米克嵩，王 波，楊建蒙

(1.內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021025;2.華北電力大學(xué) 河北 保定 071003)

1 超臨界機組給水控制特點

超臨界直流鍋爐，與汽包爐相比在控制上有其特殊性。汽水分離器在啟動初期或低負荷運行時起汽水分離作用，此時給水控制的任務(wù)是保證鍋爐的給水量;燃燒控制的任務(wù)是控制鍋爐的蒸發(fā)量;以噴水減溫的方式控制汽溫，給水流量的擾動不會對汽溫產(chǎn)生直接影響。此時給水控制和燃料控制不存在耦合。而高負荷時，汽水分離器僅作為一個節(jié)點［1］，給水一次性流過省煤器、水冷壁和過熱器，依次完成給水的加熱、汽化和蒸汽的過熱過程。沒有汽包將給水控制與汽溫控制和燃燒控制隔離開。此時，給水控制的主要任務(wù)是以中間點溫度或焓值作為表征量，保證煤水比［2］不變，進而控制汽溫，以滿足機組不同負荷下對給水量的需求。

焓的物理概念明確，同時為壓力和溫度的函數(shù)。過熱蒸汽焓代表其做功能力，控制中間點焓值，即控制了蒸汽的初始做功能力，有利于負荷控制［3］。中間點焓值比溫度靈敏度高，在接近飽和溫度時，對煤水比失調(diào)能較快反應(yīng)，有利于防止中間點進入飽和區(qū)，即使進入了飽和區(qū)，與中間點溫度控制相比也可以較快地退出飽和區(qū)［3］，在高負荷時，根據(jù)中間點溫度控制給水流量更容易引起超溫。而且超臨界機組工質(zhì)存在一個大比熱區(qū)［4］，當(dāng)負荷變化時，在這個區(qū)間內(nèi)控制中間點溫度容易造成給水控制失調(diào)。所以用中間點焓值做表征量來更為科學(xué)。

2 系統(tǒng)辨識

對于直流鍋爐，由于給水的吸熱、蒸發(fā)和過熱之間沒有明確的分界，這就使汽溫、汽壓、給水量及蒸發(fā)量相互關(guān)聯(lián)，耦合性極強，機理建模的方法已然不再適用。

而對于此類復(fù)雜對象的建模，系統(tǒng)辨識的方法則顯出極大的優(yōu)越性。熱工過程的輸入輸出信號總是可以測量的。由于過程的動態(tài)特性必然表現(xiàn)在這些數(shù)據(jù)之中，那么就可以利用輸入輸出數(shù)據(jù)提供的信息來建立對象的數(shù)學(xué)模型，這種方法叫做系統(tǒng)辨識。

2.1 系統(tǒng)辨識的定義

L.Ljung對辨識定義為:辨識有三個要素:數(shù)據(jù)，模型類和準則。辨識就是按照一個準則在一組模型類中選擇一個與數(shù)據(jù)擬合得最好的模型。簡言之，辨識就是從一組模型類中選擇一個模型，按照某種準則，使之能最好地擬合所研究實際過程的動態(tài)特性［5］。

系統(tǒng)辨識是控制論的一個分支。辨識技術(shù)幫助人們在表征被研究的對象、現(xiàn)象或過程的復(fù)雜因果關(guān)系時，盡可能準確地建立它們之間的定量依存關(guān)系。

2.2 應(yīng)用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱建模

若離散傳遞函數(shù)為:

它對應(yīng)的差分方程為:

其中ε(t)為殘差信號。y(t－1)表示y(t)在前一個采樣周期處的函數(shù)值，這種模型稱為ARX(自回歸遍歷)模型。

MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱提出了多種辨識函數(shù)，其中ARX模型辨識可以由ARX()函數(shù)加以實現(xiàn)。假設(shè)已經(jīng)測出一組輸入信號u=［u(1)，u(2)，…，u(M)］T和一組輸出信號 y=［y(1)，y(2)，…，y(M)］T。并選定系統(tǒng)的分子多項式階次為m－1，分母多項式階次為n及系統(tǒng)的純滯后d，則可以通過下面命令辨識出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

3 某超臨界600 MW機組給水控制熱工對象系統(tǒng)辨識模型

3.1 原始數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選用某電廠超臨界600 MW機組100%負荷下給水量和中間點焓值數(shù)據(jù)如圖1(a)和圖2(a)所示。系統(tǒng)建模時，要求輸入輸出的統(tǒng)計特性與統(tǒng)計時間起點無關(guān)，且均值為0。而從電廠DCS采集到的數(shù)據(jù)一般都含有噪聲，是隨機時間序列，需要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括消除數(shù)據(jù)的趨勢項，對數(shù)據(jù)進行濾波和重新采樣。在系統(tǒng)辨識工具箱中，函數(shù)dtrend用來去除數(shù)據(jù)中的趨勢項，函數(shù)idfilt利用濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，利用idresamp函數(shù)對數(shù)據(jù)進行重新采樣，插值或刪減［15］。去除趨勢項，是很重要的數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟，它能消除數(shù)據(jù)處理中可能出現(xiàn)的很大畸變。圖1(b)和圖2(b)是經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)圖。

