Методы усовершенствованного управления процессами – увеличение производительности, экономия средств

В комплексной оптимизации параметров работы промышленных процессов в настоящее время применяются усовершенствованные алгоритмы управления, в сочетании с упомянутым методом управления с использованием прогнозирующей модели. Как уже отмечалось, главной целью в правлении современными промышленными котлами является стабилизация параметров сжигания и поддержание равновесия в системе управления этим процессом, что способствует снижению числа резких и значительных изменений параметров работы всего котла, а значит замедлению неизбежных процессов деградации.

Принятые в последние годы правовые акты и нормы, касающиеся защиты окружающей среды, вынуждают пользователей оборудования ограничивать выбросы окисей азота и окисей углерода. Эти требования вынудили специалистов в области автоматики разрабатывать и развивать динамические алгоритмы управления, основанные на сложных контроллерах, обслуживающих в режиме реального времени множество переменных, потому что только так можно увеличить КПД котлов, при одновременном ограничении выбросов вредных веществ. Примером могут служить приложения упомянутых усовершенствованных алгоритмов управления, основанных на модели процесса, которые после внедрения на угольных котлах позволяют снизить выбросы оксидов азота на целых 48%, а оксидов углерода до 75%. Интересные результаты получаются при применении и синхронизации параметров работы нескольких котлов. В этом случае применения автоматических контроллеров с функциями оптимизации расходов и рабочих параметров значительно улучшает производительность  котлов, при этом снижаются расходы на эксплуатацию.

Для подробного обсуждения представленных проблем неоценимую помощь оказал конкретный пример внедрения. Вот первый из них:
На одном химическом предприятии было необходимо найти оптимальную рабочую точку двух котлов, производящих пар для нужд перерабатывающего производства. В результате предварительного анализа было определено соотношение произведенного пара к потребленному углю, а также диапазон отклонений кривой производительности. Она была вогнутой. Как указано далее, на основе результатов анализа технологи внедрили усовершенствованный алгоритм управления, а также определили оптимальную нагрузку для котлов, добившись снижения затрат на эксплуатацию на уровне 3%. Разработанная затем схема метода управления с использованием прогнозирующей модели позволила в 3–5 раз ограничить изменчивость температуры пара, что является лучшим результатом по сравнению с традиционными система с ПИ-регуляторами. Последние обеспечивают необходимую стабильность температуры пара, однако использование прогнозирующей модели и усовершенствованных алгоритмов позволяет добиться более динамичной реакции систем управления на возможные изменения или отклонения пара в процессе, а тем самым более быстрой обратной реакции и стабильности процессов.

7 котлов в процессе – построение системы

Для анализа современной системы управления комплексом угольных котлов было выбрано предприятие с котельной, в которой было установлено семь котлов производительностью 20 тонн пара в час, работающими на общий паросборник. Главной их задачей является производство пара низкого и высокого давления для промышленного применения в постоянных и периодических процессах. Особенно в случае последних, в связи с тем, что потребность в паре для их обслуживания возникает периодически, в системе наблюдается довольно значительные колебания общей потребности в паре в разное время. Упомянутые котлы работают на буром угле, который складируется в специальном боксе, прилегающим непосредственно к котельной, a его энергетическая ценность (так называемая калорийность) отслеживается и рассчитывается при каждой поставке. Порции угля для отдельных котлов перемещаются в бункер вверху с помощью специальных винтовых (шнековых) конвейеров. Бункер разделяется на две воронки, подающие уголь непосредственно на колосниковую решётку, которая перемещается внутри котла, образуя равномерный слой угля в топке. Уголь воспламеняется во время перемещения между колосниковой решеткой и топочной камерой, благодаря расположенным там воспламеняющим горелкам. Длина слоя угля в топке напрямую связана со скоростью перемещения механической колосниковой решетки. Применение для ее контроля ПИД-регуляторов позволяет увеличить производительность котла. В задней части каждого котла расположены два приточных вентилятора, соответственно слева и справа. Они взаимодействуют с заслонками, регулирующими поступление нагнетаемого в печь воздуха и возникающее внутри давление. Дымоход каждого котла снабжен анализатором уровня кислорода и вентилятором, регулирующим тягу из котла, позволяющим задать давление выходящего пара. Чтобы пламя из топки не вырывалось наружу, внутри котла необходимо поддерживать небольшое вакуумметрическое давление, отсюда возникает необходимость четкой корреляции настроек вентиляторов и заслонок на входах и выходах котла.
Задачей основного уровня системы управления котлом является поддержание стабильности происходящих в ним процессов, с помощью контуров управления с обратной связью (ПИ-регуляторы). Принудительная циркуляция воздуха в камере котла управляется ПИ-регуляторами, обслуживающими заслонку приточной вентиляции. Однако при эксплуатации котла на некоторых его элементах оседают загрязнения и пыль – прежде всего зола от сжигаемого угля, которые со временем вызывают возникновение дополнительных завихрений воздуха и нарушения распределения давления внутри котла. Завихрения в этой ситуации дополнительно усиливаются, из-за ложных показаний датчиков давления, взаимодействующих с контроллерами заслонок. Это непростая задача для систем управления и мониторинга давления. ПИ-регуляторы управляют также работой уже упоминавшихся заслонок на выходе пара из котла.

