張紅福 （廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510080 ）

張曦，羅嘉 （廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080）

1 引言

電站鍋爐燃燒是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及到燃燒學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。有關(guān)燃燒優(yōu)化，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)在過去幾十年內(nèi)進(jìn)行了大量的研究工作。美國俄亥俄州Ultramax公司開發(fā)了Ultramax系統(tǒng)，是將一系列代表鍋爐燃燒工況的參數(shù)，比如煙氣氧量、排煙溫度、煙氣排放物等，作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)取得這些樣本數(shù)據(jù)后，建立鍋爐燃燒特性模型，并經(jīng)過軟件分析，給運(yùn)行人員優(yōu)化燃燒的操作指導(dǎo)，運(yùn)行人員根據(jù)這些操作指導(dǎo)進(jìn)行手動(dòng)操作，或?qū)⒉僮髦笇?dǎo)納入到自動(dòng)控制系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[1]。蔡杰進(jìn)等使用遺傳算法求解火電機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化問題[2]。在運(yùn)行優(yōu)化中還開展了單目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化的研究。機(jī)組能效也分別針對(duì)靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)兩種模型進(jìn)行優(yōu)化。也有文獻(xiàn)開展了全局優(yōu)化及局部優(yōu)化的研究[3～4]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)作為海量信息處理的有效技術(shù)也被應(yīng)用于機(jī)組的能效優(yōu)化[5]。清華大學(xué)研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制軟件OCP3。國外公司開發(fā)研究的系統(tǒng)在國內(nèi)已經(jīng)有部分應(yīng)用，例如：OVATION smart process優(yōu)化控制系統(tǒng)，SIEMENS Profi優(yōu)化控制系統(tǒng)[6～15]。但這些優(yōu)化運(yùn)行軟件業(yè)績有限，基本都在起步階段。本文提出了采用基于先進(jìn)控制的燃燒、協(xié)調(diào)和汽溫優(yōu)化思路和方法，利用模型預(yù)測控制實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒等復(fù)雜過程的優(yōu)化控制，研究成果在某電廠進(jìn)行了應(yīng)用和實(shí)施，對(duì)相關(guān)人員具有一定的借鑒意義。

2 先進(jìn)燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 先進(jìn)協(xié)調(diào)控制（CCS）設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制的難點(diǎn)是汽輪機(jī)——鍋爐之間動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的差異。汽輪機(jī)屬于快速的受控工藝系統(tǒng)。調(diào)門的開度變化快速影響汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量，并帶動(dòng)了發(fā)電功率的變化，過程的影響時(shí)間在0.1s之內(nèi)。針對(duì)超（超）臨界機(jī)組多變量強(qiáng)耦合、多目標(biāo)關(guān)聯(lián)、非線性對(duì)象特性等特點(diǎn)，常規(guī)的協(xié)調(diào)控制算法未能很好地予以解決。本文采用先進(jìn)控制方法進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，其中包含鍋爐主控和汽機(jī)主控的先進(jìn)控制，在鍋爐主控中的主蒸汽壓力的控制器（MPC）采用基于模型預(yù)測控制的速率最優(yōu)控制器，它的設(shè)定值由一組上、下限值替代，可以有效地降低調(diào)節(jié)過程中的波動(dòng)，提高操作過程的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)燃燒及蒸汽溫度控制最優(yōu)化。

圖1 常規(guī)PID控制與ROC控制的響應(yīng)對(duì)比

多輸入多輸出速率最優(yōu)控制器（Multi Input Multi Output Rate Optimal Controller，簡稱MIMOROC）是通過定義一個(gè)軌跡區(qū)間來保證過程軌跡在區(qū)間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)控制器對(duì)于模型誤差的魯棒性。圖1是常規(guī)PID控制與ROC控制的響應(yīng)對(duì)比示意圖。PID控制對(duì)線性系統(tǒng)不同幅值的設(shè)定值變化（或擾動(dòng)）的響應(yīng)時(shí)間相同（），都由回路調(diào)節(jié)時(shí)確定，而速率最優(yōu)控制器調(diào)整響應(yīng)時(shí)間，使得所有的響應(yīng)以最大可行的速率執(zhí)行。于是，典型的小擾動(dòng)能很快地被抑制，而當(dāng)偶爾出現(xiàn)較大的擾動(dòng)變化時(shí)也不會(huì)超越最大可行速率。

