加熱爐熱效率多區域智能在線優化控制方法

專利名稱：加熱爐熱效率多區域智能在線優化控制方法
技術領域：
本發明涉及加熱爐熱效率的在線優化控制方法，屬于石油化工管式加熱爐和生產 過程自動控制領域。
背景技術：
管式加熱爐(以下稱加熱爐)是煉油和石化等生產過程廣泛應用的重要工藝設 備，幾乎每一套工業裝置中都有加熱爐。加熱爐為裝置提供熱源，是裝置耗能的主要設備。 例如，常減壓蒸餾燃料消耗占裝置總能耗在82-92 %，延遲焦化在90 %左右。加熱爐燃料在 燃燒過程中會產生C02，CO等氣體。對運行的加熱爐進行熱效率優化，使其長期工作在最佳 燃燒狀況附近，在不改變工藝的情況下實現節能降耗，并減少因不完全燃燒造成的環境污 染，是一項迫切的任務。加熱爐的熱效率是被加熱介質有效利用的熱量占總供給熱量的百分比。對加熱 爐而言，若風量過小，會造成燃料燃燒不充分，浪費燃料并產生CO等氣體污染環境；若風量 過大，則排出煙氣帶走的熱量過多，熱效率降低。因此，對應某個工況，存在最優的熱效率。 加熱爐熱效率的調整手段是風量，通過調整風量，保持合理的過剩空氣系數，達到最優熱效率。關于加熱爐熱效率的控制與優化，已經有一些研究和應用結果。目前工業上較普 遍采用的方法是控制煙氣中氧含量間接控制燃燒效率，但負荷、燃料發生變化時，最優氧含 量也會發生相應變化。文獻報道內模控制和熱效率自尋優等方法被用于加熱爐熱效率的實 時控制和優化。但對熱效率的控制并不能保證最優熱效率，也存在著可控性問題。采用熱 效率自尋優的方法，當加熱爐熱負荷變化較大時，尋優速度較慢。工業上煙風系統的控制一般采用PID控制。由于加熱爐風量調節執行機構靈敏度 較差、死區大等原因，一般不適宜做連續調節，上述控制回路大部分長期處于手動狀態。由 于加熱爐風量調節執行機構靈敏度較差、死區大等原因，一般不適宜做連續調節，上述控制 回路長期處于手動狀態，更談不上熱效率的優化。因此，需要開發合適的控制策略實現對加 熱爐煙風系統的自動控制，為實現熱效率的優化奠定基礎。

發明內容
本發明的目的給出一種實用的加熱爐熱效率多區域智能在線優化控制方法。方 法包括熱效率優化控制和煙風系統控制兩部分。熱效率優化控制部分分為離線和在線兩部 分。離線部分根據熱負荷對加熱爐工況進行工作區域劃分，通過歷史數據挖掘，得到每一工 作區域內的優化工作點。在線部分根據過程實時數據確定加熱爐的工作區域，然后在每一 工作區域內進行熱效率自尋最優控制，達到快速尋優且長期工作在優化狀態附近的目的。 煙風系統的控制采用基于“動態前饋，穩態反饋”的控制方法，對氧含量和爐膛負壓進行控 制，保證加熱爐有穩定的燃燒狀態，為優化奠定基礎。本發明的特征在于所述方法是在上位機中依次按以下步驟實現的
步驟A 上位機初始化在所述上位機中設立以下模塊在線優化模塊、煙風系統控制模塊以及實時數據 庫/OPC通訊軟件模塊，其中在線優化模塊，通過所述操作控制通過OPC通訊軟件從加熱爐被控對象和集散控 制系統采集加熱爐的實時數據，并把加熱爐的熱負荷區域的歷史優化工作點和熱負荷的當 前優化工作點送往所述實時數據庫供所述煙風系統控制模塊使用；煙風系統控制模塊，在所述OPC通訊軟件作用下，實時采集氧含量和爐膛負壓等 數值，并讀取所述實時數據庫中在線優化模塊所確定的優化工作點，對燃料增加時的空燃 比、熱負荷區域氧含量和熱負荷區域的爐膛負壓進行控制，使氧含量和爐膛負壓維持在優 化工作點附近，所計算的控制作用通過所述OPC通訊軟件送往所述加熱爐被控對象和集散 控制系統；步驟B:所述在線優化模塊，依次按以下步驟進行熱效率離線優化和熱效率在線 優化步驟Bl 熱效率離線優化，其步驟如下步驟Bi. 1 階躍測試獲得熱效率的穩態響應時間在過程平穩情況下，對氧含量設定值施加階躍測試信號，記錄熱效率變化曲線，獲 得熱效率的穩態響應時間 ；；步驟Bi. 2 設定采樣周期T，T e
，并采集下述加熱爐現場數據加熱 爐氧含量、加熱爐爐膛負壓、加熱爐出口溫度、加熱爐入口溫度、加熱爐進料流量、燃料流量 和進風量，并按以下步驟進行離線建模分析；步驟B1.3 對被加熱介質無相變的加熱爐，計算加熱爐的有效熱負荷Q(k)Q (k) = F (k) Cp [Tout (k) -Tin (k)]其中k為采樣時刻，Q (k)為k時刻加熱爐的有效熱負荷，F(k)為k時刻被加熱介質的流量，Tout (k)為k時刻被加熱介質的出口溫度，Tin (k)為k時刻被加熱介質的入口溫度，Cp為被加熱介質的比熱；步驟Bi. 4:利用熱負荷區域分類器按照熱負荷的大小將加熱爐熱負荷所處的工 作區域分為N個區域，如N= 5，區域用Qi表示，i = 1,2,......，5 ；當加熱爐正常熱負荷的工作范圍在設計有效熱負荷Qtl的0. 75倍至1. 25倍之間 變化時，5個區域的區域限分別為
