王富有,方 正

(1.南京科远智慧科技集团股份有限公司,江苏 南京 211102；2.江苏省热工过程智能控制重点实验室,江苏 南京 211102)

水泥余热发电技术是符合国家产业政策的绿色发电技术，具有节能、环保等可持续发展的技术特点。目前，水泥生产线配套的余热发电机组，普遍具有显著的经济效益。当前，水泥余热发电机组作为水泥生产企业的配套设施，往往作为企业的一个工段存在，对其自动化运行水平的重视程度不足，这就导致了水泥余热发电机组自动化水平普遍不高、运行人员运行操作量大、工作强度大。需亟待提高水泥余热发电机组自动化水平[1-3]。

1 水泥余热发电机组系统分析

水泥余热发电机组系统进行工艺系统分析是设计其自动控制的基础，典型水泥余热发电系统图如图1所示。

图1 典型水泥余热发电系统工艺流程图

该余热发电机组为4 500 t/d新型干法熟料水泥生产线配套的纯低温余热发电机组，额定主蒸汽压力为0.689 MPa，额定主蒸汽温度为314.3 ℃，额定主蒸汽流量43.6 t/h。该类型余热发电机组在水泥生产企业中得到了广泛应用。该系统的特点是，不配置除氧器，锅炉主给水管道直接与AQC锅炉汽包、PH锅炉汽包、闪蒸器相连。

该水泥余热发电机组是一个典型的随动系统，其自动控制策略的设计需要考虑水泥生产过程的影响和系统本身特点的影响。水泥余热发电机组的锅炉负荷受水泥生产线生产状况直接影响。水泥生产线的生产工艺过程导致水泥余热发电机组锅炉负荷变动频繁，是影响水泥余热机组平稳运行的主要外部干扰因素。水泥余热发电机组水系统是一个直连强耦合系统，水系统中的任何子系统的波动或干扰，都会对其他子系统产生明显的影响，是水泥余热机组平稳控制的主要内部干扰因素。

该余热发电机组在运行过程中，因水系统耦合性强，AQC锅炉汽包水位、PH锅炉汽包水位和闪蒸器水位控制相互干扰，且AQC锅炉汽包给水、PH锅炉汽包给水存在抢水现象，难以实现整个水系统的稳定控制。在实际运行过程中，AQC锅炉汽包水位、PH锅炉汽包水位控制和闪蒸器水位控制发生扰动，最终都会将扰动累加到凝汽器，导致凝汽器水位大幅度变化，凝汽器水位难以控制[4-5]。

2 水泥余热发电机组水系统协调控制设计

根据以上对水泥余热机组水系统的分析，进行水系统解耦协同控制，即将水系统作为一个整体，实现整体控制，控制目标不再局限于某个单一控制回路的控制[6-7]。

2.1 闪蒸器给水平衡控制

在实际运行中，闪蒸器水位受AQC锅炉给水流量、PH锅炉给水流量、AQC锅炉省煤器出口温度调节阀开度和冷凝器回水流量变化的扰动，会发生周期性大幅度波动，控制难度较大。由于系统的没有安装闪蒸器给水流量测点，进入闪蒸器的给水流量无法直接得出。

针对这种情况，采用工质平衡原理对进入闪蒸器的给水流量进行计算，将计算得出的闪蒸器实际给水流量和进入闪蒸器的实际工质量作为控制参考变量加入到闪蒸器水位控制过程中，提高闪蒸器水位控制的抗干扰能力。闪蒸器给水流量和进入闪蒸器的实际工质量计算方法如下：

qSZQfw=qlns-qfwT

(1)

qSZQhs=qfwT-qAQCfw-qPHfw

(2)

qSZQT=qSZQfw-qSZQhs-qSZQST

(3)

式中：qSZQfw为闪蒸器给水流量，m3；qSZQhs为通过AQC锅炉省煤器出口温度调节阀回到闪蒸器的回水流量，m3；qlns为冷凝水流量，m3；qfwT为给水泵出口给水流量，m3；qAQCfw为AQC锅炉给水流量，m3；qPHfw为PH锅炉给水流量，m3；qSZQST为闪蒸器出口蒸汽流量，m3；qSZQT为进入闪蒸器的实际工质量，m3。

