★杭州和利时自动化有限公司 刘俊杰

关键词：低压饱和蒸汽加热炉；和利时DCS；燃烧优化；模型预测卡边控制

1　前沿

随着技术的快速发展，环保及可持续发展的意识增强，国家对工业发展提出的创新、绿色、低碳、高效节能新的发展理念，成为各企业发展的重要方向和机遇^[1]。钢铁企业作为社会的基础和支柱企业，更是早已改变以往的粗放管理，都在追求能源高效利用、低碳环保和创新发展的精细化控制模式^[2,3]。从钢铁企业不断加大对生产富余产物的综合利用，到环保设备的大力投入都体现出发展理念的改变^[1-3]。本文介绍的钢铁企业的能源二次综合利用，主要是通过饱和蒸汽加热炉燃烧高炉、焦炉、转炉生产中富余的煤气加热转炉冶炼过程回收的饱和蒸汽，产生过热蒸汽用于高效发电或生产用汽。由于冶炼生产的间歇性特点，其所产饱和蒸汽和煤气的压力及流量存在较大波动，这就导致饱和蒸汽加热炉在燃烧及产汽过程中出现波动频繁、能源利用率低、操作人员劳动强度大等问题。为解决以上问题，本文提出了一种基于和利时DCS的加热炉燃烧优化控制和机炉协调控制方案，可根据生产工艺特点进行各个设备的协调优化自动控制，在实现加热炉的稳定安全运行情况下提高了能源利用率，降低了成本。

2　低压饱和蒸汽加热炉工艺及特点

本文介绍的低压饱和蒸汽发电过程主要是以转炉生产过程中产生的大量饱和蒸汽为原料，通过加热炉加热，形成过热蒸汽送至汽轮机组发电或外生产用汽，其中加热炉所使用的燃料也是钢厂在冶炼过程中产生的富余煤气。广东某钢厂的一台低压饱和蒸汽加热炉工艺流程如图1所示。

图1 低压饱和蒸汽加热炉工艺流程图

低压饱和蒸汽加热炉燃烧煤气来自炼钢生产富余煤气，经过加热炉燃烧，产生高温烟气，加热由转炉生产回收的饱和蒸汽，送至后端汽机发电机组和对外供汽系统。作为能源整合二次高效利用转换的核心设备，整个加热炉以倒“U”字形布置，左侧布置上下两个煤气燃烧器，每个燃烧器配置两个煤气调节阀，分别控制燃烧器中心和外层火焰。通过煤气燃烧产生的高温烟气，与加热炉右侧布置的换热器进行对流换热，最后烟气通过加热炉尾部空预器后由烟道排入大气。转炉生产回收的饱和蒸汽经过加热炉过热蒸汽300℃左右，送至汽轮机组进行发电或对外生产供汽。辅机配置引风机和送风机各一台，用于维持炉膛负压和燃烧氧量。煤气输入管道配置一个煤气紧急放散阀，用于紧急放散煤气使用。饱和蒸汽输入管道配置一个饱和蒸汽放散调节阀，用于放散多余饱和蒸汽。

3　自动控制系统的难点

从工艺和设计角度分析，饱和蒸汽加热炉燃烧富余煤气加热饱和蒸汽产生过热蒸汽，用于发电或外供蒸汽，实现了能源的二次利用。但实际生产中，因为钢铁的冶炼生产过程是间歇性的，其所产生的饱和蒸汽量、煤气量也是随之变化的，加上燃烧状况、过热蒸汽压力和温度以及外部用汽波动等各种因素，导致操作人员需要时刻保持精神高度集中，并对各个设备进行频繁操作，以维持加热炉燃烧的稳定以及产汽温度和压力在要求范围内。例如其中饱和蒸汽流量突然减少，不但对煤气要进行减少调整，还要对送引风等多个设备操作同步进行控制。如果操作不及时，不仅会引起发电负荷降低，甚至会影响整个系统的安全稳定运行及导致设备损坏。如上所述，饱和蒸汽加热炉各个设备运行控制在DCS上操作仅依靠人工操作或简单的自动控制方案无法解决各种不确定因素所带来的影响，对整个机组的稳定运行也有安全隐患。基于以上问题，本文设计了和利时DCS的燃烧优化和机炉协调控制系统，可结合工艺特点协调自动运行各个控制设备，实现了机组的整体安全稳定运行。

4　优化自动控制方案的设计

针对以上问题，本文以广东某钢厂一台额定负荷为60t/h饱和蒸汽加热炉（一台转炉最大产汽40t/h），配置一台9MW的纯凝发电机组，煤气最大用量为2500m³/h的低压饱和蒸汽发电系统为研究对象，深入分析了现场的运行工况及特点，并结合和利时燃烧优化自动控制方案进行了具体控制方案设计，如下文所述。

