发表于：2005/6/20 14:24:00
#0楼
阵。通常初始时令 是一个足够大的正数。运算过程中，为了避免因计算机的有限字长、截断误差等原因引起P(t)奇异，需要强制P(t)矩阵对称。
四、常压加热炉燃烧优化实施
4.1热效率反馈烟气氧含量控制
氧含量定值控制实现简单，可以满足一般节能控制系统的需要。但是，在不同工况情况下，尤其对于混烧多种燃料的常压加热炉来说，在不同的燃料比例下，氧含量的最佳设定值并不完全一样。当工况相差较远时，固定的氧含量设定值并不能保证最大可能的节能。某些极端的情况，如燃料油燃料气比例大幅度变化时甚至未必能够达到节能的目的。虽然加入了燃料量前馈可以较好的解决这个问题，但是很多情况下，设备本身的原因使得检测的氧含量并不准确，要么检测的完全不对，要么只能够反映氧含量的变化趋势，在这种情况下，引入热量反馈来对氧含量的设定值进行动态寻优，或直接调节进风量是比较实用的控制方案。该控制方案其实也是热效率的动态寻优方案。当氧化锆能够检测氧含量的变化趋势时，控制框图如下：
工业燃烧过程的烟气氧含量由氧化锆检测，而氧化锆设备不仅易坏而且比较昂贵，一般厂家不大愿意更换。另外，为了防止燃料和烟道气漏至大气中，一般加热炉都是负压操作，这就容易使空气漏到炉内而造成烟道气中氧含量偏高，所以氧含量测量不准的问题较常遇到。当氧含量的测量趋势还能反映其真实趋势的情况下，可以采用以上方案；若氧含锆检测的氧含量根本不对，反映不了其变化趋势时，控制框图如下：
实际上，对于氧含量测量不准的问题，甚至氧含量最佳设定值因燃料比例不同而不一致的问题，都可以通过烟气中一氧化碳（CO）含量控制来解决。CO含量控制的优点是：对各种不同的燃料，CO的控制点都是保持恒定的，泄露到炉内的空气只含有0.03%的CO。CO是不完全燃烧的产物，若有足够的氧气，CO和O2可以化合成CO2，从而使CO值降至为0，实际系统中空气和燃料的完全混合是不可能的，因此一般都控制CO值在120~250ppm。虽然国外大多数加热炉均已采用CO含量控制校正燃烧，效果相当好，但由于CO分析仪非常昂贵，国内采用CO含量控制校正燃烧的炼油厂少之又少。利用CO含量控制的控制方案有超弛控制、约束控制等，由于国内应用的机会非常少，这里不作介绍。
4.2热效率反馈寻优算法
因为氧含量最佳值受到多种因素的影响，例如不同的燃料配比下氧含量最佳值区别很大，一定氧含量下的燃烧与对应的热效率之间的关系因而不能简单确定，那么希望能通过热效率反馈来寻找最佳氧含量设定值。由于燃烧是非常复杂的化学反应过程，很难建立较准确的数学模型，无法找到热效率与氧含量的函数表达式，再加上工业生产过程要求尽量平稳，因而寻优算法选用仅需知道函数值的直接搜索法，通过计算一定氧含量下的热效率，比较前后热效率的高低，参照前一次氧含量变化方向，来增加或减少氧含量的设定值，就可以在动态寻优的过程中将氧含量设定值朝着提高热效率的方向变化，从而达到节能的目的。算法流程图如图5.4.1所示。
考虑到燃油和燃气在充分燃烧时所需要的过剩空气系数是不一样的，燃油的过剩空气系数一般为1.2~1.25；燃料气的过剩空气系数一般为1.15~1.2。从过剩空气系数的计算公式(5.2.6)可以反推出氧含量与过剩空气系数的关系：
（5.4.1）
假设干气流量为 不凝气流量为 ，燃料油的流量为 ，令 那么它们燃烧时过剩空气系数的范围应是：
(5.4.2)
则在不同的燃料流量情况下，烟气氧含量的范围是：
(5.4.3)
将热效率看成烟气氧含量的函数 ,那么优化问题可以描述为:
(5.4.4)
实际在线寻优时，可以将氧含量的约束条件适当放宽。
优化算法步骤如下：
ⅰ、参数初始化：Kv = 0.1, 起始时刻T1 = 优化时刻T2 = 当前时间，
