優化控制系統在水泥窯余熱電站上的應用

董偉強

1 余熱發電系統介紹

水泥窯余熱發電系統[1]通常由汽輪發電機系統、余熱鍋爐系統、化學水和循環水系統等構成。余熱鍋爐熱源來自于水泥窯窯頭和窯尾廢氣，整個余熱發電機組是隨動系統，當水泥窯廢氣能量發生較大波動時，余熱電站主要參數亦隨之波動。

常規的余熱發電系統設有DCS控制系統，可實現報警、跳機和聯鎖及一些PID控制功能，如，除鹽水箱水位的聯鎖；汽包水位、熱井水位、給水壓力的PID控制，均壓箱壓力控制；汽包緊急排汽、緊急放水聯鎖；主蒸汽溫度、壓力自動聯鎖控制等。這些功能在工況穩定條件下，能輔助工作人員完成相關操作任務。但水泥窯余熱發電機組負荷多變，常規的DCS控制系統需要工作人員具有豐富的經驗才能完成相關操作，工作強度也比較大。尤其是余熱發電站汽包水位的PID控制，存在汽包水位波動較大的問題，嚴重影響了余熱電站的安全平穩運行。

近年來，隨著余熱發電系統自動化技術水平的提高，引入優化控制系統后，為余熱電站的少人值守或準無人值守打下了基礎，降低了操作人員的勞動強度。

2 優化控制系統介紹

2.1 優化控制系統構成

優化控制系統由優化控制器、優化工作站和優化控制策略構成，如圖1所示。

圖1 優化控制系統構成

優化控制系統基于優化控制器強大的運算能力，可以實現一些復雜算法，如解耦控制、超前控制、預測控制和模糊控制[1]等先進控制算法；可以實現多個優化控制子系統的并列運行和多個優化控制回路同時工作；可以實現優化控制策略[2]的在線修改，且修改時對系統的干擾小。

水泥生產線窯頭和窯尾鍋爐汽包水位采用的控制策略，是基于串級+前饋的變參數調節的控制策略（見圖2、圖3）。熱井水位和主給水定壓調節控制采用的是單沖量PID參數調節的控制策略（見圖4、圖5）。

圖2 窯頭鍋爐汽包水位控制策略

圖3 窯尾鍋爐汽包水位控制策略

圖4 熱井水位控制策略

圖5 主給水壓力控制策略

2.2 優化控制系統與DCS控制系統的關系

優化控制系統從DCS控制系統獲取相應數據，通過算法計算出最優控制參數，再返回DCS控制系統實現最優控制。當優化系統出現問題時，可與DCS系統安全解離，不影響DCS系統的正常運行。

3 優化控制系統的應用

3.1 優化控制系統調節回路

優化控制系統控制回路主要有窯頭余熱鍋爐汽包水位優化控制回路，窯尾余熱鍋爐汽包水位優化控制回路，窯頭、窯尾余熱鍋爐汽包水位協調控制回路，熱井水位優化控制回路，除氧器水位優化控制回路，給水壓力優化控制回路，主蒸汽溫度優化控制回路，冷凝器循環水出口溫度控制回路等。這些調節控制回路在水泥窯余熱發電控制系統上的應用，能更好地實現余熱發電系統的平穩運行，實現余熱發電系統的少人值守或準無人值守。

3.2 優化控制系統的實際應用案例

以某水泥窯余熱發電項目為例，將優化控制系統運用于窯頭窯尾汽包水位、熱井水位、主給水壓力的調節控制回路，其控制效果對比如下：

（1）汽包水位控制效果對比

如圖6、7所示，紅色線為汽包水位[4]，藍色線為汽包水位設定值，綠色線為調節閥開度。從圖可知，優化控制系統投入前，DCS系統使用PID控制鍋爐汽包水位，鍋爐汽包水位可以在一定程度上得到控制，但鍋爐汽包水位存在波動，且存在調節閥指令變化頻繁的情況，影響了執行器的使用壽命，操作人員的勞動量也較大。優化控制系統投入后，鍋爐汽包水位變化范圍明顯縮小，且汽包水位調節閥指令變化幅度和變化次數顯著減少，不僅有益于延長執行器使用壽命，而且還降低了操作人員的勞動強度，減少了余熱發電系統因汽包水位變化導致的系統跳停次數，提高了系統運行的穩定性。

圖6 優化控制前鍋爐汽包水位變化情況

圖7 優化控制后鍋爐汽包水位變化情況

（2）熱井水位優化控制效果對比

從圖8、9所示，紅色線為汽包水位，藍色線為汽包水位設定值，綠色線為凝結水泵給定頻率。從圖可知，優化控制系統投入前，DCS系統自動控制熱井水位，熱井水位存在一定波動，凝結水泵變頻指令變化頻繁，影響了凝結水泵變頻器的壽命，而且操作人員的勞動量也較大。優化控制系統投入后，熱井水位變化范圍明顯縮小，且凝結水泵變頻器變頻指令變化幅度和變化次數顯著減少，不僅有益于延長凝結水泵變頻器的壽命，而且還降低了操作人員的勞動強度，提高了系統運行的穩定性。

圖8 優化控制前熱井水位變化情況

（3）主給水的壓力控制效果對比

如圖10、11所示，紅色線為汽包水位，藍色線為汽包水位設定值，綠色線為給水泵給定頻率。從圖可知，優化控制系統投入前，鍋爐汽包水位變化時，由操作人員手動控制給水壓力，控制給水泵頻率，主給水壓力因受給水系統干擾而發生較大幅度的變化，不利于整個系統的安全穩定運行。優化控制系統投入后，系統發生干擾時，主給水壓力能夠得到及時控制，主給水壓力的變化范圍相比優化控制系統投入前有明顯縮小，整個余熱電站水系統的穩定性得到提升，操作人員的勞動強度大幅降低，為余熱電站少人值守或準無人值守打下了堅實基礎。

圖9 優化控制后熱井水位變化情況

圖10 優化控制前主給水壓力變化情況

圖11 優化控制后主給水壓力變化情況

4 結語

綜上所述，水泥窯余熱電站引入優化控制系統后，可以減少操作人員，同時降低操作人員勞動強度，符合余熱電站未來發展方向和業主對余熱電站智能化控制要求，能夠實現減員增效。該系統可用于BOT余熱電站并產生直接效益，同時滿足國內余熱電站EPC項目業主的智能化要求，有利于市場上新項目的開發。