宓春杰

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 樂清 325602）

基于FRONT-Suite軟件的主蒸汽溫度先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

宓春杰

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 樂清 325602）

PID控制存在局限性，尤其是電廠主蒸汽溫度控制對象存在大遲延、時(shí)變、擾動(dòng)多、非線性耦合等特性。通過對先進(jìn)控制技術(shù)和FRONT-Suite軟件包功能的分析，設(shè)計(jì)了主蒸汽溫度優(yōu)化先進(jìn)控制系統(tǒng)，充分利用先進(jìn)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用多變量和擾動(dòng)自適應(yīng)技術(shù)，在300 MW機(jī)組中進(jìn)行了應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)有效減小了主蒸汽溫度的波動(dòng)范圍。

FRONT-Suite軟件；先進(jìn)主汽溫控制；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

0 引言

火電廠主蒸汽溫度在機(jī)組運(yùn)行過程中,尤其是機(jī)組變工況運(yùn)行情況下，其串級PID控制系統(tǒng)的控制效果常常不太理想，波動(dòng)比較大，需要運(yùn)行人員手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)干預(yù)。分析其中的主要影響因素有：

主蒸汽溫度控制對象動(dòng)態(tài)特性的遲延性隨著機(jī)組容量增大而增大，導(dǎo)致常規(guī)的PID反饋控制響應(yīng)不及時(shí)，造成主蒸汽溫度動(dòng)態(tài)偏差大。

主蒸汽溫度控制對象具有時(shí)變性。隨著運(yùn)行工況變化和運(yùn)行時(shí)間推移，主蒸汽溫度控制對象的動(dòng)態(tài)特性會發(fā)生變化，但電廠控制系統(tǒng)PID參數(shù)不能及時(shí)跟隨調(diào)整，使得控制效果惡化。

影響因素多。主蒸汽壓力和流量、給煤量、煤發(fā)熱值、風(fēng)量等參數(shù)改變時(shí)，都將影響主蒸汽溫度的變化。

主蒸汽溫度經(jīng)常出現(xiàn)超溫及其頻繁的波動(dòng)，不僅影響鍋爐的運(yùn)行效率，增加運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，也對過熱器等硬件設(shè)備的壽命造成不利。因此，如果能有效控制主蒸汽溫度的波動(dòng)范圍并提高控制精度，運(yùn)行過程中就可以抬高主蒸汽溫度的設(shè)定值，使過熱器在更高的平均溫度下運(yùn)行，以此來提高機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分析主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的工藝流程，設(shè)計(jì)模型預(yù)測控制器進(jìn)行主蒸汽溫度控制的系統(tǒng)，其組成和工作原理如圖1所示。

圖1 先進(jìn)控制系統(tǒng)的組成和工作原理

該系統(tǒng)將主蒸汽溫度作為控制器的被控變量，減溫水流量作為操作變量，燃料量、風(fēng)量、主蒸汽流量等可測干擾和一些不可測但又非常必要、可以通過軟測量技術(shù)“算出來”的擾動(dòng)作為控制器的擾動(dòng)變量來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

通過對大量運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出：煙氣熱量對主蒸汽溫度的影響比較大，不能忽略不計(jì)，很多可測擾動(dòng)和不可測擾動(dòng)（包括煤種的改變）都會反映到煙氣熱量的變化上。因此，在建立主蒸汽溫度預(yù)測模型時(shí)，特別設(shè)計(jì)了煙氣熱量擾動(dòng)自適應(yīng)預(yù)估功能，通過采用多步迭代遞推偽線性回歸自適應(yīng)算法，預(yù)估計(jì)算煙氣側(cè)不可測擾動(dòng)對主蒸汽溫度的影響，并對主蒸汽溫度預(yù)測模型進(jìn)行自校正。這樣可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測一二級汽溫的未來趨勢，從而利用預(yù)測控制器的作用，減小實(shí)際運(yùn)行時(shí)一二級汽溫度的波動(dòng)范圍。

1.2 減溫水流量-閥門開度自校正

對主蒸汽溫度的調(diào)節(jié)主要采用兩級減溫水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，開大減溫水閥門，噴水量增大，汽溫下降；關(guān)小減溫水閥門，噴水量減少，汽溫上升。減溫水流量的大小直接影響汽溫的波動(dòng)。由于減溫水閥門的特性隨著時(shí)間的推移會產(chǎn)生一定的變化，而且閥門非線性使減溫水流量與閥門開度呈非線性關(guān)系，另外在減溫水閥位固定的情況下，給水壓力的波動(dòng)對減溫水流量有15%左右的影響。為了克服閥門特性變化、閥門非線性、給水壓力波動(dòng)的影響，在主蒸汽溫度先進(jìn)控制系統(tǒng)中內(nèi)嵌了減溫水閥流量-閥門開度自校正功能。主蒸汽溫度先進(jìn)控制系統(tǒng)首先根據(jù)當(dāng)前工況和整個(gè)過程的歷史和趨勢計(jì)算出減溫水流量的目標(biāo)值，然后通過預(yù)測控制器中內(nèi)嵌的流量-閥門開度自校正算法，計(jì)算出閥門開度，可以克服閥門非線性、給水壓力波動(dòng)和主汽壓波動(dòng)對減溫水流量的影響。