2.2 先進(jìn)鍋爐燃燒控制設(shè)計(jì)

基于模型預(yù)測多變量優(yōu)化控制的鍋爐燃燒控制器（ACC），能更穩(wěn)定地響應(yīng)更快的生產(chǎn)操作；有效地克服控制對(duì)象大滯后和強(qiáng)關(guān)聯(lián)。先進(jìn)的鍋爐燃燒系統(tǒng)如圖2所示，是一種針對(duì)超超臨界機(jī)組控制過程的先進(jìn)控制方案。它采用模型預(yù)測控制技術(shù)計(jì)算最優(yōu)的空/燃比和水/燃比，并將這些比值在線地輸出到水、燃料和空氣的控制回路。不僅局限于煤跟水或水跟煤的控制方式，而是依據(jù)鍋爐的動(dòng)/靜態(tài)特性，在水和煤共同作用和相關(guān)條件約束下，充分利用鍋爐的蓄能，提高鍋爐水燃比的控制品質(zhì)、減少分離器出口溫度的波動(dòng)，同時(shí)滿足主蒸汽壓力和主蒸汽溫度的控制要求，獲取最好的燃燒效率和CO及NOx排放量。

圖2 先進(jìn)鍋爐燃燒系統(tǒng)

優(yōu)化過程中，在主蒸汽壓力、主蒸汽溫度和分離器溫度達(dá)到設(shè)計(jì)工況情況下，通過控制SOFA風(fēng)量、分層給煤的偏置、各層燃料風(fēng)門開度、各磨一次風(fēng)量使NOx、爐膛出口煙溫差、排煙溫度、飛灰含碳量達(dá)到合適的值、再熱蒸汽溫度控制在設(shè)計(jì)值。鍋爐燃燒優(yōu)化控制只在穩(wěn)態(tài)工況下起作用；在變負(fù)荷工況時(shí)，依靠靜態(tài)關(guān)系保持系統(tǒng)的平衡，如圖3所示。

圖3 鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)典型輸入-輸出變量

2.3 先進(jìn)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

先進(jìn)的溫度控制器以多變量速率最優(yōu)預(yù)測控制器為基礎(chǔ)，采用模型的預(yù)測控制技術(shù)的計(jì)算引擎和范圍控制的概念，改善鍋爐過熱蒸汽溫度的穩(wěn)定性。采用先進(jìn)溫度控制后，可以減小蒸汽溫度的波動(dòng)幅度，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，蒸汽溫度的設(shè)定點(diǎn)可以設(shè)定在相對(duì)較高的數(shù)值。超（超）臨界機(jī)組的溫度控制分為過熱蒸汽溫度控制和再熱蒸汽溫度控制兩部分。由于過熱蒸汽溫度控制和再熱蒸汽溫度控制之間存在耦合。通過對(duì)各參數(shù)之間關(guān)系的辨識(shí)，準(zhǔn)確描述其對(duì)象的特性，基于模型預(yù)測先進(jìn)控制技術(shù)能較好地解決強(qiáng)耦合對(duì)象的控制問題。

3 燃燒優(yōu)化應(yīng)用研究

3.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃燒優(yōu)化項(xiàng)目在某電廠進(jìn)行了應(yīng)用和實(shí)施，該電廠裝機(jī)容量為2×600MW超臨界機(jī)組，鍋爐和汽輪機(jī)均采用上海電氣電站集團(tuán)產(chǎn)品，DCS采用艾默生控制系統(tǒng)有限公司的OVATION系統(tǒng)，優(yōu)化控制系統(tǒng)可以通過Modbus/OPC與DCS進(jìn)行通訊，優(yōu)化控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.2 燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用和實(shí)施

另外，先進(jìn)控制總覽畫面如圖5所示。在這個(gè)總覽畫面中可以進(jìn)行該機(jī)組先進(jìn)控制的投、切操作。

圖5 先進(jìn)控制操作總覽畫面

優(yōu)化控制系統(tǒng)在1號(hào)機(jī)全激勵(lì)式仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真測試，圖6是為獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)而做的測試，在投運(yùn)常規(guī)控制系統(tǒng)下負(fù)荷以偽二進(jìn)制序列的規(guī)律變化，其上、下限分別為460MW和440MW。在測試過程中：功率最大偏差7.4MW，主蒸汽壓力最大偏差約1.2MPa，分離器出口溫度最大偏差約8℃。從過程曲線可以得出該常規(guī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加速作用過強(qiáng)，動(dòng)態(tài)過程失配。