燃烧系统煤气控制方案：主要以过热蒸汽温度为控制目标，通过控制煤气总操控制上下两层燃烧器的煤气阀门开度调节燃烧煤气量，即燃烧后烟气的温度，最终实现过热蒸汽温度的调节，此部分是加热炉运行控制及整个机组控制的核心环节之一。本文设计的控制方案如图2所示，采用串级PID控制结构，结合和利时优化模型预测卡边和专家变参数功能块，主调以过热蒸汽温度为被调量，副调以煤气流量为被调量，控制设备为上下两层燃烧器4个煤气调节阀。

图2 加热炉煤气控制方案框图

常规PID控制参数基本为固定参数，对煤气量这种非线性波动变化的调节效果较差，因此本方案引入专家变参数控制，根据被调量与目标值的偏差和变化速率进行PID参数的实时调整^[4-6]。但专家变参整控制也只能针对单一被调量的非线性变化进行一定量快速响应，当多个因素影响则无法实现控制器超前或快速响应。因此，本文结合模型预测卡边控制引入热蒸汽温度、煤气流量、炉膛烟气温度、饱和蒸汽流量参数，通过对各个参数进行统计分析、迭代算法形成关系模型，再由模型输出限制和超前指导PID的输出（煤气量目标值），从而实现在煤气量或饱和蒸汽量大幅波动情况下可以快速进行煤气量自动调整，保证过热蒸汽温度稳定。例如当饱和蒸汽流量增加且速率很快，通过模型提前增加主PID输出下限，提高煤气量目标值，可以避免调节延后引起过热蒸汽温度降低较多。其中每个燃烧器的两个煤气阀根据先开中心火焰煤气阀、再开外层火焰煤气阀，关时则先外层后内层的控制方式，保证燃烧火焰的稳定。本方案采取分程方式F2（X）和F3（X）实现。

本方案模型预测F1（X）中主要采用的为循环迭代算法，以大量历史数据进行滚动加权平均为基础，实现输出值预测的算法，其计算公式如下：

注：式1中YC为当前计算周期的预测值，CZ为上一计算周期的计算值，TM为预测采样时间长度，IN为所述实际输入值，QX为所述实际输入值滚动优化的权重系数。

通过引入多个参数之间的短时线性关系，采用长时间大量数据的滚动加权计算，达到预测一定时间内稳定运行理想输出值的范围，用于指导控制器输出。以数据量最少为数小时的采集数据为基础的滚动迭代计算，参数之间的关系模型也随之不断变化，并且也不会因个别数据干扰信号扰动带来错误预测值。参数的统计分析包括对参数的变化速率、变化方向、数值大小进行判断，预测参数变化趋势，提前输出对应阀门的调整量，结合迭代算法推断出最优的阀门开度控制的参考值及卡变控制值。上述算法均采用和利时DCS软件MACSV6中集成的强大功能块编辑功能，借助ST和CFC语言等丰富灵活的编程语言方式，将控制方案逻辑编辑封装成独立功能块，便于项目中的快速应用及不断积累迭代更新。

送风系统控制方案：采用PID串级控制，主调以加热炉烟气含氧量为被调量，副调以送风量为被调量^[4]。结合煤气流量与送风量为参数优化模型的预测卡边控制及前馈控制，实现煤气量波动时保证送风量的快速调整，避免因炉膛温度过高导致过热器烧毁，或风量过大或调整不及时引起灭火等问题。

引风系统控制方案：采用常规PID控制，以炉膛负压为被调量^[4]，增加送风量前馈控制，实现超前同步协调控制，抑制煤气量突变引起送风快速调节导致负压波动。

饱和蒸汽放散阀控制方案：此部分是整个加热炉控制的另一个重要核心，以过热蒸汽压力为调节目标，控制其阀门开度放散掉不合格或过多的饱和蒸汽量，维持过热蒸汽压力和温度稳定。在本方案中采用的PID控制基础上，引入以上相关各个相关参数的统计关系模型及仿人工控制优化算法，进行PID输出的卡边和前馈控制，以及专家变参控制，可实现饱和蒸汽放散阀根据不同运行状况及时快速调整。控制方案框图如图3所示。

图3 饱和蒸汽放散阀控制方案框图

此部分虽然以过热蒸汽的压力为被调量，但同时要兼顾发电负荷、饱和蒸汽压力、过热蒸汽温度、主蒸汽门前温度等参数的变化趋势及范围，不但需要保证饱和蒸汽压力稳定，还要兼顾上面各个参数的运行在安全稳定范围内。例如当饱和蒸汽压力过高且仍在上升，说明饱和蒸汽量过多，后续要减少过热蒸汽用量，需要打开放散阀，放散掉多余的饱和蒸汽，避免压力过高损坏设备。再如过热蒸汽温度过低且仍在下降趋势，说明可能煤气量不足或饱和蒸汽量过大，需要打开放散阀，放散掉一部分饱和蒸汽，维持过热蒸汽温度，保证后续汽轮机进汽温度满足运行要求。