1.3 二級減溫水閥門工作點(diǎn)自尋優(yōu)

在主蒸汽溫度系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程中，如果一級汽溫的設(shè)定值不合適，常會導(dǎo)致二級減溫水閥門工作點(diǎn)接近全開或全關(guān)的位置，使二級減溫水閥門失去調(diào)節(jié)能力。主蒸汽溫度先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)二級減溫水閥門當(dāng)前開度，采用“工作點(diǎn)自尋優(yōu)”方法，微調(diào)二級進(jìn)口溫度設(shè)定值，使二級減溫水閥門始終處于合理位置，即盡量在線性工作區(qū)間，向上向下都有足夠大的調(diào)節(jié)余地。當(dāng)二級減溫水閥位開度太低時(shí)，適當(dāng)降低二級進(jìn)口溫度設(shè)定值，即可適當(dāng)抬高二級減溫水閥的工作點(diǎn)，提高二級減溫水閥門開度；當(dāng)二級減溫水閥位開度太高時(shí)，適當(dāng)提高二級進(jìn)口溫度設(shè)定值，即可適當(dāng)降低二級減溫水閥的工作點(diǎn)，減小二級減溫水閥門開度。在變負(fù)荷過程中，此功能使主蒸汽溫度更容易平穩(wěn)。

2 系統(tǒng)實(shí)施及其效果

2.1 先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS的對接

主蒸汽溫度先進(jìn)控制系統(tǒng)安裝在上位機(jī)中，上位機(jī)通過MODBUS接口與現(xiàn)場DCS系統(tǒng)連接。上位機(jī)中的模型預(yù)測控制器根據(jù)現(xiàn)場傳送上來的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的主蒸汽溫度最優(yōu)設(shè)定值，通過MODBUS接口發(fā)送到DCS系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)中原有的主蒸汽溫度串級PID控制系統(tǒng)按照此最優(yōu)設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果現(xiàn)場原有串級PID控制系統(tǒng)控制效果不理想，上位機(jī)中的模型預(yù)測控制器也可以直接計(jì)算當(dāng)前減溫水量的最優(yōu)設(shè)定值，發(fā)給減溫水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在方案實(shí)施過程中，在DCS中要進(jìn)行先進(jìn)控制系統(tǒng)和原PID控制系統(tǒng)的對接、切換保護(hù)組態(tài)，即當(dāng)上位機(jī)發(fā)生故障時(shí)，原PID控制回路的設(shè)定值可切回原來的設(shè)定值繼續(xù)進(jìn)行控制，暫停優(yōu)化功能。

2.2 裝置測試與模型辨識

測試?yán)谜憬髮W(xué)研發(fā)的FRONT-Suite軟件包中的FRONT-Test軟件進(jìn)行測試。該軟件是一個(gè)自動(dòng)測試工具，它能夠自動(dòng)生成測試信號，如圖2所示，自動(dòng)采集并保存測量值，圖中Tau表示CV的響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值63%所用的時(shí)間，如有多個(gè)CV，則取其最大值。

圖2 測試信號序列

從長時(shí)間來看，這些測試信號的均值為零，所以操作變量不會長期偏離未加測試信號時(shí)的值，故測試信號本身對裝置的工藝控制過程變量幾乎不產(chǎn)生影響。測試信號的確定需要2個(gè)參數(shù)：信號幅度與信號平均持續(xù)時(shí)間。信號幅度需要結(jié)合現(xiàn)場的操作進(jìn)行調(diào)整；信號存在不同的持續(xù)時(shí)間，其目的是為了既能得到過程的穩(wěn)態(tài)信息（如增益、穩(wěn)態(tài)時(shí)間等），又能得到過程的動(dòng)態(tài)信息（如滯后時(shí)間、反向特性等），信號平均持續(xù)時(shí)間也需要結(jié)合現(xiàn)場的操作進(jìn)行調(diào)整。測試數(shù)據(jù)經(jīng)過FRONT-ID辨識軟件辨識，得到系統(tǒng)模型。

2.3 系統(tǒng)投運(yùn)

先進(jìn)控制系統(tǒng)上位機(jī)的作用是代替DCS控制器，用于先控系統(tǒng)運(yùn)算和工程師分析，無操作功能，界面如圖3所示。

圖3 FRONT-APC先進(jìn)控制平臺界面

在DCS上為控制器設(shè)計(jì)了操作界面，如圖4所示。操作界面包含兩部分信息。

（1）被控變量設(shè)定值：控制器通過一級減溫水閥門、二級減溫水閥門，控制一級過熱汽溫度和主蒸汽溫度這2個(gè)被控變量?，F(xiàn)場運(yùn)行人員根據(jù)機(jī)組負(fù)荷指令的實(shí)際需要，在先進(jìn)控制系統(tǒng)中輸入合適的一級溫度和主蒸汽溫度的設(shè)定值。

