龔 誠(chéng)

（南通天生港發(fā)電有限公司，江蘇 南通226003）

0 引言

某電廠650 MW 超臨界機(jī)組的再熱汽溫主要以調(diào)節(jié)再熱煙氣擋板來(lái)控制，而以事故噴水為輔助調(diào)節(jié)手段（噴水點(diǎn)在低再的入口）。改造前的再熱汽溫控制系統(tǒng)基本上都沒(méi)有投入運(yùn)行，煙氣擋板和事故噴水均依靠手動(dòng)操作，每天的操作量約占整個(gè)機(jī)組操作量的80%左右，運(yùn)行的操作強(qiáng)度大。主要原因：再熱汽溫被控對(duì)象具有很大的滯后和慣性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在低負(fù)荷（350 MW）時(shí)，煙氣擋板對(duì)再熱汽溫影響的純滯后時(shí)間達(dá)190s，整個(gè)響應(yīng)時(shí)間達(dá)1 487s左右；而對(duì)于事故噴水，由于噴水點(diǎn)在低溫再熱器的入口，在低負(fù)荷（350 MW）時(shí)，噴水對(duì)再熱汽溫影響的純滯后時(shí)間達(dá)330s，整個(gè)響應(yīng)時(shí)間達(dá)1 820s左右。對(duì)于這樣的被控對(duì)象，在機(jī)組升降負(fù)荷或吹灰等擾動(dòng)下，常規(guī)的PID 控制系統(tǒng)很難有效抑制再熱汽溫的大范圍變化，應(yīng)采用基于大滯后控制理論的優(yōu)化控制策略才能對(duì)再熱汽溫進(jìn)行有效控制。

本文在再熱汽溫對(duì)象動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，先將改進(jìn)的自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制與Smith預(yù)測(cè)平行串級(jí)控制有效組合，并應(yīng)用于再熱汽溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以煙氣擋板調(diào)節(jié)為主、事故噴水調(diào)節(jié)為輔的再熱汽溫優(yōu)化控制，減輕了運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度，有效減小了在吹灰及變負(fù)荷等擾動(dòng)下再熱汽溫的波動(dòng)范圍，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

1 被控對(duì)象

鍋爐本體為哈爾濱鍋爐廠引進(jìn)三井巴布科克能源公司技術(shù)生產(chǎn)的超臨界變壓運(yùn)行螺旋管圈直流、單爐膛、一次中間再熱、前后墻對(duì)沖旋流燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、∏型露天布置燃煤鍋爐。再熱汽溫以采用尾部煙氣擋板調(diào)節(jié)為主，鍋爐尾部煙道分為兩個(gè)并列的煙道，分別布置一級(jí)過(guò)熱器和低溫再熱器。在煙溫較低的省煤器下面布置可控制的煙氣擋板，再熱器煙道擋板和過(guò)熱器煙道擋板配合動(dòng)作，改變流經(jīng)再熱器煙道的煙氣流量，從而控制再熱蒸汽的溫度。

為研究新型的再熱汽溫控制系統(tǒng)，對(duì)再熱汽溫被控對(duì)象進(jìn)行了完整的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。在高、中、低負(fù)荷點(diǎn)上分別進(jìn)行了煙氣擋板和事故噴水調(diào)門的階躍響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果可作如下分析：

（1）負(fù)荷降低時(shí)，無(wú)論是煙氣擋板還是事故噴水，其對(duì)象的慣性時(shí)間和純滯后時(shí)間都會(huì)增加。主要原因：當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，煙氣流速和蒸汽流速相應(yīng)降低，煙氣和蒸汽之間的熱交換速度變慢，從而導(dǎo)致過(guò)程的純滯后和慣性增加。

表1 再熱汽溫被控對(duì)象特性試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明

（2）負(fù)荷降低時(shí)，對(duì)于煙氣擋板，其對(duì)象的靜態(tài)增益減小。主要原因：當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，為保證再熱汽溫，煙氣擋板的位置將開(kāi)大，使擋板位置的改變對(duì)煙氣流量的變化變得不敏感，從而使對(duì)象的靜態(tài)增益變小。而對(duì)于事故噴水，其過(guò)程的靜態(tài)增益則增加，這是由熱力系統(tǒng)的熱平衡方程所決定的，在低負(fù)荷時(shí)，再熱蒸汽流量較小，顯然相同的噴水流量對(duì)再熱汽溫的影響要大。

由此可見(jiàn)，在機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，理論分析與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。從對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性中可進(jìn)一步獲得如下結(jié)論：

