（控制理论与控制工程专业论文）水泥厂低温余热发电dcs及智能控制的应用研究.pdf

摘要 采用新型干法生产工艺的水泥厂利用低温余热发电是提高生产效益、节约能源、 实现可持续发展的重要途径。低温余热发电系统中的余热锅炉是一个多输入、多输 出且相互关联的复杂控制对象，由于其热源为水泥回转窑排放的废热烟气，与一般 带有燃烧系统的电站锅炉相比具有很大的特殊性。余热锅炉的控制也与一股带燃烧 系统的锅炉的控制有很大不同，目前国内还没有形成针刺余热锅炉控制的有效方案。 本文结合浙江申河水泥厂低温余热电站建没项目，针对低温余热发电的特点设计了 一套集散控制系统，并引入了智能控制算法对常规控制方法难以奏效的控制回路进 行优化，该系统是对新型干法水泥企业低温余热电站控制方案的有益尝试。 汽包水位和除氧器、凝汽器 炉存在着汽包热容量较小，受水 锅筒水位波动剧烈，传统三冲量 控制算法的控制效果都不理想。 水位是余热锅炉安全运行的主要指标。由于余热锅 泥回转窑运行情况制约，热源不稳定的情况，导致 控制规律和适用于一般电站锅炉的三冲量模糊p 1 d 同时由于热源的不稳定，余热锅炉汽包上水 机凝汽量的波动较大，使得除氧器和凝汽器的水位波动剧烈，传统p i d 控制 入自动。针对以上控制难点，本论文在对低温余热发电的工艺过程和动态特 深入分析的基础上 二f 扰变化的烟气温 变化率引入余：映锅 汽器水立的控制中 提出了除氧器及凝 术：冉控制算法成功 余热发电集散 ，参考现场熟练操作人员的手动操作经验，提出了：降反映 度偏差和烟气温度偏差变化率及窑尾排肌饥转速偏差和转 和汽轮 难以投 性进行 热源侧 速偏差 炉汽包水位控制中去的改进模糊三冲量控制方蕖。在除氧器和j 疑 ，本文将除氧器和凝汽器看作一个整体，结合现场操作经验总结， 汽器水位的模糊控制方案。本文通过v c 开发工具与o p c 接口技 应用于余热发电集散控制系统。 控制系统采用分布式结构。以a b b 公司的a c 8 0 0 m 冗余控制器 和s 8 0 0 系列i o 模块构成系统的现场控制单元，完成生产过程的数据采集和过程控 制：以装有f i x 监控软件的操作员站构成监控单元，完成数据显示、人机界面操作： 水泥j 氏温余热发电d c s 及智能控制的应用研究 阻装有c 8 m 组念软件的： 程师站完成系统的软硬件组态、参数罄定和在线嘲试。 p r o 胁u s d p 现场总线实现了现场控制器与i o 数据采集模件之恻的通讯，光纤 环网则实现了现场控制器与各操作员站之间的通讯。同时操作员站与工程师站组成 局域网作为全厂信息管理网络的一部分，实现了与水泥生产线之问的数据共享。 系统投产以来的运行结果表明，本系统能够基本消除热源波动对余热锅炉汽包 水位的影响，同口使除氧器和凝汽器水位稳定在安全范围内，提高了蒸汽产量和质 量，改变了余热锅炉手动运行的现状，对降低操作人员劳动强度、节约生产成本、 提高经济效益都具有重要意义。 关键词：余热锅炉：d c s ：模糊控制；汽包水位：除氧器和凝汽器水位 a b s t r a c t a d o p t i n g1 0 wt e m p e r a t u r es u r p l u sh e a tt og e n e r a t ee l e c 【r i c i t yi nc e m e n tf a c t o r y 1 ti s a ni m p o r t a l l tw a yt oi m p r 0 v ep r o d u c te f ! f i c i e n c ms a v ee n e 曜ya n dm a k ec o n t i n u o u s d e v e l o 口m e n t h e a tr e s i d u a ls t e 砌g e n e r a t o r ( h r s g )i s ac o n t r o l p l a n f t h a th a s t e a t u r e so fm u l t i i n p l l “o u f p u t ：a n dc o u p l i n gt i g h t l ym u l t i v a r i a b i e w 1 1 j c hh a s呈r e a i p a r t i c u l a r i t y a si t sh e a tt l o ms u r p l u sh e a to f c e m e n td e c o m p o s i n gb e l ：b r e h a n ds t o v e ，s oi t n e e dp a r 【i c u l a rc o n t r o ls c h e m e ( 沁r r e n t l yas e to f 血1 1 s c a l ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m h a sn o tb e e nw o r k e do u t b a s e do nar e s i d u a lh e a tp o w e rp l a n tp r o j e c ti ns h e n h ec e m e n t p l a n ti nz h e j i a n g ，as e to fd c sf o rh r s gh a sb e e np r o j e c t e d ，a i m i n gf oh e l pt o t h e h r s ga u t o m a t i o nl e v e li nc h i n a w a t e rl e v e ro fs t e a l l lc o n t a i n e r ，d e o x i d i z a t i o ne q u i p m e n ta 1 1 dc o n d e n s a t o ra r em a j o r p a r m e t e lt h et r a d i i i o n a lc a s c a d ep i da 1 1 di n t e l l i g e n tc o n t r o l m e t h o dl i s e di no t h e r n 。