CN105627356A - 一种冶金燃气锅炉燃烧优化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种冶金燃气锅炉优化控制系统涉及冶金燃气锅炉控制技术领域，包括汽包液位控制回路、主汽温度控制回路、炉膛压力控制回路、送风控制回路、空燃比优化控制器和负荷控制回路。该系统实现了燃气锅炉自动控制，各项技术指标满足燃气锅炉的运行指标，通过优化空燃比，使得煤气既可以充分燃烧，又不至于风量过大，增大排烟损失，实现锅炉的节能降耗；解决了汽包水位、炉膛压力和煤气压力的平稳性问题，虚假液位的问题，空气量和煤气量难以自动控制的问题，主汽温度精确控制的问题，实现了提前预判，提前动作，空燃比自寻优，燃烧更加稳定，达到了节能减排的目的。

Description

一种冶金燃气锅炉燃烧优化控制系统

技术领域

本发明涉及冶金燃气锅炉控制技术领域，尤其涉及一种冶金燃气锅炉燃烧优化控制系统。

背景技术

在冶金燃气锅炉使用在生产过程中产生的高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气为原料，生产蒸汽，用于汽轮机发电或者驱动其他风机。

近年来，我国的经济发展带来了严重的环境污染问题，如在能源应用中产生的浮尘、尾气、煤烟等有害物质时刻损害着人们的健康，也给环境的治理带来了很大的困难，而钢铁企业在生产过程中产生的高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气如果不加以利用直接放散，既浪费能源，同时严重污染环境，因此如何能将这些煤气利用起来，变废为宝就显得十分重要，燃气锅炉就很好的解决了这一问题。

燃气锅炉运行中根据煤气管网的压力、汽包压力、发电负荷等因素综合调整煤气阀门的增减。目前钢铁冶金燃气锅炉大多数在手动运行，手动操作不及时，煤气管网压力太低直接影响锅炉的安全运行，煤气管网压力大而没有及时增加造成煤气放散浪费及煤气热值的高低配风不及时将影响锅炉经济运行，手动操作不能满足发电需求及煤气管网的稳定等。由于煤气管网压力波动大，操作工需要频繁操作，煤气调节的变化造成配风、送风、汽包液位及主汽温度的频繁操作，运行人员劳动强度大。

李忠虎等提出水位控制采用传统三冲量控制方式，过热蒸汽温度控制设置两级过热器和两级减温装置，从而使过热蒸汽出口温度维持在允许的范围之内，第一级过热器出口蒸汽温度控制采用串级控制系统，主被控变量为出口蒸汽温度，副被控变量为第一级减温水流量，以改善控制性能，第二级过热器出口蒸汽温度控制采用单回路控制系统，被控变量为第二级过热器出口蒸汽温度；负荷控制回路的配风量根据空燃比计算，空燃比根据氧含量进行修正，氧含量的控制点随着负荷变化，参见化工自动化及仪表2012年第三期370-372页。

徐宝珍提出汽包液位控制采用手动和自动配合控制的方式，在自动调节阀门达到调节极限的情况下需要手动干预调节另外一个阀门，主汽温度控制采用温度水量的串级控制方式，负荷控制的配风采用煤气压力和空气压力配比的方式，参见微机应用与自动化2004年第三期35-38页。

韩明杰提出水位控制采用传统三冲量控制方式，将给水主路调节阀作为主调节阀，在正常负荷和高负荷运行时使用，旁路调节阀在低负荷时使用，在自动给水状态下，只允许其中之一参与自动调节给水，另一调节阀可以在DCS上手动进行给水量调整，炉膛负压控制通过调节引风机入口挡板开度进行控制，汽温控制采用IPD串级调节方式，参见冶金动力2014年第七期51-53页。

从以上控制方法可知，目前水位控制大都采用传统的三冲量控制方式，没有考虑燃烧的因素，在出现燃烧较大变化时，易出现较大虚假液位，控制精度无法保证；主汽温度控制采用温度水量的串级控制方式，但是对于一般的现场，减温水量的计量偏差很大，很难在实际的现场中使用，同时采用单回路控制，控制点固定，当负荷波动时，固定控制点是不合适的；负荷控制根据空燃比进行配风，但含氧量、煤气热值、煤气压力和空气压力等因素对负荷的影响问题没有解决。

