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
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。
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。
3.1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
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。
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(2016-02-15)