优化周期CT = 10分钟,上一次热效率PrecE= 0, 氧含量设定值U = 0,优化步长lumda = 0.2；变步长因子delta=0.618；优化精度dR=0.001；增量方向Dire = 1；计数器count1=0，count2=0；氧含量设定值上下限UMax=0,UMin=0；
ⅱ、置采样次数k = 0，起始时刻T1 = 优化时刻T2；
ⅲ、读入AR-3101,FC-3116A、FC-3116B、FC-3116C、FC-3116D、TI-3123 、
TRC-3106、TRC-3133、FT-3122A、FT-3122B、HV-3101A的测量值并保存在对应的数组里；读入当前氧含量设定值，置给U ;
ⅳ、k = k+1;
ⅴ、优化时刻T2 = 当前时间;
ⅵ、若T2 - T1 < CT，转ⅲ。 否则按公式（5.2.1）计算热效率，记为Rtmp；按(5.4.3)计算氧含量设定值的上下限约束UMax,UMin
ⅶ、若R = 0，则R = Rtmp；否则Dire = Dire * sign(Rtmp – R),
ⅷ、如果Dire>0，那么count1=count1+1,count2=0；
否则count1=0,count2=count2+1；
如果count1>3，那么增大优化步长lumda=lumda/delta；
如果count2>3，那么减小优化步长lumda=lumda*delta；
ⅸ、如果abs (Rtmp – R)〈dR，Rtmp = R ；
dU = Dire*abs(lumda*(Rtmp – R)),U=U+dU；
如果U> UMax, U = Umax；
如果U< UMin, U = Umin；
ⅹ、若不终止程序，转ⅱ。 否则终止程序。
4.3在线优化结果（以前的成功案例）
控制出口总温时，要么固定干气阀门来调节燃料油的阀门开度，要么固定油阀来调节干气的阀门开度。当调节干气阀门控制出口总温时，可以认为燃料油流量固定，计算热效率时，燃油量用常数代替；当调节燃油阀门控制出口温度时，把燃油流量与燃油阀门开度看成比例关系，用燃油阀门开度来近似燃油流量。这样虽然误差较大，但能够解决DCS中没有燃油流量信号带来的问题，在实际运行中，验证了该方法是有效的。
对比试验1：4月28日，干气不足，利用油阀调节出口总温，曲线如图5-4-1，从14:00开始在线优化，燃油流量到现场抄燃油计量表，实际计算节能效果时需要知道燃料油流量，在核算节能效果时，按照车间统一采用的单耗办法，就是计算炼制一吨原油需要多少燃料，1立米干气折算成0.65升燃油，1立米不凝气折算成0.79升燃油，从曲线中可以看出氧含量的最佳设定值随油阀的增大而增加，这符合理论上分析得到的燃油需要的过剩空气系数比燃气大。试验数据见表5-4-1,从结果中可以看出，原油单耗降低了0.326升燃油/吨原油，降低了3.26%。
表5-4-1、4-28优化结果
优化（4小时）（14：00——18：00） 未优化（3小时）（11：00——14：00）
原油进料量（吨/小时） 112.538 112.518
初常顶不凝气流量（立米/小时） 366.228 404.285
干气流量（立米/小时） 394.506 424.67
所用的燃料油（升/小时） 543.0 529.67
单耗（升燃油/吨原油） 9.674 10.0
对比试验2：4月29日，干气不足，利用油阀调节出口总温，曲线如图5-4-2，从10:00开始在线优化，15:00摘除优化软件，优化数据见表5-4-2，从表中的计算结果可以看出，原油单耗降低了0.466升燃油/吨原油，单耗降低了4.4%。
表5-4-2、4-29优化结果
优化（5小时）（10：00——15：00） 未优化（2小时）（15：00——17：00）
原油进料量（吨/小时） 112.427 112.630
初常顶不凝气流量（立米/小时） 327.5 395.0
干气流量（立米/小时） 550.4 590.0
所用的燃料油（升/小时） 521.5 497.0