使用Ω iL> Ω iH分別表示區域Ω i的下限和上限；步驟Bi. 5 根據正平衡法計算熱效率 其中η (k)為k時刻計算熱效率值，
Ff (k)為k時刻為燃料流量，Hf為燃料燃燒熱值；步驟Bi. 6 根據步驟Bi. 2中得到的歷史數據，尋找熱負荷工作區域Ω ,內加熱爐 的歷史優化工作點J, = ornfXk)Vl(k)i =其中η i (k)為熱負荷工作區域Qirtk時刻計算熱效率值，O2i (k)為k時刻對應的氧含量測量值，Pi (k)為k時刻對應的爐膛負壓測量值；把使熱效率最大的氧含量和爐膛負壓值作為所述熱負荷工作區域Ω i內加熱爐的 歷史優化工作點，用Ω“ρ 表示Qii0pt= {02i,opt Pii0pJi = 1,2,…，5其中為熱負荷工作區域Qi歷史優化工作點，02i, opt為熱負荷工作區域Ω i內氧含量歷史優化值，Pii0pt為熱負荷工作區域Qi內爐膛負壓歷史優化值；步驟B2 熱效率在線優化，其步驟如下步驟B2. 1 采集過程的實時數據，包括加熱爐氧含量、加熱爐爐膛負壓、加熱爐 出口溫度、加熱爐入口溫度、加熱爐進料流量和燃料流量；步驟B2. 2 利用步驟Bi. 4中的熱負荷工作區域分類器判斷過程當前所處的熱負 荷工作區域Qi，并獲取對應的離線計算所得的歷史優化點數值Qi,。pt;步驟B2. 3 按步驟Bi. 5所述方法計算當前時刻熱效率η (k)；步驟B2. 4 按如下的判定準則判斷過程是否出于穩定狀態 其中yjl(j = 1,2,3)分別為特征變量(加熱爐出口溫度、爐膛溫度和進料量)的 第1個值，L是判斷過程是否處于穩定的歷史數據長度，L*T = 30min, T是采樣周期，兄是選擇的第j個特征變量的平均值，ε是預先指定的穩態判定閾值，取值范圍為(0，0. 1)；步驟Β2. 5 按以下步驟確定當前熱負荷下優化工作點步驟Β2. 5. 1 若過程處于穩定狀態，則熱效率在線尋優采用自尋最優控制方法， 以氧含量設定值為調優變量，以歷史優化工作點02i,。pt為初始值，在線尋找使熱效率最高的 氧含量設定值O2s (k)，步驟如下步驟B2. 5. 1. 1 計算相對上一時刻k_l的熱效率的變化值Δ η (k)δ n (k) = n (k)-n (k-i)；步驟B2. 5. 1. 2 若I Λ n (k) | < Δ ηmin，則停止尋優并記錄此時的氧含量設定值， 其中Δ Jlmin為預設的熱效率調整死區；步驟Β2. 5. 1. 3:若丨Λ η (k) |彡Δ nmin，則以A02s(k)為所述氧含量設定值O2s (k) 的尋優步長自動尋優
其中λ為調整系數，取值范圍為(0，1]；步驟Β2. 5. 2 若過程未處于穩定狀態，以歷史優化工作點02i,。pt為設定值O2s(k)， 保證加熱爐處于次優的工作狀態；步驟B2. 6 所計算氧含量設定值O2s (k)送往所述實時數據庫，供所述煙風系統控 制模塊中的氧含量控制器來塊實施；步驟C 所述煙風系統控制模塊的控制對象包括氧含量、爐膛負荷和燃料增加時 的空燃比，控制目標是把所述氧含量和爐膛負壓控制在由所述離線優化和在線優化共同得 出的優化給定點或給定范圍內，步驟如下步驟Cl 階躍測試獲得氧含量和爐膛負壓的穩態響應時間在過程平穩情況下，對進風量施加階躍測試信號，記錄氧含量變化曲線，獲得氧含 量的穩態響應時間Ttj2ss ；在過程平穩情況下，對鼓風機入口擋板施加階躍測試信號，記錄爐膛負壓變化曲 線，獲得爐膛負壓的穩態響應時間Tpss ；步驟C2 設定煙風控制系統模塊的控制周期為T。，Tc = min (T02ss，TpJ /40 ；步驟C3 燃料增加時對空燃比按以下步驟進行控制步驟C3. 1 若燃料增加量AFfGO相對上一次進風量調整時刻k。_l的燃料量Fftl 比值超過預設閾值β，β e (0，0.2]，即
AFJk ) 則燃料增加時進風的前饋變化量AFaF (k。)為 其中Δ Ff (k。)= Ff (k。) -Ff0為燃料變化量，Ff (k。)為燃料流量，α為過剩空氣系數，對燃料氣取值范圍為[1. 05，1. 15]；AFR為理論空氣燃料比，對燃料氣，其計算為ApjR = 0.01 X4.76X 0.5CC)+ 0.5H2+^(m + |)CmHn+1.5H2S-02其中C0，H2, CmHn，H2S, O2為燃料氣中各組分含量，以％為單位；步驟C4 按以下步驟對氧含量進行區域控制步驟C4. 1 若氧含量的設定值為02s，其允許的區域范圍為 其中δ為氧含量偏離設定值O2s的區域限，δ e (00. 5)；步驟C4. 2 在氧含量控制時刻kc，若O2 (k。)> 02H 或者 O2 (k。)