1　项目背景介绍

富锦象屿金谷生化科技有限公司是一家年产60万吨的玉米加工企业，主要产品是玉米淀粉、玉米胚芽油以及饲料等农副产品，其自备电站配置2×155t/h高温高压循环流化床锅炉+1×CB18MW抽汽背压式汽轮发电机组+1×C12MW抽汽凝汽式汽轮发电机组，自备电站担负着为玉米加工主装置提供稳定电力供给与高品质蒸汽供给的双重任务。由于全厂是孤网运行，电力负荷的波动比较大，再加上玉米烘干塔的特殊工艺，短时间蒸汽负荷的波动达到10t/min~25t/min，且波动比较频繁，人工调整时经常出现调整不及时，或者出现过调与欠调现象，导致主蒸汽压力波动比较大。另外由于锅炉是母管制运行，2台锅炉本身也会发生燃烧振荡，炉间互扰的问题，控制属于强耦合，所以为了保证主装置生产稳定与安全，运行操作人员只能频繁手动调节锅炉负荷以满足外界电负荷与热负荷的波动，但是劳动强度较大，而效果却不理想。

2　和利时的解决方案

由于自备电站的DCS系统为西门子系统，在不改变原DCS系统结构并保证原DCS系统的独立性与稳定性的前提下，和利时针对用户自备电站的实际问题，增加一套热电行业APC优化控制系统，采用OPC外挂的方式与西门子DCS系统进行通讯对接。实现对给水控制、减温水控制、引风控制、一次风控制、二次风控制、给煤机控制的自动调节，在锅炉负荷30%~110%之间可以实现全自动调节。2016年9月和利时的工艺专家与调试工程师进驻现场，依次完成了通讯调试与对接，DCS侧切换逻辑的修改，工艺数据的采集与建模，单台锅炉各回路的自动调试，全厂母管协调控制的调试，最终项目在2016年12月全部调试完成并交付用户使用，很好的解决了该厂存在的实际问题，实现了母管制机组在出现锅炉产汽与外界用汽之间不平衡时，达到快速稳定蒸汽母管压力的目的，实现锅炉汽水系统、配风系统、给煤系统的全自动运行与燃烧优化，实现了节能减排的目的。

3　和利时热电行业APC优化控制系统主要功能介绍

和利时热电行业APC优化控制系统是对锅炉燃烧自动的先进控制，是对母管制运行机组的协调控制，它的主要功能包括：

（1）实现锅炉的全自动运行（包括汽水系统、配风系统、给煤系统等），将自动控制参数控制的更加平稳，保证锅炉的正常运行，将操作员从繁重的监控中解脱出来。

（2）涉及锅炉效率的重要参数压红线运行（如主汽压力、主汽温度、床温、氧量等），提高锅炉效率。

（3）自动优化风煤比，以适应煤种的变化，保证燃烧的充分性，降低锅炉损失（如排烟损失、机械未完全燃烧损失等），提高锅炉效率。

（4）燃料预测优化控制，稳态情况下提高控制精度，外界扰动时大幅度提高响应的快速性和稳定性。

（5）母管制锅炉负荷优化分配控制，实现锅炉产汽与外界用汽之间的相对平衡，对全厂锅炉的负荷进行优化分配，稳定母管压力，使得综合效率得到优化提高。

4　和利时热电行业APC优化控制系统关键技术介绍

锅炉的燃烧过程是一个极其复杂的化学过程与物理传热过程，锅炉的燃料量、送风量、引风量的控制具有强耦合、非线性、多变性、大滞后等特点，所以整个燃烧系统的控制必须协调控制才能保证锅炉负荷、压力、氧量、温度、负压的稳定。针对锅炉燃烧系统的这种特殊性，APC优化控制系统的研发集成了多变量自适应控制器、智能仿人工控制策略、预测控制、模糊控制、自动寻优、反馈校正等核心技术，真正实现了锅炉在正常工况与异常工况下的全自动运行。优化控制系统输入输出原理图如图1所示。

图1 APC系统输入输出原理图

4.1　多变量自适应优化控制器

多变量自适应优化控制器（HiaP）是基于数学控制理论研发的，与传统PID控制思想类似，但其性能却远高于传统PID，具有多变量输入、参数模型在线自适应、计算效率高等特点。特别适用于燃料控制回路，因为锅炉的入炉燃煤的成分（灰份、水份、硫份、挥发份等）是时刻在变化的，并不是单一化学原料，所以当煤质发生变化时，整个燃烧过程就会发生变化，如果参数模型不能自动适用煤种的变化，那么燃料回路的调整就会偏离实际需要的状态。

