朱 祥

（江蘇南熱發(fā)電有限責(zé)任公司）

超臨界機(jī)組再熱汽溫預(yù)測(cè)控制策略研究與應(yīng)用

朱 祥

（江蘇南熱發(fā)電有限責(zé)任公司）

本文首先提出了一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法，并針對(duì)超臨界機(jī)組再熱汽溫被控對(duì)象具有大滯后及時(shí)變性的特點(diǎn)，提出了超臨界機(jī)組再熱汽溫變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制策略，并成功應(yīng)用于江蘇南熱發(fā)電有限責(zé)任公司2×650MW超臨界機(jī)組再熱汽溫控制中，確保了再熱煙氣擋板的長(zhǎng)期穩(wěn)定投入，有效減小了再熱汽溫的波動(dòng)范圍，減少了再熱事故噴水量，確保了超臨界機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

超臨界機(jī)組；再熱汽溫；變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制

0 引言

江蘇南熱發(fā)電有限責(zé)任公司2×650MW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%，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（20min以上），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。由于預(yù)測(cè)控制可根據(jù)所預(yù)測(cè)的未來(lái)時(shí)間段內(nèi)的被控偏差來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，若用預(yù)測(cè)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐的再熱汽溫調(diào)節(jié)，則可以有效“提前”鍋爐再熱煙氣擋板和再熱噴水的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐再熱汽溫的有效控制。在再熱汽溫控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際狀況限制再熱煙氣擋板和再熱噴水的調(diào)節(jié)范圍，因此，在研究再熱汽溫的預(yù)測(cè)控制時(shí)，必須采用受限的預(yù)測(cè)控制算法，在求解優(yōu)化問(wèn)題時(shí)只能采用非線性約束優(yōu)化方法, 計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，在工程上幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

本文借鑒變結(jié)構(gòu)控制理論的實(shí)現(xiàn)方法，提出了一種基于變結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)控制算法，利用該控制算法, 使得預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制算法變得較為簡(jiǎn)單。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)江蘇南熱發(fā)電有限責(zé)任公司2×650MW超臨界機(jī)組再熱汽溫控制中的實(shí)際問(wèn)題，提出了基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制思想的再熱汽溫優(yōu)化控制策略，應(yīng)用后有效地提高了鍋爐再熱汽溫的控制性能。

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)、Ⅱ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。主要原因是當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，為保證再熱氣溫，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?。欢鴮?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)有強(qiáng)的自適應(yīng)能力。

2再熱汽溫優(yōu)化控制策略

2.1再熱煙氣擋板控制策略

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)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在反饋控制回路中，采用本文的變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法，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，有效地抑制再熱汽溫的動(dòng)態(tài)偏差。

2.2變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法

鍋爐再熱汽溫的被控過(guò)程都是開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的,其特性可以用以下階躍響應(yīng)模型來(lái)描述

式中，?u（ k）= u（ k）?u（ k ?1）；y 為過(guò)程輸出；u 為控制輸入；Hj為過(guò)程的階躍響應(yīng)系數(shù)；n 為正整數(shù)。由模型（1）可計(jì)算過(guò)程在 k+N 時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值為

圖1　新型再熱汽溫主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

式中，y（k+N）為 k+N 時(shí)刻過(guò)程輸出的預(yù)測(cè)值；d （k+N）為k+N時(shí)刻過(guò)程所受擾動(dòng)的預(yù)測(cè)值；N為預(yù)測(cè)步數(shù)。

由式（2）可知 , 過(guò)程未來(lái)輸出的預(yù)測(cè)值由三項(xiàng)組成：第一項(xiàng)取決于當(dāng)前的和未來(lái)的控制序列；第二項(xiàng)由過(guò)去各時(shí)刻的控制量決定，在當(dāng)前時(shí)刻是已知的；第三項(xiàng)為相應(yīng)時(shí)刻過(guò)程所受擾動(dòng)的預(yù)測(cè)值。假定過(guò)程未來(lái)各時(shí)刻所受的擾動(dòng)不變,其值為當(dāng)前時(shí)刻所受的擾動(dòng)量大小 ,則

式中，ym（k）為當(dāng)前時(shí)刻過(guò)程輸出的測(cè)量值；d（k）為當(dāng)前時(shí)刻過(guò)程所受擾動(dòng)量的估計(jì)值。這里的擾動(dòng)是廣義的，它包含了控制系統(tǒng)的外部擾動(dòng)、過(guò)程模型的參數(shù)攝動(dòng)及過(guò)程未建模誤差對(duì)系統(tǒng)的綜合影響。