单耗（升燃油/吨原油） 10.122 10.588
从这两天的对比试验中，我们可以看出：原油单耗平均降低了3.83%，这说明我们的优化软件能起到不错的节能效果。但从这两天的单耗上看，发现两天的单耗相差0.551升燃料油/吨原油，相对变化率5.4%，这可能有两个方面原因：
一、我用以前的数据辨识出干气、不凝气与燃料油之间的折算比例，但做试验的这两天，燃气性质可能发生一点波动，导致折算的比例系数略微有点波动，如果DCS引入燃油流量信号，就能在线辨识折算的比例系数，适应燃气性质的波动；
二、可能是燃气流量表计量的偏差造成。但现在单耗的相对变化率比以前大大降低，证明我们所采用的辨识干气、不凝气与燃料油的折算比例的方法是有效的。因此，如果DCS引入燃油流量信号，相信节能效果会更好。
图5-4-1 4月28日在线优化曲线
图5-4-2 4月29日在线优化曲线
第五节 项目实施步骤、工期
一、 项目实施步骤及工期
先进控制与优化项目结合装置运行现状，分为两个阶段分别对常压加热炉和常压塔进行。
目前第一期主要实现四项内容：装置PID参数整定、四路支管温度平衡控制、出口总管温度预测控制和燃烧优化控制。PID参数整定针对整个装置进行，其余三项内容针对常压加热炉进行。
为完成本项目，大概需要如下步骤：
1.选择工业PC计算机做为先进控制工作站；
2.在先进控制工作站上安装ACMP平台软件；
3.根据常压加热炉和用户需求对ACMP进行组态；
4.在ACMP上安装AtLoop PID自动整定软件包、差动平衡控制软件包、模块多变量DMC控制软件包、GPC预测控制软件包、在线燃烧优化控制软件包等；
5.考察现场控制DCS，并根据需要购置相关接口硬件、软件，编制相关接口软件，把先进控制工作站与现场控制DCS实现连接(此项工作应在停机的情况下，在厂方人员配合下完成)。实现数据的实时采集及控制数据的实时传输，为先进控制与优化的实现做好准备；
6.先进控制工作站投入运行，采集相关数据。以此为基础对系统进行建模(这些工作不影响系统的正常运行)；
7.用AtLoop对调节回路进行逐一自动整定，直到满意为止，（此项工作不影响系统的正常运行）；
8.投运四路支管温度平衡控制、出口总管温度GPC预测控制，（此项工作不影响系统的正常运行）；
9.投运在线燃烧优化控制，（此项工作不影响系统的正常运行）；
10.测试技术指标，验收；
11.编写技术资料、文档；对厂方有关使用、维护人员进行培训，直到能掌握该项技术。
以上步骤（1～11）视实际情况，可以部分交叉、并行进展，估计整个项目全部结束须用4～6个月时间。除第5项以外，其它工作均不影响系统的正常运行。也就是说不会影响正常生产。
第六节 技术支持及售后服务
本公司在售后服务及技术支持方面有如下一些保证：文档、培训、服务。
1、文档
在系统正式投运之前，我们承诺提供以下文档：
工程文档：系统工程实施的技术性文档，包括详细工程设计书、应用软件组态设计书、技术规格书等。
安装手册：硬件及软件详细安装说明书，包括安装时的难点分析、比较常见的问题及解决办法。
使用手册：由我方编写的系统各部分硬件及软件的详细使用说明书和注意事项。
培训手册：操作人员和技术人员的两套培训教材，以便培训时使用。
2、培训
操作人员培训：培训前发放操作员培训手册作为教材使用，详细讲解操作时的步骤和注意事项，并跟班2-3次作现场的培训和指导。
技术人员培训：培训前发放技术人员培训手册、安装和使用手册作为教材，详细讲解从系统构成到各个子系统的安装、使用和故障排除，已达到使技术人员可以独立进行简单系统维护的目的。
3、服务
² 关于系统培训，我们承诺对甲方有关人员进行无保留的技术交底和技术培训，以使甲方人员尽快掌握使用、操作和维护该系统，并向甲方提供一套完整的培训教材。
² 硬件（重新购置）部分一年免费维修，终身维修，只收取成本费。
² 软件部分一年免费维护，以后收取成本费。
