文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）03-082-04中图分类号：TP273

★雷云飞（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司，宁夏灵武750415）

关键词：化工装置；锅炉控制；先进控制；全自动优化控制

1　前言

大型煤化工装置动力站共有10台煤粉炉、8台汽轮发电机组及9个压力等级蒸汽管网，其中4台锅炉为带再热系统600t/h锅炉，6台锅炉为不带再热640t/h锅炉；蒸汽管网系统压力等级多，管网系统中还混入化工区余热回收蒸汽，减温减压操作非常复杂。生产过程中各主要生产用汽压力、温度控制皆不稳定，母管制运行的情况下，锅炉、汽机、管网等复杂系统相互影响。

对于多压力等级存在的蒸汽管网，锅炉本身、锅炉炉群和蒸汽管网都是复杂的耦合系统，锅炉负荷-给煤-制粉-送风-引风-蒸汽母管高度关联。当系统发生扰动或某个用户生产装置的升降负荷，都会造成这个多炉多管网大系统的波动，进而也影响到主生产装置的稳定运行。现场虽然单炉有自动控制，但是对于整个蒸汽管网运行时无法达到所需要的控制指标，不断进行大范围的加减负荷，压力控制曲线如图1所示。

图1  蒸汽母管压力控制曲线

2　研究内容

根据锅炉特点，本研究从现场设备、仪表现状及操作人员水平出发，构建了动力站“多炉多机多等级蒸汽管网”控制优化系统，开发了适用于锅炉燃烧、脱硫脱硝、多等级母管制蒸汽减温减压等工艺流程的先进控制算法，解决了复杂工况下多变量耦合、大滞后、时变等控制难题。

本研究的研究思路如图2所示，通过实现所有系统的全自动优化控制，使各生产装置达到最经济化运行。本研究实现的先进控制回路和优化控制回路如下（包括但不限于）：

（1）锅炉负荷先进控制与协调优化控制及给煤优化控制；

（2）多炉多机多等级蒸汽管网大系统协调优化控制；

（3）计划性升降负荷智能操作模块。

图2  研究思路

3　锅炉负荷先进控制与协调优化控制及给煤优化控制

3.1　研究内容

3.1.1　汽包水位优化控制

该回路采用了带有燃烧因素专家算法的三冲量控制算法。所谓燃烧因素是指当锅炉升降负荷时必须以调整炉膛燃烧强度为前提。RASO系统建立了能表征炉膛燃烧强度的前馈算法，并把它引入到经典三冲量控制模型中，进一步提高了该回路的抗干扰能力和汽包水位的控制精度。其具体方案框图如图3所示。

图3  汽包水位优化控制原理

该方案所设计的水位设定值可随锅炉负荷高低实时变化，有助于提高锅炉运行安全稳定性。

3.1.2　主汽温度优化控制

该回路采用了带有燃烧因素前馈算法的主汽温度-减温水流量-减温水阀串级控制算法，也可采用带有汽温扰动观测器算法的主汽温度-减温水阀单回路控制算法来达到较高精度的主汽温度控制。该方案考虑锅炉在低负荷运行工况下汽温可能会偏低，将造成母管温度偏低的情况，为此设计了多炉协调算法，即经过模型计算后可通过提高其他锅炉蒸汽温度设定值用以平衡母管汽温。其具体方案框图如图4所示。

图4  主汽温度优化控制

专家算法通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取6个部分构成，如图5所示。专家系统的体系结构随专家系统的类型、功能和规模的不同而有所差异。

图5  专家算法原理

3.1.3　锅炉负荷-给煤优化控制

该回路通过控制各给煤机变频指令实现对本锅炉负荷的控制。操作人员设置锅炉基本负荷控制点和本台锅炉负荷的优化运行区间，多炉协调优化模型可根据母管压力波动情况对基本负荷控制点进行修正，同时调整给煤量、给煤机变频指令，燃料气掺烧及废液掺烧量变化时相应修正给煤量控制点，一次风、二次风、引风及汽水系统控制回路都将进行相应调整。其具体方案框图如图6所示。