r r n a ib o 订e r c a nn o tb e e nu s e di nh r s gb e c a u s eo fi t sp a n i c u l a r i t ya r e ra n a l y z i n g d y n a m i ct e a t u r eo fr e s i d u a lh e a tg e n e r a t o lt h ep a p e ra d o p c s l z z yc a s c a d ec o n t l 0 1 i n w a t e r1 e v e lo fs t e a mc 。n t a i n e la n dd e s i g n sf u z z y s o n t r o l l e rw a t e rl e v e ri nd e o x i d i z a t i o n e q u i p m e n ta n dc o n d e n s a t o r a n da p p l y 血e s ec o t r o l r u i et od i s t r i b u t ec o n t r o 【s y s t e m ( d c s ) w i t hv cp r o g 豫m m ea n do p ct e c h n o l o g y f i e l dc o n t r o ls t a t i o no fd c sf o r t h er e s i d u a lh e a tp o w e rp i a n t l sm a d el l po f a c 8 0 0 mr e d u n d a n tc o m r o l 】e ra n ds 8 0 0i ，0m o d u l e so fa b bg r 。l 1 p ，w h i c hc 缸t i e so u t d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s sc o n t r o l ；t h es c a d as y s t e mi sc o m p 。s e do fo p e r a t i o n s t a t i o n ( p s ) i n s t a l l e df i xs o rs o 姗a r e ，w i t ht h ef u n c t i o no fd a t ad i s p 【a ya n dh m i o p e r a 【i o n ：e n g l n e e rs t a t l o n ( e s ) l n s t a l l e dc b m ( c o n t r 0 1b u l l d e rm 1s o f c w a r e c a n p e r t l o r mc 。n n 婴l r a u o n ，a d j l i s t m e n tp a r a m e t e ra n dd e b u g g i n go n 【i n et h ec 。mp l i t e r 【i i 水泥j 低温余热发l ud c s 及智能控制的应j _ l = 】研宄 n e t w o r kh a st w ol a y e r s ，t h e1 0 w e rl a y e rb e t w e e n 矗e l dc o n t f o l l e ra n di om o d u l e si sm a d e o fp r o 胁u s d pf i e i db u s ，t h e l l p p e rl a y e r b e t w e e ne sa n dp si sm a d e l l po i 、舶e r sr i n g n e t w o r k e sa n dp sh a sf o r m e dt h el a n ，w h j c hi sap a no ft h e 【i so ff | 1 ew 1 1 0 】ep l a l l l ， e n s u r i n gi n f b m l a c i o ns h a r e di nt h ec e m e n tp r o d u c t i o n a f 【e rt h ea u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o n ，t h ew a t e r 】e v e lo fb o i l e r h a sh i 曲s t a b i l i t yw i t hs t r o n g l ya n t i _ j a m m i n