崔曉波，劉久斌，朱紅霞，張軒振，顧慧，王亮

（南京工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇省 南京市 211167）

0 引言

目前超臨界火電機(jī)組普遍存在再熱汽溫波動(dòng)大、擋板自動(dòng)難于投入以及噴水量大造成機(jī)組循環(huán)效率低等問題[1-3]，主要原因：一方面是擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫存在大慣性、大滯后問題；另一方面由于擋板與噴水閥門以及負(fù)荷的變化均會(huì)帶來再熱汽溫系統(tǒng)的非線性特性問題。再熱汽溫系統(tǒng)擋板自動(dòng)不能投入則汽溫調(diào)節(jié)主要依賴事故噴水，造成再熱器噴水量大，從而嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。因此，設(shè)計(jì)再熱汽溫系統(tǒng)的先進(jìn)控制策略十分重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再熱汽溫系統(tǒng)控制的研究分為兩類，一類研究未考慮擋板調(diào)節(jié)，僅考慮噴水調(diào)節(jié)，與主汽溫控制研究類似[4-6]。另一類考慮擋板調(diào)節(jié)集中在近5年內(nèi)，所采用的控制策略大多基于預(yù)測(cè)控制[7-10]，而預(yù)測(cè)控制較復(fù)雜、計(jì)算量較大，通過DCS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難。

該文以某電廠 600 MW 機(jī)組再熱汽溫系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，首先建立再熱汽溫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性模型，其次將自抗擾控制(active disturbance rejection controller，ADRC)技術(shù)與Smith預(yù)估補(bǔ)償控制有機(jī)融合設(shè)計(jì)先進(jìn)再熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過與目前實(shí)際DCS控制策略的比較，驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

1 再熱汽溫系統(tǒng)

考慮到機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響，目前再熱汽溫的調(diào)節(jié)手段主要采用煙氣側(cè)調(diào)節(jié)為主、蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)為輔的方式。由于采用分隔煙道擋板調(diào)溫，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，目前是主要的煙氣側(cè)調(diào)節(jié)手段；蒸汽側(cè)仍采用噴水減溫調(diào)節(jié)方式，考慮到再熱噴水減溫對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響較大，該調(diào)節(jié)方式僅做為超溫緊急事故噴水。

1.1 再熱汽溫?fù)醢逭{(diào)節(jié)

再熱汽溫?fù)醢逭{(diào)節(jié)原理如圖1所示，尾部煙道被分為兩側(cè)，A側(cè)煙道中包含低溫再熱器與省煤器，B側(cè)煙道中包含低溫過熱器與省煤器，煙道下方設(shè)置煙氣擋板，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)的煙氣擋板開度改變兩側(cè)煙氣量的比例，從而改變低溫再熱器與低溫過熱器的吸熱比例，最終實(shí)現(xiàn)再熱汽溫的調(diào)節(jié)。

圖1 再熱汽溫?fù)醢逭{(diào)節(jié)示意圖Fig. 1 Diagram of damper adjustment for reheated steam temperature

1.2 事故噴水調(diào)節(jié)

事故噴水調(diào)節(jié)原理如圖2所示，噴水來自給水泵抽頭，噴水閥門設(shè)置在低溫再熱器與高溫再熱器之間，分為A與B兩側(cè)，通過調(diào)節(jié)噴水閥門開度改變噴水量實(shí)現(xiàn)再熱汽溫的調(diào)節(jié)。

2 再熱汽溫動(dòng)態(tài)特性模型

2.1 動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型

圖2 事故噴水調(diào)節(jié)示意圖Fig. 2 Diagram of spraying water adjustment

通過采集現(xiàn)場(chǎng)階躍試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法建立再熱汽溫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，所建立的模型分為擋板-再熱汽溫通道動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型(式(1))和噴水-再熱汽溫通道動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型(式(2))：

式中：YΔ為再熱汽溫變化量，℃；1UΔ為擋板開度變化量，%；2UΔ為事故噴水閥門開度變化量，%。

模型(1)與模型(2)所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值見表1。

表1 模型穩(wěn)態(tài)值Tab. 1 Steady-state value for the model

表1中的數(shù)據(jù)分別為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中的初始狀態(tài)值，包括負(fù)荷、煙氣擋板與事故噴水閥門初始開度以及再熱汽溫初值。

2.2 模型驗(yàn)證

通過現(xiàn)場(chǎng)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型(1)、模型(2)的計(jì)算輸出進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 擋板開度階躍響應(yīng)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算對(duì)比曲線Fig. 3 Comparison curve between measured values and model calculation value for step response of damper opening

