郝勇生 王忠維 朱曉瑾 蘇志剛? 趙剛 殷捷

(1.東南大學 能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096；2.浙江浙能臺州第二發(fā)電有限責任公司，浙江 臺州 318000；3.南京瑞松信息科技有限公司，江蘇 南京 210038)

火力發(fā)電目前仍然是我國主要的發(fā)電方式，燃煤電站每年煙塵排放量居各個行業(yè)之首，電除塵器作為燃煤電廠應用最廣泛的除塵設備，對降低燃煤電廠的煙塵排放起著至關(guān)重要的作用。

近年來，風電、光伏發(fā)電及核電等新能源發(fā)電快速發(fā)展，為適應電網(wǎng)調(diào)峰需求，燃煤發(fā)電機組寬負荷靈活運行已成為常態(tài)，機組煙氣流量及煙塵濃度變動范圍大。火電廠現(xiàn)有干式電除塵器控制主要側(cè)重于火花頻率控制、火花積分值控制及平均電壓、電流控制等，而較少關(guān)注其出口煙塵濃度的閉環(huán)控制。目前，電除塵器煙塵濃度控制普遍采用手動或開環(huán)控制方式。在越來越嚴格的環(huán)保要求下，為防止排放超標，電除塵器常處于高參數(shù)運行狀態(tài)，導致較高的除塵能耗。相比于純手動運行方式，采用根據(jù)負荷分段的開環(huán)(比例)控制方式可取得一定的節(jié)能效果，但難以實現(xiàn)出口煙塵濃度的定值控制。在實際運行中，電除塵器作為一個耗電大戶，降低除塵電耗已引起火電廠的高度重視。如何實現(xiàn)電除塵器出口煙塵濃度定值控制并降低電除塵器的能耗，是節(jié)能減排需要解決的重要問題。

當前，對干式電除塵器出口煙塵濃度控制的研究主要是基于智能算法的開環(huán)優(yōu)化控制[1- 6]。其基本思想是：應用神經(jīng)網(wǎng)絡建立干式電除塵器出口濃度-供電電壓模型后，采用最小二乘法擬合得到電除塵能耗模型，以干式電除塵器總電耗最小為目標、以出口煙氣濃度不超過排放限定為約束條件，運用優(yōu)化算法對高壓供電參數(shù)進行優(yōu)化。該類方法以干式電除塵器入口煙氣濃度穩(wěn)定作為前提條件，其建立的出口煙塵濃度-供電電壓模型本質(zhì)上是一種靜態(tài)模型，所做的優(yōu)化方法是針對于穩(wěn)定的生產(chǎn)過程而言的，無法實現(xiàn)大范圍變工況下煙氣濃度的定值閉環(huán)控制。

對干式電除塵器進行煙塵濃度定值閉環(huán)控制，可以通過對干式電除塵器出口煙塵濃度的實時跟蹤控制，使煙塵排放濃度始終處在規(guī)定的煙氣排放標準之內(nèi)，并在排放不超標的基礎上，通過對干式電除塵器的運行參數(shù)實時調(diào)節(jié)，帶來降低電除塵器耗電量的附加效果。干式電除塵器的除塵過程受煙氣性質(zhì)、煙氣量、煙氣濃度、供電電壓電流、陰/陽極振打清灰、氣流分布、漏風狀態(tài)等多種因素影響，除塵過程復雜，機理建模困難，且由于干式電除塵器入口和各級電場之間沒有含塵濃度的測點，給濃度閉環(huán)控制的實現(xiàn)帶來了很大困難。這是目前我國燃煤電廠干式電除塵器普遍沒有投入濃度閉環(huán)控制的主要原因。

本研究針對五電場結(jié)構(gòu)的干式電除塵器，在建立電除塵器(末二級電場)傳遞函數(shù)模型的基礎上，提出了一種煙塵濃度閉環(huán)控制方法。仿真和試驗結(jié)果表明這種控制方法對實現(xiàn)濃度設定值無偏差控制和擾動抑制具有很好的控制效果。

1 整體控制方法

本研究以某電廠1 000 MW超超臨界燃煤機組干式電除塵器為研究對象，干式電除塵器采用多電場結(jié)構(gòu)，配有六通道五電場，30臺高頻電源，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 干式電除塵器結(jié)構(gòu)