圖4 主蒸汽溫度DCS操作界面

（2）控制器開關(guān)：由總控開關(guān)、主蒸汽溫度分控開關(guān)、一級溫度分控開關(guān)組成。當(dāng)總開關(guān)、一級溫度分開關(guān)都為開時(shí)，預(yù)測控制器采用一級減溫水控制一級過熱汽出口溫度。當(dāng)總開關(guān)、一級溫度分開關(guān)、主蒸汽溫度分開關(guān)都為開時(shí)，控制器使用一級和二級減溫水閥門協(xié)同控制一級過熱汽溫度和主蒸汽溫度。

2.4 實(shí)施效果

（1）先進(jìn)控制優(yōu)化軟件投運(yùn)后，原有DCS系統(tǒng)的一、二級主汽溫度控制系統(tǒng)仍將保留，用于異常或手動(dòng)工況，且在相互切換過程中，主汽溫度及減溫水閥位無明顯波動(dòng)，運(yùn)行人員可根據(jù)機(jī)組運(yùn)行需要選擇主汽溫度控制方式。

（2）先進(jìn)控制優(yōu)化軟件控制性能在主汽溫度定值擾動(dòng)下的測試數(shù)據(jù)優(yōu)于《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》的指標(biāo)。

（3）先進(jìn)控制優(yōu)化軟件控制性能在主汽溫度變負(fù)荷擾動(dòng)下的測試數(shù)據(jù)見表1，測試數(shù)據(jù)優(yōu)于《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》的指標(biāo)。變負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)曲線如圖5、圖6所示。

表1 主蒸汽溫度變負(fù)荷擾動(dòng)測試數(shù)據(jù)

（4）從圖5、圖6曲線可以看出，在定值擾動(dòng)及變負(fù)荷擾動(dòng)過程中，均出現(xiàn)了短暫的減溫水調(diào)門指令抖動(dòng)現(xiàn)象，從而引起減溫水流量晃動(dòng)，說明其減溫水閥門-流量自校正的控制過強(qiáng)。此外，在先進(jìn)控制上位機(jī)與DCS之間通信中斷時(shí)，主蒸汽溫度雖能自動(dòng)切換至DCS手動(dòng)控制，但報(bào)警不明顯，還需增加DCS聲光報(bào)警，以便及時(shí)引起運(yùn)行人員注意，并進(jìn)一步優(yōu)化控制軟件人機(jī)界面的友好性。

控制器性能測試結(jié)果顯示，在150～300 MW負(fù)荷下，投運(yùn)預(yù)測控制器時(shí)的主汽溫度最大偏差，變負(fù)荷時(shí)為±3.5℃，穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)為±1℃，二級減溫器進(jìn)口蒸汽溫最大偏差在變負(fù)荷時(shí)為±6.5℃，穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)為±3℃，該結(jié)果表明控制系統(tǒng)能滿足主蒸汽溫度控制要求。尤其當(dāng)機(jī)組負(fù)荷指令在190 MW以下時(shí)，原有的汽溫PID控制系統(tǒng)無法投運(yùn)，二級減溫器進(jìn)口汽溫常常由手動(dòng)控制，導(dǎo)致主蒸汽溫度波動(dòng)大；而該預(yù)測控制器在負(fù)荷190 MW以下仍能良好運(yùn)行，顯著提升了主蒸汽溫度系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)。

圖5 300～250 MW負(fù)荷變動(dòng)下主蒸汽溫度曲線

圖6 250～300 MW負(fù)荷變動(dòng)下主蒸汽溫度曲線

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過對主蒸汽溫度被控對象特性和現(xiàn)場設(shè)備特點(diǎn)的分析，采用多變量模型預(yù)測控制算法的先進(jìn)主蒸汽溫度控制方法，實(shí)際投運(yùn)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制方案。

經(jīng)過理論分析、系統(tǒng)特性試驗(yàn)、先進(jìn)控制方式下的投用試驗(yàn)證明，先進(jìn)控制技術(shù)在300 MW機(jī)組主蒸汽溫度控制優(yōu)化中的應(yīng)用研究是可靠的，能有效提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

[1]顏文俊.控制理論 CAI教程[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

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（本文編輯：徐 晗）

Design and Application of Advanced Main Steam Temperature Control System Based on FRONT-Suite Software

MI Chunjie
（Zhejiang Energy Wenzhou Power Generation Co.，Ltd.，Yueqing Zhejiang 325602，China）

PID control is limited and power plant's main steam temperature controlled object is particularly characterized by large delay，time varying，multiple disturbances，nonlinear coupling and so on.Through analysis of advanced control technology and FRONT-Suit package features，advanced main steam temperature control system is designed to take advantage of the advanced control technology and use multi-variable and disturbance adaptive technologies.The control system is put into operation of 300 MW units and the test result shows that the system effectively reduces fluctuation range of main steam temperature.

FRONT-Suit software；advanced main steam temperature control；design；application

TK39

B

1007-1881（2015）10-0025-04

2015-08-13

宓春杰（1968），男，工程師，從事熱工自動(dòng)化管理工作。