（1）無(wú)論是煙氣擋板還是事故噴水，都具有很大的純滯后和很長(zhǎng)的慣性時(shí)間，應(yīng)盡可能采用基于大滯后控制理論的優(yōu)化控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)再熱汽溫的有效控制。

（2）事故噴水的滯后和慣性反而大于煙氣擋板，依靠噴水難以快速抑制再熱汽溫的超溫。

（3）在高、中、低負(fù)荷點(diǎn)上，再熱汽溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性具有較大的差別，新的控制系統(tǒng)應(yīng)有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。

2 再熱汽溫優(yōu)化控制策略

2.1 煙氣擋板控制策略

煙氣擋板控制作為調(diào)節(jié)再熱汽溫的主要回路，以A 側(cè)為例（B側(cè)相同），其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在反饋控制回路中，將一種改進(jìn)的自適應(yīng)Smith預(yù)估控制技術(shù)應(yīng)用于再熱汽溫系統(tǒng)，在確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件下，加快煙氣擋板的調(diào)節(jié)速度。在系統(tǒng)的前饋通道中，采用了基于操作經(jīng)驗(yàn)的模糊智能前饋技術(shù)，加快了煙氣擋板的調(diào)節(jié)速度，有效地抑制了再熱汽溫的動(dòng)態(tài)偏差。

2.1.1 改進(jìn)的自適應(yīng)Smith預(yù)估控制技術(shù)

改進(jìn)的自適應(yīng)Smith預(yù)估控制方案如圖1所示，主要目的是補(bǔ)償被控對(duì)象的純滯后，此外，與傳統(tǒng)以及當(dāng)前改進(jìn)的Smith預(yù)估控制方案比較其還有如下兩方面的優(yōu)點(diǎn)：

圖1 新型再熱汽溫主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）從表1中可以看出隨著負(fù)荷變化，再熱汽溫動(dòng)態(tài)特性有較大的變化，如果過(guò)程模型Gm存在失配，傳統(tǒng)Smith預(yù)估補(bǔ)償方案存在控制效果變差甚至失穩(wěn)的問(wèn)題［1］。本文所提出的方法為雙控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)定值響應(yīng)由控制器PI1完成，擾動(dòng)抑制由控制器PI2完成，如果模型存在失配，則可由PI2按擾動(dòng)抑制處理。

（2）當(dāng)前主流的改進(jìn)自適應(yīng)Smith預(yù)估控制方案雖然能實(shí)現(xiàn)抗模型失配，但存在的共同缺點(diǎn)是擾動(dòng)抑制能力顯著變差［2－3］。本文所提出的控制方案可以通過(guò)調(diào)節(jié)0≤Lx≤Lm，從而實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)抑制與系統(tǒng)魯棒性的折中。

2.1.2 基于模糊控制理論的智能前饋技術(shù)

對(duì)于像再熱汽溫這樣的大滯后和大慣性過(guò)程，設(shè)計(jì)合理的前饋控制是十分必要的。在新型的再熱汽溫控制系統(tǒng)中，采用了基于機(jī)組負(fù)荷指令的前饋及基于再熱汽溫偏差及偏差變化率的智能前饋。其中，基于機(jī)組負(fù)荷指令的前饋又分為負(fù)荷小范圍內(nèi)變化及大幅變化時(shí)的兩種前饋信號(hào)，該類前饋量與變負(fù)荷速率、負(fù)荷指令大小以及再熱汽溫的實(shí)際運(yùn)行情況有關(guān)，本文中該部分的前饋量為－30%～30%。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行人員往往可以根據(jù)再熱汽溫的偏差及偏差變化率來(lái)快速調(diào)整煙氣擋板開(kāi)度，而這種快速的操作思想完全可以通過(guò)智能前饋控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 事故噴水控制系統(tǒng)

以A 側(cè)為例（B側(cè)相同），再熱汽溫事故噴水的控制方案如圖2所示。

常規(guī)噴水減溫控制系統(tǒng)為串級(jí)控制方式，雖可實(shí)現(xiàn)控制效果的改善，但對(duì)于大滯后的再熱汽溫系統(tǒng)控制性能提升有限，為此將傳統(tǒng)串級(jí)與Smith預(yù)估控制結(jié)合［4］，提出了一種Smith預(yù)測(cè)平行串級(jí)噴水減溫控制技術(shù)。該控制方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該控制結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)控制器，PI2為內(nèi)回路擾動(dòng)抑制控制器，可以實(shí)現(xiàn)在擾動(dòng)進(jìn)入外回路前提前進(jìn)行控制，PI1為外回路擾動(dòng)抑制控制器，當(dāng)內(nèi)回路消除擾動(dòng)不完全以及產(chǎn)生單獨(dú)進(jìn)入外回路的擾動(dòng)時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)抑制控制；