根據(jù)該電廠機組運行要求，干式電除塵器出口煙塵濃度≤35 mg/m3(標準立方米)。在各電室煙氣流量分配均勻的假設下，可以將同一級不同電室的所有電場作為一個整體進行動態(tài)特性分析。雖然五級電場是一個整體結(jié)構(gòu)，但是其入口處及各級電場之間沒有濃度測點，只有出口處一個濃度測點，很難分別建立各室各級電場的煙塵濃度動態(tài)特性模型，因此很難實現(xiàn)電除塵器所有電場之間的精確協(xié)調(diào)控制。末級電場離煙塵濃度測點最近，可采用試驗建模的方法建立第五級電場高頻電源二次電流對出口煙塵濃度的動態(tài)模型。但試驗過程中發(fā)現(xiàn)僅使用末級一個電場進行動態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)能力受限，不能達到滿意的動態(tài)調(diào)節(jié)效果，故采用末二級電場作為一個整體調(diào)節(jié)，選擇將末級兩個電場投入濃度閉環(huán)控制。相比較而言，電除塵器前三級電場則可采用前饋控制方式，實現(xiàn)煙塵濃度粗調(diào)[7]。與此同時，一方面，為了提高系統(tǒng)閉環(huán)控制品質(zhì)，閉環(huán)控制器設計時兼顧了系統(tǒng)的魯棒性并引入干擾觀測器；另一方面，機組負荷對電除塵器出口濃度影響很大，為了適應大范圍變負荷，采用負荷分段的方式，在不同典型負荷點上建立末二級電場的高頻電源二次電流對出口煙塵濃度的動態(tài)模型并分別設計控制器，采用模糊加權(quán)方法實現(xiàn)控制作用的平滑切換。本研究采用的干式電除塵器整體控制策略示意圖如圖2所示。

圖2 干式電除塵器出口濃度控制策略

2 控制器設計

2.1 PID控制器參數(shù)整定

文獻[7]中已詳細介紹過電除塵器的靜態(tài)特性試驗和動態(tài)特性試驗過程，并給出了一種前三級電場的前饋控制策略。本研究重點闡述如何針對末二級電場設計閉環(huán)控制器。

對末二級電場，以末二級電場所有電室高頻電源二次電流的平均值為輸入變量、電除塵器出口煙塵濃度為輸出變量，采用文獻[7]中介紹的基于免疫遺傳算法的傳遞函數(shù)建模方法，建立的傳遞函數(shù)模型如表1所示，s為拉普拉斯算子。表1給出了模型與試驗數(shù)據(jù)直接的均方根誤差?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同負荷點處的動態(tài)特性模型能夠很好地逼近試驗數(shù)據(jù)，與其他負荷點相比，850 MW負荷下電除塵器出口煙塵濃度受到干擾影響較大，辨識的模型誤差高于其他負荷點。

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、適用范圍廣、魯棒性較強等優(yōu)勢，因此，PID控制器及其改進類型仍然在工業(yè)過程控制中占據(jù)著主導地位。常規(guī)PID控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖中，r(s)為設定值，C(s)為控制器的傳遞函數(shù)，Gp(s)為被控對象的實際模型，d(s)為干擾，y(s)為輸出。

表1 干式電除塵器不同負荷下動態(tài)模型

圖3 常規(guī)PID控制系統(tǒng)框圖

本研究采用不完全微分PID控制器，形式如下：

(1)

基于內(nèi)?？刂?IMC)原理的PID控制器不僅具有內(nèi)?？刂频膬?yōu)點，也保持了傳統(tǒng)PID控制的特點，能兼顧控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能，且易于被工程技術(shù)人員所接受，易于采用現(xiàn)代控制硬件來實現(xiàn)。因此，本研究采用內(nèi)模PID(IMC-PID)控制器參數(shù)整定方法來整定PID控制器參數(shù)。內(nèi)?？刂频乃枷胗蒅arcia等[8]于1982年提出，首先被Rivera等[9]引入PID控制器設計。對于具有純滯后環(huán)節(jié)的被控對象，采用IMC-PID控制器參數(shù)整定方法時，首先需要對純滯后環(huán)節(jié)進行近似處理。對純滯后環(huán)節(jié)常見的近似處理方法有一階Pade近似[10]、Taylor近似[11]及二階非對稱Pade近似[12]等。在這幾種近似方法中，二階非對稱 Pade 近似雖然計算最為繁瑣，但普遍適用于實際工業(yè)過程中存在的大滯后過程對象，因此本研究采用二階非對稱Pade近似對純滯后環(huán)節(jié)進行處理，推導IMC-PID控制器參數(shù)整定公式。二階非對稱Pade近似公式為