图6  锅炉负荷——给煤优化控制

该方案还设计了针对锅炉某台磨煤机事故跳闸时的煤量处理模型、给煤量自寻优模型以及应对各磨煤机性能不同的智能偏置算法。

3.1.4　一次风优化控制

该回路通过磨煤机热一次风挡板实现锅炉各磨煤机一次风量控制。其具体方案框图如图7所示。

图7  一次风优化控制

每台磨煤机一次风量的控制点等于各磨煤机煤粉流量乘以设定的风煤比，一次风测量信号中还包含控制风温的冷风量，风温控制回路为单回路PID。

3.1.5　二次风优化控制

该回路通过控制二次风挡板实现锅炉烟气含氧量在各种工况下的控制点浮动和精确控制，从而保证锅炉的经济燃烧。其具体方案框图如图8所示。

图8  二次风优化控制

二次风量控制点模型包含三部分：基本二次风量、氧量补偿风量（优化启动前以固定氧含量控制二次风量，氧量控制点是经过优化而浮动的）、二次风优化风量（在煤质、负荷、仪表精度等发生变化时自动计算风量的增量修正二次风量，从而达到经济燃烧）。

3.2　研究结论

锅炉各控制回路实现全自动优化控制，且自控率达到100%。负荷控制回路、主汽温度控制回路、汽包水位控制回路、炉膛负压控制回路、一次风压控制回路、烟气氧量控制回路、制粉系统回路均实现全自动运行，自控率可以达到100%。

4　多炉多等级蒸汽管网大系统协调优化控制

4.1　研究内容

现场蒸汽管网系统压力等级多，包括九个压力等级，管网系统中还混入化工区余热回收蒸汽，减温减压操作非常复杂。生产过程中各主要生产用汽压力、温度控制皆不稳定，母管制运行的情况下，锅炉、汽机、管网等复杂系统相互影响，给后续化工装置的长周期安全稳定运行带来一定影响。

（1）根据蒸汽用户总负荷、锅炉的燃料-负荷特性曲线和各炉炉况智能动态确定各台锅炉出力，并使锅炉在满足总负荷需求的前提下总用煤量进一步减少；

（2）当某种干扰使蒸汽母管压力发生波动时迅速使一台或若干台调节炉的负荷、给煤机、送风机、引风机同时动作以最快速度稳定蒸汽母管压力，即多炉协调优化功能。

4.2　多炉协调优化算法

若干台锅炉运行产生11.5MPa高压蒸汽汇入母管，母管蒸汽压力是时刻都在波动的，锅炉的运行变化、汽机发电负荷的调整、各个压力等级用汽客户的负荷变化都会导致母管压力的波动。母管压力的稳定主要靠锅炉负荷以及汽机发电负荷的快速与精准调整来维持。本方案基于炉跟机运行模式来设计：即负荷优化分配模型根据干扰大小快慢以及各炉当前状态智能决策充当调节炉的锅炉的台数以及各自承担的最佳负荷调整量，各炉的先进控制与优化控制模型负责快、准、稳、优地把负荷调整指令执行到位。管网图与锅炉炉群关系简画如图9所示。

图9  多等级管网与锅炉炉群关系

4.3　项目研究结果

通过曲线对比，BCS优化控制相对于DCS集散控制更加地平稳，控制对象运行更加稳定。

在BCS控制模式下，要求控制精度达到R±0.15MPa（90%时间），设定值为11.65MPa；要求范围为（11.50~11.80MPa）压力处于要求范围时间在24小时内，测试时母管压力平均值为11.65MPa，最大值11.78MPa，最低值11.50MPa；蒸汽母管压力控制精度达到R±0.15MPa（90%时间），波动范围收窄55%以上。