取目標(biāo)函數(shù)為

其中

式中，r為過(guò)程輸出的設(shè)定值； c（q-1）為穩(wěn)定多項(xiàng)式。設(shè)過(guò)程當(dāng)前及未來(lái)的控制序列為一恒定值,其大小分別取u（k-1）和u（k）,所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值分別為OBJ0（k+N）和OBJ1（k+N）。借鑒變結(jié)構(gòu)控制的思想, 預(yù)測(cè)控制問(wèn)題描述為，求當(dāng)前控制輸入u（k）,使

并滿足約束條件

式中，uL和 uH分別為過(guò)程控制輸入的下限和上限。

c（q-1）的不同構(gòu)造對(duì)控制系統(tǒng)性能會(huì)有明顯的影響。但大量仿真研究結(jié)果表明，對(duì)于熱工過(guò)程，選取低階次的c（q-1）時(shí)，也可獲得較好的品質(zhì)，為此，本文取

由式（4）得

式中，。

當(dāng)OBJ1（k+N）＞0時(shí)，式（5）等價(jià)為

將式（9）代入得

不失一般性 ,設(shè)HN＞HN-1＞0，則有

因此，當(dāng)OBJ1（k+N）＞0時(shí)，△u（k）可取

考慮到約束條件式（6）后，可推導(dǎo)獲得

可取

根據(jù)式（10）、（12），當(dāng)OBJ1（k+N）＞0時(shí)，控制作用u（k）為

同樣的推導(dǎo)，當(dāng)OBJ1（k+N）≤0時(shí)，控制作用u（k）為

其中

因此，變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法要按如下簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算步驟完成：

1）在k時(shí)刻，由式（3）和（8）計(jì)算OBJ1（k+N）；

2） 當(dāng)OBJ1（k+N）＞0時(shí) ,由式（12）和（13）計(jì)算控制輸入u（k）。當(dāng)OBJ1（k+N）＜0時(shí) , 由式（14）和（15）計(jì)算控制輸入u（k）。當(dāng)OBJ1（k+N）=0時(shí)，u（k）=u（k-1）；

3）將步驟（2）計(jì)算得到的u（k）作用于被控過(guò)程；

4 ）k=k+1,回到步驟（1）執(zhí)行。

2.3基于模糊控制理論的智能前饋技術(shù)

對(duì)于象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)的二種前饋信號(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)整煙氣擋板的開(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)。

2.4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。與煙氣擋板控制相同，采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制器VSPC實(shí)現(xiàn)反饋控制。前饋均采用了與前面相似的模糊智能前饋，并融入了如下控制思想：

1）當(dāng)煙氣擋板關(guān)到某一位置時(shí)，煙氣擋板的調(diào)節(jié)余量已較小，可切換到噴水調(diào)節(jié)再熱汽溫，以不致使再熱汽溫過(guò)高；

2）當(dāng)再熱汽溫已回調(diào)時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)小噴水門，并根據(jù)回調(diào)情況及時(shí)關(guān)閉噴水門，盡可能減少噴水流量。

2.5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)小煙氣擋板一定值。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)

在再熱汽溫控制系統(tǒng)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)已在江蘇南熱發(fā)電有限責(zé)任公司2×650MW超臨界機(jī)組上連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了2年多，機(jī)組的再熱汽溫的運(yùn)行品質(zhì)有了大幅度的提高，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470～530MW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470MW快速變化至560MW，優(yōu)化系統(tǒng)能迅速調(diào)節(jié)再熱汽溫在合理范圍內(nèi)，最大動(dòng)態(tài)偏差＜±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)束語(yǔ)

本文提出的基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)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］ 呂劍虹， 袁震， 楊榕，等. 基于狀態(tài)變量控制器的再熱汽溫控制系統(tǒng)［J］.中國(guó)電力， 2002，35（1）：53-56.

［2］ 華志剛，呂劍虹. 狀態(tài)變量-預(yù)測(cè)控制技術(shù)在600MW機(jī)組再熱汽溫控制中的研究與應(yīng)用 ［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2005，25（12）：103-107.

［3］ 呂劍虹.預(yù)測(cè)控制在熱工過(guò)程控制中的應(yīng)用研究［D］.南京：東南大學(xué)，1990.

［4］ 高為炳. 變結(jié)構(gòu)控制理論基礎(chǔ)［M］ . 北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 1990.

（2016-02-15）