(2)

式中，參數(shù)γ1=-0.613 4，γ2=0.124 7,δ=0.386 6,為純滯后時間常數(shù)。

內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。圖中，GIMC(s)為內(nèi)?？刂破鞯膫鬟f函數(shù)，Gm(s)為模型的傳遞函數(shù)，ym(s)為模型輸出。

圖4 內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖

圖4虛線框中的C(s)與圖3中的C(s)具有等價關(guān)系，從而得到PID控制器C(s)與IMC控制器GIMC(s)之間的關(guān)系為：

(3)

(4)

根據(jù)IMC-PID控制器參數(shù)整定方法[13]，可得IMC-PID控制器的參數(shù)整定公式為：

(5)

由式(5)可見，在對象模型確定的情況下，僅需調(diào)整濾波器的時間常數(shù)ε就可以改變PID控制器參數(shù)，系統(tǒng)的魯棒性和瞬態(tài)響應特性也會隨之改變。由于本研究采用的是試驗建模的方法，所建立的模型會存在一定的誤差，且電場之間耦合會對出口濃度產(chǎn)生影響，因此，控制器的設計必須考慮控制系統(tǒng)的魯棒性，在整定濾波器的時間常數(shù)時，需兼顧控制系統(tǒng)的魯棒性和瞬態(tài)響應特性。在此，采用誤差平方積分ISE作為評價系統(tǒng)控制品質(zhì)的性能指標，采用最大靈敏度Ms來衡量控制系統(tǒng)的魯棒性，公式如下：

(6)

(7)

式中,t為時間。取不同的濾波器時間常數(shù)ε，可計算得到其誤差平方積分ISE和最大靈敏度Ms。為方便比較，將ISE和Ms隨濾波器參數(shù)ε的變化曲線繪制在同一張圖中，如圖5所示。從圖5中可以看出，最大靈敏度Ms隨濾波器的時間常數(shù)的增大而減小。由于Ms越小，控制系統(tǒng)越魯棒，但同時系統(tǒng)的控制品質(zhì)會惡化。一般情況下取Ms在1.2～1.8之間。濾波器參數(shù)ε要在系統(tǒng)的魯棒性和控制品質(zhì)里折中選擇，即：最大靈敏度Ms大小合適，誤差平方積分ISE較小。根據(jù)這一原則，各負荷點選取的濾波器參數(shù)ε和IMC-PID控制器參數(shù)整定結(jié)果見表2。

基于所設計的IMC-PID控制器，在各個負荷點，分別在t=100 s做出口濃度的幅值為d(s)=-2 mg/m3的設定值躍擾動實驗，其中，負號“-”表示下階躍(通常出口濃度設定值為30～35 mg/m3，該階躍變化幅值介于5%～10%之間)。

圖5 ISE和Ms隨濾波器參數(shù)ε的變化曲線

表2 IMC-PID控制器參數(shù)整定結(jié)果

在t=400 s做幅值為d(s)=+2 mg/m3的上階躍擾動仿真實驗，仿真效果見圖6。其中，Cd(s)為電除塵器出口煙塵濃度,I4,5(s)為末二級電場所有電室高頻電源二次電流的平均值(在實際運行中，為避免電流調(diào)節(jié)速度過快和調(diào)節(jié)幅度過大造成對電除器電源的損害，通常對電流進行了限速和限幅處理)。由圖6可以看出，各負荷點下煙塵濃度Cd的誤差平方積分ISE和動態(tài)調(diào)節(jié)偏差均較小且無發(fā)生超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，均小于150 s。因此，設計的IMC-PID控制器兼顧了系統(tǒng)魯棒性和瞬態(tài)調(diào)節(jié)性能，在設定值跟蹤和抑制外擾方面都具有較好的控制品質(zhì)。