< 02L，其中 02H = O2s+ δ,Ol = O2s- δ，且所述氧含量控 制器不處于等待時間，則按下式計算所需的進風量變化 其中Δ fa(kc)為進風量的變化量，O2s為氧含量的設定值，O2 (k。)為氧含量的測量值；若 O2l ≤ O2 (kc)≤ 02H,則 Δ Fa (kc) = 0 ；根據氧含量控制時刻k。的爐膛負壓PGO按以下原則修正進風量變化量 AFaGO 若PGO >PHS，PhsS爐膛負壓的安全上限，且進風量的變化量AFaGO >0，則保 持進風量不變，使AFaGO =0，若PGO < P^Pk為爐膛負壓的安全下限，且進風量的變化量AFaGO <0，則保 持進風量不變，使AFaGO =0；步驟C4. 3 按下式計算所需的進風量Fa(kc) =Fa(kc-l) + AFa(kc)其中FaOO為進風量；對過程做出反饋調節后，等待一個氧含量的穩態響應時間Iffiss ；步驟C5 按以下步驟對爐膛負壓進行區域控制步驟C5. 1 若爐膛負壓的設定值為Ps，且處于熱負荷工作區域Ω i，則Ps = Pi,。pt， i = 1,2,…，5，其允許變動的區域范圍為[Ps-O Ps+O]其中σ為爐膛負壓偏離設定值的區域限，δ e (010)；步驟C5. 2 在爐膛負壓控制時刻kc，若P(k。)> Ph或者PGO < Pl，其中Ph = Ps+σ，Pl = Ps-0，且所述爐膛負壓控 制器不處于等待時間，則爐膛負壓的偏差為eP(k。)= Ps-PGO，則引風機入口擋板變化量 AMV2GO 為M4V2{kc)=e-^-其中=K1為引風機入口擋板與負壓變化的比例系數；對過程做出反饋調節后，等待一個爐膛負壓的穩態響應時間Tpss ；其他情況下，AMV2GO= O ；步驟C5. 3 按下式對鼓風機變頻的變化進行前饋控制Δ MV2f (kc) = K2 Δ MV1 (kc)其中AMV2fGO為引風機入口擋板的前饋變化，Δ MV1 (kc) = MV1 (kc) -MV1 (kc-l)為鼓風機變頻輸出的變化，K2為擋板變化與變頻輸出之間的前饋系數。使用證明加熱爐離線優化根據熱負荷對加熱爐工況進行工作區域劃分，通過歷 史數據挖掘，能夠得到每一工作區域內的優化工作點。在線優化根據過程實時數據確定加 熱爐的工作區域，在每一工作區域內以歷史優化工作點為起點進行熱效率自尋最優控制， 達到快速尋優且長期工作在優化狀態附近的目的。煙風系統的控制基于“穩態反饋，動態前 饋”思想的控制方法，可有效解除進風量連續閉環調節的不安全影響，解除動態耦合對控制 的穩定性影響。


圖1是加熱爐流程及熱效率多區域智能優化控制結構示意圖。圖2是熱效率優化離線部分步驟示意圖。圖3是熱效率優化在線尋優和煙風系統控制總體步驟示意圖。圖4是熱效率優化熱負荷區域分類器。圖5是熱效率在線優化程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施案例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。其中，圖 1是加熱爐流程及熱效率多區域智能優化控制結構示意圖；圖2是熱效率優化離線部分步 驟示意圖；圖3是熱效率優化在線尋優和煙風系統控制總體步驟示意圖；圖4是熱效率優 化熱負荷區域分類器；圖5是熱效率在線優化程序流程圖。熱效率離線優化步驟Bi. 1 階躍測試獲得熱效率的穩態響應時間在過程平穩情況下，對氧含量設定值施加階躍測試信號，記錄熱效率變化曲線，獲 得熱效率的穩態響應時間 ；；步驟Bi. 2 設定采樣周期T，T e
，并采集下述加熱爐現場數據加熱 爐氧含量、加熱爐爐膛負壓、加熱爐出口溫度、加熱爐入口溫度、加熱爐進料流量、燃料流量 和進風量；采集以上數據一段時間(如一個月)用于離線建模分析；步驟B1.3 對被加熱介質無相變的加熱爐，計算加熱爐的有效熱負荷Q(k)Q (k) = F (k) Cp [Tout (k) -Tin (k)]其中k為采樣時刻，Q(k)為k時刻加熱爐的有效熱負荷，F(k)為k時刻被加熱介質的流量，Tout (k)為k時刻被加熱介質的出口溫度，Tin (k)為k時刻被加熱介質的入口溫度，Cp為被加熱介質的比熱；步驟Bi. 4:利用熱負荷區域分類器按照熱負荷的大小將加熱爐熱負荷所處的工 作區域分為N個區域，如N= 5，區域用Qi表示，i = 1,2,......，5 ；當加熱爐正常熱負荷的工作范圍在設計有效熱負荷Q。的0. 75倍至1. 25倍之間 變化時，5個區域的區域限分別為
使用Ω iL> Ω iH分別表示區域Ω i的下限和上限；步驟Bi. 5 根據正平衡法計算熱效率
/,、 Qik)_ =