圖4 噴水閥門開度階躍響應(yīng)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算對(duì)比曲線Fig. 4 Comparison curve between measured values and model calculation value for step response of spraying valve opening

從圖3與圖4中可以看出，擋板開度階躍與噴水閥門開度階躍模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，只有在個(gè)別時(shí)間段內(nèi)存在一定偏差，模型計(jì)算精度較高，因此基于所建立的模型可以用于控制器的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。

3 先進(jìn)再熱汽溫控制方案

3.1 ADRC技術(shù)

ADRC思想由韓京清先生于 1998年正式提出，該思想提出后，大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞ADRC技術(shù)進(jìn)行了工程與理論研究，取得了較多實(shí)用性與理論性成果[11]。

ADRC技術(shù)的基本思想主要包括3個(gè)部分：1）非線性微分跟蹤器(tracking differentiator，TD)；2）擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(extended state observer，ESO)；3）非線性組合(nonlinear combination，NLC)。

二階非線性微分跟蹤器TD可由式(3)、式(4)表示：

式中：1v為輸入信號(hào)的跟蹤信號(hào)；2v為1v的微分信號(hào)；h為采樣時(shí)間；r為速度因子；h0為TD的濾波因子；fhan(?)為最優(yōu)綜合控制函數(shù)。

由式(5)建立ESO方程：

式中：y為系統(tǒng)輸出；fal(?)為最優(yōu)綜合控制函數(shù)的近似分段線性函數(shù)。

非線性誤差反饋控制策略NLC方程如式(7)—(9)所示：

式中0δ為間斷點(diǎn)。

3.2 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制技術(shù)

Smith預(yù)估補(bǔ)償控制算法的基本原理是把系統(tǒng)的被控對(duì)象與一個(gè)純滯后的環(huán)節(jié)并聯(lián)，通過對(duì)被控對(duì)象的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)等效傳遞函數(shù)無純滯后環(huán)節(jié)，加速調(diào)節(jié)過程和減少超調(diào)量，消除大滯后帶來的影響。實(shí)際工程上設(shè)計(jì)Smith預(yù)估器時(shí)，將其并聯(lián)在控制器D(s)上，得到圖5所示的形式。

圖5 Smith預(yù)估補(bǔ)償原理示意圖Fig. 5 Diagram of Smith predictive compensation principle

圖 5 中：R(s)、E1(s)、E2(s)、U(s)、Y(s)分別為設(shè)定值、偏差1、偏差2、控制量以及被控量的虛線部分是帶純滯后補(bǔ)償控制的控制器，其傳遞函數(shù)為

3.3 先進(jìn)再熱汽溫控制方案

將ADRC技術(shù)與Smith預(yù)估補(bǔ)償控制有機(jī)融合，將其用于再熱汽溫系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)，具體控制方案如圖6、7所示。

圖6為先進(jìn)再熱汽溫?fù)醢逭{(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)，其中r為再熱汽溫設(shè)定值；r1與r2分別為二階微分跟蹤器的輸出v1與v2的值，由式(3)和式(4)計(jì)算；z1、z2、z3分別由擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器式(6)計(jì)算；u0通過式(8)計(jì)算；最終的擋板開度指令 u1由式(9)計(jì)算得出。

圖6 先進(jìn)再熱汽溫?fù)醢蹇刂圃韴DFig. 6 Advanced damper control principle for reheated steam temperature

圖7 先進(jìn)再熱汽溫噴水調(diào)節(jié)原理圖Fig. 7 Advanced spraying water control principle for reheated steam temperature

圖7 為先進(jìn)再熱汽溫事故噴水調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)圖，基本結(jié)構(gòu)與圖6類似，自抗擾部分控制計(jì)算與圖5相同，區(qū)別在于自抗擾參考輸入r0=r+rs，考慮到噴水調(diào)節(jié)為事故噴水，為了提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，在再熱汽溫設(shè)定值基礎(chǔ)上增加再熱汽溫正偏置修正，提高噴水調(diào)節(jié)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)小幅超溫范圍內(nèi)僅采用擋板調(diào)節(jié)，大幅超溫時(shí)噴水協(xié)助調(diào)節(jié)的目的；另外從圖7可以看出，對(duì)于噴水減溫控制方案保留了串級(jí)控制策略，實(shí)現(xiàn)快速消除內(nèi)擾的目的，對(duì)于Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的設(shè)計(jì)需將“廣義對(duì)象”Gp(s)(虛線方框部分)作為整體被控對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)；最終的噴水閥門開度指令u2由內(nèi)回路的PI調(diào)節(jié)器計(jì)算得出。