圖6 IMC-PID閉環(huán)控制響應特性

2.2 帶干擾觀測器的IMC-PID控制

干式電除塵器除塵過程會受到多種干擾影響，上面設計的IMC-PID控制器從魯棒性的角度解決了輸出通道干擾的抑制問題，而沒有考慮輸入通道上的未知干擾對電除塵器出口煙塵濃度的影響。干擾觀測器(DO)是一種有效的干擾估計技術(shù)，基于干擾觀測器的控制(DOBC)在工程上實現(xiàn)簡單，且對實際受控對象參數(shù)變動的魯棒性較強，本研究引入干擾觀測器來消除輸入通道的未知干擾，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

考慮對象動態(tài)特性含有遲延環(huán)節(jié)，故采用如圖7所示的干擾觀測器[14]。圖中，Gn-(s)為不包含遲延環(huán)節(jié)的對象標稱模型，u為控制輸入，d為等效干擾，f為觀測干擾，ξ為測量噪聲，Q(s)為低通濾波器，定義如下：

(8)

在設計的IMC-PID控制器基礎上，加入干擾觀測器，對4個負荷點的控制模型進行閉環(huán)控制仿真實驗。仿真中，針對圖7中的模型輸入通道上的等效干擾d，分別在t=100 s時加入階躍擾動(d=-200)，在t=600 s加入斜坡擾動(d=-2(t-600))，在t=700 s處消失(d的量綱與模型階次有關(guān)，這里的量綱與濃度的變化量的改變量相同)。各負荷點輸出和控制作用閉環(huán)響應曲線如圖8所示，為方便比較，分別計算IMC-PID和基于干擾觀測器的IMC-PID(DOB-IMC-PID)兩種控制方式下系統(tǒng)的誤差平方積分ISE，如表3所示。由表3可以看出，加入干擾觀測器后，系統(tǒng)的誤差平方積分ISE明顯減小，階躍擾動和斜坡擾動對電除塵器出口煙塵濃度的影響減小，控制系統(tǒng)的抗干擾能力增強。

圖7 非最小相位系統(tǒng)的干擾觀測器

圖8 基于干擾觀測器的IMC-PID閉環(huán)控制響應特性

2.3 不同負荷點模型切換

實際運行過程中機組負荷不斷變化，干式電除塵器在大范圍工況下運行時，只采用固定參數(shù)的控制器，必然會導致控制系統(tǒng)性能惡化。另外，隨著機組負荷的變化，若采用直接切換的方式切換各個PID控制器之間的控制作用，也會引起控制作用的抖動，切換瞬間系統(tǒng)輸出產(chǎn)生較大的跳變。解決這一問題的關(guān)鍵在于模型切換的同時，控制作用也要平滑切換。本研究采用模糊加權(quán)的算法實現(xiàn)控制作用的軟切換[15- 17]。

表3 不同負荷下IMC-PID與DOB-IMC-PID性能比較

采用多模型方法設計控制器，需要根據(jù)工況點對工作區(qū)域進行合理劃分。本研究中的干式電除塵器出口濃度被控對象模型是在不同負荷點下建立的，因此本研究根據(jù)機組負荷對其進行劃分，對4個典型負荷點之間的模型隸屬度做線性化處理，各個模型的隸屬度如圖9所示。各模型的有效適用范圍用隸屬度w來表示，且

(9)

模糊加權(quán)控制通過各個控制器控制作用的模糊加權(quán)獲得實際整體控制作用，從而實現(xiàn)不同運行區(qū)域的平滑切換，使系統(tǒng)在大工況范圍內(nèi)能平穩(wěn)運行。采用模糊加權(quán)策略的控制方案如圖10所示。

圖9 模型隸屬度

圖10 多模型PID控制方案

圖10中，多模型控制器提供的控制作用u是各PID控制器輸出ui加權(quán)：

(10)

式中，wi為第i個PID控制器輸出值的權(quán)重，即根據(jù)負荷信號計算得到的模型隸屬度。

采用上述模糊加權(quán)方法，以20 MW/min的速率分別做升負荷過程的試驗，電除塵器初始工作狀態(tài)對應500 MW，負荷變化范圍為500 MW至1 000 MW，變負荷過程中在機組負荷600 MW處做幅值為2 mg/m3的輸出階躍擾動試驗，其中不同負荷段采樣的模型如下。