在凝结水流量、锅炉给水流量和闪蒸器蒸汽流量测点均正常的情况下，闪蒸器水位控制采用类似燃煤锅炉汽包水位的双调节器控制方法。当凝结水流量、锅炉给水流量和闪蒸器蒸汽流量测点任意一个出现故障时，采用单调节器调节闪蒸器水位，无故障的相关测点经过补偿后作为单调节器调节闪蒸器水位的前馈信号。闪蒸器水位单调节器和双调节器调节可实现自动切换，这样能够提高闪蒸器水位自动控制投入水平，实现闪蒸器水位在较大的负荷区间内实现自动控制。

2.2 AQC锅炉汽包水位控制

AQC锅炉汽包水控制是水泥余热锅炉控制的一个重点。受水泥生产工艺的影响，AQC锅炉入口烟气温度会发生小幅度(40 ℃以上)周期性波动以及大幅度波动(100 ℃以上)，这将导致锅炉负荷频繁变化，AQC汽包水位周期性变化，给水需求周期性变化明显。同时AQC锅炉热负荷周期性变化也是整个余热发电机组水系统频繁波动变化的根源。针对这种情况，需要结合水泥生产线运行规律、AQC锅炉烟气温度以及烟气挡板开度对进入AQC锅炉的热量进行估计，将该热量信号作为控制汽包水位的一个前馈量，用以修正锅炉给水流量需求指令，在锅炉热量变化的同时及时对给水流量需求指令进行修正。锅炉热量变化对给水流量需求指令的修正值计算方法如下：

qaqcfwk=Qaqcyq×k0+qaqcst×k1

(4)

Qaqcyq=Taqcyq×STAQCyq×k2

(5)

STaqcfw=qaqcst×k3+Qaqcyq×k4

(6)

式中：qaqcfwk为AQC锅炉热量变化对给水流量需求指令的修正值；Qaqcyq为进入AQC锅炉的热量估算值；Taqcyq为AQC锅炉入口烟气温度，℃；STAQCyq为AQC锅炉入口烟气挡板实际开度；k0、k1、k2均为修正系数。STaqcfw为热量和主蒸汽流量对给水调节阀开度指令的前馈值；qaqcst为AQC锅炉出口蒸汽流量；k3为修正系数，k4为修正系数。

AQC锅炉汽包水位采用双调节器控制方式，保留单调节器调节方式，并引入锅炉热量变化和主蒸汽流量变化对给水流量需求指令的修正值。当参与控制的参数发生测点故障时，AQC锅炉汽包水位自动切换至单调节器调节方式，这样能够提高QC锅炉汽包水位自动控制投入水平，实现AQC锅炉汽包水位在较大的负荷区间内实现自动控制。当AQC锅炉汽包水位由双调节器调节自动切换值单调节器调节方式时，修正系数k1的数值也将随之发生变化。

2.3 PH锅炉汽包水位控制

PH锅炉汽包水控制是水泥余热锅炉控制的另一个难点。其控制难点在于，锅炉给水泵至PH锅炉行程较远，管路压损较大，当AQC锅炉负荷大幅度变化和AQC锅炉省煤器出口温度调节阀开度变化时，各管路存在抢水现象。AQC锅炉汽包水位控制、AQC锅炉省煤器出口温度控制和PH锅炉汽包水位控制之间耦合明显。另外，受水泥生产工艺的影响，PH锅炉入口烟气温度会发生小幅度(40 ℃以上)波动，这将导致锅炉负荷发生变化。

根据以上情况，PH锅炉汽包水位控制需要克服AQC锅炉给水流量变化、AQC锅炉省煤器出口温度调节阀开度变化对PH锅炉汽包水位的干扰，实现AQC锅炉汽包水位控制、AQC锅炉省煤器出口温度控制和PH锅炉汽包水位控制解耦；需要对进入PH锅炉的热量进行估计，对PH锅炉汽包水位控制进行补偿。针对PH锅炉汽包水位控制的解耦需求，需要将AQC锅炉给水流量变化、AQC锅炉省煤器出口温度调节阀开度作为解耦控制变量。针对PH锅炉汽包水位控制的热量补偿需求，需要结合水泥生产线运行规律，根据烟气挡板开度和烟气温度对进入PH锅炉的热量进行估计，将该热值作为控制PH锅炉汽包水位的一个前馈量，用以修正锅炉给水流量需求指令，在锅炉热量变化时及时对给水流量需求指令进行修正。

解耦控制和锅炉热量变化对给水流量需求指令的修正值计算方法如下：

qphfwk=Qphyq×k5+qphst×k6

(7)

Qphyq=Tphyq×STPHyq×k7

(8)

