國家電投集團江西電力工程有限公司南昌分公司 吳佳焱

某電廠在2018年將2臺700MW超超臨界壓力機組投入生產(chǎn)中，使用由艾默生生產(chǎn)的分散控制系統(tǒng)（DCS），并使用負荷指令對前端信息進行收集，借助PID反饋調(diào)節(jié)機組運行系統(tǒng)在系統(tǒng)運行時超出設定溫度的蒸汽，利用串級控制避免其產(chǎn)生進一步影響有效控制，使用冷卻水與煙氣擋板的雙重降溫方案控制再熱蒸汽溫度，由于煙氣擋板難以做到及時處理再熱蒸汽，所以對機組安全運行會造成一定影響。

1 原控制系統(tǒng)存在的問題

電廠因近期經(jīng)濟效益不佳導致對煤種選擇較為頻繁，造成機組難以有效進行動態(tài)控制，以往PID控制系統(tǒng)對現(xiàn)有機組存在運行遲延、系統(tǒng)慣性幅度過大等問題難以高效控制，造成電力產(chǎn)品供應調(diào)節(jié)能力下降，對于系統(tǒng)運行出現(xiàn)輕微不穩(wěn)定性，也無法有效遏制。主要集中在以下方面：

無法達到理想負荷調(diào)節(jié)效果。頻率較慢的負荷變化造成其速率僅能維持在3～5MW/min，但也會偶爾出現(xiàn)機組的負荷經(jīng)常出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象，無法讓調(diào)節(jié)精度達到理想狀態(tài)；因機組運行關鍵參數(shù)出現(xiàn)超過幅度的波動，造成機組無法穩(wěn)定運行。主蒸汽運行時壓力、溫度及汽水分離器應用溫度都會出現(xiàn)超過標準幅度以外振蕩。而主蒸汽運行壓力會在負荷升降時超過標準1.0MPa，其余主要部件運行溫度也在15～20℃范圍內(nèi)，這造成系統(tǒng)給煤量出現(xiàn)波動，給水流量也得不到有效控制，影響正常電力生產(chǎn)。如采用新煤種進行生產(chǎn)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)響應速度無法跟上實際生產(chǎn)需求，且蒸汽溫度控制也略有遲緩，甚至少數(shù)時間需借助操作工人利用手動方式保證機組穩(wěn)定運行[1]。如無法使用合適方式處理這些問題，對發(fā)電廠未來健康經(jīng)營會帶來潛在影響。本文借助預測控制技術，將神經(jīng)網(wǎng)絡技術融入其中，構建以先進控制為技術基礎對機組運行進行協(xié)調(diào)，優(yōu)化汽溫綜合性控制系統(tǒng)。

2 基于先進控制技術的協(xié)調(diào)控制

2.1 預測控制器代替反饋調(diào)節(jié)器

在反饋系統(tǒng)信息回路中，借助廣義預測控制器（GPC）代替當前正在使用的PID控制器。以現(xiàn)有系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)與以往數(shù)據(jù)對比、分析被控偏差，從而實現(xiàn)系統(tǒng)控制的PID調(diào)節(jié)，在應用方面要稍差于利用當前應用被調(diào)數(shù)據(jù)、對未來展開合理預測、從而對值系統(tǒng)控制科學計算的GPC。因GPC實現(xiàn)系統(tǒng)提前預測、合理調(diào)整系統(tǒng)控制程度，對滯后幅度較大的被控過程應用較為有利。實現(xiàn)預測控制相關算法時，利用預測控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋邏輯結構實現(xiàn)。由輸入該系統(tǒng)設定值sp、閉環(huán)控制u及被調(diào)量y控制閉環(huán)結構運行。而預測控制參數(shù)多項式Ru(q-1)、Ry(q-1)、r等可由A(q-1)y(k)=B(q-1)u(k-1)+w(k)/Δ獲得，其被控過程回歸滑動數(shù)學模型也如該式。

其中，不同采樣時刻控制與被調(diào)量分別為y(k)、u(k-1)；而w(k)則代表任意兩個之間不存在任何關聯(lián)隨機擾動相關序列；k為當前系統(tǒng)采樣時刻。差分與后移算子分別為Δ=1-q-1、q-1，后移算子多項式可以由A(q-1)與B(q-1)代表，可以表示為：

本文構建機組優(yōu)化系統(tǒng)控制，根據(jù)發(fā)電廠實際工作情況，將燃料使用量和主蒸汽運行壓力構建相應傳遞函數(shù)數(shù)學模型W(s)=MSP(s)/FU(s)=0.0581/(1+160s)(1+600s)。其 中，MSP是 主蒸汽運行壓力，單位MPa；而FU代表燃料使用量，單位t/h。將10秒作為一次采樣所需時間，將式(1)采用雙線性方式進行變換，得到系統(tǒng)自回歸滑動數(shù)學模型：(1-1.918955q-1+0.9200213q-2)MSP(k)=(1.54892×10-5+ 3.097841×10-5q-1+1.54892×10-5q-2)FU(k-1)+1/Δ w(k)，整理后獲得預測控制參數(shù)多項式：Ru(q-1)=1+2.75193×10-2q-1+9.214459×10-3q-2、Ry(q-1)=5.989805×102-1.145384×103q-1+5.473166×102q-2、r=0.9131。