(1)500～700 MW：表1中#1模型。

(2)700～800 MW：表1中#2模型。

(3)800～900 MW：表1中#3模型。

(4)900～1 000 MW：表1中#4模型。

仿真結(jié)果如圖11所示。通過對比圖11中的結(jié)果可以看出，在機組變負荷過程中，相比于控制器直接切換的方式，采用模糊加權(quán)控制算法得到的控制曲線更平穩(wěn)，整體動態(tài)偏差有所減小，模糊加權(quán)控制算法更能保證變工況過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了定量比較兩種控制方式的控制效果，同樣采用誤差平方積分ISE作為評價指標。直接切換時ISE=156.45，模糊加權(quán)切換時ISE=151.58。

圖11 升負荷過程中電除塵器的系統(tǒng)響應曲線

3 現(xiàn)場應用效果分析

某電廠1號爐干式電除塵器已投入電除塵器濃度閉環(huán)控制。圖12為開環(huán)控制方式下，干式電除塵器出口煙塵濃度特性曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)：①在機組升負荷過程中，隨著煙氣流量的增大，干式電除塵器出口煙塵濃度明顯呈增大趨勢，在高負荷段煙塵濃度波動更大，甚至出現(xiàn)濃度超標現(xiàn)象；②為確保煙塵濃度不超標，干式電除塵器運行參數(shù)普遍設置較高，在機組低負荷段尤為明顯，造成了干式電除塵器的高能耗。

投入煙塵濃度閉環(huán)控制后，在機組負荷大范圍變動的工況下，干式電除塵器出口煙塵濃度依然能夠控制穩(wěn)定，與開環(huán)方式相比優(yōu)勢明顯。圖13示出了機組升負荷過程中的煙塵濃度控制曲線，圖14示出了在不同負荷點下的濃度控制曲線。可以看出，在大范圍變負荷和受到干擾情況下，本研究提出的閉環(huán)控制方法具有較好的控制品質(zhì)。此外，采用閉環(huán)控制方式，在保證濃度不超標的基礎上，可以根據(jù)煙塵濃度的變化實時調(diào)節(jié)高頻電源參數(shù)使電除塵器運行在能耗相對較低的水平，帶來顯著的節(jié)能效果。

為驗證本研究所設計的干式電除塵器控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，對電除塵器進行了現(xiàn)場節(jié)能量驗證試驗，分別采用本研究設計的閉環(huán)控制與原開環(huán)優(yōu)化運行方式進行能耗對比，得到兩種運行方式下機組負荷與電除塵器電耗特性，并在此基礎上，計算得到濃度閉環(huán)控制相比原運行方式的節(jié)能率。節(jié)能率與機組負荷關(guān)系曲線如圖15所示。

圖12 開環(huán)控制煙塵濃度特性

圖13 閉環(huán)控制煙塵濃度特性

圖14 不同負荷點煙塵濃度閉環(huán)控制特性

圖15 節(jié)能率與機組負荷關(guān)系

需要說明的是，與圖12不同(目的在于說明開環(huán)控制方式下煙塵濃度控制不穩(wěn))，圖15給出了濃度閉環(huán)控制與開環(huán)控制相比下的節(jié)能效果對比。從圖15可以看出，在450～1 050 MW機組負荷范圍內(nèi)，閉環(huán)控制方式在全負荷區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)了節(jié)能運行，平均節(jié)能率為30.56%，且在中低負荷的節(jié)能效果更加明顯。

4 結(jié)語

本研究對五電場結(jié)構(gòu)的干式電除塵器提出了一種閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)了干式電除塵器真正意義上的閉環(huán)控制。該控制策略采用內(nèi)模PID控制器設計方法，在兼顧系統(tǒng)的魯棒性和瞬態(tài)響應特性條件下引入干擾觀測器以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，并通過模糊加權(quán)的多模型控制方式減小模型和控制作用切換時的擾動適應機組大范圍變負荷。仿真和現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，本研究提出的控制方法具有較好的閉環(huán)控制品質(zhì)，節(jié)能效果明顯。