g ，a n d1 i m i t st 1 1 ew a t e rl e v e lo fd e o x i d i z a t i o n e q u i p m e n ca n dc o n d e n s a t o rt os a f er a g e w h a ti sm o r e ，t h eo u t p u ta n dq u a l i t yo ft h e s t e a m1 1 a v eb e e ni 1 1 c r e a s e d ，a n dl a b o ri n t e n s i t yh a sb e e nr e d u c e d ，s oi th a si m p o r t a n t s i g n i 丘c a n c et os a v ep r o d l l c t i o nc o s ta n de n h a n c e b e n e f i t k e y w o r d s ：h e a tr e s i d u a ls t e a mg e n e r a t o r d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ，f u z z y c o c r o l ，w a t e rl e v e lo fs t e a r nc o n t a i n e r ，w a t e rl e v e lo fd e o x i d i z a t i o ne q l 【i p m e n ta n d c o n d e n s 砒o r v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本沦文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 叠圈日期：坦! 垒蜩2 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以：悔学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位沦文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：饵导师签名：盐日期：雄7 1 a 第一章绪论 1 1 论文选题背景 1 1 1 水泥企业低温余热发电的意义 水泥工业是一个传统的高能耗行业，水泥熟料煅烧过程需要较高的煅烧温度， 消耗大量的天然矿石能源一煤炭( 或油) ，而这些资源是不可再生的，因此制约了水 泥工业的可持续发展【| 】。降低水泥生产过程中原燃料的消耗是保证水泥工业可持续 发展的最有效措施。随着先进水泥生产工艺的广泛采用，水泥工业节能技术水平有 了长足的进步，高温余热在水泥生产过程中已被回收利用，水泥熟判的热耗由原来 的4 0 0 0 k j k g 左右降低到2 7 0 0 勺3 0 0 k j k g 【2 】，但是就目前国内最先进的新型干法水 泥生产工艺来说，仍然有大量的3 5 0 左右的废气从窑尾和窑头排入大气，并且这 部分余热已不能在熟料烧成过程中回收利用，其浪费的热量约占系统总热量的3 0 左右引 4 1 口而水泥生产过程中的另一方面又消耗大量的电能r 每生产= 1 t7 k 混需ln n 1 3 0k w h 电能卢1 ，为了将上述排放掉的余热转换为电能并且用于水泥生产，从而进 一步降低水泥生产综合电耗，节约能源，利用水泥生产中的低温余热发电已成为世 界水泥工! 比发展的一种方向，具有非常现实的节能和环保意义，成为当今水泥厂节 约生产成本、提高经济效益和减少大气污染的一项重要措施。 l 。1 7 国外新型干法水泥企业低温余热发电系统研究概况 我国能源消耗费用支出占g d p 的1 5 ，而美国仅占g d p 的7 。我国的能源 系统效率仅为3 3 4 左右，比国际水平低l o 个百分点，包括水泥工业在内的1 1 个 高能耗产业的3 3 种产品能耗比国际先进水平高出4 6 左右。即使是采用先进的新 型干法生产工艺的水泥预分解窑生产线，我国的水泥熟料热耗电要比先进国家高出 2 7 左右【6 。 世界上单纯以余热利用为目的的预热器及预分解窑低温余热发鬯在8 0 年代初 有了较大发展特别是同本、我国台湾等能源短缺地区，低温余热发电已被广泛应 用。如同举7 0 i = 的水泥企业在新型干法生产线上都设置有余热发f 巳系统水泥： 业 水泥j 低温采热发l ud c s 技智能控制的应用宄 余热发电量占自身用电量的比例，在1 9 9 5 年就己达到3 3 ，我国台湾地区的水泥 生产企业配置余热发电系统的比例也是很高的 7 。美国水泥协会在1 9 9 5 年就提出， 在降低水泥综合f e 耗的同时提高余热利用率，争取到2 0 1 5 年新型二r 法水泥厂的余热 发电量要基本上满足自身用电的要求。 同时随着智能控制的不断发展和智能控制应用于余热发电系统的不断探索，国 外余热发电系统已经较早形成了比较完善的智能控制软件包，这些软件包和先进的 集散控制系统( d c s ) 一起使新型干法水泥企业低温余热的回收再利用率已经达到 了一个很高的水平。目前国内余热发电智能控制研究方面，对于余热锅炉特有的一 些控制难点的对策上还没有形成一套可行的智能控制算法( 8 1 ( 9 1 。1 9 9 6 年1 0 月日本川 崎重工为我国宁国水泥厂4 0 0 0 蜩生产线提供了一套低温余热发电系统，于19 9 8 年 2 月并网发电，单位熟料发电量达3 3 ，8 8 k w h t 。