5　计划性升降负荷智能操作模块研究

5.1　研究内容

锅炉在生产过程中经常受到外界工况的影响会发生快速升降负荷。在快速升降负荷发生时，会出现锅炉整个炉况的变化，增加快速升降负荷模块，该模块通过当前负荷和目标负荷的偏差及时调整煤量，在调整煤量的同时，设定完成调整时间，计算出需要调整的煤量，而不是一味儿地进行加减煤或者是大幅度的加减煤。计算的结果可以比较平滑的输出煤量，满足工况的升降负荷。在调整过程中，该模块的输出还要跟踪氧量、炉膛压力、主汽温度和主汽压力的变化，不能一味儿地快速调整煤量。当氧量、炉膛压力等一系列锅炉运行数据发生较大的变化时，对应的控制回路也要做好相互协调。

5.2　负荷调整和氧量修正控制策略

锅炉在负荷模式下，进行负荷快速调整，计算出煤量对应负荷的多少再进行逐步地调整煤量输出。煤量输出的同时，风机也要进行相应的调整，当煤量输出到一个阶段后就开始慢慢地调整煤量。风机控制需要根据实际的设定点进行调整，在调整过程中还需要根据。煤质修正函数和吨汽煤耗修正能够稳定锅炉对煤量和风量的调整，做到风煤优化输出。投用锅炉台数越多越能减少煤量、风量对锅炉出力的影响。

5.3　先进控制理论应用

由于锅炉负荷控制的复杂，耦合性、时变性严重，常规PID算法无法实现精准控制。本研究创新性地使用了先进控制理论，把人的操作经验、工况变化规律和现代控制理论结合在一起，达到理想的控制效果。先进控制模型融合了专家控制、预测控制、模糊控制、重叠控制、自适应PID等功能，将被控变量的变化趋势、幅度以及干扰来源进行智能计算，作为智能控制器的输入进而提高了控制品质。

5.4　最佳工况挖掘模块原理

（1）自动完成数据收集、分析、处理、建模等全部过程；

（2）模块定时启动，可自动定时更新最佳工况模型；

图10  最佳工况挖掘原理

（3）最佳工况模型可在线指导优化控制系统快速调整至最佳工况；

（4）优化系统备有安全保护机制，即使在最佳工况挖掘模型工作异常情况下也可保证装置安全生产。

5.5　项目研究结果

本研究在自动变负荷控制回路中设定了两种控制模式，分别为单炉负荷模式和母管压力模式，两种模式为无扰切换，可在给煤投用自动时任意选择。通过现场单炉负荷、母管压力控制的投用，锅炉运行稳定，满足工况的需求，单炉负荷下对母管压力控制扰动能够起到抑制作用，并且能够跟随设定负荷变化及时调整给煤量，实现锅炉自动变负荷控制。

6　应用效果及推广应用

本研究通过先进控制模型并结合炉群环保控制参数与复杂工况指标之间的数学模型，并基于该数学模型耦合传统PID控制原理，解决了不同煤质及复杂工况下锅炉及蒸汽大管网控制回路无法正常投用的问题，提高了控制精度，同时稳定了蒸汽管网的波动。同时，本研究使用先进控制理论，把人的操作经验、工况变化规律和现代控制理论结合在一起，达到了理想的控制效果。先进控制模型融合了专家控制、预测控制、模糊控制、重叠控制、自适应PID等功能，将被控变量的变化趋势、幅度以及干扰来源进行智能计算，作为智能控制器的输入进而提高了控制品质。

作者简介：

雷云飞（1990-），男，宁夏青铜峡人，中级工程师，学士，现就职于国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司，研究方向为热能与动力工程。

参考文献：

[1]袁博.母管制运行锅炉燃烧控制与负荷协调控制技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2024.

[2]翟国明.母管制运行锅炉负荷自动分配控制系统:CN201120095534[P].2024.

[3]孙艳,娄幸.母管制机组的炉机负荷分配运算与协调控制[J].自动化仪表,2003,24(10):4.

[4]周龙军,于现军.一种母管制锅炉负荷精确调节控制方法:CN201310501888.2[P].CN103512021A2024.

摘自《自动化博览》2025年3月刊