所以引入多变量自适应优化控制器（HiaP）可以很好地解决煤种发生变化的自适应调节，具体自适应优化控制器的数学模型及传递函数如图2所示。

图2 自适应优化控制器（HiaP）数学模型及传递函数

4.2　智能仿人工控制策略

该项技术是为适应工业现场而开发的，主要有2个功能，包括：

（1）解决现场设备由于存在缺陷，设备特性异常投自动的问题。因部分设备存在控制非线性、死区大、执行机构反应不灵敏等现象，我们模拟人工操作，克服非线性、死区大等问题，使有缺陷的设备依然能够投自动。

（2）解决燃烧系统反应滞后的问题。系统设计了仿人工智能加速回路，模拟人工操作、先使系统超调，然后再迅速拉回，大大缩短了响应时间。具体常规控制与APC控制的调节曲线以及调节时间对比如图3所示。

图3 常规控制与APC控制的调节曲线与调节时间对比

4.3　自动寻优送风调节系统

锅炉的燃烧效率与锅炉的氧含量有直接的关系，在散热损失与灰渣显热损失相对不变的情况下，如果氧量过低，排烟损失q2虽然较低，但是机械未完全燃烧损失q4却很高，总体效率还是较低。如果氧量过高，排烟损失q2明显增高，即使机械未完全燃烧损失q4较低，但是总体效率依然较低，具体氧含量与锅炉效率损失可用图4所示的曲线表达。

图4 锅炉效率与氧量对应关系图

从图4中可以肯定的是，燃烧过程中存在一个最佳氧含量，使得q2+q4最小。基于这个理论，我们在系统中植入自动寻优模型，在燃煤热值相对稳定的情况下自动启动寻优程序，根据预先设定的寻优步长与寻优时间来完成寻优过程，进而找到最佳风煤配比系数K1,利用优化系数K来修正送风调节回路，使得锅炉效率最高。当煤种发生变化，使得燃煤热值超出相对稳定区域时，系统将再次自动启动寻优程序，在最短的时间内寻找最佳风煤配比系数Kn，通过该系数指导送风调节回路，将系统重新调整到最高效率的状态。

4.4　燃料预测优化控制

在燃烧系统进入相对稳态时，即同时满足下列条件：

· 主蒸汽压力设定值与测量值调节偏差小于0.02MPa；

· 主蒸汽流量设定值与测量值调节偏差小于2t/h；

· 锅炉含氧量设定值与测量值调节偏差小于0.5%；

· 锅炉床温设定值与测量值调节偏差小于3℃；

当4个条件同时满足时，系统判定锅炉已经进入相对稳态，此时系统自动记忆当前的主蒸汽流量和煤量，并自动计算预测单位煤量产汽率F0，并且F0是连续滚动优化的动态数据。通过单位煤量产汽率F0指导煤量控制，既保证了系统稳态时调节的稳定性，又增加了系统响应外界负荷的速度和准确度。

4.5　锅炉运行模式控制策略

一般情况下锅炉燃烧控制主要调节锅炉出口压力，并不响应汽机、临炉、供热的负荷变化以及母管压力的波动，所以锅炉燃烧之间容易发生互扰与震荡，母管压力控制无法实现解耦。而APC优化协调控制模式下，不但要控制本炉的出口压力，还要进行锅炉与汽机的智能解耦，优化分配锅炉负荷，两种模式的对比简图如图5所示。

图5 单炉模式与协调模式对比图

4.6　智能母管协调专家系统

智能母管协调专家系统是建立在对现场母管制机组工艺过程进行研究的基础上的，更是建立在对主蒸汽母管结构参数，母管上锅炉、汽机以及热用户阵列方式进行数学建模的基础上的。根据管道损失K最低原则，智能分配各台锅炉的权重系数。