使水泥生产中大量中、低温烟气余 热得到充分回收，经济效益显著。 1 1 | 3 水泥厂低温余热发电控制中存在的问题 + 新型干法水泥低温余热发电系统分别在窑头和窑尾加设余热锅炉，从窑头冷却 机和窑尾预热器排出的废气中回收余热，用余热锅炉产生的过热蒸汽提供给汽轮机 发电叫，该系统具有以下主要特点： ( 1 ) 完全利用水泥熟料生产过程中排出的废气余热发电，预分解窑的煅烧操作 严格按水泥熟料烧成工艺要求进行，余热发电系统的运行不影响水泥窑的正常运行， 不影| j 同窑内熟利正常烧成，不增加熟料热耗。余热锅炉的设置，尚需优先保证生料 磨利用余热烘干所需热量，即窑尾排出的废气经余热锅炉回收热能后，还用于生料 磨烘干生料。 ( 2 ) 余热锅炉的控制应适应窑头和窑尾废气的品质和粉尘特点，窑头和窑尾废 气温度低而波动大，一般情况下窑头废气温度在2 5 0 3 0 0 ，最低约15 0 。最高 达4 0 0 。水泥窑废气含粉尘浓度高，窑头废气粉尘还具有较强的磨蚀性，废气含 尘量高达1 0 0 9 n m j 以上，粉尘颗粒小，易堆积在锅炉内水平布置的换热管| 二，影 响热交换。 研雨大学 i ! i ! ：匕学位论义 ( 3 ) 可利用的废气余热热源在一个以上，并且热源受回转窑煅烧情况影向大。 余热发电的热源主要来自于熟料冷却机的出口废气和烧成窑尾的出口废气，这两处 的废气的热工品质主要决定于回转窑的熟料煅烧情况。而预回转窑的运行本身就是 一个复杂的控制过程，只有达到风、煤、料和窑速的合理匹目b 爿能使回转窑烧成系 统的热工制度达到稳定，达到窑产量高、熟料质量好及煤粉消耗少的同时，使排出 废热烟气的热工品质稳定在一定范围内1 。而风、媒、料和窑速等因素对废热烟气 的影响程度又大小不同。 由以上可以看出水泥新型干法工艺余热发电系统是一个包含多变量，并且变量 之间耦合性大，变量变化频繁且存在明显的非线性，并且由回转窑到余热锅炉再到 蒸汽轮机的影响存在着大滞后。系统难以建立传统控制方法的精确的数学模型，传 统的控制方法无法投入运行。这大大增加了余热锅炉各个主要参数控制的难度，因 此在控制上较一般的发电锅炉要复杂的多，传统的控制算法难以满足，目前国内的 水泥企业低温余热发电系统大多仍采用传统的模拟仪表手动控制，控制精度、实时 性不能满足生产要求，发电系统受水泥生产线影响大且发电投入时间短，余热的利 用率低，同时与水泥生产线控制分离，难以实现整厂的宏观协峒控制。 1 1 4 传统控制的局限性 传统控制器都是基于控制对象的数学模型建立的，因此，控制系统的性能好坏 很大程度上取决于模型的精确性，这正是传统控制的本质。现代控制理论可以解决 多输入、多输出控制系统的分析和控制设计问题，但其分析与综合方法电都是在取 得控制对象数学模型基础上进行的，数学模型的精确程度对控制系统性能的影响很 大，往往由于某种原因，对象参数发生变化使数学模型不能准确地反映对象特性， 从而无法达到期望的控制指标，为解决这个问题，自适应控制、鲁棒控制的研究便 成为控制理论的研究热点。但这些方法本质上还是没有摆脱基于数学：漠型的定量化 思想。传统控制，包括经典反馈控制、现代控制理论等，在应用中遇到不少难题。 目前传统控制面临以下主要问题： t 1 ) 控制对象的复杂性 水泥j 低温余热发电d c s 技智能控制的应用研纯 线性 有复 一些 的理 际过 传统控制理论的思想是建立在精确数学模型基础上的，然而对实际应用中的非 、时变性、不确定性和不完全性的系统，一般无法获得精确的数学模型。对含 杂性和不确定性对象的控制过程，很难用传统数学建模方法来解决建模问题。 ( 2 ) 控制方法和手段单一性 在研究一个实际的控制对象时，为了得到理论上性能良好的控制器，经常提出 比较苛刻的假设，然而这些假发在应用中往往与实际情况不相吻合。根据现有 论和技术描述复杂的控制过程会出现片面性、单一性，建立的模型有可能与实 程相差甚远。传统的控制对象往往局限于单一的、有确定的物理规律的系统， 对于复合型系统，传统的控制方法就显得力不从心。 ( 3 ) 无法满足控制性能的赢要求 通常，控制系统需要具有所期望的控制精度、稳定性及动态性能。为了提高系 统性能，传统控制系统可能变得相当复杂。控制系统必须能够处理数值的、符号的、 定性的 息处理 甚 的控制 机科学 用中显 、定量的、确定的和模糊信息等各类信息，即要求控制系统具有多层次的信 结构，传统的控制方法是很难做到这一点的。 于上述问题，控制科学界多年来一直在探索着新的方法，寻求更加符合实际 方法。近年来，人工智能学科新的进展给人们带来了希望。由于得益于计算 技术和智能信息处理的高速发展，智能控制逐渐形成一门学科，并在实际应 示出强大 在许多系统中 的生命力。与此同时，许多控制学科领域的工作者电丌始认以到， 复杂| 生不只是表现在高维性上，更多的则是表现在系统信息的模糊 性、不确定性、偶然性和不完全性上叫。用人工智能的人工神经网络、模糊逻辑推 理、启发式知识、专家系统等理论去解决难以建立精确数学模型的控制问题一直是 控制界多年来追求的目标。 1 1 5d c s 和智能控制的特点 1 15 1d c s 的特点 d c s 是在吸取了f 奠拟仪表控制系统和计算机控制系统优点的基础上发展起来 的。它具有“分散控制集中管理，数据共享”的优点并且将参数显示和操怍部 济陌人学坝二i ：学位论义 分进行集中，具有很高的可靠性。