其中η (k)為k時刻計算熱效率值，Ff (k)為k時刻為燃料流量，Hf為燃料燃燒熱值；步驟Bi. 6 根據步驟Bi. 2中得到的歷史數據，尋找熱負荷工作區域Ω ,內加熱爐 的歷史優化工作點沁 Ι 其中ITiGO為熱負荷工作區域Qirtk時刻計算熱效率值，O2i (k)為k時刻對應的氧含量測量值，Pi (k)為k時刻對應的爐膛負壓測量值；把使熱效率最大的氧含量和爐膛負壓值作為所述熱負荷工作區域Ω i內加熱爐的 歷史優化工作點，用Ω“ρ 表示Qii0pt= {02i,opt Pii0pJ i = 1,2,…，5其中Qi,。pt為熱負荷工作區域Qi歷史優化工作點，02i,opt為熱負荷工作區域Qi內氧含量歷史優化值，Pii0pt為熱負荷工作區域Qi內爐膛負壓歷史優化值。熱效率在線優化在上位機中，設置優化定時器，周期為T。熱效率優化在線部分在每個優化周期執 行下列步驟步驟B2. 1 采集過程的實時數據，包括加熱爐氧含量、加熱爐爐膛負壓、加熱爐 出口溫度、加熱爐入口溫度、加熱爐進料流量和燃料流量；步驟B2. 2 利用步驟Bi. 4中的熱負荷工作區域分類器判斷過程當前所處的熱負 荷工作區域Qi，并獲取對應的離線計算所得的歷史優化點數值Qi,。pt;步驟B2. 3 按步驟Bi. 5所述方法計算當前時刻熱效率η (k)；步驟B2. 4 按如下的判定準則判斷過程是否出于穩定狀態
r π1 yj> ^yj λX γΣ \ <ε
yj J其中yjl(j = 1,2,3)分別為特征變量(加熱爐出口溫度、爐膛溫度和進料量)的 第1個值，L是判斷過程是否處于穩定的歷史數據長度，L*T = 30min, T是采樣周期，叉是選擇的第j個特征變量的平均值，ε是預先指定的穩態判定閾值，取值范圍為(0，0. 1)；步驟Β2. 5 按以下步驟確定當前熱負荷下優化工作點步驟Β2. 5. 1 若過程處于穩定狀態，則熱效率在線尋優采用自尋最優控制方法， 以氧含量設定值為調優變量，以歷史優化工作點02i,。pt為初始值，在線尋找使熱效率最高的 氧含量設定值O2s (k)，步驟如下步驟B2. 5. 1. 1 計算相對上一時刻k_l的熱效率的變化值Δ η (k)δ n (k) = n (k)-n (k-i)；步驟B2. 5. 1. 2 若丨Λ η (k) | < Δ ηmin，則停止尋優并記錄此時的氧含量設定值，其中Δ Jlmin為預設的熱效率調整死區； 步驟Β2. 5. 1. 3:若丨Λ η (k) |彡Δ nmin，則以A02s(k)為所述氧含量設定值O2s (k) 的尋優步長自動尋優 A02s(k) = CnO2UO2s (k) = O2s (k-1) + Δ O2s (k)其中λ為調整系數，取值范圍為(0，1]；步驟Β2. 5. 2 若過程未處于穩定狀態，以歷史優化工作點02i,。pt為設定值O2s(k)， 保證加熱爐處于次優的工作狀態；步驟B2. 6 所計算氧含量設定值O2s (k)送往所述實時數據庫，供所述煙風系統控 制模塊中的氧含量控制器來塊實施；通過熱負荷多區域分類，達到針對特定工況快速尋優且長期工作在優化狀態附近 的目的，尤其適合熱負荷經常發生變化的加熱爐。煙風系統控制煙風系統的控制包括燃料增加時的空燃比控制、氧含量區域控制和爐膛負壓區域 控制。其目標是將氧含量和爐膛負壓控制在上述離線優化和在線優化所決定的優化給定點 或給定范圍內。步驟Cl 階躍測試獲得氧含量和爐膛負壓的穩態響應時間在過程平穩情況下，對進風量施加階躍測試信號，記錄氧含量變化曲線，獲得氧含 量的穩態響應時間Ttj2ss ；在過程平穩情況下，對鼓風機入口擋板施加階躍測試信號，記錄爐膛負壓變化曲 線，獲得爐膛負壓的穩態響應時間Tpss ；步驟C2 設定煙風控制系統模塊的控制周期為T。，Tc = min (T02ss, TPss)/40 ；步驟C3 燃料增加時的空燃比控制。空燃比控制的目的是在燃料增加時進行動態 前饋，防止燃燒不足。步驟C3. 1 若燃料增加量AFfGO相對上一次進風量調整時刻k。_l的燃料量Fftl 比值超過預設閾值β，β e (0，0.2]，即> β
hfo其中AFf (k。)= FfGO-Fftl為燃料變化量，Ff (kc)為燃料流量；則燃料增加時進風的前饋變化量AFaF(k。)為ΔFaF(kc) = α .AFR· AFf(kc)其中α為過剩空氣系數，對燃料氣取值范圍為[1.05，1. 15]；AFR為理論空氣燃料比，對燃料氣其計算為AFi = 0.01 χ 4.76χ 0.5CO + 0.5H2++1.5H2S-02其中C0，H2, CmHn，H2S, O2為燃料氣中各組分含量，以％為單位；步驟C4 氧含量區域控制氧含量區域控制的被控變量是氧含量，操作變量是進風量(或計算進風量)。氧含量區域控制的目標是將氧含量控制在設定值附近的區域內。步驟C4. 1 若氧含量的設定值為02s，其允許的區域范圍為
