过程模拟与优化

平均效率
2, 优化之后的平均效率
在实际蒸汽流量 G=90T/H 时:
ηG =130 = 27.84 + 1.361× 90 − 0.00712 × 90 2 = 92.66
η G = 60 = 26 .84 + 1.361 × 60 − 0.00712 × 60 2 = 82 .27
平均效率
η =
92 . 66 × 90 × 2 + 82 . 27 × 60 × 1 = 90 . 06 90 × 2 + 60 × 1
第二章 项 目 背 景
大庆炼化公司是我国北方的一家炼油企业,由于北方季节变化明显, 冬季与夏 季温差大, （1）锅炉至丙稀睛装置的中压蒸汽（3.5MPa）在装置满负荷运行时经常在管 线内滞留，该管线的保温不良，散热损失大，出现蒸汽“顶牛”的现象，存在水 击隐患，严重威胁管网安全。为防止水击被迫在管线上放汽，造成了中压蒸汽的 大量浪费； （2）低压管网（1.0MPa）在动力站输出管线上（有 1.7 km，动力厂至丙稀睛， 动力厂至炼厂化验室）由两根 DN500 管线（并行）同时输送蒸汽，因蒸汽流速低， 热损耗较大，管线水击严重，易造成管线热补偿膨胀节爆裂； （3）冬季时约 100 t/h 中压蒸汽减温减压，造成大约 5000kWh 电损失； （4）夏季时因低压蒸汽（1.0MPa）用户所限，出现汽轮机背压汽过剩，被迫 放空； （5）装置背压蒸汽并网存在问题：中压蒸汽经装置汽轮机背压后，并入低压 蒸汽管网，由于各装置并汽参数不一致、并汽点不同，局部区域温度压力波动较
化工过程模拟与优化 课程设计报告
炼油企业蒸汽动力系统的优化 运行 控制和模拟
Optimal Performance, Control And Modeling of Steam Power System in refinery
课程教师：钱 宇 教授
学
生：张冰剑 黄扬明
专
业：化 学 工 程
2003 年 1 月
第一章
简介
在我国, 炼油﹑化工﹑冶金等高能耗的过程工业占全国能耗的一半。过程工业蒸 汽动力系统的设计水平﹑运行和控制性能对工程工业能量的利用率和经济性具有重要 蒸汽动力系统在整个炼油企业中占有重要的地位.因为炼油企业是能耗很大的 的影响。 企业,能量是推动整个炼油企业运行的动力,而蒸汽动力系统是整个炼油企业能源的命 脉,所以,蒸汽动力系统的优化运行直接关系到炼油企业的经济效益. 很多学者研究了蒸汽动力系统的优化运行,但是主要都是采用线性规划,对于非线 性的问题先采用线性化方法处理,再进行优化计算.这样虽然给计算带来了很大的方便, 但是给计算结果带来的误差在有些时候是不能够被预知的,这样就无法确定结果的准 确性.David Hui 采用混合整数规划对蒸汽动力系统进行了优化操作,Grossman 等人用 数学规划法对蒸汽动力系统进行优化操作.但是他们这些方法都回避了蒸汽动力系统 的非线性问题,在一定的程度上对锅炉和汽轮机的非线性作了线性的近似处理. 由于蒸汽动力系统本身所具有的设备种类并不是很多,主要是锅炉和汽轮机,而且 锅炉和汽轮机的数量也不多,因而涉及的变量相对炼油企业的生产计划,排产和调度等 涉及的变量要少,所以采用非线性来解决蒸汽动力系统的优化问题是能够求解的.事实 上也是能够的,本文将对这个问题深刻的讨论,并给出案例结果。
5
Fi = Si + Li
1, 物料约束
F 设备的进料量 S 设备的有效输出量 L 设备的损失量 I 设备的序数
2, 设备处理能力约束
Oi ,min ≤ Oi ≤ Oi ,max
I 设备的序数 Oi,min 表示 I 设备的最小处理量 Oi 表示 I 设备的处理量 Oi,max 表示 I 设备的最大处理量
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第二部分 蒸汽动力系统控制与模拟
摘要
本部分文章，阐述了蒸汽动力系统发展概况及其控制方法，列举了其总体控制方案、锅炉控制方案及汽轮
机的功频电液控制方案，其中，锅炉控制方案又包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气含氧量和炉膛负压这几 个控制系统，并对汽包水位控制系统进行模拟分析，最后讨论了常规仪表与数字调节方案的优缺点，也讨论了容错 控制技术，并对 SIMULINK 模拟软件的优缺点作了评价。
P 表示汽轮机的输出功率 I 表示汽轮机的系数,或者是型号 A, B 是方程的系数 G 是汽轮机的进汽量 由上述方程可以知道,汽轮机的输出功率是进汽量的一元一次方程