除具有直接数字控制、顺序控制、批量控制、 前馈控制等功能外，还具有预测控制、最优控制等先进控制功能。它同时采用微机 智能技术分级层次结构和局部通信技术，并具有功能丰富的软p 二包，强有力的人 机接口。d c s 具有以下特点： ( 1 ) 高可靠性 由于d c s 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计， 因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，由于系统中各 台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软 件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。 ( 2 ) 开放性 d c s 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域 网方式通信实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地 连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。 ( 3 ) 灵活性 通过组态软件，根据不同的流程应用对象进行软硬件组态。确定测量与控制信 号及相互间连接关系，从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图 形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制功能。 ( 4 ) 易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部 或计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故 障。 ( 5 ) 济凋性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，防调工作，以 完成控制系统的总体功能和优化处理。 ( 6 ) 控制功能齐全 控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，通过功能块、自 定义功能块或借助于其他工具可实现串级、前馈、解祸、自适应和预测控制等先 水泥j 低温余热发r bd c s 及智能控制的成用驯宄 进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 d c s 的 句成方式十分灵活，可由专用的操作员站、工程师站、现场数据采集和 控制站等组成，i _ i 可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成i i5 m l 。 处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站就地实现数掘采集和控制，并通过 数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行 集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断和显示报警等。 7 0 年代中期d c s 的诞生以来，d c s 带来了工业控制系统的革命性变化，丌辟 了工业计算机系统应用的新纪元。3 0 多年来，d c s 己广泛应用于各工业领域并趋于 成熟，成为工业控制系统应用的主流旧。由于集散控制系统不但具有传统的数据采 集和控制功能，而且可以通过计算机网络实现整个生产过程甚至一个工厂、企业的 信息管理，同时也为正在发展的先进过程控制系统的实施提供了必要的工具和手段， 目前在电力、石油、化工各部门，集散控制系统己得到广泛的应用，在控制品质， 系统安全可靠性等方面较之过去的控制系统具有明显的优势，显示了强大生命力。 1 1 5 2 智能控制的基本功能特点 智能控制是把控制理论的方法和人的灵活框架结合起来，改变控制策略去适应 对象的复杂性和不确定性，智能控制的核心是如何设计和开发能够模拟人类智能的 机器，使控制系统达到更高的目标。它主要用来解决那些用传统方法难以解决的 复杂系统的控制问题。其中包括智能机器人系统、计算机集成制造系统( c i m s ) 、复 杂的工业过程控制系统、社会经济管理系统、交通运输系统、环保及能源系统等。 智能控制具有以下功能特点 2 0 1 2 1 】： ( 1 ) 应能对复杂系统( 如非线性、快时变、复杂多变量、环境扰动等1 进行有效 的全局控制，并具有较强的容错能力： ( 2 ) 定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制； ( 3 ) 其基本目的是从系统的功能和整体优化的角度来分析和综台系统，以实现 预定的目标，并具有自组织能力； 1 4 ) 同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程， 人的知识在控制中起着重要的协调作用，系统在信息处理上既有数学运算，又有逻 辑干 | 壹j 口识推理。 针对我国水泥厂低温余热发电的现状并结合d c s 和智能控制特点可以看出，引 入d c s 和智能控制算法可以很好的解决现存问题。 1 1 6 智能控制与d c s 的结合 对复杂工业生产过程中的核心部分，通过实施智能控制，可以大大提高工业生 产过程操作的可行性、方便性和控制的稳定性。