STphfw=qphst×k8+Qphyq×k9

(9)

STphx=STAQCfw×k10+STAQCT×k11

(10)

式中：qphfwk为锅炉热量变化对PH锅炉给水流量需求指令的修正值；Qphyq为进入PH锅炉的热量估算值；qphst为PH锅炉出口蒸汽流量；Tphyq为PH锅炉入口烟气温度，℃；STPHyq为PH锅炉入口烟气挡板实际开度；k5～k11均为修正系数；STphfw为PH锅炉烟气热量和主蒸汽流量计算得出的PH锅炉水位控制的前馈值；STphx为AQC锅炉汽包水位控制、AQC锅炉省煤器出口水温控制，对PH锅炉汽包水位控制的解耦修正值。

PH锅炉汽包水位采用双调节器控制方式，并保留单调节器调节方式。双调节器调节时，主调调节PH锅炉汽包水位，副调调节给水流量。主调引入锅炉热量变化和主蒸汽流量变化作为给水流量需求指令的修正值，副调引入解耦修正指令。当参与控制的参数存在测点故障时，PH锅炉汽包水位自动切换为单调节器调节方式，这样能够提高PH锅炉汽包水位自动控制投入水平，实现PH锅炉汽包水位在较大的负荷区间内实现自动控制。当PH锅炉汽包水位控制由双调节器控制自动切换值单调节器控制时，修正系数k6的数值也将随之发生变化。

2.4 AQC锅炉省煤器出口水温控制

AQC锅炉省煤器出口水温过高会导致AQC锅炉省煤器出口给水沸腾，给水带汽，影响AQC锅炉和PH锅炉的安全运行。在实际运行中，进入AQC锅炉的热量周期性变化，而进入AQC锅炉的热量变化对进入锅炉省煤器出口水温的影响是一个大滞后过程，这导致了锅炉省煤器出口水温控制难以控制。另外，AQC锅炉给水流量变化会直接影响AQC锅炉省煤器给水流量，AQC锅炉省煤器出口水温控制需要考虑AQC锅炉汽包水位控制的干扰。

针对AQC锅炉省煤器的运行特点，将进入AQC锅炉的热量估计加入到AQC锅炉省煤器出口水温控制过程中，以实现AQC锅炉省煤器出口水温控制的滞后补偿。针对窑头运行不定时出现的AQC锅炉入口烟气温度大幅度快速升高的现象，为避免AQC锅炉省煤器出口给水沸腾，需要进行给水压力补偿。即，在AQC锅炉省煤器出口水温持续升高接近高限值时，适当提高给水压力。AQC锅炉烟气热量对AQC锅炉省煤器出口水温控制的修正值和给水压力补偿值的计算方法如下：

AQCSTaqctx=Qaqcyq×k12

(11)

AQCSTaqcty=STAQCfw×k13

(12)

b=F(PfwPact-a)-FWfwTact

(13)

FWfwPspx=F(b)

(14)

式中：AQCSTaqctx为AQC锅炉热量变化对AQC锅炉省煤器出口水温控制指令的修正值；AQCSTaqcty为AQC锅炉汽包水位控制对AQC锅炉省煤器出口水温控制的修正值；Qaqcyq为进入AQC锅炉的热量估算值；PfwPact为给水压力实际值，Pa；a为AQC锅炉省煤器管路压损，Pa；F(PfwPact-a)为PfwPact-a压力下AQC锅炉省煤器出口给水饱和温度，℃；FWfwTact为AQC锅炉省煤器出口温度实际值，FWfwPxpx为给水压力设定值的补偿值。

AQC锅炉省煤器出口水温控制采用单调节器+前馈的控制方式，AQCSTaqctx和AQCSTaqcty作为前馈。调节器采用变参数处理和限值处理，当锅炉省煤器出口水温变化速度较快时，适当提高调节器调节速度；当AQC锅炉省煤器出口水温控制指令低于一定值时，限值调节器输出，避免进入闪蒸器热水流量过低。

2.5 冷凝器水位控制

通过水泥余热发电机组系统分析可知，该类型余热发电机组是一个强耦合系统，且所有的扰动都会对冷凝器水位产生影响。为快速克服干扰需要考虑水系统其他参数控制对冷凝器水位的控制的影响，而其他参数控制过程最终体现为给水流量变化和冷凝水流量的变化。另外，由于冷凝器水容积较小，为实现将冷凝器水位控制在合理的运行区间内，需要冷凝器补水调节阀和回水调节阀共同参与冷凝器水位的控制。