其中，沿程阻力K=8λl/(π2gd5) 由此公式得出，阻力K与管道长度L成正比与管道直径的5次方成反比。

所以整个系统是按照“就近原则”设计的，减少蒸汽在母管内的横向流动，减少管道阻力损失，实现快速响应并消除扰动因素，稳定母管压力的目的。

5　项目为用户实现的效益分析

富锦象屿金谷生化科技有限公司投入和利时APC优化控制系统前的手动控制模式与投入APC优化控制系统后的优化控制模式的重要参数及性能指标对比如表1所示。

表1 手动控制模式与优化控制模式参数与指标对比

经过初步估算，和利时APC优化控制系统在富锦象屿金谷生化科技有限公司投入以后带来的经济效益包括：

· 产汽标煤耗节省（以5000大卡标煤折算）≥1.32kg/t。

· 直接经济效益估算（ 一年按3 0 0 天算，锅炉平均负荷按照130t/h算、标煤按500元/t算）≥1.32×130×2×24×300×500元/t=123.55万/年。

和利时APC优化控制系统投入以后带来的社会效益包括：

· 降低运行操作人员的劳动强度；

· 投入优化后的减员增效；

· 参数控制稳定后减少金属管道的蠕变冲击，延长设备寿命。

6　项目实施意义

随着工业规模的迅速扩大，行业竞争的日趋激烈，用户对于设备的安全性、工艺的稳定性要求越来越高，简单的靠提高操作人员操作技术水平，既增加劳动强度又无法快速地保证生产的供需平衡，和利时热电行业APC优化控制系统利用先进的多变量自适应控制器、智能仿人工技术、预测控制技术、模糊控制技术、自动寻优技术、智能母管协调技术等实现了对富锦象屿金谷生化科技有限公司自备电站的优化控制，解决了用户电负荷与热负荷波动大，工艺参数波动频繁的问题，降低了操作人员的劳动强度，提高了工艺参数的控制稳定性和锅炉效率，实现了节能减排的目的，为企业和用户带来双赢。

精彩对话

杭州和利时自动化有限公司热电行业部副总经理 李福军

自动化博览：和利时能够为能源管理行业提供哪些产品或者解决方案？其具有怎样的特色？

李福军：和利时能够为能源管理行业提供的产品包括：针对电力行业、化工行业、食品医药行业的APC系统（先进过程控制），针对压缩机的ITCC系统（透平压缩机综合控制）以及针对全厂能源管控平台的MES系统（制造企业生产过程执行系统）。

在功能上，和利时的APC系统不仅具备了常规APC系统具备的建模、传递函数、发动辨识功能，还具有反馈校正功能，用于修正由于传递函数偏差造成的控制对象调节偏差。在技术上，和利时工艺专家通过多年经验的积累，在APC系统内嵌入了针对各行业以及不同装置工艺特点、难点的解决方案用来解决复杂工艺的控制问题。针对热电行业的核心解决方案包括：锅炉燃料自适应控制策略、锅炉送风自动寻优控制策略、汽水系统大数据自学习控制策略、智能母管协调控制策略等。

和利时的ITCC解决方案，在系统平台方面采用了和利时自主研发的SIL3级安全仪表系统，该系统是中国第一套拥有独立自主知识产权的系统。针对压缩机系统的核心解决方案包括：转速控制策略、防喘证控制策略、负荷分配控制策略、保护联锁以及退守策略等。

自动化博览：和利时近年来在能源管理行业发展情况如何？您感受到能源管理市场正在发生着哪些变化，呈现出哪些特点？

李福军：近年来随着经济竞争越来越强烈、国家节能减排的力度越来越大、劳动力成本越来越高，企业对于节能减排与能源管理的意识越来越强，一方面追求投入与产出比追求更高的效益，另一方面通过配套能源管理项目实现减员增效。五年前企业对DCS控制系统的要求是能够实现基本的集中控制、远程操作以及联锁保护等，但近年来企业除了基本的DCS系统外，还配套APC优化控制系统、MES厂级能源管理系统，实现对工艺、能源的综合管理，尽可能为企业提供增值利润点，企业对能源管理的需求越来越普遍。

自动化博览：请您谈谈和利时如何看待中国能源管理行业的未来前景？

李福军：未来在国家经济形势严峻、环保持续高压、煤炭资源逐渐紧缺、劳动力成本越来越高的大背景下，企业必须主动挖掘增值利润点，通过各种能源管理项目助力企业实现节能减排、减员增效的目的，同时，能源管理行业将会被推向高速发展的轨道。另外，对于清洁能源项目（风力发电、太阳能光热发电）、分布式能源项目、智能城市供热项目、智慧工厂项目等将会得到国家的大力支持与推广，目前这些领域还处于摸索阶段，未来中国能源管理市场会呈现爆发式的增长态势。

摘自《自动化博览》2017年10月刊