（2）為了在快速消除擾動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)定值跟蹤平穩(wěn)過(guò)渡，在設(shè)定值后增加設(shè)定值濾波器，通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)定值跟蹤與擾動(dòng)抑制的折中。

2.3 防止壁溫超溫的智能控制回路

在控制系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了防止再熱器金屬壁溫超溫的智能控制回路，當(dāng)壁溫接近限值時(shí)，能自動(dòng)調(diào)整再熱汽溫設(shè)定值，并快速關(guān)小煙氣擋板至定值。若這些措施仍無(wú)法抑制金屬壁溫，則自動(dòng)打開(kāi)噴水閥，抑制金屬壁溫的繼續(xù)上升。

3 再熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 優(yōu)化前的狀態(tài)

優(yōu)化前，再熱汽溫控制系統(tǒng)主要存在如下問(wèn)題：

（1）原DCS再熱煙氣擋板自動(dòng)和再熱減溫水自動(dòng)的控制邏輯及控制參數(shù)均存在問(wèn)題，導(dǎo)致自動(dòng)無(wú)法投入，運(yùn)行人員只能手動(dòng)調(diào)節(jié)再熱汽溫。

（2）由于再熱汽溫被控對(duì)象的大滯后特性，運(yùn)行人員不能很好地掌握其調(diào)節(jié)規(guī)律，造成手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)再熱汽溫在大部分時(shí)間均處于等幅振蕩狀態(tài)，振蕩的幅度達(dá)15～20 ℃；并且在大幅升降負(fù)荷、啟停制粉系統(tǒng)時(shí)極易造成超溫，同時(shí)減溫水調(diào)節(jié)頻繁，閥門動(dòng)作幅度和減溫水用量均較大，明顯影響了機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2 優(yōu)化后的狀態(tài)

新型再熱汽溫控制系統(tǒng)已在某發(fā)電有限責(zé)任公司650MW超臨界機(jī)組上連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了兩年多，機(jī)組的再熱汽溫運(yùn)行品質(zhì)有了大幅度提高，主要體現(xiàn)在：

（1）新型再熱汽溫控制系統(tǒng)已完全避免了控制系統(tǒng)的反復(fù)振蕩，有效減小了再熱汽溫的波動(dòng)范圍，完全能滿足機(jī)組正常運(yùn)行的需要。圖3為機(jī)組正常AGC 調(diào)節(jié)運(yùn)行中再熱汽溫的運(yùn)行曲線，機(jī)組運(yùn)行于AGC 方式（5h運(yùn)行曲線），負(fù)荷在470～530 MW 范圍內(nèi)來(lái)回變化，再熱汽溫最大偏差僅為±5 ℃，且運(yùn)行非常平穩(wěn)，汽溫最低值為558 ℃。

圖3 機(jī)組正常AGC調(diào)節(jié)運(yùn)行中再熱汽溫的控制曲線

（2）再熱汽溫在大幅升降負(fù)荷等惡劣工況擾動(dòng)時(shí)，同樣具有良好的控制品質(zhì)。典型的運(yùn)行曲線如圖4所示，機(jī)組負(fù)荷由470 MW 快速變化至560 MW，優(yōu)化系統(tǒng)能迅速調(diào)節(jié)再熱汽溫至合理范圍內(nèi)，最大動(dòng)態(tài)偏差小于±7 ℃。

圖4 機(jī)組AGC大幅變負(fù)荷時(shí)再熱汽溫的運(yùn)行曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于改進(jìn)的Smith預(yù)估控制與Smith預(yù)測(cè)平行串級(jí)先進(jìn)控制技術(shù)的超臨界機(jī)組新型再熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以確保再熱汽溫?zé)煔鈸醢搴褪鹿蕠娝刂葡到y(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地投入運(yùn)行，能有效減小再熱汽溫的波動(dòng)范圍，減少事故噴水量，且能防止再熱器金屬壁溫的超溫。

［1］Meyer C，Seborg D E，Wood R K.A comparison of the Smith predictor and conventional feedback control［J］.Chemical Engineering Science，1976，31（9）：775－778.

［2］Vre?ko D，Vran?i c＇D，Juri?i c＇D－ ，et al.A new modified Smith predictor：the concept，design and tuning［J］.ISA Transactions，2001，40（2）：111－121.

［3］Kaya I.A new Smith predictor and controller for control of processes with long dead time［J］.ISA Transactions，2003，42（1）：101－110.

［4］Kaya I.Improving performance using cascade control and a Smith predictor［J］.ISA Transactions，2001，40（3）：223－234.