5, 锅炉能量约束
En (T , P ) × Gi = Eo × Qo + E g × Q g ∑ ηi i =1
n
obj = max( i =1 n
二、
蒸汽动力总体控制方案
我国的一次能源以煤为主，约占总能源的 70％～75％，因此，下面只对燃煤锅炉进行分析。目前，世界上最
新的发展为燃煤整体煤气化蒸汽/燃气联合循环（IGCC） 、第二代增压流化床锅炉联合循环（Second Generation PFBC-CC） 、常压循环流化床联合循环等。
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蒸汽动力系统运行的组合方式，有多台锅炉并联及多台汽轮发电机组的连网方式，它牵涉到蒸汽动力系统的调 度问题，下面只讨论单元机组的控制问题。单元机组的调节方式有：锅炉随动调节、汽轮机随动调节、单元机组协调 控制，其中以单元机组协调控制方案较优，其结构示意图如图 1 所示。出力指令同时作用到汽轮机调节器和锅炉调节 器，当外界负荷增加时，出力指令通过汽轮机调节器开大蒸汽调节阀，增加汽轮机的进汽量，充分利用了锅炉的蓄热 量；出力指令同时也作用到锅炉燃料调节器，增加燃料量，尽快地适应负荷的要求。主蒸汽压力信号也同时作用到汽 轮机调节器和锅炉调节器，以加快燃料量的变化和限制蒸汽调节阀开度的变化，以使主蒸汽压力不致变化过大，当主 蒸汽压力增加时，主蒸汽压力信号通过调节器减少燃料量，通过汽轮机调节器开大蒸汽调节阀。本方案兼顾了负荷和 汽压两者的关系，能确保机组在安全的前提下最大限度地适应负荷的需要。
1, 原来平均效率
原来锅炉蒸汽流量 G=60T/H 时效率:
ηG =130 = 27.84 + 1.361× 60 − 0.00712 × 60 2 = 83.27
ηG =60 = 26.84 + 1.361× 60 − 0.00712 × 60 2 = 82.27
η= 83.27 × 60 × 3 + 82.27 × 60 ×1 = 83.02 60 × 3 + 60 × 1
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大，极易产生水击现象，严重威胁管网的安全运行； （6）丙稀睛产生的 0.3MPa（约 40 t/h）蒸汽在夏季时因用户所限余量较大， 被迫放空； （7）凝结水管线蒸汽量大，疏水器因选型不当，难以适应冬夏环境温度变化、 或运行工况的变化，使得装置凝结水排放困难，蒸汽直接排放的现象大量存在， 造成装置蒸汽消耗居高不下，外网耗汽大量增加。
关键词
蒸汽动力系统 锅炉 汽轮机 测量 控制 模拟 容错控制技术 SIMULINK
一、 概述
蒸汽动力系统是一个复杂的大系统，为了使它能长期安全、可靠又经济地运行，必须对其每一部分及其内部的 每一环节运行的动态过程进行研究分析，并要十分地关切到环境保护的要求，同时，在满足实际需求的情况下，采取 各种控制措施使其投入产出比适当地高，因此，要用到系统工程与工程控制论等方面的研究分析方法。系统工程主要 从宏观上考虑其优化配制问题，如：燃料的选择、蒸汽的需求情况、设备的配制及蒸汽的需求调度方案等问题；控制 工程考虑较具体的设备实时运行问题，以下主要讨论其控制问题。热动力系统大体包含三个部分，既锅炉、透平机、 发电机等。锅炉的种类有许多种，如煤气化炉、循环流化床燃烧锅炉、加压循环流化床燃烧锅炉、碳化炉、高温辐射 废热锅炉等；以燃烧的介质分有燃煤、燃油、燃气、其它可燃物及它们的组合，等等；而燃煤锅炉占有较大的比例。 透平机种类有喷气（燃烧）透平、蒸汽透平、复合透平等；发电机的种类更多。 为了更好地模拟并仿真热动力系统的运行控制情况， 我们必须对具体的对象建立较精确的数学模型， 并运用现 代控制理论配置系统的性能，其中，锅炉的部分更多地可归入过程控制，它的特点是参数慢时变，可能有滞后及非线 性； 而透平机、 发电机的部分更多地可归入电力拖动控制， 它的特点是参数变化快， 要求响应的速度也快， 滞后较小。 要对系统进行仿真与控制，其前提是，必须预先对该系统建立合适的模型。对于建模方法，有集中模型与分布 参数模型，有精确模型与简化模型，有离线建模与在线建模，等等。实际系统的非线性、大时滞、强藕合给现代控制 理论带来极大的困难，其中变时滞辩识到目前为止还没有较有效的分析方法，但随着微机软硬件技术的发展，目前， 越来越多本用于离线建模的方法已被应用到在线建模方法中去，从而，使辩识参数的可靠性、安全性、稳定性得到很 大的提高。 对于已知的模型， 特别是滞后环节不复杂的系统， MATLAB 里的 SIMULINK 软件已提供适当的函数可用于系 统模拟，并能适当配置相应的控制器，使其控制性能达到最优或次优，但对滞后环节复杂、非线性、参数时变的系统 仍需借助于自适应系统理论、系统辩识理论、专家系统理论进行分析与推导，再编程，才能对控制系统进行仿真。
