張嘉英, 張立, 王秀玲, 武欣梅

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 電力學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特　010080; 2.內(nèi)蒙古巴盟電業(yè)局,內(nèi)蒙古 臨河　015000)

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超臨界機組燃燒自適應優(yōu)化控制系統(tǒng)的設計

張嘉英1, 張立1, 王秀玲1, 武欣梅2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 電力學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010080; 2.內(nèi)蒙古巴盟電業(yè)局,內(nèi)蒙古 臨河015000)

自適應控制具有良好的魯棒性，調(diào)節(jié)速度快和抗干擾性能優(yōu)越。超臨界機組燃燒系統(tǒng)是復雜非線性時變系統(tǒng)，針對火電廠超臨界機組燃燒系統(tǒng)的特點采用自適應控制系統(tǒng)結(jié)構實現(xiàn)對鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化控制，保證系統(tǒng)運行的高效性和穩(wěn)定性。通過燃燒自適應控制系統(tǒng)的仿真實驗，可以證明能夠有效地解決系統(tǒng)變量之間的耦合關系。能夠根據(jù)當前負荷的變化做出相應的控制，做到穩(wěn)、快、準地實現(xiàn)主蒸汽壓力有效的調(diào)節(jié)，保證燃料的充分燃燒，使爐膛負壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。在煤質(zhì)和設備特性發(fā)生變化時能保證穩(wěn)定工作且大大提高燃燒效率。使復雜生產(chǎn)過程控制在最佳運行狀態(tài)，降低煤耗，保證系統(tǒng)的安全性與可靠性。

超臨界機組；自適應控制；鍋爐；燃燒系統(tǒng)；仿真

0　引　言

燃燒系統(tǒng)是火電廠熱力系統(tǒng)的關鍵系統(tǒng)，是強耦合的多變量非線性時變系統(tǒng)，并且存在許多不確定的干擾因素。另一方面由于我國煤資源的日益減少，提高燃燒控制系統(tǒng)的熱效率及減少煙氣中氮氧化物和硫氧化物的含量也引起國家的高度重視。目前，火電廠燃燒系統(tǒng)的主要問題是保證鍋爐燃燒過程的安全性、良好的經(jīng)濟性和對環(huán)境的保護，這無疑給設計者提出了難題，因此有必要研究新型的先進控制方法[1-3]。

本文將自適應控制應用于超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)控制中。通過參數(shù)估計、優(yōu)化目標、控制律設計等部分，在控制過程中對目標函數(shù)進行優(yōu)化設計控制律，用遞推最小二乘法直接估計控制器參數(shù)，改善控制品質(zhì)。仿真實驗表明，該方法對負荷變化時有良好的適應能力，調(diào)節(jié)速度快且穩(wěn)定性好，當系統(tǒng)受到燃料率等方面的干擾時，對爐膛負壓的影響非常小，并且經(jīng)過系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)后能夠很快的消除擾動的影響[4-5]。

1　基于極點配置的自校正算法的基本原理

1.1模型的選取參數(shù)估計

自校正控制的模型建立采用系統(tǒng)辨識法，這一模型要最大程度的擬合這個對象的實際輸入和輸出。由于研究的模型根據(jù)受到的擾動進行反饋并進行自校正參數(shù)估計，因此，本課題中的模型選用隨機模型，其差分方程如下所示:

A(z-1)y(k)=z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)

(1)

其中ξ(k)是白噪聲，u(k)，y(k)為系統(tǒng)的輸入和輸出，d是純延時。

A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2+…+anaz-na

B(z-1)=b0+b1z-1+b2z-2+…+bnbz-nb

(2)

1.2丟番方程的解法

丟番方程的一般形式如下:

C(z-1)=A(z-1)E(z-1)+z-dG(z-1)

F(z-1)=B(z-1)E(z-1)

(3)

其中A，B，C，E，F(xiàn)，G,均為z-1的實系數(shù)多項式。

將上式展開，令等號的兩邊相同次冪系數(shù)相等。求其遞推公式：

(4)

其中待定的多項式有R(z-1)，F(xiàn)(z-1)，G(z-1)設計的系統(tǒng)處于自校正狀態(tài)，就需要在線實時的求解該方程。

1.3遞推最小二乘估計

根據(jù)最小二乘的標準格式，得到如下數(shù)學模型：

yk=a1yk-1+…,anyk-n+b1uk-1+…,bnuk-n+ek

(5)

yk，uk是采集到的輸出，輸入系列，ek是隨機干擾。

令參數(shù)向量θ=[a1,a2,…,an,b1,b2,…,bn]T，

1.4針對IN-OUT系統(tǒng)模型的極點配置設計基本方法

采用式(1)所示隨機模型,

規(guī)定B1(z-1)=z-dB(z-1)可得:

A(z-1)y(k)=B1(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)

(6)

從參考輸入yr到參考輸出響應ym，我們用這個動態(tài)方程表示：

Amym=Bmyr

(7)

由此得到期望脈沖傳遞函數(shù)：

(8)

采用極點配置控制率:

F(z-1)u(k)=R(z-1)yr(k+d)-G(z-1)y(k)

(9)