综上所述，现有技术仍旧存在一定的局限性和缺陷，因此提出本控制系统。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种冶金燃气锅炉优化控制系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种冶金燃气锅炉优化控制系统，包括汽包液位控制回路、主汽温度控制回路、炉膛压力控制回路、送风控制回路、空燃比优化控制器和煤气流量控制回路。

汽包液位控制回路

汽包液位控制回路采用串级控制方式，汽包液位设定器根据实际需要设定需要控制的汽包液位，汽包液位设定器输出与汽包液位测量仪表作为汽包液位调节器的输入，汽包液位调节器输出为汽水偏差补偿值，燃烧因素前馈补偿器输出与汽水偏差补偿值之和作为汽水偏差设定值，汽水偏差计算器输出为实际汽水偏差值作为汽水偏差测量值，汽水偏差设定值和汽水偏差测量值作为汽水偏差调节器的输入，汽水偏差调节器输出对给水阀门开度进行调整。

主汽温度控制回路

主汽温度设定器根据实际需要输出主汽温度设定值，主汽温度调节器根据主汽温度测量仪表得到的实际主汽温度值与主汽温度设定值之间的偏差，与根据燃烧因素前馈补偿器的输出共同调整减温水阀门的开度。

炉膛压力控制回路

炉膛压力设定值通过炉膛压力设定器设定，炉膛压力调节器根据炉膛压力测量仪表得到的实际炉膛压力值与炉膛压力设定值之间的偏差，与煤气空气前馈补偿器的输出共同调整引风机的开度。

送风控制回路

空气量调节器根据空气量设定器与空气量测量仪表测得的实际空气量的偏差，调整送风机开度，其中空气量设定器的输出是煤气测量仪表测得实际煤气量与空燃比计算器的输出的乘积，空燃比计算器输入是空燃比优化控制器与氧量空燃比补偿器之和。

空燃比优化控制器

首先设定寻优的步长SOP=ε*F_A，其中为F_A当前空气总流量，ε为允许误差

①恒定煤气流量定值，将当前空气流量作为空气流量设定值输出到空气流量阀位计算器，优化控制器运行标志设置为ON，一段时间后记录一个优化目标函数值J₁；

②选择增加空气流量，置n=n+1，空气流量设定值增量为设置的步长n*SOP，输出空气流量设定值到空气流量阀位计算器；修改当前的空气燃料比，转向第⑧步，n为计数器；

③如果J₂>J₁时，说明寻找的方向正确，继续沿着这个方向寻找，把J₂的值赋给J₁，转向第②步；如果J₂<J₁时，判断是不是第一次寻优，即n是否为1，如果n=1时，则说明寻找方向错误，转向第④步。如果n≠1时，且|J₂-J₁|<ε时，则当前空气燃料比为最佳状态，本次寻优结束，优化控制器运行标志设置为OFF。如果n≠1时，且|J₂-J₁|>ε时，则变步长寻找置SOP=-0.25*SOP，转向第②步；

④选择增加空气流量，置n=n+1，空气流量设定值增量为设置的步长n*（-SOP），输出空气流量设定值到空气流量阀位计算器，修改当前的空气燃料比，转向第⑧步；

⑤如果J₂>J₁时，说明寻找方向正确，继续沿着该方向寻找，把J₂的值赋给J₁，转向第④步；

⑥如果J₂<J₁时，且|J₂-J₁|<ε时，则当前空气燃料比为最佳状态，本次寻优结束，优化控制器运行标志设置为OFF；

⑦如果J₂<J₁时，且|J₂-J₁|>ε时，则变步长寻找置SOP=-0.25*SOP，转向第②步；

⑧目标函数值计算，以动态响应后的稳态实时过程测量值，按优化目标函数计算目标函数值J₂，即优化输出作用到装置后的一段时间后开始计算，时间取决于过程的动态响应时间，返回原来的转过来的位置。

煤气流量控制回路

煤气流量调节器根据煤气流量设定器与煤气流量测量仪表测得的实际煤气流量的偏差，调整煤气调节阀门开度，其中煤气流量设定器的输入是煤气流量基本量设定、主汽压力调节器输出和煤气总管压力调节器输出之和；主汽压力调节器根据主汽压力设定器输出与主汽压力测量仪表测得实际主汽压力值的偏差进行调整；煤气总管压力调节器根据煤气总管压力设定器输出和煤气总管压力测量仪表测得实际总管压力值的偏差进行调整；主汽压力设定器和煤气总管压力设定器均根据实际需要进行设定。

