Opracowanie zaawansowanych algorytmów sterowania kotłami i bojlerami wykorzystywanymi w zakładach przemysłowych może prowadzić do znacznych redukcji kosztów ich eksploatacji oraz uzyskania wyższej stabilności parametrów pracy, niż przy zastosowaniu klasycznych już regulatorów PID.
Kotły opalane węglem są powszechnie stosowane w wielu procesach przemysłowych, przede wszystkim jako moduły wytwarzające parę niezbędną do pracy niektórych urządzeń oraz turbin parowych. W obsłudze tego typu urządzeń najważniejszym, nadrzędnym celem jest osiągnięcie i utrzymanie optymalnego punktu pracy ? najwyższej wydajności, przy wysokiej niezawodności i relatywnie niskich kosztach pracy. W ciągu ostatniej dekady rozwój technik usprawniania kotłów skupiał się głównie wokół optymalizacji parametrów pracy, przy równoczesnym zminimalizowaniu szkodliwego oddziaływania na środowisko zewnętrzne. Jednym z najpopularniejszych obecnie modeli sterowania, powstałym na skutek tych działań, jest model predykcyjny (ang. MPC), który praktycznie całkowicie zastąpił już tradycyjne metody sterowania i optymalizacji pracy kotłów węglowych.
W kompleksowej optymalizacji parametrów pracy procesów przemysłowych korzysta się obecnie z zaawansowanych algorytmów sterowania, w połączeniu ze wspomnianym modelem predykcyjnym. Jak już zaznaczono wcześniej, podstawowym celem w sterowaniu nowoczesnych kotłów dla przemysłu jest stabilizacja parametrów spalania i utrzymanie równowagi w systemie zarządzania tym procesem, co sprzyja ograniczeniu występowania nagłych i znaczących co do wartości zmian parametrów pracy całego kotła, a co za tym idzie spowolnieniu nieuniknionych procesów degradacji.
Przyjęte w ostatnich latach przepisy i unormowania dotyczące ochrony środowiska naturalnego zmuszają użytkowników wszelkich urządzeń do ograniczenia emisji tlenków azotu i tlenków węgla. Wymogi te skierowały działania automatyków w stronę opracowania i rozwoju dynamicznych algorytmów sterowania, bazujących na rozbudowanych sterownikach, obsługujących w czasie rzeczywistym wiele zmiennych; tylko w ten sposób możliwe jest bowiem podniesienie współczynników sprawności kotłów, przy jednoczesnym ograniczeniu emisji szkodliwych substancji. Przykładem mogą być tu aplikacje wspomnianych zaawansowanych algorytmów sterowania bazujących na modelu procesu, które po zastosowaniu do kotłów węglowych przynoszą redukcję emisji tlenków azotu nawet o 48%, a tlenków węgla aż o 75%. Ciekawe rezultaty uzyskuje się dodatkowo przy zastosowaniu i synchronizacji parametrów pracy kilku kotłów. Wówczas aplikacja automatycznych sterowników z funkcjami optymalizacji kosztów i parametrów pracy poprawia w znacznym stopniu wydajność kotłów, wraz z ograniczeniem kosztów ich eksploatacji. W omówieniu szczegółowym prezentowanych problemów nieocenioną pomoc przynosi konkretny przykład aplikacyjny. Oto pierwszy z nich:
Jeden z zakładów chemicznych stanął przed zadaniem znalezienia optymalnego punktu pracy dwu kotłów, wytwarzających parę na potrzeby procesów przetwórczych. W wyniku przeprowadzonych na wstępie analiz określono stosunek ilości wytworzonej pary do zużytego węgla oraz marginesy odchyleń krzywej produkcji pary. Charakteryzowała się ona wklęsłością. Jak zaznaczono w dalszej części, bazując na wynikach analiz, technolodzy wdrożyli zaawansowany algorytm sterowania oraz wyznaczyli optymalne obciążenie dla kotłów, uzyskując redukcję kosztów eksploatacji na poziomie 3%. Opracowany w następnej kolejności schemat modelu predykcyjnego pozwolił na 35-krotne ograniczenie zmienności temperatury pary, co jest wynikiem znacznie lepszym w stosunku do tradycyjnych układów z regulatorami PI. Te ostatnie zapewniają co prawda właściwą stabilność temperatury pary, jednakże układ modelowy w połączeniu z zaawansowanymi algorytmami pozwala na bardziej dynamiczne reagowanie układów sterujących na ewentualne zmiany czy odchylenia temperatury pary w procesie, a tym samym szybszą reakcję zwrotną i stabilność procesów.
