熱電廠給水母管壓力優化控制系統及應用*

叢經緯 趙東曉 宋祎（揚子石油化工有限公司熱電廠）

引言

熱電廠并列運行鍋爐給水通常采取的是給水泵并列母管制運行模式。在整個母管制給水系統中，鍋爐熱給水母管的壓力是最重要的參數之一，必須維持在理想數值。若母管給水壓力太低，可能會造成鍋爐斷水的嚴重事故；而若給水壓力太高，則給泵的電流會大大增加，給泵的電耗明顯增加。目前熱電廠給水母管壓力控制中往往存在自動投入率低、母管壓力波動大，以及母管壓力定值設置不合理，造成廠用電率高等問題。因此，同時從提高參數調節品質和節能降耗兩個方面入手，研究開發給水母管壓力優化控制系統，對于進一步提高并列運行機組的安全性和經濟性都具有重要意義。

國內針對該問題已經開展了部分工作。給出一種給水母管壓力的變增益調節方法，但未考慮給泵運行組合方式和給水母管壓力定值的優化問題[1]；雖然對熱電廠給水系統的節能問題進行了分析，但未能給出對給水系統進行優化的具體方法，也沒有實現與控制系統的結合[2]。

筆者在進行深入分析的基礎上，研究開發了一種基于多變量復合平衡協調策略的給水母管壓力控制系統，并針對給水系統的節能問題開發了運行優化專家系統，實現了對給泵運行組合方式和給水母管壓力定值的優化。現場應用結果表明，該優化控制策略和系統不但能夠保證變負荷情況下給水母管壓力的穩定，同時能夠顯著降低廠用電率，具有滿意的節能效果。

1 現狀

1.1 概況

某熱電廠母管制給水系統的流程圖見圖1。熱電廠母管制鍋爐給水系統，在實際工程設計與應用中，為了保證負荷最大時給水泵系統滿足輸出要求，通常需要按系統的最大輸出能力配備給水泵系統，而真正使用中，絕大多數情況下并非需要系統在滿負荷下使用，而是根據負載的實際需要，通過流量控制元件如閥門或通過調速改造等實現流量或壓力控制，以滿足生產過程的需要。目前，為了實現給水系統節能，基本上都采用設置部分調速泵等方式，實現系統負荷或壓力的調整。

1.2 存在問題

給水母管壓力無法投入自動控制，只能通過手動操作來維持壓力，給水母管壓力降壓設定值存在一定的盲目性，運行人員手動操作強度大，操作人員全憑經驗進行，極易出現超調、欠調、調節不及時等現象，導致給水母管壓力控制質量差，不利于各給水泵的安全可靠運行及對各臺鍋爐汽包水位的調整，從而影響鍋爐、汽機的安全、經濟運行。

圖1 母管給水系統的工藝流程

2 給水母管壓力優化控制系統

針對上述問題，研究開發一種基于多變量復合平衡協調策略的給水母管壓力優化控制系統。其控制原理圖見圖2。

基本原理：首先根據鍋爐總負荷對給水流量的要求，利用給水母管壓力定值及運行組合方式優化算法，并以給泵總耗電量最低為目標對母管壓力定值進行優化；在此基礎上，采用多變量復合平衡協調控制策略同時控制N臺調速泵的轉速，以維持給水母管壓力的穩定。

為及時消除各種擾動對給水母管壓力的影響，采用狀態空間預測控制算法構成多變量復合平衡協調控制器的核心：

1）該算法可以有效處理多變量控制問題。

2）通過狀態擴增并利用Kalman濾波器進行狀態估計，可以有效消除建模無差和不可測擾動對母管壓力控制效果的影響。

3）通過建立鍋爐總負荷Ne變化對給水母管壓力影響的前饋預測模型，可以實現對前饋控制作用的優化，使變負荷情況下母管壓力更加穩定。母管壓力預測控制算法的目標函數公式為

式中：J為預測控制的性能指標；Np為預測步數；Nu為控制步數；Ps為給水母管壓力定值；P^g為根據狀態空間模型得到的母管壓力預測值；t代表當前時刻；Δu1…ΔuN為N臺調速泵耦合器開度變化量；λ1…λN為控制量加權系數。采用Kalman濾波器估計狀態，并利用狀態空間模型對未來的母管壓力進行預測，之后在每個控制周期對公式（1）進行滾動優化，即可獲得控制量Δu1…ΔuN。

此外，該系統還具有以下特點：

1）將鍋爐總負荷作為控制系統前饋信號。

2）采用復合控制器，將N臺調速給泵共CN種組合狀態融為一個復合控制模塊中，既能單獨設置每臺給泵的控制參數，又能實現投入自動的給泵的任意組合，能夠實現給泵調速功能的最優組合，切實減少給泵耗電量。

3）采用平衡模塊控制器，實現N臺給泵控制指令增量輸出，克服給泵不同開度區間特性不同的缺點。

4）采用給泵快速響應控制，即在鍋爐增減負荷時，若一臺給泵耦合器開度達到上下限，則其余投入自動的給泵立即啟用快速響應功能，加快調節，保持給水母管壓力穩定。

3 給水系統運行優化專家系統設計

3.1 系統功能

運行優化專家系統具備以下功能：

1）實時顯示各臺給泵信息。包括：電流、調速泵出口壓力、計算泵出口流量、泵可調裕量、診斷結論、以及總值等。

2）實時顯示當前壓力再下降0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa時各臺泵的出口流量、增加的裕量以及總的泵可調裕量。