本发明具有的有益效果是：汽包液位控制回路在传统三冲量控制的基础上增加燃烧因数前馈，使得调整更加快速，更加稳定；主汽温度控制回路在主汽温度直接控制减温水阀门的基础上增加燃烧因素前馈，提前动作，提前调整，稳定主汽温度；炉膛压力控制回路采用引风机直接调整炉膛压力，增加煤气总量和送风总量前馈，提前调整引风机，稳定炉膛负压；燃烧系统控制采用串级控制方式，主调节为主汽压力调整煤气流量控制点，副调节为煤气流量控制煤气阀位；送风控制采用比值控制方法，根据煤气流量与空燃比计算风量控制点，根据实际风量调节送风机开度；空然寻优控制通过进退优化滚动优化策略寻找最佳空然配比。

通过以上技术手段，使燃气锅炉实现自动控制，各项技术指标满足燃气锅炉的运行指标，通过优化空燃比，使得煤气既可以充分燃烧，又不至于风量过大，增大排烟损失，实现锅炉的节能降耗；解决了汽包水位、炉膛压力和煤气压力的平稳性问题，虚假液位的问题，空气量和煤气量难以自动控制的问题和主汽温度精确控制的问题，实现了提前预判，提前动作，空燃比自寻优，燃烧更加稳定，达到了节能减排的目的。

附图说明

附图1为汽包液位控制回路流程图。

附图2为主汽温度控制回路流程图。

附图3为炉膛压力控制回路流程图。

附图4为送风控制回路流程图。

附图5为煤气流量控制回路流程图。

附图6为空燃比优化控制器流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

汽包液位控制回路

汽包液位调节器，采用PID控制算法，汽包液位设定值为L_SP，汽包液位测量值为L_PV，输出为L_AV，其中PID控制算法中参数P的取值范围为200～250，参数I的取值范围是200～300，参数D的取值范围是30～40；汽水偏差计算器输出基本汽水偏差QS_JB为汽包液位控制回路自动调节瞬间记录的当前汽水偏差值，即

IFGSAUTO=TRUETHEN

QS_JB=QS_AV

其中，GSAUTO为汽包液位自动调节使能信号，QS_AV为汽包液位调节器输出值；

燃烧因素前馈补偿器设定值为QKRS1_SP，测量值为汽包液位控制回路自动调节瞬间记录的当前煤气总量QKRS1_PV，输出为QKRS1_AV=K1*(QKRS1_PV-QKRS1_SP)，其中K1=-0.0005；

汽水偏差调节器，采用PID控制算法，汽水偏差设定值QS_SP为汽包液位调节器的输出L_AV、燃烧因素前馈补偿器输出QKRS1_AV与基本汽水偏差设定值QS_JB三者之和，即QS_SP=L_AV+QKRS1_AV+QS_JB，汽水偏差值QS_AV为测量值，输出为QS_AV直接作用于给水调节阀门，其中PID控制算法中参数P的取值范围为80～100，参数I的取值范围是50～60，参数D的取值范围是20～30。

主汽温度控制回路

主汽温度调节器采用PID控制算法，主汽温度设定值为T_SP，主汽温度T_PV为测量值，输出为T_AV，其中PID控制算法中参数P的取值范围为100～150，参数I的取值范围是50～100，参数D的取值范围是50～70；

燃烧因素前馈补偿器设定值为QKRS2_SP，测量值为主汽温度控制回路自动调节瞬间记录的当前煤气总量QKRS2_PV，输出为QKRS2_AV=K2*(QKRS2_PV-QKRS2_SP)，其中K2=0.0008；

主汽温度调节器输出T_AV和燃烧因素前馈补偿器输出QKRS2_AV共同作用于减温水调节阀门。

炉膛压力控制回路

炉膛压力调节器采用PID控制算法，炉膛压力设定值为LTP_SP，炉膛压力LTP_PV为测量值，输出为LTP_AV，其中PID控制算法中参数P的取值范围为550～650，参数I的取值范围是50～100，参数D的取值范围是80～100；

煤气空气总量前馈补偿器设定值为QKQT_SP，测量值为炉膛压力控制回路自动调节瞬间记录的当前煤气空气总量QKQT_PV，输出为QKQT_AV=K3*(QKQT_PV-QKQT_SP)，其中K3=0.0004；