7 kotłów w procesie ? budowa układu
W celu przeanalizowania przykładowego, współczesnego systemu sterowania zespołem kotłów węglowych wybrano zakład, w którym znajduje się kotłownia z zainstalowanymi siedmioma kotłami o wydajności 20 ton pary na godzinę, pracującymi na wspólną głowicę główną ? rozdzielczą. Podstawowym ich zadaniem jest wytwarzanie pary o niskim i wysokim ciśnieniu do zastosowań przemysłowych przy procesach ciągłych i okresowych. Szczególnie w odniesieniu do tych ostatnich, ze względu na okresowośćzapotrzebowania na parę do ich obsługi, w systemie występuje dość znaczące zróżnicowanie ogólnego zapotrzebowania na parę w różnym czasie. Wspomniane kotły spalają węgiel brunatny, składowany w specjalnym wydzielonym boksie, przylegającym bezpośrednio do kotłowni, a jego wartość energetyczna (tzw. kaloryczność) jest monitorowana i obliczana przy każdej dostawie. Porcje węgla dla poszczególnych kotłów przenoszone są do ich gardzieli na szczycie za pomocą specjalnych przenośników śrubowych (ślimakowych). Gardziel taka rozdziela się na dwa leje, podające węgiel bezpośrednio na ruszt, który przesuwa się wewnątrz kotła, wytwarzając równomierną warstwę węglową w palenisku. Węgiel zapala się w trakcie przemieszczania się pomiędzy rusztem a komorą paleniska, dzięki umieszczonym tam zapalarkom. Długość warstwy węgla na palenisku jest ściśle związana z prędkością przemieszczania się mechanicznego rusztu. Zastosowanie do jej kontroli regulatorów PID pozwala na zwiększenie wydajności kotła. W tylnej części każdego kotła umieszczone są dwa wentylatory nawiewowe, odpowiednio po lewej i prawej stronie.
Współpracują one z przepustnicami regulującymi dopływ tłoczonego do pieca powietrza i tym samym powstającego w jego wnętrzu ciśnienia. Rura wylotowa każdego z kotłów wyposażona jest w analizator poziomu tlenu oraz wentylator regulujący ciąg wyjściowy z kotła, pozwalający na ustalanie ciśnienia pary wychodzącej. Aby zapobiec wydostawaniu się na zewnątrz pieca płomieni z paleniska, wewnątrz kotła niezbędne jest utrzymanie niewielkiego podciśnienia, stąd konieczność sprawnej korelacji nastaw wentylatorów i przepustnic na przewodach wejściowych i wyjściowych kotła.
Zadaniem podstawowego poziomu systemu sterowania kotłem jest zachowanie stabilności procesów w nim zachodzących, poprzez aplikację pętli zwrotnych z regulatorami PI. Wymuszony obieg powietrza w komorze kotła sterowany jest przez regulatory PI obsługujące przepustnice nawiewu.
Jednakże w trakcie eksploatacji kotła na niektórych jego elementach osadzają się zabrudzenia i pyły ? przede wszystkim popiół ze spalanego węgla, które z czasem powodują powstawanie dodatkowych zawirowań powietrza i zaburzeń rozkładu ciśnienia we wnętrzu kotła. Zawirowania te są w takiej sytuacji dodatkowo wzmacniane, na skutek fałszywych odczytów czujników ciśnieniowych współpracujących ze sterownikami przepustnic. To nie lada wyzwanie dla układów sterowania i monitoringu ciśnienia. Regulatory PI sterują też pracą wspomnianych już wcześniej przepustnic na wylocie pary z kotła.
