李 泉，尹 峰，陳 波

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

超臨界機(jī)組主汽溫模型預(yù)測(cè)控制研究

李 泉，尹 峰，陳 波

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

針對(duì)超臨界機(jī)組汽溫控制中的波動(dòng)大、經(jīng)常超溫等問(wèn)題，采用先進(jìn)預(yù)測(cè)控制技術(shù)，建立汽溫?cái)?shù)學(xué)模型，采用模型預(yù)測(cè)控制算法，使其快速響應(yīng)目標(biāo)要求，有效處理了汽溫控制中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性、串級(jí)控制系統(tǒng)的積分飽和等問(wèn)題。將模型預(yù)測(cè)算法應(yīng)用于汽溫控制系統(tǒng)中，通過(guò)具體實(shí)例說(shuō)明該方法的應(yīng)用步驟，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了該方法的有效性。

預(yù)測(cè)；汽溫模型；非線性；串級(jí)；控制

主汽溫控制系統(tǒng)具有非線性、大遲延、分布參數(shù)和擾動(dòng)因素多等特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)波動(dòng)大、超溫等情況，為保證汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度提出了較高的要求，采用模型預(yù)測(cè)控制算法，能有效提高汽溫系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

1 過(guò)熱蒸汽溫度控制中的問(wèn)題

一般中、高壓鍋爐主汽溫的暫時(shí)偏差不允許超過(guò)±10℃，長(zhǎng)期偏差不允許超過(guò)±5℃。這個(gè)要求對(duì)汽溫控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常高的，在調(diào)峰機(jī)組中要達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就更加困難，一般在調(diào)試過(guò)程中由經(jīng)驗(yàn)整定的控制器參數(shù)不能滿足運(yùn)行的要求，需要針對(duì)控制對(duì)象的特性獲得優(yōu)化的控制器參數(shù)，這樣才能有效提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)。在實(shí)際的過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，采用噴水減溫控制，減溫水調(diào)節(jié)閥的特性是影響控制品質(zhì)的一個(gè)重要因素，減溫水調(diào)節(jié)閥門存在著漏流量和飽和區(qū)，因此如何獲得線性的閥門調(diào)節(jié)特性是噴水減溫控制中的一個(gè)重要問(wèn)題。上述2個(gè)方面對(duì)噴水減溫控制的品質(zhì)起著重要作用，另外，串級(jí)控制系統(tǒng)本身也有需要完善的地方，比如積分飽和問(wèn)題等，它對(duì)于提高控制品質(zhì)同樣重要，如果沒(méi)有抗積分飽和等措施，串級(jí)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)會(huì)大打折扣。

2 模型預(yù)測(cè)控制算法

模型預(yù)測(cè)控制算法由預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正組成，其中預(yù)測(cè)模型輸出由模型自由響應(yīng)輸出和模型函數(shù)輸出組成，自由響應(yīng)輸出僅依賴于過(guò)去時(shí)刻的控制量和輸出量，與當(dāng)前時(shí)刻及將來(lái)的控制量無(wú)關(guān)，模型函數(shù)輸出是當(dāng)前時(shí)刻起加入控制作用后新增加的模型響應(yīng)，可以表示為ym（k）=y1（k）+yf（k），其中yf（k）可以用基函數(shù)的形式表示；滾動(dòng)優(yōu)化是有限時(shí)段的優(yōu)化，利用未來(lái)控制作用通過(guò)迭代、優(yōu)化及約束等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般采用使參考軌跡和過(guò)程預(yù)測(cè)輸出之間誤差的平方和在有限時(shí)域內(nèi)最小化的方法；反饋校正是預(yù)測(cè)模型輸出與過(guò)程輸出之間存在誤差時(shí)，對(duì)未來(lái)優(yōu)化時(shí)域中的誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)加入校正系統(tǒng)中。

3 汽溫模型

首先需要建立汽溫控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)某廠600 MW超臨界機(jī)組汽溫控制系統(tǒng)具體建模方法如下。

3.1 減溫水量→導(dǎo)前汽溫的數(shù)學(xué)模型

減溫水對(duì)導(dǎo)前汽溫具有明顯的作用，當(dāng)減溫水量增大時(shí)，汽溫降低；當(dāng)減溫水量減小時(shí)汽溫上升。由于導(dǎo)前汽溫變化靈敏，因此可以將導(dǎo)前汽溫作為提前量用于控制系統(tǒng)中。

通過(guò)試驗(yàn)獲得一級(jí)減溫器導(dǎo)前汽溫對(duì)象模型為：

二級(jí)減溫器的導(dǎo)前汽溫對(duì)象模型為：

3.2 導(dǎo)前汽溫→出口汽溫的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)導(dǎo)前汽溫變化后，出口汽溫會(huì)隨之變化，但是需經(jīng)歷較長(zhǎng)的滯后時(shí)間，同時(shí)出口汽溫按照一定的慣性變化到相應(yīng)值。因此導(dǎo)前汽溫對(duì)出口汽溫的模型是一個(gè)大滯后大慣性對(duì)象。該模型相對(duì)比較穩(wěn)定，在各個(gè)負(fù)荷段模型參數(shù)變化較小，基本在一定范圍內(nèi)。

通過(guò)試驗(yàn)獲得一級(jí)減溫器惰性區(qū)汽溫對(duì)象模型為：

二級(jí)減溫器的惰性區(qū)汽溫對(duì)象模型為：

3.3 磨組啟停對(duì)出口汽溫的數(shù)學(xué)模型

磨組啟停對(duì)出口汽溫影響較大，尤其當(dāng)上層磨組啟動(dòng)時(shí)，汽溫很容易超溫，因此建立磨組啟停對(duì)汽溫的模型是抑制超溫的重要手段。一般根據(jù)不同層磨組的情況在擾動(dòng)通道的前饋控制量上加入加權(quán)系數(shù)，上層磨組對(duì)汽溫的模型權(quán)重較大。