炉膛压力调节器输出LTP_AV和煤气空气总量前馈补偿器输出QKQT_AV共同作用于引风机调节阀门。

送风控制回路

空气量调节器采用PID控制算法，空气量设定值为KQ_SP，空气量KQ_PV为测量值，输出为KQ_AV，其中PID控制算法中参数P的取值范围为100～200，参数I的取值范围是30～80，参数D的取值范围是50～80；

空气量设定器输出为当前煤气总量MQ_PV与空燃比FMB的乘积，即KQ_SP=MQ_PV*FMB；

空燃比计算器输出FMB为空燃比优化控制器输出YHFMB与氧量空燃比补偿器输出YLFMB的和，即FMB=YHFMB+YLFMB。

空燃比优化控制器

首先设定寻优的步长SOP=ε*F_A（ε的取值范围1%～2%），其中F_A为当前空气总流量，ε为允许误差

①恒定煤气流量定值，将当前空气流量作为空气流量设定值输出到空气流量阀位计算器，优化控制器运行标志设置为ON，1～2分钟后记录一个优化目标函数值J₁；

②选择增加空气流量，置n=n+1，空气流量设定值增量为设置的步长n*SOP，输出空气流量设定值到空气流量阀位计算器；修改当前的空气燃料比，转向第⑧步，其中n为计数器；

③如果J₂>J₁时，说明寻找的方向正确，继续沿着这个方向寻找，把J₂的值赋给J₁，转向第②步；如果J₂<J₁时，判断是不是第一次寻优，即n是否为1，如果n=1时，则说明寻找方向错误，转向第④步。如果n≠1时，且|J₂-J₁|<ε时，则当前空气燃料比为最佳状态，本次寻优结束，优化控制器运行标志设置为OFF。如果n≠1时，且|J₂-J₁|>ε时，则变步长寻找置SOP=-0.25*SOP，转向第②步；

④选择增加空气流量，置n=n+1，空气流量设定值增量为设置的步长n*（-SOP），输出空气流量设定值到空气流量阀位计算器，修改当前的空气燃料比，转向第⑧步；

⑤如果J₂>J₁时，说明寻找方向正确，继续沿着该方向寻找，把J₂的值赋给J₁，转向第④步；

⑥如果J₂<J₁时，且|J₂-J₁|<ε时，则当前空气燃料比为最佳状态，本次寻优结束，优化控制器运行标志设置为OFF；

⑦如果J₂<J₁时，且|J₂-J₁|>ε时，则变步长寻找置SOP=-0.25*SOP，转向第②步；

⑧目标函数值计算，以动态响应后的稳态实时过程测量值，按优化目标函数计算目标函数值J₂，即优化输出作用到装置后的一段时间后开始计算，时间取决于过程的动态响应时间，对加热炉来说一般取1～2分钟，返回原来的转过来的位置。

氧量空燃比补偿器

氧量空燃比补偿器采用PID控制算法，氧量设定值为YL_SP，氧量YL_PV为测量值，输出为YL_AV，其中PID控制算法中参数P的取值范围为120～180，参数I的取值范围是60～80，参数D的取值范围是50～70。

煤气流量控制回路

煤气流量调节器采用PID控制算法，煤气流量设定值为MQ_SP，煤气流量MQ_PV为测量值，输出为MQ_AV，其中PID控制算法中参数P的取值范围为100～150，参数I的取值范围是30～50，参数D的取值范围是40～60；

煤气流量设定计算器输出MQ_SP=MQ_JB+QY_AV+MY_AV；

煤气基本量计算器，煤气基本量MQ_JB为负荷控制回路自动调节瞬间记录的当前煤气量

IFMQAUTO=TRUETHEN

MQ_JB=MQ_AV

主汽压力调节器采用PID控制算法，主汽压力设定值为QY_SP，主汽压力QY_PV为测量值，输出为QY_AV，其中PID控制算法中参数P的取值范围为80～100，参数I的取值范围为30～40，D的取值范围为30～50；

煤气总管压力调节器采用PID控制算法，煤气总管压力设定值为MY_SP，煤气总管压力MY_PV为测量值，输出为MY_AV，其中PID控制算法中参数P的取值范围为60～90，参数I的取值范围是30～40，参数D的取值范围是30～50。

Claims (1)