² 软件终身免费升级。
四、常压加热炉燃烧优化实施
4.1热效率反馈烟气氧含量控制
氧含量定值控制实现简单，可以满足一般节能控制系统的需要。但是，在不同工况情况下，尤其对于混烧多种燃料的常压加热炉来说，在不同的燃料比例下，氧含量的最佳设定值并不完全一样。当工况相差较远时，固定的氧含量设定值并不能保证最大可能的节能。某些极端的情况，如燃料油燃料气比例大幅度变化时甚至未必能够达到节能的目的。虽然加入了燃料量前馈可以较好的解决这个问题，但是很多情况下，设备本身的原因使得检测的氧含量并不准确，要么检测的完全不对，要么只能够反映氧含量的变化趋势，在这种情况下，引入热量反馈来对氧含量的设定值进行动态寻优，或直接调节进风量是比较实用的控制方案。该控制方案其实也是热效率的动态寻优方案。当氧化锆能够检测氧含量的变化趋势时，控制框图如下：
工业燃烧过程的烟气氧含量由氧化锆检测，而氧化锆设备不仅易坏而且比较昂贵，一般厂家不大愿意更换。另外，为了防止燃料和烟道气漏至大气中，一般加热炉都是负压操作，这就容易使空气漏到炉内而造成烟道气中氧含量偏高，所以氧含量测量不准的问题较常遇到。当氧含量的测量趋势还能反映其真实趋势的情况下，可以采用以上方案；若氧含锆检测的氧含量根本不对，反映不了其变化趋势时，控制框图如下：
实际上，对于氧含量测量不准的问题，甚至氧含量最佳设定值因燃料比例不同而不一致的问题，都可以通过烟气中一氧化碳（CO）含量控制来解决。CO含量控制的优点是：对各种不同的燃料，CO的控制点都是保持恒定的，泄露到炉内的空气只含有0.03%的CO。CO是不完全燃烧的产物，若有足够的氧气，CO和O2可以化合成CO2，从而使CO值降至为0，实际系统中空气和燃料的完全混合是不可能的，因此一般都控制CO值在120~250ppm。虽然国外大多数加热炉均已采用CO含量控制校正燃烧，效果相当好，但由于CO分析仪非常昂贵，国内采用CO含量控制校正燃烧的炼油厂少之又少。利用CO含量控制的控制方案有超弛控制、约束控制等，由于国内应用的机会非常少，这里不作介绍。
4.2热效率反馈寻优算法
因为氧含量最佳值受到多种因素的影响，例如不同的燃料配比下氧含量最佳值区别很大，一定氧含量下的燃烧与对应的热效率之间的关系因而不能简单确定，那么希望能通过热效率反馈来寻找最佳氧含量设定值。由于燃烧是非常复杂的化学反应过程，很难建立较准确的数学模型，无法找到热效率与氧含量的函数表达式，再加上工业生产过程要求尽量平稳，因而寻优算法选用仅需知道函数值的直接搜索法，通过计算一定氧含量下的热效率，比较前后热效率的高低，参照前一次氧含量变化方向，来增加或减少氧含量的设定值，就可以在动态寻优的过程中将氧含量设定值朝着提高热效率的方向变化，从而达到节能的目的。算法流程图如图5.4.1所示。
考虑到燃油和燃气在充分燃烧时所需要的过剩空气系数是不一样的，燃油的过剩空气系数一般为1.2~1.25；燃料气的过剩空气系数一般为1.15~1.2。从过剩空气系数的计算公式(5.2.6)可以反推出氧含量与过剩空气系数的关系：
（5.4.1）
假设干气流量为 不凝气流量为 ，燃料油的流量为 ，令 那么它们燃烧时过剩空气系数的范围应是：
(5.4.2)
则在不同的燃料流量情况下，烟气氧含量的范围是：
(5.4.3)
将热效率看成烟气氧含量的函数 ,那么优化问题可以描述为:
(5.4.4)
实际在线寻优时，可以将氧含量的约束条件适当放宽。
优化算法步骤如下：
ⅰ、参数初始化：Kv = 0.1, 起始时刻T1 = 优化时刻T2 = 当前时间，
优化周期CT = 10分钟,上一次热效率PrecE= 0, 氧含量设定值U = 0,优化步长lumda = 0.2；变步长因子delta=0.618；优化精度dR=0.001；增量方向Dire = 1；计数器count1=0，count2=0；氧含量设定值上下限UMax=0,UMin=0；