改善工业生产过程动惫品质，减少 关键变量的波动幅度，使其更接近于理想目标值，从而：i 哿工业生产过程推向更接近 装置约束临界条件下运行，保证产品质量的稳定性，提高目标产品的产率，提高生 产装置的生产处理能力，降低生产过程运行成本、减少污染、降耗节能等，并最终 以效益为驱动力来组织整个生产系统，最大限度地满足动态多变市场的需求，提高 产品的市场竞争力。 智能控制的实现需要大量的数学运算，涉及到如高维矩阵求逆等复杂的数学计 算，所以需要有强有力的计算平台。由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬 件两方面的影响，另外还有控制成本的考虑，早期的先进控制算法一般只能在上位 机上实现，如果上位机发生意外故障，将直接对控制结果产生重大影响吲。随着 d c s 的不断发展、成熟，功能的不断增强，d c s 提供了高级功能开发应用的优越环 境【2 3 】，该环境只有通过先进控制、优化控制等开发才能充分发掘d c s 设备的潜能， 而且能有效的增强先进控制的有效性、可靠性和可操作性以及可维护性。 经过4 0 多年的发展，智能控制技术已经逐步走向成熟，而现代企业把提高综合 集成自动化水平作为快速挖潜增效、提高竞争能力的重要途径2 舢。集常规控制、智 能控制、在线优化、生产调度、经营决策于一体的综合集成目动化成了当前目动化 发展的趋势。 在本系统中，d c s 实现了检测信号的实时采集、显示和常规控制回路的投入， 并且d c s 的上随机具有强大的计算能力，上位机的组态软件也具有开放的接口技 术，这就为引入智能控制算法对常规控制难以满足的控制刚路进，亍比比奠定丁基础。 水泥j 低温余热发i 乜d c s 及智h e 拄制们埘州州( 本系统利用v c ： 具开发的智能控制器程序通过o p c 接口技术实现与d c s 的数据 交换，从d c s 上位机数据库获得所需的实时数据，经过计算后将控制量( 或计算结 果) 再传送给d c s 上位机数据库，由d c s 通过自带的设备驱动程序控制现场控制器 来控制现场执行机构的动作。 1 2 本文所做的主要工作 本文所做的主要工作是建立一个完善的余热锅炉的集散控制系统，并将智能控 制算法应用于系统中阻实现主要控制回路的优化。 ( l ) 建立了完善的余热发电集散控制系统，以强大的d c s 功能优势取代常规仪 表。d c s 独立完成余热锅炉和汽轮机的各种数据采集、回路控制、联锁保护、顺序 控制、参数显示、异常报警、性能计算、趋势和报表输出等功能。同时通过组建系 统网络实现了余热发电系统与水泥生产线的数据共享，便于水泥生产与余热发电的 协凋控制。 ( 2 ) 深入分析余热锅炉汽包水位的动态特性，根据国内外水泥余热发电汽包水 位控制的现：状，分析了常规三冲量控制和模糊p i d 控制算法在余热锅炉汽包水位控 制中的不足。在此基础之上，结合余热锅炉熟练操作人员的操作经验和模糊控制的 特点提出了改进的模糊三冲量汽包水位控制算法，将反映水泥回转窑烟气热工：状况 的烟气温度和流量变化趋势的参数引入到模糊控制器中，实现了对烟气变化干扰的 有效抑制，同时保留了常规三冲量控制抑制蒸汽流量和给水流量干扰的特点。系统 投运以来的控制效果表明，改进的模糊三冲量控制算法实现了余热锅炉汽包水位的 长期稳定控制。 ( 3 ) 针刺余热发电系统另一个控制难点一除氧器和凝汽器水位控制，本文深入 分析了两个常规p i d 单回路无法投入自动控制的原因，在总结熟练操作人员手动操 作经验的基础上，以除氧器和凝汽器作为一个整体考虑，设计了除氧器和凝汽器水 i 立的模蝴控制算法。系统投运以来的实践证明，这种控制算法有效的模仿了熟练操 怍人员的手动控制，达到了比较好的控制效果。 1 3 本章小节 水泥厂低温余热发电对于水泥厂节约能源、减少污染、提高经济效益具有重大 的意义。本章阐述了国内外新型干法水泥企业低温余热发电控制系统的舰：侠，在对 水泥厂低温余热发电系统的特点及控制要求进行仔细分析的基础上，结合d c s 和智 能控制的特点，提出了将d c s 控制系统和智能控制算法引入氐温余热发电系统的课 题研究，并给出了本文所做的主要工作。 第二章低温余热发电控制分析 2 1 新型干法水泥企业低温余热发电工艺概述 水泥回转窑 料烘干磨 图2 1 低温余热发电 一艺流崔 2 1 1 余热发电系统的设备组成 低温余热发电工艺流程如图2 1 所示，整个发电系统设备主要由余热锅炉l 包括 窑头余热锅炉( 称a q c 炉) 和窑尾余热锅炉( 称s p 炉) ) 、汽轮发电机、除氧器、 凝汽器、冷却水塔、化学水处理设备、电气设备、生产监控设备以及各种泵类和管道 系统组成，除尘系统、风动力系统与水泥熟料生产线共用。a q c 炉布置在烧成窑头 熟料冷却机废气出口与窑头电收尘器之间。窑尾s p 炉布置在烧成窑尾预热器与窑尾 高温风机之间；汽轮机为单轴双参数凝汽式汽轮机，与普通小型火力发电系统相比， 在纯低温余热发电系统中只装设除氧器，不设高低压加热器。 d 吐髓 衙南大学坝j l 学位论义 2 1 2 余热发电系统的工艺流程 来自熟判冷却机废气出口，温度为3 5 0 左右的废气在引风机的拍吸动力下，从 a q c 炉的顶部进入炉膛，与自下而上流动的工质进行逆向热交换，a 0 c 炉工质i 吸墩 热量后产生两种不同参数的蒸汽，一种是p = 1 6 m p 、t = 3 0 0 的主蒸汽，一种是 p = 2 5 m p 、t = 1 5 0 的补充蒸汽，主蒸汽进入主蒸汽母管，补充蒸汽补入汽轮机的中 间级做功。