上述先進(jìn)再熱汽溫控制策略的設(shè)計(jì)是基于單個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的模型設(shè)計(jì)的，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生變化，即：被控對(duì)象存在非線性問題。該問題可以通過多模型切換的方法來解決，基于不同負(fù)荷條件下設(shè)計(jì)相應(yīng)控制器，在不同負(fù)荷區(qū)間切換或者加權(quán)連接[12]。

4 仿真研究

通過與常規(guī)DCS中的PID控制策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，來驗(yàn)證所提算法的有效性，PID表達(dá)式采用 P+I/s+Ds，P為比例增益，I為積分系數(shù)，D為微分系數(shù)。為了比較的公平性，PID參數(shù)的整定通過粒子群優(yōu)化算法基于時(shí)間乘以誤差絕對(duì)值積分(integrated time and absolute error，ITAE)性能指標(biāo)優(yōu)化計(jì)算得出。需要說明的是對(duì)于 ADRC控制器的設(shè)計(jì)需被控對(duì)象符合相應(yīng)階次，本文采用 pade降階法[13]對(duì)原被控對(duì)象進(jìn)行降階處理。具體控制器參數(shù)設(shè)定見表2。

表2 控制器參數(shù)設(shè)置Tab. 2 Controller parameter setting

仿真實(shí)驗(yàn)包含2個(gè)部分：1）再熱汽溫設(shè)定值階躍響應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提控制算法的設(shè)定值跟蹤能力；2）保持再熱汽溫設(shè)定值不變，在控制系統(tǒng)中加入定值擾動(dòng)，測(cè)試所提算法的抗擾動(dòng)能力。

圖8—10分別為設(shè)定值階躍再熱汽溫響應(yīng)曲線、設(shè)定值階躍擋板開度曲線和噴水閥門開度曲線，從圖8—10中可以看出先進(jìn)控制調(diào)節(jié)過程無震蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間、調(diào)節(jié)精度均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。設(shè)定值階躍過程中先進(jìn)再熱汽溫噴水閥門始終關(guān)閉，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性高于傳統(tǒng)PID控制策略。

圖8 設(shè)定值階躍再熱汽溫響應(yīng)曲線Fig. 8 Curve of reheated steam temperature under set point step

圖9 設(shè)定值階躍擋板開度動(dòng)作曲線Fig. 9 Curve of damper opening under set point step

圖10 設(shè)定值階躍噴水閥門開度動(dòng)作曲線Fig. 10 Curve of spraying water valve opening under set point step

圖11 定值抗擾再熱汽溫度響應(yīng)曲線Fig. 11 Curve of reheated steam temperature under constant disturbance

圖 11—13分別為定值抗擾再熱汽溫響應(yīng)曲線、擋板開度曲線與噴水閥門開度曲線，從圖11—13中可以看出與傳統(tǒng)PID控制策略相比先進(jìn)控制算法在定值抗擾動(dòng)過程中無震蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間短，調(diào)節(jié)精度高。先進(jìn)控制在抗擾過程中，噴水閥門調(diào)節(jié)幅度較小，抗干擾結(jié)束后噴水閥門全部關(guān)閉，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性高于傳統(tǒng)PID控制。

圖12 定值抗擾擋板開度動(dòng)作曲線Fig. 12 Curve of damper opening under constant disturbance

圖13 定值抗擾噴水閥門開度動(dòng)作曲線Fig. 13 Curve of spraying water valve opening under constant disturbance

5 結(jié)論

通過ADRC技術(shù)與Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的有機(jī)融合，設(shè)計(jì)了先進(jìn)再熱汽溫控制策略，通過與傳統(tǒng)DCS控制方案進(jìn)行仿真比較，該控制方法無論在設(shè)定值跟蹤特性還是抗擾動(dòng)能力方面均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制方案，調(diào)節(jié)速度與精度都得到提高，并且通過ADRC可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)過程無震蕩，大大提高了再熱汽溫控制的穩(wěn)定性；另外先進(jìn)再熱汽溫控制方案在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)實(shí)現(xiàn)噴水閥門的全部關(guān)閉，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。所提出的先進(jìn)再熱汽溫控制方案易于在DCS平臺(tái)通過組態(tài)搭建實(shí)現(xiàn)，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。