Analiza układu
Każdy kocioł to według teorii sterowania układ wielowejściowy i wielowyjściowy (MIMO). Jeżeli zmiana parametru na jednym z wejść takiego układu oddziałuje na więcejniż jedno wyjście, układ rozpatruje się jako interaktywny. Jeżeli jednak układ typu MIMO nie ma cech interaktywności (zmiany na jednym wejściu oddziałują tylko na jedno wyjście), można zastosować metodę zdecentralizowanego układu zmiennych lub par zmiennych. Opracowano już wiele technik aplikacji tej metody sterowania do układów typu MIMO.
Prawidłowa aplikacja układu zdecentralizowanego pozwala na dopasowanie się systemu sterowania do nieliniowych charakterystyk dynamicznych obsługiwanego urządzenia, co w przypadku kotłów daje znacznie lepsze efekty w stabilności ich funkcjonowania i szybkości reakcji na zmiany kluczowych parametrów, w stosunku do klasycznych rozwiązań z regulatorami PID. Miarą stopnia interakcji pomiędzy wejściami i wyjściami zmiennych w zdecentralizowanych układach MIMO jest macierz współczynników relacji (ang. RGA), która pozwala również na oszacowanie wrażliwości układu na zmiany parametrów wejściowych ? np. wynikających z dynamiki obiektów wykonawczych, obsługiwanych przez układ sterowania.
W celu osiągnięcia wysokiej efektywności przy oszczędnościach eksploatacyjnych kotłów, istotnym elementem jest również identyfikacja tzw. kluczowych wskaźników wydajności oraz ilościowe/liczbowe ustalenie zamierzonych efektów końcowych.
Zaawansowane sterowanie
Złożoność operacji i wzajemnych powiązań parametrów w obsłudze kotłów węglowych stanowi nie lada wyzwanie dla automatyków i integratorów systemowych, dążących do optymalizacji ich użytkowania. Jak już wcześniej wspomniano, stosowane tradycyjnie regulatory PI zapewniają akceptowalny poziom stabilności parametrów pracy kotłów, jednakże zastosowanie współczesnych, zaawansowanych algorytmów sterowania poza zwiększeniem samej stabilności układu gwarantuje również jego szybsze reagowanie na ewentualne zmiany i zaburzenia rytmu pracy.
Taki właśnie algorytm zastosowano w obsłudze procesu spalania w opisywanym już wcześniej systemie 7 kotłów. Bazuje on na zestawie narzędziowym GenSym G2 dla sterowników Anglo Platinum i AspenTech DMCplus, z modelowaniem predykcyjnym. System ekspercki APET, działający w czasie rzeczywistym, to środowisko zorientowane obiektowo, z odpowiednią bazą danych reprezentującą urządzenia zlokalizowane w zakładzie, czy też na danej aplikacji. Wszystkie zmienne związane z obsługiwanymi urządzeniami są na bieżąco aktualizowane poprzez serwery OPC systemu monitoringu i sterowania. System APET tworzy platformę do działania algorytmów zaawansowanych, stanowiąc swego rodzaju interfejs pomiędzy systemem sterowania i monitoringu a sterownikami DMCplus. Został on w tym przypadku tak skonfigurowany, aby zapewnić stały monitoring połączeń komunikacyjnych oraz automatyczną reakcję systemu w przypadku wystąpienia awarii, nagłych zmian itp. W systemie APET mogą być ponadto uwzględnione kluczowe wskaźniki wydajności KPI, a wszystkie obliczenia niezbędne do optymalnej pracy systemu prowadzone są w czasie rzeczywistym. W omawianej tu aplikacji system sterowania składa się z głównego sterownika typu MPC obsługującego głowicę główną pary oraz indywidualnych sterowników MPC dla każdego z kotłów. Sterownik główny głowicy odpowiada za regulację ciśnienia pary poprzez sterowanie przepustnicami wylotowymi każdego z kotłów. Z kolei położenie tych przepustnic na każdym z kotłów determinuje zapotrzebowanie na parę z każdego kotła indywidualnie. Zmiana zapotrzebowania na parę wywołuje konieczność zmiany ciśnienia pary generowanej przez kocioł, sutkiem czego jest odpowiednia reakcja sterownika MPC sterującego położeniem przepustnicy. Warto jeszcze raz podkreślić, że cała bateria 7 kotłów pracuje na wspólną głowicę, stąd bardzo wysoki stopień wzajemnej inter-
akcji i spore wyzwanie dla systemu regulacji.