Анализ системы

Каждый котел согласно теории управления — это система с множественным входом и множественным выходом (MIMO). Если изменение параметра на одном из входов такой системы влияет более чем на один выход, система считается интерактивной. Однако если система типа MIMO не имеет признаков интерактивности (изменения на одном входе влияют только на один вход), можно применить метод децентрализованной системы переменных или пар переменных. Разработано уже много технологий внедрения этого метода управления для систем типа MIMO. Правильное внедрение децентрализованной системы позволяет приспособить систему управления к нелинейным динамичным характеристикам обслуживаемого оборудования, что в случае котлов дает значительно улучшает стабильность их функционирования и быстроту реакции на изменения ключевых параметров, по сравнению с классическими решениями с ПИД-регуляторaми. Мерилом степени взаимодействия между входами и выходами переменных в децентрализованных системах MIMO является массив относительных коэффициентов усиления (relative gain array – RGA), который также позволяет оценить чувствительность системы к изменениям входных параметров – например, вызванных динамикой объектов, обслуживаемых системой управления.

Для достижения высокой эффективности, экономя при этом эксплуатационные расходы котлов, важным элементом является также идентификация так называемых ключевых показателей производительности, а также количественные/численные определения планируемых итоговых эффектов.

Усовершенствованное управление

Сложность операций и взаимосвязь параметров в обслуживании угольных котлов ставит непростую задачу для специалистов в области автоматики и системных интеграторов, стремящихся к их оптимизации. Как уже упоминалось, традиционно применяемые ПИ-регуляторы обеспечивают приемлемый уровень стабильности параметров работы котлов, однако применение современных, усовершенствованных алгоритмов управления помимо увеличении стабильности самой системы гарантирует также ее более быструю реакцию на возможные изменения и нарушения ритма работы.

Именно такой алгоритм применяется в обслуживании процесса сжигания в уже описанной ранее системе 7 котлов. Он основан на инструментальном комплексе GenSym G2 для контроллеров Anglo Platinum и AspenTech DMCplus, с использованием прогнозирующей модели. Экспертная система APET, работающая  в режиме реального времени, это объектно ориентированная среда, с соответствующей базой данных, в которой представлены устройства, расположенные на предприятии, или в данном комплексе. Все переменные, связанные с обслуживаемым оборудованием, постоянно обновляются через серверы OPC системы мониторинга и управления. Система APET создает платформу для работы усовершенствованных алгоритмов, являясь своего рода интерфейсом между системами управления и мониторинга и контроллерами DMCplus. В данном случае она настроена таким образом, чтобы обеспечить постоянный мониторинг каналов связи, а также автоматической реакции системы в случае аварии, резких изменений и т. п. В системе APET могут быть также учтены ключевые показатели производительности KPI, а все вычисления, необходимые для оптимальной работы системы, выполняются в режиме реального времени. В описываемом решении система управления состоит из главного контроллера типа MPC, обслуживающего паросборник, а также индивидуальных контроллеров MPC для каждого из котлов. Главный контроллер паросборника отвечает за регулирование давления пара путем управления заслонками на выходе каждого котла. В свою очередь положение этих заслонок на каждом котле определяет потребность в паре из каждого котла индивидуально. Изменение потребности в паре вызывает необходимость изменить давление пара, производимого котлом, результатом чего является соответствующая реакция контроллера MPC, управляющего положением заслонки. Стоит также отметить, что весь комплекс 7 котлов работает на общий паросборник, отсюда очень высокая степень взаимодействия и сложная задача для системы регулирования.

Чтобы увеличить производство пара на данном котле, необходимо открыть заслонку, которая впускает в котел большее количество воздуха, что ускоряет процесс сжигания и производства пара. В результате уголь на колосниковой решетке сжигается быстрее, зона сгорания перемещается в заднюю часть котла. Контроллеры,  обслуживающие котел в зависимости от быстроты этих процессов, увеличивают или уменьшают скорость работы фидера, насыпающего уголь на колосниковую решетку, чтобы добиться достаточно равномерного размещения сжигаемого слоя угля. Благодаря этому пламя в котле остается на нужном месте.

Место складирования угля не закрыто навесом, поэтому в нем накапливается влага. Поэтому уголь, попадающий в котел, нужно сначала подсушить, и он не может сразу попасть в топку. Поэтому засыпная колосниковая решетка имеет специальную форму, а уголь засыпается двумя воронками. Разумеется, все эти обстоятельства должны быть учтены в алгоритме управления котлом. Контроллеры MPC отвечают также за контроль положения заслонок наддува воздуха снизу котла, чтобы пламя, возникающее при сжигании угля, не попадало наружу вместе с продуктами сгорания и паром. Система управления имеет ограниченные возможности регулирования концентрации вредных газов в уходящих газах котла, в связи с появлением загрязнений на датчиках и непосредственно на дверках заслонок.

10-месячный период проверки и меньший расход угля

Функциональность и эффективность новой системы управления комплексом котлов подтвердилась в ходе 10-месячного периода, причем 5 месяцев система работала без усовершенствованной системы управления с контроллерами типа MPC, а последующие 5 – с внедренной системой. Благодаря ее внедрению значительно улучшилась стабильность давления пара в паросборнике, уменьшилось стандартное отклонение на 50%. Коэффициент-зависимость количество пара/израсходованный уголь увеличился с 9,07 до 9,98. Однако во время испытаний не было зарегистрировано значительной разницы в производительности котлов в области количества производимого пара. Отмечался только уменьшенный расход топлива и большая стабильность параметров. При тестировании использовался инструмент ANOVA.

Надежный обмен данными и мониторинг параметров работы управляемой системы котлов позволяют легко управлять приложением и быстрее выполнять сервисное обслуживание. Обслуживающий персонал получает текущую информацию о состоянии процесса, критических параметрах работы и возможных опасностях или авариях. Предстоит еще решить проблему подбора алгоритмов и методов управления наддувом воздуха, необходимого для сжигания в камере котлов, с целью минимизации концентрации кислорода в исходящих газах.