在日益嚴格的運行成本與國家法規制約下，能源消耗與環境影響是當前發電企業考慮得越來越多的問題。基于霍尼韋爾TPS控制系統，上海石化熱電總廠的135MW循環流化床機組進一步采用了綜合能源解決方案（UES），在該項目過程中，該廠副總工程師趙偉杰深深體會到先進控制達到電廠期望。
作為上海石化最重要的輔助生產系統，上海石化熱電總廠承擔著為整個公司供電、供熱的重大任務。一直以來，熱電總廠是公司內部的燃料消耗大戶，有燃煤和燃油的兩個發電站。近年來，熱電總廠以節能環保為目標，一邊關停耗能大的燃油機組，一邊大力推進先進的循環流化床機組發電技術及其自動化控制與優化水平。
上海石化熱電總廠的循環流化床機組為二爐一機結構（即2臺310t/h CFB與1臺100MW雙抽凝汽式汽輪發電機組構成母管制蒸汽系統），采用典型的CFB 燃燒方式，以煤、石油焦混合燃料作為鍋爐的主要燃料，相比傳統煤粉爐具有自脫硫和低溫燃燒減少排放的環保優勢。早在2002年，熱電總廠便開始使用霍尼韋爾TPS集散控制系統（DCS）作為該發電機組的主控系統，2003年該機組的控制系統投入率已經達到95％以上。期望于更高的節能、減排的目標，2004年上半年該廠與霍尼韋爾一道開始探討除了常規模擬量控制方法之外的先進控制技術。2005年，熱電總廠正式與霍尼韋爾公司合作開展專為電力公司、發電廠和供熱廠設計的先進控制系統--綜合能源解決方案（UES）的原應用研究，截至2008年上半年，雙方已完成了2臺CFB中的5A爐主壓力控制（MPC）、先進燃燒控制（ACC）、先進溫度控制（ATC）部分，另一臺5B爐也將于8月份完成上述部分先進控制模塊，然后聯合實現兩臺鍋爐的經濟負荷分配ELA，并預計2008年9月份召開項目鑒定會。
常規回路控制面臨的挑戰
常規PID控制作為一般"低級"控制手段在工業過程中一直發揮著重要作用，然而面對現實復雜多變的控制對象，常規PID控制往往效果不佳，甚至無法控制復雜工業過程。從控制的角度而言，循環流化床鍋爐就是一個集分布參數、非線性、多變量緊密耦合為一體的復雜控制對象，其自動控制系統需要完成比一般煤粉爐更為復雜的控制任務。"由于循環流化床鍋爐燃燒的復雜性和特殊性，對一般煤粉鍋爐和其他過程控制對象行之有效的常規控制方法，已難以保證循環流化床鍋爐各項控制指標的實現。對循環流化床鍋爐的控制特性及控制系統的研究也是當前電廠控制領域的一個新的課題"，熱電總廠副總工程師趙偉杰說道。
具體而言，CFB的控制難題體現在其工藝本身的4大特性上面。首先，因CFB所特有的爐內流化狀態，燃料處在流化狀態下燃燒。因此燃燒系統是一個大滯后、強耦合、多輸入/多輸出的非線性系統，各個變量之間相互影響；其次，床料特性造成床溫控制是逆向響應特性，具有很大的不穩定性；其三，熱流量的動態特性取決于床料中含有的還未燃燒的燃料量--"即燃燃料量"。這是個無法用在線儀表測量的過程狀態變量。所以，大量的即燃燃料和石灰石床料，對控制過程的影響很大；其四，由于循環流化床鍋爐燃料--負荷特性具有很大的遲延和慣性，系統的調整時間比較長。
對于上述控制難題，常規回路調節顯得力不從心。相比之下，伴隨著現代控制理論的發展，先進控制技術(Advanced Process Control，APC)，作為區別于常規PID控制并具有更好控制效果的控制策略，成為現代復雜工業生產過程的首選。通過APC，主要可以在提高生產過程操作和控制穩定性，保證產品質量均勻性，提高裝置處理能力，實現節能減排方面獲得更佳的綜合效益。
綜合能源系統的實施
根據先進控制項目的實施經驗，一般項目時間都要至少持續一年左右。為了達到預期效果，合同雙方緊密合作，實施的過程大致如下：
首先是采集數據建立實時數據庫，并進行數據試驗。副總工程師趙偉杰說："我們將鍋爐負荷分幾個不同的值運行，在每一個點上可以把空氣溫度，空氣氧量等參數設置到不同點，比如300t/h負荷的時候氧量分3個點，分別是2.5、3.5、4，考慮到石灰石對CFB燃燒效率的影響，我們在不同的參數下進行了為期2月每天24小時的試驗。"其次，分析各種采集數據，例如底灰的含碳量等。所有數據拿到之后進入霍尼韋爾的先控實驗室進行分析，以便得出一個可行性業績報告，對鍋爐特性和先控效益提升進行分析。然后，雙方進一步進行動態的特性研究，辨識出CFB的控制特性。
趙偉杰高工認為，項目取得的重大技術突破是對CFB的燃燒特性分析和控制實現。"循環流化床爐燃燒系統控制的難點是床料中的即燃燃料量、石灰石量對燃燒過程的影響。對此，我們采用基于卡爾曼濾波的軟測量技術建立了爐內的即燃燃料量、石灰石量、瞬時石灰石的消耗率以及熱流量等4個模型，并成功應用在循環流化床鍋爐的先進控制系統中。目前正在為這些模型申請國際專利"，霍尼韋爾電站部系統顧問戴宗繚專家說道。
整個UES系統結構的配置如下圖所示，
UES系統的軟件方面主要實現了先進燃燒控制（ACC），先進溫度自控（ATC），主壓力控制（MPC）、汽機/鍋爐經濟負荷分配ELA-T/ELA-B以及連線控制（TLC）等幾大模塊，其工作流程是：操作員將每天計劃生產的供熱量、發電量輸入TLC模塊，將蒸汽母管壓力控制的范圍輸入到MPC中；TLC模塊不斷優化生產方案，將數據送到MPC和ELA_T；MPC的多變量控制器按壓力設定的控制范圍，給出總熱量作為ELA_B的設定值，由ELA_B分配給每臺鍋爐，作為每臺鍋爐ACC的設定值；ACC向DCS上鍋爐的常規控制回路給出設定值，控制鍋爐的燃燒在最佳狀態。
UES達到熱電廠期望
根據分析數據報告，上海石化熱電總廠通過實施先進控制--UES系統項目，其全部完成預計將實現鍋爐效率提升0.4%，蒸汽出口溫度提升3℃，負荷實時優化分配后機組熱效率可提高0.5%。
其中，通過ATC先進控制模塊，主蒸汽溫度控制系統在10%外擾下的汽溫超調量由±5℃降低到±2℃，提高機組的蒸汽平均溫度3℃。由此創造發電效益近150萬元；根據對先進燃燒控制性能的測試表明：ACC可有效地提高燃燒熱效率，節約0.4%的燃料成本。大大減少了廢氣排放量。本項目如按節約0.4%的燃料成本計算，則可減少成本220余萬元；通過CFB機組負荷分配優化控制，優化機組的運行，在滿足技術和環境的約束下，使機組取得最大的運行效益。
正如該廠趙偉杰高工總結的那樣："先進控制非常適合于循環流化床爐這樣的強耦合、強關聯、大滯后的系統，通過UES的實施，得到的最重要的兩點是兩點：一是提高生產能力，二是節能降耗，保護環境。"