出a q c 炉的烟气温度在1 0 0 左右，经除尘后排入大气。柬自烧成窑尾 预热器，温度为3 5 0 左右的废气在原料磨高温送风机的抽吸动力下，从s p 炉的顶 部进入炉膛，与自下而上流动的工质进行逆向热交换，工质吸取热员后产生p = l 6 m p 、t = 3 0 0 的主蒸汽，进入主蒸汽母管。出s p 炉的废气送入原料磨对生料进行 烘干，为保汪烘干效果，废气温度应保持在2 5 0 左右。汽轮机主进汽从主蒸汽母管 获得，做完功的乏汽进入凝汽器进行冷却，凝结水由凝结泵送入真空除氧器，经过除 氧加热的主给水经给水泵送入a q c 炉省煤器，加热至饱和：状态后分三路进入a o c 炉高、低压汽包和s p 炉高压汽包。进入a q c 炉低压汽包的饱和水经低压蒸发器、 低压过热器后被加热成过热补充蒸汽，进入a q c 炉高压汽包的饱和水经过高压蒸发 器、高压过热器加热成过热主蒸汽。进入s p 炉汽包的饱和水经各级蒸发器与过热器 被加热成过热主蒸汽，过热蒸汽推动汽轮机作功，进而带动发电机( 3 m w ) 发电，从 而形成一个完整的工艺循环过程f 2 5 1 ，余热电站接入系统方案以“并网不上网为原则 ( 即电站与电网并网运行，但电站所发电量不向电网送电，而全部用于水泥生产) ，发 电机通过电缆与水泥厂总降压变电站的6k v 二次侧相连接。 此外，为保证水泥窑及水泥窑正常、安全运行，在余热发电系统的两个热源( 即 熟料冷却机废气和窑尾预热器废气) 出口各另设旁路烟道。当a 0 c 炉和s p 炉出现 故障运行不诈常时，可以解列两个余热锅炉。 2 2 系统控制策略分析 由水泥低温余热发电的工艺流程可以看出，余热电站与通常的电站相比有一 定的特殊性，主要是水泥回转窑排放的烟气量和烟气温度不可控制。通常电站锅炉 的控制，一殴是控制给水、给煤、送风、引风、过热蒸汽温度等爹数，而在余热咀 水泥j 低温采热发电d c s 及智能控制的应用研艽 站锅炉中，其热源为回转窑运行中排出的废热烟气，水泥回转窑既生产水泥熟料， 同时又利用余热发电，而在具体工艺管理上明确以优质、高产烧成熟料为前提，有 多少余热发多少电，而决不能为多发电而盲目提高窑尾温度或增加用煤量和用风量， 由于水泥窑的生产工艺、生产方法、原料、燃料条件的变化，其产生的烟气余热的 品质随之产生很大的波动，给纯低温余热锅炉的余热利用带来了很多困难，为保证 纯低温余热锅炉尽可能适应水泥窑的变化，产生稳定的蒸汽参数，对汽轮机产生较 小的影响，充分了解低温余热烟气特性至关重要。余热锅炉控制系统设计时应考虑 采取必要的措施适应水泥回转窑烟气的特点和发电系统工艺要求，最大限度的利用 烟气的余热，这是纯低温余热锅炉控制系统设计的难点和重点。 由于余热锅炉产生的蒸汽温度偏低，所以不存在主汽温度控制问题( 主汽温度 控制一般通过减温水的控制实现) ，根据余热电站锅炉控制的特点，我们把锅炉的控 制分为汽包水位控制、蒸汽压力控制、真空除氧器和凝汽器水位控制三个主要部分。 蒸汽压力通过锅炉废气入口的阀门进行控制，控制算法为简单的p i d 控制。汽包水 位控制和除氧器及凝汽器水位控制是余热锅炉自动控制的难点，下面分别分析这两 个控制回路的特性。 2 2 1 余热锅炉汽包水位动态特性分析 余热锅炉汽包水位是余热锅炉运行的一个重要参数，它间接地反映了锅炉负荷 和给水的动态平衡关系。维持汽包水位在允许的范围内是机组安全运行的重要条件 【2 6 】。锅炉汽包水位过高，会影响汽水分离，造成出口蒸汽中水分过多，使过热器受 热面结垢烧坏，损坏汽轮机叶片，同时会使过热蒸汽汽温产生急剧变化，直接影响 机组运行的经济性和安全性。汽包水位过低，当负荷很大时，水的汽化速度很快， 易导致锅炉被烧坏或爆炸。因此锅炉汽包水位控制是维持锅炉安全运行的重要控制 回路。 影响余热锅炉汽包水位的主要参数是水泥回转窑烟气变化、给水流量和蒸汽流 量。给水流量和回转窑烟气量及烟气温度和蒸汽流量变化的时候，汽包水位都可能 出现“虚假水位”的现象，使系统具有非线性、大时滞的动态特性。 在给水流量作用下，水位变化的阶跃响应曲线如图2 _ 2 所示。如果把汽包和给 水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线应为图中的h ，线。但是) = | = | j 二给水温度 比汽包内原有饱和水的温度低，所以当给水流量增加后，它们将从原有饱和水中吸 收部分热量，这就使得水位下汽泡体积由于放出热量而减小。即在水位下汽泡体积 的变化过程l ：p ，水位随着汽包中储水量的增加而逐渐缓慢上升，而当这一过程达到 平衡后，水位下汽泡体积不再变化，水位变化就表现为随着储水量的增加而直线上 升。因此，实际水位变化曲线应如图中h 线所示，即当给水量作阶跃变化后，汽包 水位一开始并不立即增加，而是有一个起始惯性段。 在蒸汽流量扰动下，水位变化的阶跃响应曲线如图2 3 所示。 w h 幽2 2 给水流量作用下水位变化阶跃【司应曲线 水泥低温余热发l 也d c s 及智能控制的应用研究 d h h n h ， 仄。 7 幽2 3 蒸汽流量作用下水位变化阶跃响应曲线 当蒸汽流量d 突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量d 大于给水量 w ，水位应该下降，如图中曲线h 。