Chcąc zwiększyć produkcję pary na danym kotle, otwiera się przepustnice, które pozwalają na wejście do kotła większej ilości powietrza, co przyspiesza proces spalania i produkcję pary. W efekcie węgiel na ruszcie jest szybciej wypalany, skutkiem czego strefa spalania przesuwa się w tył kotła. Sterowniki obsługujące kocioł zależnie od szybkości tych procesów zwiększają lub zmniejszają szybkość pracy podajnika zasypującego węgiel na ruszt, tak by doprowadzić do w miarę równomiernego rozkładu spalanej warstwy węgla. Dzięki temu pozycja płomienia w kotle pozostaje na właściwym miejscu.
Miejsce składowania węgla opałowego nie jest zadaszone, dlatego też gromadzi się w nim wilgoć. Dlatego węgiel dostający się do kotła musi być najpierw wstępnie osuszony i nie może od razu trafiać do paleniska. Stąd ruszt zasypowy ma specjalny kształt, a węgiel zasypywany jest dwoma lejami. Te wszystkie okoliczności muszą być oczywiście uwzględnione w algorytmie sterowania kotła. Sterowniki MPC odpowiadają również za kontrolę położenia przepustnic nawiewu powietrza od dołu kotła, tak by płomienie powstające przy spalaniu węgla nie wydostawały się na zewnątrz wraz ze spalinami i parą. System sterowania ma ograniczone możliwości regulacji stężeniemszkodliwych gazów w wyziewach z kotła, ze względu na powstające zabrudzenia na czujnikach i bezpośrednio na klapach przepustnic.
10-miesięczny okres weryfikacji i mniejsze zużycie węgla
Funkcjonalność i skuteczność nowego systemu sterowania baterią kotłów została zweryfikowana w okresie 10-miesięcznym, z czego 5 miesięcy układ działał bez zaawansowanego systemu sterowania ze sterownikami typu MPC, a kolejne 5 ? z zaaplikowanym systemem. Jego aplikacja przyniosła znaczącą poprawę stabilności ciśnienia pary w głowicy, zmniejszenie standardowego odchylenia o 50% (rysunek 4). Współczynnik-zależność ilość pary/zużyty węgiel zwiększył się z 9,07 do 9,98. W trakcie testów nie zarejestrowano jednak znaczących różnic co do wydajności kotłów w zakresie ilości wytwarzanej pary. Pojawiły się tylko wspomniane już oszczędności paliwa i większa stabilność parametryczna. W teście korzystano z narzędzia ANOVA.
Sprawna komunikacja i monitoring parametrów pracy sterowanego układu kotłów pozwalają na łatwe zarządzanie aplikacją, szybsze jej obsługiwanie i sprawne serwisowanie. Personel obsługi na bieżąco informowany jest o stanie procesu, krytycznych parametrach pracy oraz ewentualnych zagrożeniach czy awariach. Problemem do rozwiązania jest jeszcze dobór algorytmów i technik sterowania nawiewem powietrza niezbędnego do spalania w komorze kotłów, w celu minimalizacji stężenia tlenu w ich gazach wylotowych.
CE