其中G(z-1)y(k)=v(k)，其中待定的多項式有R(z-1)，F(xiàn)(z-1)，G(z-1)[6-8]。

2　超臨界鍋爐燃燒自適應控制方案

2.1超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的動態(tài)特性

燃料量、送風量、爐膛負壓控制子系統(tǒng)共同構成鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，這三個部分密切聯(lián)系、相互影響。負荷指令有變動時，燃料量控制子系統(tǒng)能及時改變給煤量，使主蒸汽壓力的變換適應負荷要求，使鍋爐的過熱蒸汽壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)變化；空氣燃料比通過送風量子系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使其總是工作在最佳值附近，使鍋爐燃燒系統(tǒng)運行在最高效率的狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)引風量來控制爐膛壓力，使爐膛負壓保持穩(wěn)定，確保設備的安全運行[9-10]。

本文以某電廠660 MW超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)為研究對象，鍋爐燃燒系統(tǒng)被控對象動態(tài)特性可用下式表示：

(10)

式(10)中Pm為主汽壓力(MPa),O2為煙氣含氧(%),Ps為爐膛負壓(Pa),n為給煤機轉(zhuǎn)速(r/min),vg為送風機擋板開度(%),vs為引風機擋板開度(%)。

2.2超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的自適應控制結(jié)構

建立三輸入三輸出超臨界鍋爐燃燒控制系統(tǒng),其結(jié)構原理如圖1所示[11-14]。

圖1　鍋爐燃燒系統(tǒng)的自適應控制結(jié)構圖

2.3系統(tǒng)仿真研究

圖2　主蒸汽壓力自適應控制仿真曲線

圖3　煙氣含氧量自適應控制仿真曲線

圖4　爐膛負壓自適應控制仿真曲線%

對超臨界鍋爐燃燒自適應控制系統(tǒng)在MATLAB環(huán)境下進行實驗，仿真結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。由實驗結(jié)果，可以看出，自適應控制應用于超臨界鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，系統(tǒng)響應速度快、超調(diào)量小、在燃料等的擾動下能夠較快地恢復平衡狀態(tài)，魯棒性好，性能優(yōu)越。所設計的系統(tǒng)能夠根據(jù)當前負荷變化的做出相應的控制，做到穩(wěn)、快、準地實現(xiàn)主蒸汽壓力有效的調(diào)節(jié)，保證燃料的充分燃燒，使爐膛負壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化，為超臨界鍋爐燃燒復雜過程系統(tǒng)提供了一種有效的控制方法。

3　結(jié)束語

超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)是典型的多輸入多輸出、參數(shù)時變的復雜系統(tǒng)，被控對象具有非線性、強耦合等特點。為了充分發(fā)揮超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的特點，有效的提高燃燒的經(jīng)濟性,減小NOX的排放，本文詳細闡述了超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的自適應優(yōu)化控制。通過所設計的自適應控制的仿真實驗，可以看出該方法對負荷變化時有良好的適應能力，調(diào)節(jié)速度快且穩(wěn)定性好，當系統(tǒng)受到燃料率等方面的干擾時，對爐膛負壓的影響非常小，并且經(jīng)過系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)后能夠很快地消除擾動的影響。所設計的優(yōu)化自適應控制方案非常適用于超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)，使復雜生產(chǎn)過程運行在良好的工作狀態(tài)，保證燃燒的經(jīng)濟性，減少環(huán)境污染，具有很好的應用價值。

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The Design of an Optimal Self-adaptive Control System for the Combustion of the Supercritical Unit

ZHANG Jia-ying1, ZHANG Li1, WANG Xiu-ling1, WU Xin-mei2

(1. Electric Power College, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot Inner Mongolia 010080, China;2. Inner MongoliaBameng Electric Power Bureau, Linhe Inner Mongolia 015000, China)

Self-adaptive control has good robustness, high regulating speed and excellent anti-interference. The combustion system of the supercritical unit is a complex nonlinear time-varying system. Considering the characteristics of the combustion system of the supercritical unit in the thermal power plant, the self-adaptive control system is adopted to realize optimal control over the boiler combustion system to ensure high efficiency and stability of system operation. The simulation results show that this method can effectively handle the coupling between system variables. Control can be realized according to current load variation so that effective regulation of the main steam pressure can be made quickly in a steady and accurate way to ensure sufficient combustion of fuels to maintain furnace draft within the specified range. In the case of changes of coal quality and equipment characters, the system can operate steadily and the combustion efficiency is increased greatly. This method can maintain the complex production process in optimal operation, reduce coal consumption and ensure system security and reliability.

supercritical unit; self-adaptive control; boiler; combustion system; simulation

內(nèi)蒙古自然科學基金項目(2013MS0919)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.004

TP13

A

1000-3886(2016)01-0010-02

張嘉英(1976-),女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士生，副教授，從事計算機控制在熱工過程中的應用和預測控制方面的研究。張立(1992-),男，河南周口人，碩士生，從事火電廠系統(tǒng)建模和熱工過程控制方面的研究。王秀玲(1973-),女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，副教授，從事熱工自動控制和預測控制方面的研究。武欣玫(1968-),女，內(nèi)蒙古巴盟臨河人，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)等方面的研究。

定稿日期: 2015-06-11