圖6 投運(yùn)常規(guī)控制系統(tǒng)下負(fù)荷擾動(dòng)測試

圖7為采用先進(jìn)控制系統(tǒng)在某電廠600MW機(jī)組仿真系統(tǒng)上的加減負(fù)荷試驗(yàn)紀(jì)錄曲線。相關(guān)指標(biāo)的最大偏差見表1。從表中可以看出，采用先進(jìn)控制方法在變負(fù)荷過程中的負(fù)荷和壓力偏差均遠(yuǎn)小于常規(guī)PID控制的偏差，實(shí)際測試效果良好。

圖7 先進(jìn)控制在某電廠600MW機(jī)組仿真系統(tǒng)上的加減負(fù)荷試驗(yàn)曲線

表1 相關(guān)指標(biāo)的最大偏差

4 結(jié)語

本文提出了采用基于模型預(yù)測的燃燒優(yōu)化的基本思路和方法，并在某電廠進(jìn)行了應(yīng)用和實(shí)施。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用先進(jìn)控制方法的燃燒優(yōu)化使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)指標(biāo)大大提升。在燃燒過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化過程中根據(jù)機(jī)組現(xiàn)場實(shí)際情況考慮多目標(biāo)多約束條件下的尋優(yōu)，可以實(shí)現(xiàn)在保證鍋爐安全運(yùn)行和污染物氣體排放達(dá)標(biāo)的前提下鍋爐效率的最優(yōu)，取得了較好的應(yīng)用效果。

[1] X. Xia, J. Zhang. Control systems and energy efficiency from the POET perspective[J]. IFAC Conference on Control Methodologies and Technology for Energy Efficiency, CMTEE 2010, Vilamoura, Portugal, 2010,(3) : 29 - 31.

[2] 蔡杰進(jìn), 馬曉茜. 基于遺傳算法的火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版), 2006, 34(4): 101 - 105.

[3] 樊泉桂. 提高超臨界和超超臨界機(jī)組發(fā)電效率的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電力設(shè)備, 2006, 7(7).

[4] 楊婷婷, 曾德良, 劉吉臻等. 基于工況劃分的火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化規(guī)則提取[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 36(6): 64 - 68.

[5] 李建強(qiáng), 牛成林, 劉吉臻. 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在火電廠優(yōu)化運(yùn)行中的應(yīng)用[J]. 動(dòng)力工程, 2006, 26(6): 45 - 48.

[6] Y. Tang, S. Zhang. A model predictive control approach to operational efficiency of intake pump stations[J]. The International Conference on Electrical and Control Engineering, ICECE2010, 2010, (7): 25 - 27.

[7] 洪軍, 司風(fēng)琪, 畢小龍等. 火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007, 31(18): 96 - 103.

[8] 徐廣霞. 基于耗差分析理論的火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)研究[C]. 北京: 華北電力大學(xué)圖書館, 2009.

[9] 李利平. 火電機(jī)組節(jié)能在線分析與智能運(yùn)行優(yōu)化方法研究[C]. 北京: 華北電力大學(xué)圖書館, 2007.

[10] 裘潯雋, 楊瑜文. 火電廠運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)研究的發(fā)展趨勢[J]. 華東電力, 2009, 37(6): 1049 - 1052.

[11] 欒秀春, 李士勇. 基于局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的過熱汽溫多模型預(yù)測控制的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(8): 190 - 195.

[12] 王偉. 火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化研究[C]. 濟(jì)南: 山東大學(xué)圖書館, 2008.

[13] 李磊, 石奇光, 潘衛(wèi)國等. 燃煤機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測及優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 26(2): 166 - 169.

[14] 節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法[S]. 國家發(fā)展改革委員會(huì).

[15] 楊戈, 呂劍虹, 劉志遠(yuǎn). 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱工過程在線自適應(yīng)建模算法研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(1): 191 - 195.