3.4 減溫水閥門流量特性

汽溫一般采用流量變化對(duì)溫度變化的數(shù)學(xué)模型比較準(zhǔn)確。當(dāng)閥門開(kāi)度變化后，如果流量變化量不是線性的，就會(huì)改變模型特性，因此需要進(jìn)行減溫水閥門流量特性試驗(yàn)，獲得流量特性曲線后，對(duì)閥門特性進(jìn)行校正，從而減弱其對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

4 控制策略

圖1 汽溫串級(jí)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)

建立數(shù)學(xué)模型后，采用串級(jí)預(yù)測(cè)控制算法對(duì)汽溫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，控制原理如圖1所示。

圖1給出了串級(jí)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)策略：在導(dǎo)前汽溫控制內(nèi)回路中，加入閥門校正環(huán)節(jié)，使閥門在開(kāi)關(guān)全行程范圍內(nèi)對(duì)汽溫模型影響減至最小；主通道模型（汽溫參考模型）和擾動(dòng)模型（磨組啟停對(duì)汽溫模型）加入預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據(jù)各種模型預(yù)測(cè)出被控對(duì)象出口汽溫未來(lái)時(shí)刻的變化情況，再對(duì)未來(lái)有限時(shí)域的控制偏差進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化獲得最優(yōu)的控制量，同時(shí)將預(yù)測(cè)模型偏差送入控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)校正，保證了系統(tǒng)的魯棒性。

在上述控制策略中存在積分飽和問(wèn)題，當(dāng)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度達(dá)到上、下限值后需要對(duì)預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行約束優(yōu)化，具體方法是將閥門開(kāi)度值和導(dǎo)前汽溫值進(jìn)行疊加，作為預(yù)測(cè)控制器上下限的約束條件，在此范圍內(nèi)產(chǎn)生優(yōu)化控制量以防止積分飽和問(wèn)題。

圖2 汽溫串級(jí)預(yù)測(cè)控制響應(yīng)曲線

5 TOP優(yōu)化平臺(tái)

上述優(yōu)化策略在電站TOP（熱工優(yōu)化控制平臺(tái)）上實(shí)施，TOP系統(tǒng)從原DCS（分散控制系統(tǒng)）獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多種優(yōu)化算法的加載，完成控制功能，并將優(yōu)化算法的控制結(jié)果送回原DCS。其中上位軟件需要完成組態(tài)、監(jiān)控、通信、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)記錄等六大功能。

根據(jù)上述六大模塊的功能，按照數(shù)據(jù)的流向建立上位機(jī)應(yīng)用軟件的總體框架，上位機(jī)應(yīng)用軟件包括：控制邏輯組態(tài)軟件、畫面監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)軟件、趨勢(shì)組態(tài)監(jiān)控軟件、歷史數(shù)據(jù)記錄軟件、報(bào)警和操作記錄軟件、報(bào)表軟件、OPC軟件、虛擬DPU軟件、系統(tǒng)管理軟件等10個(gè)主要軟件，共同實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)六大模塊的功能。上位軟件之間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)互通，相輔相成。

采用上述控制算法前，汽溫控制在變負(fù)荷的過(guò)程中一般需要進(jìn)行人工干預(yù)；應(yīng)用優(yōu)化系統(tǒng)后，汽溫系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)，完全處于自動(dòng)狀態(tài)，不需運(yùn)行人工干預(yù)。圖2是在機(jī)組AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）變負(fù)荷工況下的主汽溫響應(yīng)曲線。從圖中可以看出：機(jī)組負(fù)荷由400 MW變化到500 MW，再由550 MW變化到450 MW，出口主汽溫響應(yīng)比較平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)偏差在±2℃以內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況的要求。整個(gè)過(guò)程處于自動(dòng)調(diào)整狀態(tài)，未出現(xiàn)人工干預(yù)的情況。

6 結(jié)論

在目前運(yùn)行的火電機(jī)組上，應(yīng)用上述研究方案，只需對(duì)分散控制系統(tǒng)組態(tài)做少量修改，即可明顯改善過(guò)熱蒸汽溫度的控制品質(zhì)，提高鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，具有較大的借鑒意義。

[1]李遵基．熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[2]范永勝，徐治皋．基于動(dòng)態(tài)特性機(jī)理分析的鍋爐過(guò)熱汽溫自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997，17（1）∶23.

[3]呂劍虹，陳來(lái)九．模糊PID控制器及在汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1995，15（1）∶16-21．

[4]張曉華．控制系統(tǒng)數(shù)字仿真CAD[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999．

[5]陳波，孫耘，李泉，等.電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)汽溫優(yōu)化組件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].浙江電力，2013，32（3）∶50-53.

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（本文編輯：張 彩）

Research on Predictive Control of Main Steam Temperature for Supercritical Unit

LI Quan，YIN Feng，CHEN Bo

（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

To eliminate big fluctuation and frequent temperature excursion in steam temperature control of supercritical unit，an advanced predictive control technology is adopted to establish a mathematical model of steam temperature.According to the model，the model predictive control algorithm is adopted to make the model quickly respond to the demand of the target，effectively dealing with nonlinearity of the mechanism，integral saturation of cascade control system and other issues.The effectiveness of the method is proved by field application.

prediction；steam temperature model；nonlinear；cascade；control

TK323

B

1007-1881（2016）10-0040-03

2016-05-31

李 泉（1979），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制及其在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用。