在實際系統(tǒng)應用優(yōu)化控制則需在機組選擇多個系統(tǒng)負荷檢測點，從而獲取對被控過程細節(jié)，構建更完善數(shù)學模型。以機組運行時變負荷，切換多組預測控制的參數(shù)多項式[2]。

2.2 以神經(jīng)網(wǎng)絡調(diào)整控制系統(tǒng)

以PID為基礎，使DCS實現(xiàn)常規(guī)控制，會在機組發(fā)生突發(fā)情況或使用燃煤種類出現(xiàn)變化時，無法對控制系統(tǒng)運行參數(shù)及時調(diào)整，影響系統(tǒng)缺少良好自適應能力。在這種實際需求下，本文使用神經(jīng)網(wǎng)絡應用技術，針對控制系統(tǒng)在協(xié)調(diào)方面需求，建設非線性信息網(wǎng)絡數(shù)學模型，對機組當前運行情況及燃料煤種產(chǎn)生變化情況實時反應[3]。以模型各個參數(shù)實際變化，采用不斷電的在線調(diào)整方式對控制算法各個參數(shù)及時調(diào)整，確?？刂葡到y(tǒng)在面對機組突發(fā)情況、煤種應用變化時仍可有效控制系統(tǒng)運行。

2.3 比例微分前饋更新為智能前饋

在過去鍋爐運行負荷指令的前端反饋，多數(shù)使用比例微分對信息進行反饋，對負荷增加或減少時并不與機組當前運行情況有直接影響，導致實際前端反饋量保持恒定狀態(tài)[4]。使用智能前饋可在一定程度上對技術工人系統(tǒng)操作進行模仿，從而保證前端反饋是受到機組當前運行情況影響。如，進行加負荷時如主蒸汽運行壓力對于固定數(shù)值相對較高，且存在穩(wěn)定上升趨勢，則對鍋爐的負荷指令前端反饋量減少；而在減負荷運行前，主蒸汽運行壓力比固定數(shù)值要低，在未來運行也存在下降趨勢，則可對鍋爐的負荷指令前端反饋量增加。在對機組運行計算時需模糊主蒸汽壓力存在的偏差，并將其偏差實際變化率也同樣模糊處理，以查詢模糊表對模糊等級計算，分析在當前運行條件下鍋爐負荷應當保持什么程度前端反饋指令。

3 新型再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

負責調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度的控制回路主要構成為煙氣擋板?，F(xiàn)將相位補償、廣義預測控制等多種對系統(tǒng)滯后進行控制相關技術科學融合，保證控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，增強調(diào)節(jié)煙氣擋板效率與速度。因前端反饋使用根據(jù)系統(tǒng)運行以往經(jīng)驗為基礎的模糊智能應用技術，所以煙氣擋板更加便利，加快調(diào)節(jié)速度，對機組再熱蒸汽溫度產(chǎn)生動態(tài)偏差也可做到高效遏制。

3.1 自適應Smith特性補償

自適應Smith特性補償應用目的為對被控對象在滯后情況下進行適度補償，其優(yōu)點為：在特性補償機制運行后，以再熱蒸汽溫度等效的被控對象構建相應數(shù)學模型，讓等效對象在動態(tài)方面特性與機組負荷保持不相關狀態(tài)，便于進行廣義式預測控制以及其他控制器進一步設計與數(shù)據(jù)整定；因再熱蒸汽溫度是人為選擇等效對象，這與機組實際運行的再熱蒸汽溫度被控對象動態(tài)特性相比擁有更小、更穩(wěn)定慣性時間，對于提升再熱汽溫控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定性具有較強意義[5]。

自適應Smith特性補償控制方法需保證被控過程擁有較高模型精度，所以需在機組中選擇合適負荷點，覆蓋至機組運行全周期，從而獲得高精度數(shù)學模型。本文對機組控制進行優(yōu)化時，借助機組動態(tài)特性選擇3個較為精確的負荷點，實現(xiàn)再熱蒸汽溫度被控過程數(shù)學模型構建，有效提升系統(tǒng)控制質(zhì)量。

3.2 相位補償技術、狀態(tài)變量與廣義預測控制器

相位補償技術：在原有控制回路基礎上，將兩組超前/滯后邏輯環(huán)節(jié)插入其中，借助其超前特性對機組被控產(chǎn)生慣性時間進行抵消，保證在補償后，降低蒸汽溫度的被控對象產(chǎn)生慣性時間，便于提升控制系統(tǒng)快速運行能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]；狀態(tài)變量控制器：在不斷電情況下，對再熱器運行流程各個點位溫度采用在線方式估計，并將估計值導入負責控制再熱蒸汽調(diào)節(jié)溫度系統(tǒng)中，保證對系統(tǒng)運行提前控制，縮減反應時間，加快調(diào)節(jié)擋板反應速度，遏制多種因素對再熱蒸汽運行溫度負面影響，從而對溫度變量構建控制系統(tǒng)；廣義預測控制器：將再熱蒸汽溫度作為被控對象構建相應數(shù)學模型，并對未來溫度變化情況合理預測，進而對煙氣擋板調(diào)節(jié)對系統(tǒng)運行滯后，導致控制系統(tǒng)出現(xiàn)負面影響有效彌補。而在實際系統(tǒng)應用中，也同樣使用文中類似閉環(huán)反饋邏輯結構。