ⅱ、置采样次数k = 0，起始时刻T1 = 优化时刻T2；
ⅲ、读入AR-3101,FC-3116A、FC-3116B、FC-3116C、FC-3116D、TI-3123 、
TRC-3106、TRC-3133、FT-3122A、FT-3122B、HV-3101A的测量值并保存在对应的数组里；读入当前氧含量设定值，置给U ;
ⅳ、k = k+1;
ⅴ、优化时刻T2 = 当前时间;
ⅵ、若T2 - T1 < CT，转ⅲ。 否则按公式（5.2.1）计算热效率，记为Rtmp；按(5.4.3)计算氧含量设定值的上下限约束UMax,UMin
ⅶ、若R = 0，则R = Rtmp；否则Dire = Dire * sign(Rtmp – R),
ⅷ、如果Dire>0，那么count1=count1+1,count2=0；
否则count1=0,count2=count2+1；
如果count1>3，那么增大优化步长lumda=lumda/delta；
如果count2>3，那么减小优化步长lumda=lumda*delta；
ⅸ、如果abs (Rtmp – R)〈dR，Rtmp = R ；
dU = Dire*abs(lumda*(Rtmp – R)),U=U+dU；
如果U> UMax, U = Umax；
如果U< UMin, U = Umin；
ⅹ、若不终止程序，转ⅱ。 否则终止程序。
4.3在线优化结果（以前的成功案例）
控制出口总温时，要么固定干气阀门来调节燃料油的阀门开度，要么固定油阀来调节干气的阀门开度。当调节干气阀门控制出口总温时，可以认为燃料油流量固定，计算热效率时，燃油量用常数代替；当调节燃油阀门控制出口温度时，把燃油流量与燃油阀门开度看成比例关系，用燃油阀门开度来近似燃油流量。这样虽然误差较大，但能够解决DCS中没有燃油流量信号带来的问题，在实际运行中，验证了该方法是有效的。
对比试验1：4月28日，干气不足，利用油阀调节出口总温，曲线如图5-4-1，从14:00开始在线优化，燃油流量到现场抄燃油计量表，实际计算节能效果时需要知道燃料油流量，在核算节能效果时，按照车间统一采用的单耗办法，就是计算炼制一吨原油需要多少燃料，1立米干气折算成0.65升燃油，1立米不凝气折算成0.79升燃油，从曲线中可以看出氧含量的最佳设定值随油阀的增大而增加，这符合理论上分析得到的燃油需要的过剩空气系数比燃气大。试验数据见表5-4-1,从结果中可以看出，原油单耗降低了0.326升燃油/吨原油，降低了3.26%。
表5-4-1、4-28优化结果
优化（4小时）（14：00——18：00） 未优化（3小时）（11：00——14：00）
原油进料量（吨/小时） 112.538 112.518
初常顶不凝气流量（立米/小时） 366.228 404.285
干气流量（立米/小时） 394.506 424.67
所用的燃料油（升/小时） 543.0 529.67
单耗（升燃油/吨原油） 9.674 10.0
对比试验2：4月29日，干气不足，利用油阀调节出口总温，曲线如图5-4-2，从10:00开始在线优化，15:00摘除优化软件，优化数据见表5-4-2，从表中的计算结果可以看出，原油单耗降低了0.466升燃油/吨原油，单耗降低了4.4%。
表5-4-2、4-29优化结果
优化（5小时）（10：00——15：00） 未优化（2小时）（15：00——17：00）
原油进料量（吨/小时） 112.427 112.630
初常顶不凝气流量（立米/小时） 327.5 395.0
干气流量（立米/小时） 550.4 590.0
所用的燃料油（升/小时） 521.5 497.0
单耗（升燃油/吨原油） 10.122 10.588