其中8為氧含量偏離設定值02s的區域限，8 G (00. 5)；步驟C4. 2 在氧含量控制時刻kc，若02(kc) >02H 或者 02(kc) <02^其中 0211 = 023+5，(\ = 023-5，且所述氧含量控 制器不處于等待時間，則按下式計算所需的進風量變化AFa {kc) =(弋){K+ (kc )]其中AFa(kc)為進風量的變化量，02s為氧含量的設定值，02 GO為氧含量的測量值；若02L 彡 02 (kc)彡 02H，則 A Fa (kc) = 0 ；根據氧含量控制時刻k。的爐膛負壓P(k。)按以下原則修正進風量變化量 AFa(kc)若P(k。)>PHS，PHS*爐膛負壓的安全上限，且進風量的變化量AFa(k。)>0，則保 持進風量不變，使AFa(kc) =0，若P(k。)<PLS, P^為爐膛負壓的安全下限，且AFa(kc) <0，則保持進風量不變， 使 AFa(kc) = 0 ；步驟C4. 3 按下式計算所需的進風量 其中FaOO為進風量；對過程做出反饋調節后，等待一個氧含量的穩態響應時間T^ ；步驟C5 爐膛負壓區域控制爐膛負壓區域控制的被控變量是爐膛負壓，操作變量是鼓風機入口擋板。爐膛負 壓區域控制的目標是將爐膛負壓控制在設定值附近的區域內。步驟C5. 1 若爐膛負壓的設定值為Ps，且處于熱負荷工作區域Q i，則Ps = Pi,。pt， i = 1,2,…，5，其允許變動的區域范圍為[Ps-o Ps+o ]其中o為爐膛負壓偏離設定值的區域限，8 G (010)；步驟C5. 2 在爐膛負壓控制時刻kc，若P(kc) >PH或者PG0 <卩口其中？11 = 3+0，？，= 3-0，且所述爐膛負壓控 制器不處于等待時間，則爐膛負壓的偏差為eP(k。)= Ps_P(k。)，則引風機入口擋板變化量 AMV2(kc)為 其中屯為引風機入口擋板與負壓變化的比例系數；對過程做出反饋調節后，等待一個爐膛負壓的穩態響應時間TPss ；其他情況下，AMV2(kc) = 0 ；
步驟C5. 3 按下式對鼓風機變頻的變化進行前饋控制A MV2F (kc) = K2 A (kc)其中AMV2F(k。)為引風機入口擋板的前饋變化，A m, (kc) = m, (kc) -m, (kc-i)為鼓風機變頻輸出的變化，K2為擋板變化與變頻輸出之間的前饋系數。
權利要求
加熱爐熱效率多區域智能在線優化控制方法，其特征在于，所述方法是在上位機中依次按以下步驟實現的步驟A上位機初始化在所述上位機中設立以下模塊在線優化模塊、煙風系統控制模塊以及實時數據庫/OPC通訊軟件模塊，其中在線優化模塊，通過所述操作控制通過OPC通訊軟件從加熱爐被控對象和集散控制系統采集加熱爐的實時數據，并把加熱爐的熱負荷區域的歷史優化工作點和熱負荷的當前優化工作點送往所述實時數據庫供所述煙風系統控制模塊使用；煙風系統控制模塊，在所述OPC通訊軟件作用下，實時采集氧含量和爐膛負壓等數值，并讀取所述實時數據庫中在線優化模塊所確定的優化工作點，對燃料增加時的空燃比、熱負荷區域氧含量和熱負荷區域的爐膛負壓進行控制，使氧含量和爐膛負壓維持在優化工作點附近，所計算的控制作用通過所述OPC通訊軟件送往所述加熱爐被控對象和集散控制系統；步驟B所述在線優化模塊，依次按以下步驟進行熱效率離線優化和熱效率在線優化步驟B1熱效率離線優化，其步驟如下步驟B1.1階躍測試獲得熱效率的穩態響應時間在過程平穩情況下，對氧含量設定值施加階躍測試信號，記錄熱效率變化曲線，獲得熱效率的穩態響應時間Tr；步驟B1.2設定采樣周期T，T∈
，并采集下述加熱爐現場數據加熱爐氧含量、加熱爐爐膛負壓、加熱爐出口溫度、加熱爐入口溫度、加熱爐進料流量、燃料流量和進風量，并按以下步驟進行離線建模分析；步驟B1.3對被加熱介質無相變的加熱爐，計算加熱爐的有效熱負荷Q(k)Q(k)＝F(k)Cp[Tout(k)-Tin(k)]其中k為采樣時刻，Q(k)為k時刻加熱爐的有效熱負荷，F(k)為k時刻被加熱介質的流量，Tout(k)為k時刻被加熱介質的出口溫度，Tin(k)為k時刻被加熱介質的入口溫度，Cp為被加熱介質的比熱；步驟B1.4利用熱負荷區域分類器按照熱負荷的大小將加熱爐熱負荷所處的工作區域分為N個區域，如N＝5，區域用Ωi表示，i＝1，2，......，5；當加熱爐正常熱負荷的工作范圍在設計有效熱負荷Q0的0.75倍至1.25倍之間變化時，5個區域的區域限分別為