3）給出運行優化指導。運行優化系統診斷結論的依據為：實時計算得出的泵可調總裕量若超出當前相同狀況下運行中最小定速泵X裕量，即當前情況下停運一臺泵后還有X裕量時，即輸出診斷結論提示運行人員可以進行泵運行方式的優化；并根據當前在運鍋爐、給泵的數量和位置，給泵的效率及待載能力，依據直供及系統調整能力最大原則，推算哪臺泵停運最佳。

若當前母管壓力下不具備優化條件，則該系統還具有診斷母管壓力再下降0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa情況下，泵可調總裕量是否能夠滿足優化，優化診斷條件與上述一致。若滿足條件即顯示診斷結論以提示運行人員可以優化。

3.2 系統設計

在實現了“給水母管壓力協調控制”自動運行的基礎上，還需對給泵運行組合方式及母管壓力定值進行優化，實現進一步節能降耗。目前母管制給水泵系統運行和操作的水平還比較低，尤其是在母管壓力定值（運行紅線）的確定以及給泵運行方式優化組合方面通常是按運行經驗確定，存在較大偏差，不利于給水系統節能降耗運行。

降低給水母管壓力定值，既要保證鍋爐運行安全，同時要降低給泵耗電量。降壓運行總體上肯定是節能的，但降壓多少不是與節能效果成正比的。隨著泵出口壓力的降低，較額定出口壓力的偏差增大，出口流量增大，泵的工作點也將偏移，泵的自身效率隨之降低，會消耗一部分節能量，因此泵的選型不宜過大，偏離實際運行工況。給水母管壓力降壓紅線最優值的確定是以廠給泵耗電率最小來尋覓的。

此外，母管制給水系統還具有較大的節能空間，降低廠給泵耗電率的決定因素是優化給水泵運行臺數即運行組合方式。母管壓力下降，給泵流量必然增加，此時泵的功率也會增加。通過“尋優”計算出給水泵優化運行組合方式，給予運行操作人員優化給泵運行的指導建議，從而使最大程度的節約能源成為可能。

給水母管壓力定值及給泵運行組合方式優化的核心歸結為求解以下優化問題[3]：

式中：JP為給水母管壓力定值及給水泵運行組合方式優化的性能指標函數；Ni為第i臺給水泵的耗功；ηi為該泵的效率；ai={0,1}代表某臺定速泵的啟停狀態；Qi為給水母管壓力為Ps時第i臺給水泵的流量；Q(Ne)代表鍋爐總負荷為Ne時所需的給水流量。

表1 優化前后給泵耗電率指標對比

優化公式（2）以M臺給水泵總的耗功最小為優化目標，待優化變量包括母管壓力定值Ps和定速泵的啟停狀態變量ai，因此是一個混合整數規劃問題，并采用遺傳算法對該問題進行求解[4]。

該專家系統不但能夠計算當前壓力下的各臺運行的定速泵的出口流量以及各臺運行的調速泵的出口流量，而且優化診斷算法能夠提供各臺定速泵在當前壓力下降低0.1 MPa或0.3 MPa時增加的流量，以及調速泵具有的調整裕量。以此做為當前運行方式及給泵數量的判斷依據，實時運算判斷當前調速泵總裕量、調速泵總裕量+定速泵出口壓力下降0.1MPa時的裕量、調速泵總裕量+定速泵出口壓力下降0.3 MPa時的裕量，當上述任一情況能夠滿足停運1臺給泵時，則提示運行操作人員及時按此紅線運行，并停運某臺給泵，以達到最大程度的節能。

4 現場應用

4.1 實施步驟

1）進行N臺調速給泵特性試驗，鍋爐給水系統最低容忍給水母管壓力運行實驗。對N臺調速給泵的耦合器開度、電動機電流、母管壓力、給泵出口壓力等參數進行特性試驗，找出每一臺給泵的安全運行區間，以及各參數之間的關系，為控制參數的優化打下基礎。

2）控制系統搭建和控制參數優化。通過調整鍋爐總負荷前饋相關參數，達到鍋爐總負荷變化時及時進行調整，穩定給水母管壓力；調整調速給泵各自的控制參數，達到控制最優化，及時調整開度，穩定母管壓力；調整給水母管壓力設定值，使給水母管壓力設定值降低0.3～0.5 MPa運行；調整N臺給泵各自的運行上下限，根據給泵自身特性及安全高效的運行區間，選擇合理的運行上下限，既保證給泵的安穩節能運行，同時也保證給水母管壓力穩定。

4.2 節電效果

根據某廠提供的生產統計報表，給水母管優化控制系統投用后，實現了系統降壓運行，節能效果顯著，廠給泵耗電率優化效果如表1所示。

5 結論

該文創新提出了一種基于多變量復合平衡協調策略的給水母管壓力控制方法，并在國內首次開發了相應的控制和運行優化系統，使并列運行鍋爐給水系統的經濟運行得到顯著重視和巨大效益。現場應用結果表明，該系統不但能夠保證變負荷情況下給水母管壓力的穩定，而且可以實現對給泵運行組合方式和給水母管壓力定值的優化，從而達到顯著降低廠用電率，節能降耗的目的。