1.一种冶金燃气锅炉优化控制系统，其特征在于设有汽包液位控制回路、主汽温度控制回路、炉膛压力控制回路、送风控制回路、空燃比优化控制器和煤气流量控制回路；

汽包液位控制回路

汽包液位控制回路采用串级控制方式，汽包液位设定器根据实际需要设定需要控制的汽包液位，汽包液位设定器输出与汽包液位测量仪表作为汽包液位调节器的输入，汽包液位调节器输出为汽水偏差补偿值，燃烧因素前馈补偿器输出与汽水偏差补偿值之和作为汽水偏差设定值，汽水偏差计算器输出为实际汽水偏差值作为汽水偏差测量值，汽水偏差设定值和汽水偏差测量值作为汽水偏差调节器的输入，汽水偏差调节器输出对给水阀门开度进行调整；

主汽温度控制回路

主汽温度设定器根据实际需要输出主汽温度设定值，主汽温度调节器根据主汽温度测量仪表得到的实际主汽温度值与主汽温度设定值之间的偏差，与根据燃烧因素前馈补偿器的输出共同调整减温水阀门的开度；

炉膛压力控制回路

炉膛压力设定值通过炉膛压力设定器设定，炉膛压力调节器根据炉膛压力测量仪表得到的实际炉膛压力值与炉膛压力设定值之间的偏差，与煤气空气前馈补偿器的输出共同调整引风机的开度；

送风控制回路

空气量调节器根据空气量设定器与空气量测量仪表测得的实际空气量的偏差，调整送风机开度，其中空气量设定器的输出是煤气测量仪表测得实际煤气量与空燃比计算器的输出的乘积，空燃比计算器输入是空燃比优化控制器与氧量空燃比补偿器之和；

空燃比优化控制器

首先设定寻优的步长SOP=ε*F_A，其中为F_A当前空气总流量，ε为允许误差

①恒定煤气流量定值，将当前空气流量作为空气流量设定值输出到空气流量阀位计算器，优化控制器运行标志设置为ON，一段时间后记录一个优化目标函数值J₁；

②选择增加空气流量，置n=n+1，空气流量设定值增量为设置的步长n*SOP，输出空气流量设定值到空气流量阀位计算器；修改当前的空气燃料比，转向第⑧步，n为计数器；

③如果J₂>J₁时，说明寻找的方向正确，继续沿着这个方向寻找，把J₂的值赋给J₁，转向第②步；如果J₂<J₁时，判断是不是第一次寻优，即n是否为1，如果n=1时，则说明寻找方向错误，转向第④步；如果n≠1时，且|J₂-J₁|<ε时，则当前空气燃料比为最佳状态，本次寻优结束，优化控制器运行标志设置为OFF；如果n≠1时，且|J₂-J₁|>ε时，则变步长寻找置SOP=-0.25*SOP，转向第②步；

④选择增加空气流量，置n=n+1，空气流量设定值增量为设置的步长n*（-SOP），输出空气流量设定值到空气流量阀位计算器，修改当前的空气燃料比，转向第⑧步；

⑤如果J₂>J₁时，说明寻找方向正确，继续沿着该方向寻找，把J₂的值赋给J₁，转向第④步；

⑥如果J₂<J₁时，且|J₂-J₁|<ε时，则当前空气燃料比为最佳状态，本次寻优结束，优化控制器运行标志设置为OFF；

⑦如果J₂<J₁时，且|J₂-J₁|>ε时，则变步长寻找置SOP=-0.25*SOP，转向第②步；

⑧目标函数值计算，以动态响应后的稳态实时过程测量值，按优化目标函数计算目标函数值J₂，即优化输出作用到装置后的一段时间后开始计算，时间取决于过程的动态响应时间，返回原来的转过来的位置；

煤气流量控制回路

煤气流量调节器根据煤气流量设定器与煤气流量测量仪表测得的实际煤气流量的偏差，调整煤气调节阀门开度，其中煤气流量设定器的输入是煤气流量基本量设定、主汽压力调节器输出和煤气总管压力调节器输出之和；主汽压力调节器根据主汽压力设定器输出与主汽压力测量仪表测得实际主汽压力值的偏差进行调整；煤气总管压力调节器根据煤气总管压力设定器输出和煤气总管压力测量仪表测得实际总管压力值的偏差进行调整；主汽压力设定器和煤气总管压力设定器均根据实际需要进行设定。