从这两天的对比试验中，我们可以看出：原油单耗平均降低了3.83%，这说明我们的优化软件能起到不错的节能效果。但从这两天的单耗上看，发现两天的单耗相差0.551升燃料油/吨原油，相对变化率5.4%，这可能有两个方面原因：
一、我用以前的数据辨识出干气、不凝气与燃料油之间的折算比例，但做试验的这两天，燃气性质可能发生一点波动，导致折算的比例系数略微有点波动，如果DCS引入燃油流量信号，就能在线辨识折算的比例系数，适应燃气性质的波动；
二、可能是燃气流量表计量的偏差造成。但现在单耗的相对变化率比以前大大降低，证明我们所采用的辨识干气、不凝气与燃料油的折算比例的方法是有效的。因此，如果DCS引入燃油流量信号，相信节能效果会更好。
图5-4-1 4月28日在线优化曲线
图5-4-2 4月29日在线优化曲线
第五节 项目实施步骤、工期
一、 项目实施步骤及工期
先进控制与优化项目结合装置运行现状，分为两个阶段分别对常压加热炉和常压塔进行。
目前第一期主要实现四项内容：装置PID参数整定、四路支管温度平衡控制、出口总管温度预测控制和燃烧优化控制。PID参数整定针对整个装置进行，其余三项内容针对常压加热炉进行。
为完成本项目，大概需要如下步骤：
1.选择工业PC计算机做为先进控制工作站；
2.在先进控制工作站上安装ACMP平台软件；
3.根据常压加热炉和用户需求对ACMP进行组态；
4.在ACMP上安装AtLoop PID自动整定软件包、差动平衡控制软件包、模块多变量DMC控制软件包、GPC预测控制软件包、在线燃烧优化控制软件包等；
5.考察现场控制DCS，并根据需要购置相关接口硬件、软件，编制相关接口软件，把先进控制工作站与现场控制DCS实现连接(此项工作应在停机的情况下，在厂方人员配合下完成)。实现数据的实时采集及控制数据的实时传输，为先进控制与优化的实现做好准备；
6.先进控制工作站投入运行，采集相关数据。以此为基础对系统进行建模(这些工作不影响系统的正常运行)；
7.用AtLoop对调节回路进行逐一自动整定，直到满意为止，（此项工作不影响系统的正常运行）；
8.投运四路支管温度平衡控制、出口总管温度GPC预测控制，（此项工作不影响系统的正常运行）；
9.投运在线燃烧优化控制，（此项工作不影响系统的正常运行）；
10.测试技术指标，验收；
11.编写技术资料、文档；对厂方有关使用、维护人员进行培训，直到能掌握该项技术。
以上步骤（1～11）视实际情况，可以部分交叉、并行进展，估计整个项目全部结束须用4～6个月时间。除第5项以外，其它工作均不影响系统的正常运行。也就是说不会影响正常生产。
第六节 技术支持及售后服务
本公司在售后服务及技术支持方面有如下一些保证：文档、培训、服务。
1、文档
在系统正式投运之前，我们承诺提供以下文档：
工程文档：系统工程实施的技术性文档，包括详细工程设计书、应用软件组态设计书、技术规格书等。
安装手册：硬件及软件详细安装说明书，包括安装时的难点分析、比较常见的问题及解决办法。
使用手册：由我方编写的系统各部分硬件及软件的详细使用说明书和注意事项。
培训手册：操作人员和技术人员的两套培训教材，以便培训时使用。
2、培训
操作人员培训：培训前发放操作员培训手册作为教材使用，详细讲解操作时的步骤和注意事项，并跟班2-3次作现场的培训和指导。
技术人员培训：培训前发放技术人员培训手册、安装和使用手册作为教材，详细讲解从系统构成到各个子系统的安装、使用和故障排除，已达到使技术人员可以独立进行简单系统维护的目的。
3、服务
² 关于系统培训，我们承诺对甲方有关人员进行无保留的技术交底和技术培训，以使甲方人员尽快掌握使用、操作和维护该系统，并向甲方提供一套完整的培训教材。
² 硬件（重新购置）部分一年免费维修，终身维修，只收取成本费。
² 软件部分一年免费维护，以后收取成本费。
² 软件终身免费升级。
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