针对该余热机组运行的实际情况，提高冷凝器水位控制的抗干扰能力，将冷凝水压力投入自动控制，稳定冷凝水压力。在冷凝水压力自动投入后，回水系统为带压回水，其开度变化对冷凝器水位变化的反应比较迅速(补水过程为负压补水)。因此，对于冷凝器水位控制，加强回水调节阀水调节作用，当冷凝器水位低于某给定值后，加强补水调节阀的调节作用。防止补水调节阀和回水调节阀相互扰动，冷凝器水位频繁波动。对补水调节阀采用前馈控制并引入微分作用，以提高冷凝器水位控制的抗干扰能力。回水调节阀前馈值计算方法如下：

SThsx=(Qaqcfw+Qphfw+Qszqfw)×k14+AQCSTaqct×k15

(15)

式中：Qaqcfw为AQC锅炉给水实际流量；Qphfw为PH锅炉给水实际流量；Qszqfw为闪蒸器给水实际给水流量；AQCSTaqct为AQC锅炉省煤器出口温度调节阀开度。k14为修正系数；k15为修正系数，修正系数具体值通过调试得出。当为AQC锅炉给水实际流量测点、PH锅炉给水实际流量测点以及闪蒸器给水实际给水流量相关测点故障时，相应的测量信号保持不变，以避免对冷凝器水位控制产生较大影响。

2.6 水系统解耦控制

在上文中对PH锅炉汽包水位进行了解耦控制功能设计。但在实际运行中，AQC锅炉负荷变化过大时，AQC锅炉给水流量变化较大。此时，虽然PH锅炉负荷平稳，解耦控制修正值不足以满足PH锅炉汽包水位控制的需求，PH给水调节阀全开，汽包水位下降。因此，为提高系统的鲁棒性，提高PH锅炉汽包水位控制水平，针对进一步解耦控制需要，将给水泵出口压力投入自动运行。

给水泵出口压力投入自动运行会在一定程度上提高PH锅炉汽包水位控制水平，但给水泵出口压力控制过高，给水泵电耗过大，影响机组的安全运行。给水泵出口压力的控制需要根据整个机组运行的实际需要进行自适应调整。针对该控制需求，设计给水泵出口压力设定值自适应变化，即在保持最低给水泵出口压力控制目标的基础上，对给水泵出口压力设定值进行自适应修正。给水泵出口压力设定值自适应修正值的方法如下：

FWPspact=FWPPsp+FWPspx+FWPspy

(16)

FWPspy=F(STph)

(17)

式中：FWPspact为修正后给水压力设定值，给水压力控制目标值以此为目标；FWPPsp为操作员给定的给水压力设定值；FWPspy为PH锅炉给水调节阀开度对给水压力设定值的修正值；STph为PH锅炉实际给水调节阀开度；F(STph)为以STph为变量的函数。

通过给水压力设定值进行修正，可以在满足PH锅炉汽包水位的控制的同时，给水泵出口压力控制在合理的范围内，不过多增加给水泵运行电耗。该方法在实际运行中，对于PH锅炉汽包水位的控制起到了比较明显的控制效果。

3 水泥余热发电机组水系统协调控制效果

根据以上控制思路设计控制组态并进行调试，调试结果如图2所示。

通过以上控制策略调试，该余热发电机组AQC锅炉汽包水位、闪蒸器水位控制在设定值的±20 mm以内变化、冷凝器水位、PH锅炉汽包水位控制在设定值的±50 mm以内变化，AQC锅炉省煤器出口水温控制在设定值±3 ℃以内，控制效果明显。在实际机组运行过程中，所有控制回路的自动投入率在98%以上，机组运行自动化水平明显提高，运行操作人员工作量大为减少。根据项目现场实际情况，增加了语音报警功能，在系统自动控制功能退出时及时发出语音报警，系统运行的安全性大为提高，原本的专职操作员也改为了兼职操作员，实现了减员增效。

图2所示为各条件下参数变化情况。

图2 优化后控制效果图

4 结 论

水泥余热机组作为水泥生产线的配套系统，其对整个水泥生产过程的节能运行起着重要作用，其自动化运行水平应当得到应有重视。通过水泥余热发电机组控制策略的优化和调试，可以明显提高机组运行的自动化水平，安全运行水平。能够将操作员解放出来，将精力和注意力放在提高机组运行经济性方面，实现技术和经济效益双赢。