汽轮机发电部分控制方案：主要由DEH进行控制，采用定压模式运行，以机前压力为控制目标，当压力高时发电负荷也自动增加，反之减少发电负荷目标。机前压力与过热蒸汽压力管道联通，过热蒸汽压力由饱和蒸汽放散阀与煤气调节阀配合完成主要调节控制，机前压力由DEH进行相对缓慢的变化进行调整，机炉配合协同控制，不仅稳定了饱和蒸汽加热炉的运行状况，还使得汽机机组能在较高的效率下运行。

上文列出的各个控制回路虽然描述相对独立，但实际调节过程中各个回路之间也是需要协调配合。例如在快速调节饱和蒸汽放散阀时与煤气阀也是配合协调同步控制，因后续无减温减压调节，当过饱和蒸汽突然增加，热蒸汽温度下降过快，在判断蒸汽温度过低时，需要打开放散阀，减少饱和蒸汽量，并及时增加煤气量，煤气阀输出参照模型预测输出值，保证温度输出正常，同时送引风也会随之同步协调调整。当机前压力升高，汽机DEH收到增加负荷指令，及时调整负荷，稳定机前压力，当机前压力过高或者发电负荷到上限时同样需要打开放散阀及减少煤气量，保证机组安全运行。另外如果后续汽机进汽前没有减温减压环节，其加热炉产生的过热蒸汽压力和温度的稳定尤其需要煤气流量阀和饱和蒸汽阀的互相紧密同步控制，抑制煤气量和饱和蒸汽的波动对蒸汽的影响。所有设备之间需要互相协调控制，才能实现整个饱和蒸汽发电机组的安全稳定和高效运行，以及二次能源的充分利用。

5　优化控制方案的应用

采用上文所述的燃烧优化和机炉协调控制方案，现场实际应用验证效果及运行数据分析情况如图4、图5所示。图4为煤气流量优化控制趋势图，主要通过控制燃烧煤气流量调节过热蒸汽出口温度，红色为温度目标值294℃，绿色为温度实际值。当饱和蒸汽流量突增（天蓝色），导致过热蒸汽温度下降时，优化控制通过模型预测前馈和卡边控制对煤气量（黄色）进行快速超前控制，且对输出量进行限制，避免增加过多。

图4 加热炉煤气流量优化控制趋势图

图5为机前压力优化控制趋势图，红色为机前压力目标值0.71MPa，绿色为压力实际值。在过热蒸汽压力或煤气量等因素导致机前压力波动时，通过自动调整发电负荷（天蓝色）维持发电机组的安全运行。随着压力的变化，及时调整发电负荷量，充分转换利用富余煤气和饱和蒸汽的能量价值。

图5 机前压力优化控制趋势图

在采用基于和利时DCS的加热炉燃烧优化控制和机炉协调控制方案后，整个低压饱和蒸汽加热发电机组的自控率可长期运行在95%以上。采用标准偏差计算方式，统计分析相关运行重要参数24小时的实时数据分析结果如表1所示，重要参数的波动幅度均有大幅下降，可长时间稳定运行。

表1 系统重要参数波动情况统计分析表

在采用优化控制方案后，粗略估算单位煤气发电功率提高1%以上，炉膛负压和氧量控制因调节不及时，导致灭火情况降低70%以上，运行操作人员劳动强度大幅降低，操作人员每班组人数相应减少。

6　结束语

通过应用本文所述的低压饱和蒸汽发电优化自动控制方案，进一步提高了钢铁企业丰富余热资源及富余煤气的综合利用生产控制的自控率，达到了可长期自动运行、控制参数合格稳定的要求，不仅实现了能源高效综合利用、节能减排、改善环境，并且对钢铁企业的能源充分转换利用和生产成本的降低都具有非常重要的意义。希望本文能对同类能源综合利用项目的自动化控制提供一定参考。

作者简介：

刘俊杰（1986-），男，河北石家庄人，高级工程师，硕士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化和锅炉燃烧优化控制。

参考文献：

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[2] 张晓东, 等. 低压饱和蒸汽过热技术的探讨与应用[J]. 化学工程与装备, 2017 (10) : 161 - 163.

[3] 轩福杰, 等. 基于和利时DCS的煤气锅炉发电机组负荷优化控制方案应用[J]. 2023, 40 (03) : 72 - 75.

[4] 文群英. 热工自动控制系统[M]. 北京: 中国电力出版社, 2019.

[5] 白志刚. 自动调节系统解析与PID整定[M]. 北京: 化学工业出版社, 2012.

[6] 刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2016.

摘自《自动化博览》2023年10月刊