6, 汽轮机能量约束
∑η × G
i
n
i
∑G
i =1
)
i
∑
m
i =1
Gi =
∑G
i =1
n
i
+ G′
m
obj = max(
∑G
i =1 m i =1
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i
× Pi )
i
∑G
第五章
结果比较与讨论
由上部分可知,锅炉的效率曲线是一个开口向下的抛物线, 并且经过计算可知它们 的最大值均在 80-100T/H 之间。而由下面的图表可以看到, 四台锅炉均在 60T/H 的负 荷处运行, 效率普遍较低,所以对锅炉的实际运行的负荷率进行调整,使得两台在 90T/H 的地方运行,另外一台还是在 60T/H 处运行, 这样可以大大提高锅炉的实际效 率。
3
第三章
项目数据
蒸汽动力车间的流程图
瓦斯平衡表
4
蒸汽平衡表
第四章 蒸汽动力系统的优化运行
因为炼油企业的蒸汽动力车间所涉及的变量相对生产计划 排产 调度等变量要 少,所以采用非线性规划来解决炼油厂的蒸汽动力车间的优化运行是可行的。 因而本 例采用非线性规划来优化蒸汽动力系统的运行, 使之能够满足多工况的生产,而线性规 划对结果的准确性是不可预知的。 本方案 从物料约束 效率约束 设备处理能力约束等方面来优化蒸汽动力车间的 运行。
出力指令
主调节器
汽轮机调节器 锅炉调节器 发电机
Ｐｑ
锅炉 蒸汽调节器 图1 单元机组协调控制
μq
汽机
～
Ｎ
锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。主要输 出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气含氧量和炉膛负压等。这些输入变量与输出变量之间相互关联。因 此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象，其相互关系见图 2 所示。
管路阻力 燃料品质 运行状况 汽包水位 蒸汽温度 蒸汽压力 烟气含氧量 炉膛负压 蒸汽流量 图2 锅炉设备输入
给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 一次风
参数与输出之间的相 互影响示意图 注： 图中虚线只表示燃 料量与各输出参数的 关系
源自文库
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锅炉的控制方案一般可分成底下几部分：锅炉汽包水位控制系统、锅炉燃烧控制系统、汽包压力控制系统、烟 气含氧量控制系统、炉膛负压控制系统、过热蒸汽温度控制系统、除氧器控制系统。而实现这些控制系统的方案有： 常规智能仪表方案,它包括了许多典型的环节及其相应的组合;有以工控机及其组态软件构成的方案,该方案有更大的 智能、更多的功能，除完成正常控制外，还提供在线参数修改、安全连锁等功能；有基于现代控制理论的最优或次优 的方案，它以系统模型的建立为核心，以工控机为工具，用现代控制论的方法预测并配置控制器，从而实现多目标的 最优控制，它还可完成系统实时辩识、参数自动调优、故障诊断、安全保护等功能。以下只讨论有模型控制系统，其 控制的策略是：内环预测控制要尽量快速、准确，外环控制再对其误差进行修正，同时，对有较大的可测的干扰作适 当的前馈补偿。以下，参考文献［１］ 、 ［２］ ，就蒸汽动力控制系统里的几个典型环节的控制方案进行分析，并阐述其 工作原理。
3, 锅炉功率约束
ηi = Ai + Bi × Gi + Ci × Gi
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表示锅炉的功率, % I 表示锅炉的序数，或者是型号 A, B, C 是方程的系数 G 表示锅炉产生的蒸汽量 由上面功率公式可以知道，锅炉的功率是其蒸汽量的一元二次方程
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pi = Ai + Bi × Gi
4, 汽轮机功率公式