3.3 模擬仿真

使用etap20.6對本設計仿真處理：將9MW/min速率設置變負荷率,而機組負荷波動范圍限制在400～670MW內(nèi)，經(jīng)過多次變動后趨于平穩(wěn)的640MW，最大變化幅度接近100MW。在全過程中，本文設計系統(tǒng)從始至終跟蹤實際負荷，詳細收集數(shù)據(jù)。雖然機組主汽最高出現(xiàn)0.53MPa壓力偏差,但會在變負荷停止后立即恢復穩(wěn)定狀態(tài)。主汽溫與中間點僅有5～6℃的溫差，實際汽溫控制效果要遠好于設計指標，有效提升過熱汽溫與協(xié)調(diào)系統(tǒng)性能。

9MW/min速率運行機組在400MW到650MW范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，沒有強烈波動。即使在以正、反向變動為主負荷擾動，主汽壓力依舊以無差別跟蹤設定值，主汽、中間點溫度均表現(xiàn)良好。

4 基于先進控制技術的700MW超超臨界機組優(yōu)化控制系統(tǒng)優(yōu)化策略

4.1 燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后

在以先進控制應用技術對機組優(yōu)化時，會遇到燃燒系統(tǒng)在調(diào)節(jié)方面存在滯后情況。所以在實際作業(yè)中要結合機組當前運行情況適當增大變負荷指令，確保機組在控制變負荷時其汽壓調(diào)節(jié)回路在初始狀態(tài)時速度有較大可提升。并對煤機加強前段反饋，避免讓虛假煤位繼續(xù)對燃燒調(diào)節(jié)造成負面影響，從而改善當前滯后問題，進而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。為進一步加強鍋爐在變負荷時一次風的響應速度，可對一次風壓預設值調(diào)整，讓其與負荷指令變化相契合，達到高效解決燃燒系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時出現(xiàn)滯后問題。如處理后仍存在問題，則需由技術人員專項處理，并將問題產(chǎn)生原因、解決對策以及實際情況詳細記錄。

4.2 直流爐非線性調(diào)節(jié)

700MW超超臨界機組下相對復雜，涉及到各種輸入輸出，為保證高效提高系統(tǒng)運行能力，可在優(yōu)化時增設非線性函數(shù)并對變參數(shù)設置數(shù)量調(diào)整，保證機組運行系統(tǒng)可以針對外界環(huán)境影響而產(chǎn)生正面反饋效果。一般情況會借助熱力學研究，非線性調(diào)節(jié)也保證鍋爐擁有蓄熱能力?？紤]到機組會在實際應用中，蓄熱系數(shù)會與汽壓呈現(xiàn)反比關系。如果考慮汽輪機調(diào)節(jié)閥開啟，如果汽壓下降，會因鍋爐蓄熱原理緩慢減低作用機組氣溫，造成飽和區(qū)工質(zhì)在吸收熱量后，會流入微過熱位置，保證機組運行所需蒸汽流量不間斷供給。而機組會于300～600MW條件下不斷上升負荷，則會降低蓄熱能力。所以，將大量燃料投入高負荷區(qū)域，進而控制機組系統(tǒng)，提高優(yōu)化質(zhì)量。還可針對機組燃水比合理調(diào)節(jié)，保證過熱調(diào)節(jié)回路具有靈敏性，提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定質(zhì)量。

4.3 降低斷煤干擾與把控閥流量

對于機組優(yōu)化時，可將水前饋提高故障回路數(shù)量與比重。一旦系統(tǒng)運行出現(xiàn)斷煤嚴重情況，將其和燃燒快速相互匹配后，可有效降低在燃煤與水在比例失調(diào)而產(chǎn)生汽溫波動問題。還可以靈活應用煤質(zhì)系數(shù)，利用手動改變煤質(zhì)系數(shù)進行改變，進而提升煤質(zhì)在變化時產(chǎn)生燃水比管控質(zhì)量。同時，通過調(diào)節(jié)減溫水方法，對把控閥流量充分掌握。因為調(diào)節(jié)閥存在一級、二級減溫水會衍生為自動控制，在回路中增添對流量與開度的轉(zhuǎn)換函數(shù)，并對減溫壓力是否對于流量同時綜合考量。以減溫水特性為例，判斷是否可以采用這種方法，達到關小控制通過擾動減溫水維持流量控制，從源頭上避免出現(xiàn)重要安全事故，從而提高系統(tǒng)運行質(zhì)量。

綜上，本文涉及內(nèi)容較淺，無法將內(nèi)容具體到細節(jié)。所以電力企業(yè)仍需根據(jù)自身情況與未來發(fā)展需求，綜合性分析機組優(yōu)化相關問題。避免因生搬硬套造成理論與實踐差異過大，造成其他影響。