使用ΩiL、ΩiH分別表示區域Ωi的下限和上限；步驟B1.5根據正平衡法計算熱效率 <mrow><mi>&eta;</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>H</mi> <mi>f</mi></msub><msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>其中η(k)為k時刻計算熱效率值，Ff(k)為k時刻為燃料流量，Hf為燃料燃燒熱值；步驟B1.6根據步驟B1.2中得到的歷史數據，尋找熱負荷工作區域Ωi內加熱爐的歷史優化工作點 <mrow><msub> <mi>J</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><munder> <mi>max</mi> <mrow><msub> <mi>O</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>i</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></munder><msub> <mi>&eta;</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mn>5</mn> </mrow>其中ηi(k)為熱負荷工作區域Ωi內k時刻計算熱效率值，O2i(k)為k時刻對應的氧含量測量值，Pi(k)為k時刻對應的爐膛負壓測量值；把使熱效率最大的氧含量和爐膛負壓值作為所述熱負荷工作區域Ωi內加熱爐的歷史優化工作點，用Ωi，opt表示Ωi，opt＝{O2i，opt Pi，opt}i＝1，2，…，5其中Ωi，opt為熱負荷工作區域Ωi歷史優化工作點，O2i，opt為熱負荷工作區域Ωi內氧含量歷史優化值，Pi，opt為熱負荷工作區域Ωi內爐膛負壓歷史優化值；步驟B2熱效率在線優化，其步驟如下步驟B2.1采集過程的實時數據，包括加熱爐氧含量、加熱爐爐膛負壓、加熱爐出口溫度、加熱爐入口溫度、加熱爐進料流量和燃料流量；步驟B2.2利用步驟B1.4中的熱負荷工作區域分類器判斷過程當前所處的熱負荷工作區域Ωi，并獲取對應的離線計算所得的歷史優化點數值Ωi，opt；步驟B2.3按步驟B1.5所述方法計算當前時刻熱效率η(k)；步驟B2.4按如下的判定準則判斷過程是否出于穩定狀態 <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn></munderover><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><mi>L</mi> </mfrac> <munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mi>L</mi> </munderover> <mo>|</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>y</mi><mi>jl</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mover> <mi>y</mi> <mo>&OverBar;</mo></mover><mi>j</mi> </msub></mrow><msub> <mover><mi>y</mi><mo>&OverBar;</mo> </mover> <mi>j</mi></msub> </mfrac> <mo>|</mo> <mo>)</mo></mrow><mo>&lt;</mo><mi>&epsiv;</mi> </mrow>其中yjl(j＝1，2，3)分別為特征變量(加熱爐出口溫度、爐膛溫度和進料量)的第l個值，L是判斷過程是否處于穩定的歷史數據長度，L*T＝30min，T是采樣周期，是選擇的第j個特征變量的平均值，ε是預先指定的穩態判定閾值，取值范圍為(0，0.1)；步驟B2.5按以下步驟確定當前熱負荷下優化工作點步驟B2.5.1若過程處于穩定狀態，則熱效率在線尋優采用自尋最優控制方法，以氧含量設定值為調優變量，以歷史優化工作點O2i，opt為初始值，在線尋找使熱效率最高的氧含量設定值O2s(k)，步驟如下步驟B2.5.1.1計算相對上一時刻k-1的熱效率的變化值Δη(k)Δη(k)＝η(k)-η(k-1)；步驟B2.5.1.2若|Δη(k)|＜Δηmin，則停止尋優并記錄此時的氧含量設定值，其中Δηmin為預設的熱效率調整死區；步驟B2.5.1.3若|Δη(k)|≥Δηmin，則以ΔO2s(k)為所述氧含量設定值O2s(k)的尋優步長自動尋優 <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>O</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>s</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>&lambda;</mi><mfrac> <mrow><mi>&Delta;&eta;</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>O</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>s</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><msub> <mi>O</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>s</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>O2s(k)＝O2s(k-1)+ΔO2s(k)其中λ為調整系數，取值范圍為(0，1]；步驟B2.5.2若過程未處于穩定狀態，以歷史優化工作點O2i，opt為設定值O2s(k)，保證加熱爐處于次優的工作狀態；步驟B2.6所計算氧含量設定值O2s(k)送往所述實時數據庫，供所述煙風系統控制模塊中的氧含量控制器來塊實施；步驟C所述煙風系統控制模塊的控制對象包括氧含量、爐膛負荷和燃料增加時的空燃比，控制目標是把所述氧含量和爐膛負壓控制在由所述離線優化和在線優化共同得出的優化給定點或給定范圍內，步驟如下步驟C1階躍測試獲得氧含量和爐膛負壓的穩態響應時間在過程平穩情況下，對進風量施加階躍測試信號，記錄氧含量變化曲線，獲得氧含量的穩態響應時間TO2ss；在過程平穩情況下，對鼓風機入口擋板施加階躍測試信號，記錄爐膛負壓變化曲線，獲得爐膛負壓的穩態響應時間TPss；步驟C2設定煙風控制系統模塊的控制周期為Tc，Tc＝min(TO2ss，TPss)/40；步驟C3燃料增加時對空燃比按以下步驟進行控制步驟C3.1若燃料增加量ΔFf(kc)相對上一次進風量調整時刻kc-1的燃料量Ff0比值超過預設閾值β，β∈(0，0.2]，即 <mrow><mfrac> <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msub><mi>F</mi><mrow> <mi>f</mi> <mn>0</mn></mrow> </msub></mfrac><mo>></mo><mi>&beta;</mi> </mrow>則燃料增加時進風的前饋變化量ΔFaF(kc)為ΔFaF(kc)＝α·AFR·ΔFf(kc)其中ΔFf(kc)＝Ff(kc)-Ff0為燃料變化量，Ff(kc)為燃料流量，α為過剩空氣系數，對燃料氣取值范圍為[1.05，1.15]；AFR為理論空氣燃料比，對燃料氣，其計算為 <mrow><mi>AFR</mi><mo>=</mo><mn>0.01</mn><mo>&times;</mo><mn>4.76</mn><mo>&times;</mo><mo>[</mo><mn>0.5</mn><mi>CO</mi><mo>+</mo><mn>0.5</mn><msub> <mi>H</mi> <mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>&Sigma;</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mfrac><mi>n</mi><mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>C</mi> <mi>m</mi></msub><msub> <mi>H</mi> <mi>n</mi></msub><mo>+</mo><mn>1.5</mn><msub> <mi>H</mi> <mn>2</mn></msub><mi>S</mi><mo>-</mo><msub> <mi>O</mi> <mn>2</mn></msub><mo>]</mo> </mrow>其中CO，H2，CmHn，H2S，O2為燃料氣中各組分含量，以％為單位；步驟C4按以下步驟對氧含量進行區域控制步驟C4.1若氧含量的設定值為O2s，其允許的區域范圍為[O2s-δ O2s+δ]其中δ為氧含量偏離設定值O2s的區域限，δ∈(00.5)；步驟C4.2在氧含量控制時刻kc，若O2(kc)＞O2H或者O2(kc)＜O2L，其中O2H＝O2s+δ，OL＝O2s-δ，且所述氧含量控制器不處于等待時間，則按下式計算所需的進風量變化 <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>F</mi> <mi>a</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>O</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>s</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>O</mi> <mn>2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mn>21</mn><mo>-</mo><msub> <mi>O</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>s</mi> </mrow></msub> </mrow></mfrac><mo>[</mo><msub> <mi>F</mi> <mi>a</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow>其中ΔFa(kc)為進風量的變化量，O2s為氧含量的設定值，O2(kc)為氧含量的測量值；若O2L≤O2(kc)≤O2H，則ΔFa(kc)＝0；根據氧含量控制時刻kc的爐膛負壓P(kc)按以下原則修正進風量變化量ΔFa(kc)若P(kc)＞PHS，PHS為爐膛負壓的安全上限，且進風量的變化量ΔFa(kc)＞0，則保持進風量不變，使ΔFa(kc)＝0，若P(kc)＜PLS，PLS為爐膛負壓的安全下限，且進風量的變化量ΔFa(kc)＜0，則保持進風量不變，使ΔFa(kc)＝0；步驟C4.3按下式計算所需的進風量Fa(kc)＝Fa(kc-1)+ΔFa(kc)其中Fa(kc)為進風量；對過程做出反饋調節后，等待一個氧含量的穩態響應時間TO2ss；步驟C5按以下步驟對爐膛負壓進行區域控制步驟C5.1若爐膛負壓的設定值為Ps，且處于熱負荷工作區域Ωi，則Ps＝Pi，opt，i＝1，2，…，5，其允許變動的區域范圍為[Ps-σ Px+σ]其中σ為爐膛負壓偏離設定值的區域限，δ∈(0 10)；步驟C5.2在爐膛負壓控制時刻kc，若P(kc)＞PH或者P(kc)＜PL，其中PH＝Ps+σ，PL＝Ps-σ，且所述爐膛負壓控制器不處于等待時間，則爐膛負壓的偏差為eP(kc)＝Ps-P(kc)，則引風機入口擋板變化量ΔMV2(kc)為 <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>MV</mi> <mn>2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>e</mi> <mi>P</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msub><mi>K</mi><mn>1</mn> </msub></mfrac> </mrow>其中K1為引風機入口擋板與負壓變化的比例系數；對過程做出反饋調節后，等待一個爐膛負壓的穩態響應時間TPss；其他情況下，ΔMV2(kc)＝0；步驟C5.3按下式對鼓風機變頻的變化進行前饋控制ΔMV2F(kc)＝K2ΔMV1(kc)其中ΔMV2F(kc)為引風機入口擋板的前饋變化，ΔMV1(kc)＝MV1(kc)-MV1(kc-1)為鼓風機變頻輸出的變化，K2為擋板變化與變頻輸出之間的前饋系數。FSA00000168763000041.tif
全文摘要
加熱爐熱效率多區域智能在線優化控制方法，屬于加熱爐熱效率控制技術領域，其特征在于，熱效率優化的離線部分根據熱負荷對加熱爐工況進行工作區域劃分，通過歷史數據挖掘，得到每一工作區域內氧含量和負壓的優化值。在線部分根據過程實時數據確定加熱爐的工作區域，以離線部分獲得的氧含量和負壓的優化值為起點，使負荷變化時能及時地保持在較優的工作狀態，在操作平穩時，進行熱效率自尋最優控制以此達到既快速尋優且長期工作在優化狀態附近的目的。煙風系統的控制采用基于“動態前饋，穩態反饋”的控制方法，對氧含量和爐膛負壓進行區域控制，可保證加熱爐工作在熱效率優化方法所給出的優化工作點附近，實現熱效率最優。
文檔編號F27D19/00GK101881563SQ20101021709
公開日2010年11月10日 申請日期2010年7月2日 優先權日2010年7月2日
發明者呂文祥, 張偉勇, 李映, 黃德先 申請人:清華大學