圖1(a) 100%負荷下給水量原始數(shù)據(jù)

圖2(b) 去除趨勢項后的中間點焓值數(shù)據(jù)

3.2 應(yīng)用MATLAB系統(tǒng)辨識建模

機組運行時，所有數(shù)據(jù)都隨工況變化而變化，此時選取數(shù)據(jù)的激勵性最好。但是由于工況的變化，系統(tǒng)模型也隨之變化。因此，選擇數(shù)據(jù)時，一般選擇工況穩(wěn)定，輸入輸出數(shù)據(jù)在振蕩的曲線。此時辨識出的模型較好的對應(yīng)著該工況下熱工對象的模型。針對前文得到的100%負荷下經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)圖，用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱辨識出的中間點焓值—給水量熱工對象數(shù)學(xué)模型為:

此模型階次較高，難于進行控制器的設(shè)計，需要對其進行降階簡化。目前對高階傳遞函數(shù)降階的研究比較多，計算方法各有不同，本文應(yīng)用帶有時間延遲的次最優(yōu)降階算法，對上述傳遞函數(shù)進行簡化后，可得到如下新的模型:

對辨識模型和降階模型分別作單位階躍響應(yīng)，所得曲線如圖3所示。從圖上可以看到，辨識模型和降階后模型響應(yīng)曲線近似，但降階模型簡化很多。

4 仿真實例分析

為了驗證應(yīng)用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱構(gòu)建的中間點焓值—給水量熱工對象數(shù)學(xué)模型的可行性、有效性及準確性，現(xiàn)以一仿真實例加以說明。

當(dāng)直流鍋爐干態(tài)運行時，給水控制的任務(wù)是通過控制汽水分離器出口微過熱蒸汽焓值(中間點焓值)控制水煤比，進而控制過熱蒸汽溫度。圖4為給水控制系統(tǒng)原理圖。

其中，水煤比為負荷的函數(shù)f(x)，其對應(yīng)關(guān)系曲線如圖5所示，中間點焓值的給定值為負荷的函數(shù)f(x)，如圖6所示，焓值測量值是由分離器出口溫度與貯水箱排汽壓力計算得出。

在SIMULINK環(huán)境下構(gòu)建仿真圖，輸入100%負荷下給煤量設(shè)計值224.3，以及根據(jù)系統(tǒng)辨識并降階簡化得出的熱工對象傳遞函數(shù)Gr(s)，經(jīng)臨界比例帶法整定PID控制器參數(shù)為:

PID控制器對系統(tǒng)進行計算機仿真，得出負荷階躍變化時中間點焓值的響應(yīng)曲線如圖7所示:

圖7 負荷階躍變化時中間點焓值的響應(yīng)曲線

由仿真曲線可以看出，采用P和PID控制時，都可以滿足給水控制系統(tǒng)的要求。整個調(diào)節(jié)過程超調(diào)量小，調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)越。當(dāng)采用PID控制時，穩(wěn)定性、準確性以及快速性都很理想?？刂葡到y(tǒng)具有較強的魯棒性。

5 結(jié)論

超臨界直流鍋爐濕態(tài)運行時，給水控制與汽包爐無異，而干態(tài)運行時，給水控制主要任務(wù)是以中間點溫度或焓值為表征量，維持煤水比不變進而控制汽溫和給水量。

中間點焓值物理意義明確并且靈敏度高，另外考慮到超臨界壓力下工質(zhì)大比熱特性，故以中間點焓值做為表征量要比以中間點溫度為表征量更科學(xué)。由于超臨界機組給水控制熱工對象的復(fù)雜性，難于應(yīng)用機理建模方法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。而系統(tǒng)辨識方法則盡顯其優(yōu)越性。

應(yīng)用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱在對某超臨界600MW機組DCS采集到的數(shù)據(jù)做預(yù)處理工作后，辨識出中間點焓值—給水量熱工對象高階數(shù)學(xué)模型，并采用次最優(yōu)算法使其降階。仿真實例表明模型符合給水控制系統(tǒng)的要求。

［1］董信光，耿莉，譚小勇，等.基于多傳感器信息融合的直流鍋爐給水控制［J］.鍋爐技術(shù)，2008，39(4):14 －18.

［2］西安熱工研究院.超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2008:35－37.

［3］何同祥.采用控制中間點焓值的直流爐給水控制系統(tǒng)［J］.華東電力，1999，27(2):26 －28.

［4］樊泉桂.超臨界鍋爐中間點溫度控制問題分析［J］.鍋爐技術(shù)，2005，36(6):1 －4.

［5］潘立登，潘仰東.系統(tǒng)辨識與建模［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:1－5.