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加， 瞬时间必然导致汽包压力的下降j 汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽泡体积迅速增 加而使水位变化的曲线如图中h 2 所示。从而实际显示的水位响应曲线h 为h 。与 h 2 的迭加。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量， 但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后再下降( 反之，蒸汽流量突然 减少时，则水位先下降，然后上升) ，产生“虚假水位”现象。 当回转窑烟气温度t 突然增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度增加。汽包压 力：降会升高，蒸汽流量也将增加。此时给水量未及时改变，蒸发量将大于给水量， 水位应该下降。但是，由于水中汽泡容积的增加，水位先上升，然后才下降也出现 “虚假水位”现象。当烟气的温度变化为主要干扰时汽包水位的阶跃曲线如图2 4 所 7 开o 丁 t o 】d h o l ，八 t 7 h 幽2 4 烟气扰动作用下水位变化阶跃响应曲线 2 2 2 经典锅炉汽包水位的控制方法分析 经典汽包水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量等控制方案。由于其中单 冲量、双冲量控制策略比较简单，难以适应现代各种复杂锅炉的控制要求。目前各 种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。本文仅对三冲量串级控制 策略进行详细分析。 三冲量汽包给水控制方案【2 7 】如图2 5 所示，它是以蒸汽流量为前馈信号，给水 流量为内环反馈信号根据物料平衡条件，对汽包水位进行控制的经典控制方案。 该系统的设汁思想是：以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号构成主调节 回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成前馈调节回路，总给水流量怍为串级信 号，构成副调节回路，由主调节回路、前馈调节回路，副调节回路来共同构成锅炉 汽包水位串级三冲量自动控制系统。引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位” 现象对自动控制的不良影响，引入给水流量串级信号可以消除给水侧压力扰动对自 动控制的不良影响。 图2 5 三冲量汽包水位控制框图 经典的三冲量控制方案削弱了蒸气流量和给水流量的扰动对汽包水位的影响，在 水泥回转窑烟气流量温度稳定时能够满足控制要求，但在水泥窑工况变化导致的烟气 流量温度变化的扰动下存在着明显的缺陷。 ( 1 ) 当烟气流量、温度下降时，锅筒压力减小，汽包内的水迅速汽化导致虚假水 位的迅速上升，给水流量回路迅速错误的采取关小给水阀的控制，同时由于此时锅筒 压力减小，蒸汽流量随之减少，加剧了关小给水阀的控制，使被控对象即锅筒给水会 产生剧烈波动甚至误动作。 ( 2 ) 在烟气的升温过程中，锅筒内的水温迅速升高，锅筒水会迅速汽化，导致虚 假水位的暴涨，采用传统三冲量控制将导致锅简补水不及时，产生不安全因素。 如图2 6 、图2 7 分别为受烟气温度影响的三冲量控制的s p 炉汽包水位变化趋势 曲线及s p 炉进出烟气变化趋势曲线。 1 6 攀i ，豁， 篓 i ；囊 黪鹜 蠹豢 嚣象 鬻 鬟 ：托i 。，2 鞠 i 鬻攀雾粪懑誊攀避- ：；l ，鍪：譬囊囊 澎一毒 二 1 嘈 盘d 鞫尊扩1 二= ”+ u 如# ；4 _ 璐j j ! 琢二、一 饕；谥盏i 蔷茹甾 一毒，尊 鬻 i ji 鲥t ? ：1 4 ：、谢 5 4 ： ，“。$ 5 瓤 曼毒；。缀 霪 i i j ；到 黼 芎酽? 7 j 、，。 ? 、。f j 鬻涮瓣熏甄一 ；二；茹二= ；茹磊i | ；耄三。善曩j 一一 溪娶卿零熙黪釜。 4 崎。h 骨# 水泥j 低温余热发r ud c s 改智能控制的艇川 ，l ! ! ! ! 暑! ! = ! ! ! 苎苎! ! 蟹! 苎竺! ! 鼍! 曼! 皇寡曼苎! ! ! 鼍皇! ! ! 皇! ! ! 竺苎! ! ! ! ! ! 詈! 鼍! 水泥厂低温余热锅炉汽包水位控制一直是未能很好解决的难题，氏蝴困扰着生 产企业，大多余热锅炉汽包水位控制还采用手动控制方式，或虽勉强可以投入三冲 量自动控制，但抗干扰能力极差，稍有扰动就必须改为手动控制，无法做到长期自 动稳定运行。必须对传统的三冲量控制方案进行改进，满足控制要求，提高自动化 控制水平。 2 2 3 除氧器和凝汽器的水位控制分析 除氧器和凝汽器是汽轮发电机组的重要组成部分，机组运行对除氧器水位和凝 汽器水位控制要求精度较高 2 j 】。除氧器水位太高会降低除氧效果，造成机组殴备氧 化：水位太低会使给水泵汽蚀。凝汽器水位太高会造成凝结水过冷，方面降低了 机组效率，另一方面，也使凝结水内含氧量增加，不利于系统与设备的安全运行： 水位太低会影响锅炉正常上水。 余热锅炉的特殊性同样也对除氧器和凝汽器的水位控制产生了很大的影响。目 前，国内绝大部分2 0 0mw 及以卞容量机组的除氧器和凝汽器水位控制系兰冗基本采 用如图2 8 两种控制策略口9 1 。 ( a ) ) 幽2 8 常规除氧器及凝汽器控制 图2 8 ( a 1 所