萬元）備 注1工程實施費31.57個月 （三）、電氣儀表提升費用 序號品名廠家/規(guī)格數(shù)量單價（萬元）

13、金額萬元1電動執(zhí)行器待定5臺152動力電纜待定/380v300米0.53小計5.5 綜上，項目總投資約66.5+31.5+5.5=103.5萬 人民幣（萬元） 五、項目實施周期計劃綜合現(xiàn)場條件及項目實施周期等因素，項目總體進(jìn)度計劃如下：序號項目階段工程進(jìn)度(周)地點負(fù)責(zé)單位1開工會1開化開化合成/中控2現(xiàn)場安裝調(diào)試(軟硬件、OPC接口)2開化開化合成3工程師培訓(xùn)3杭州中控/開化合成4預(yù)測試與常規(guī)回路校正4-5開化開化合成/中控5優(yōu)化控制方案詳細(xì)設(shè)計6-7開化，杭州中控6優(yōu)化控制方案論證8開化開化合成7現(xiàn)場階躍響應(yīng)測試9-10開化中控/開化合成8APC-Adcon模型辨識及論證11-12開化，杭

14、州中控9控制器設(shè)計和仿真13-14開化，杭州中控10優(yōu)化控制切換程序編寫15-16開化，杭州中控/開化合成11現(xiàn)場安裝調(diào)試（控制器）17-18開化中控/開化合成12操作人員培訓(xùn)19開化，杭州中控13優(yōu)化控制系統(tǒng)的投運20-23開化中控/開化合成14優(yōu)化控制系統(tǒng)的完善24-27開化中控/開化合成15優(yōu)化控制系統(tǒng)的移交28開化中控/開化合成16運行考核29-37開化開化合成17效益評估38開化開化合成18項目驗收與鑒定39開化開化合成項目總體實施時間約需7月，運行考核、效益評估和項目驗收時間另計。六、勞動衛(wèi)生及工業(yè)安全1.防電傷害措施電氣設(shè)備應(yīng)采取必要的機械，電氣聯(lián)鎖裝置以防止誤操作。電氣設(shè)備設(shè)計

15、嚴(yán)格按照帶電部分最少安全凈距執(zhí)行。電氣設(shè)備選用有五防設(shè)施的設(shè)備，配電室要嚴(yán)格執(zhí)行工作票制度。在高壓電氣設(shè)備的周圍按規(guī)定設(shè)置柵欄或屏蔽裝置。所有電氣設(shè)備要有防止雷擊設(shè)施并有接地設(shè)施。2.防機械傷害措施所有機械外露傳動部件均應(yīng)加裝防護(hù)裝置或采取其他防護(hù)措施。設(shè)備布置上要有足夠的檢修場地。3.其它防范措施所有鋼平臺及樓梯要采用花紋鋼板或格柵板，以防工作人員滑倒。在樓梯孔平臺等處周圍設(shè)置保護(hù)圍欄，以防高出跌傷。在粉塵含量高的場所安裝通風(fēng)機，已達(dá)到除塵防爆效果。4、勞動保護(hù) （1）在易發(fā)生粉塵飛揚的區(qū)域設(shè)置必要的防塵設(shè)施，降低由于粉塵對工人的健康帶來的影響。 （2）工人的工作場所采取必要的噪聲防治措施，

16、以保護(hù)工作人員的身體健康。 （3）、儀表更換電動裝置及電工牽拉動力電纜時嚴(yán)格按公司安全管理制度佩帶安全冒、安全繩及勞保手套和勞保鞋七、項目建設(shè)目標(biāo)在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上，分別建立35t/hr鍋爐、45t/hr鍋爐的優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括燃燒系統(tǒng)控制、汽水系統(tǒng)控制、面向煤耗的燃燒優(yōu)化控制等。項目主要建設(shè)目標(biāo)總結(jié)如下：（1）在鍋爐正常運行期間，優(yōu)化控制系統(tǒng)的投用率不低于90（工藝系統(tǒng)不具備自控條件的不計算在內(nèi)），降低生產(chǎn)勞動強度，進(jìn)一步提高鍋爐的自動化控制水平，增強工藝參數(shù)的平穩(wěn)性；（2）優(yōu)化控制系統(tǒng)投運后，可提高爐膛溫度、蒸汽壓力、煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓、料床差壓、汽包水位、除氧器液位、除氧器溫度、除氧器壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，與常規(guī)控制相比，關(guān)鍵工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差（波動幅度）降低30%以上；（3）通過實施燃燒優(yōu)化和“卡邊”控制后，提高鍋爐熱效率，鍋爐的噸蒸汽標(biāo)煤消耗比實施前平均降低1.8%；（4）建立鍋爐運行安全保障系統(tǒng)，具有故障診斷和自動切換