IMC預(yù)測(cè)控制在德州電廠(chǎng)擺角控制再熱汽溫的應(yīng)用

李 明，郭忠波，王建華，李 全，開(kāi)平安

(1.華能德州電廠(chǎng)，山東 德州 253024;2.北京控軟公司，北京 100086;3.國(guó)家發(fā)改委能源研究所，北京，100055)

0 引言

火力發(fā)電是電力的支柱性產(chǎn)業(yè)。發(fā)電廠(chǎng)的汽溫控制一直是電廠(chǎng)自動(dòng)控制的一個(gè)難點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)主力發(fā)電機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。由于氣溫回路獨(dú)特的大延遲、大滯后特點(diǎn)，采用常規(guī)的控制方案往往都達(dá)不到控制效果。國(guó)內(nèi)的很多專(zhuān)家也提出了預(yù)測(cè)控制、模糊控制等各種手段來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是由于沒(méi)有切實(shí)可行的介入和控制方法，最后的效果都不是很明顯。本文通過(guò)德州電廠(chǎng)項(xiàng)目改造，有效控制了再熱氣溫問(wèn)題，為電力行業(yè)內(nèi)部相似問(wèn)題提供了參考。

1 相關(guān)系統(tǒng)介紹

德州1號(hào)機(jī)組為哈鍋生產(chǎn)的300 MW、1025T/H亞臨界、一次中間再熱、四角切圓燃燒、自然循環(huán)汽包爐。該機(jī)組改造前再熱汽溫調(diào)節(jié)運(yùn)行工況為:運(yùn)行人員手動(dòng)改變擺動(dòng)燃燒器傾角為主，自動(dòng)調(diào)節(jié)再熱汽事故噴水閥門(mén)為輔的調(diào)節(jié)方式。具體運(yùn)行方式如下。

1.1 噴燃器 (火嘴)擺角手動(dòng)調(diào)節(jié)

目前德州電廠(chǎng)只能憑借運(yùn)行人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，跟隨機(jī)組負(fù)荷手動(dòng)操作再熱汽溫溫度的變化。通過(guò)擺動(dòng)燃燒器傾角，改變鍋爐內(nèi)煤粉燃燒火焰中心，沿爐膛中心線(xiàn)高度位置上下平移，達(dá)到使?fàn)t膛出口煙溫發(fā)生相應(yīng)的變化，改變爐內(nèi)輻射傳熱量和煙道對(duì)流傳熱量的分配比例，從而改變?cè)贌崞鞯奈鼰崃俊?/p>

1.2 再熱汽減溫水噴水調(diào)節(jié)

這種手段不利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，一般在國(guó)外成熟機(jī)組不單獨(dú)使用，主要作為煙氣擋板調(diào)節(jié)或者噴燃器擺角調(diào)節(jié)的輔助手段。但是在德州電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組由于沒(méi)有煙氣擋板，并且噴燃器只能手動(dòng)調(diào)節(jié)，使得減溫水事故調(diào)門(mén)成為唯一有效的調(diào)節(jié)手段?，F(xiàn)在1號(hào)機(jī)組再熱汽溫主要靠減溫水調(diào)節(jié)閥噴水控制，減溫水噴水控制分別由A側(cè)減溫水噴水回路和B側(cè)減溫水噴水回路獨(dú)立完成，每一側(cè)的減溫水噴水控制回路，由一個(gè)串級(jí)PID控制回路加前饋控制系統(tǒng)組成，并引入總風(fēng)量測(cè)量值作為前饋信號(hào)。

由于機(jī)組再熱汽溫控制由運(yùn)行人員手動(dòng)以最大3°/min的幅度控制擺角，與操作員的操作經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣密切相關(guān)，無(wú)法保證控制水平的一致性和穩(wěn)定性。減溫水調(diào)節(jié)閥頻繁開(kāi)關(guān)，既浪費(fèi)了能源，又降低了設(shè)備的使用壽命。擺動(dòng)燃燒器調(diào)門(mén)的操作無(wú)法兼顧A，B兩側(cè)的再熱汽溫均衡控制，而且自動(dòng)投入率不高、噴水消耗比較大、汽溫波動(dòng)幅度大等問(wèn)題都比較突出。

2 控軟先進(jìn)控制軟件優(yōu)化系統(tǒng)介紹

2.1 再熱汽減溫水系統(tǒng)優(yōu)化

優(yōu)化方案目的。德州電廠(chǎng)先后對(duì)常規(guī)PID策略?xún)?yōu)化、模糊控制、預(yù)測(cè)控制等解決方案進(jìn)行了試驗(yàn)，最終確定了采用北京控軟公司AECS-2000先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)以O(shè)PC通訊的介入模式，采用了系統(tǒng)內(nèi)INTUNE(建模引擎)，MANTRA(運(yùn)行引擎)，通過(guò)借助軟件的CC協(xié)調(diào)控制、IMC內(nèi)膜控制、MMC多變量解耦控制模塊的先進(jìn)控制功能塊，排除過(guò)程中的大滯后、延遲、耦合干擾，優(yōu)化控制器的輸出，以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)態(tài)控制。實(shí)現(xiàn)再熱汽溫控制以擺嘴自動(dòng)為主，以減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)為輔的工作模式，消除溫度控制特有的大滯后、多耦合等因素引起的調(diào)節(jié)品質(zhì)不理想的現(xiàn)狀，提高機(jī)組熱效率以及機(jī)組的AGC快速反應(yīng)能力，保證機(jī)組整體安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)過(guò)程控制優(yōu)化策略及設(shè)計(jì)方案

(1)MANTRA控制軟件與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊方案。作為先進(jìn)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用軟件，MANTRA與DCS上的控制回路緊密相連。DCS中一些操作約束條件可有效阻止一些不可行的控制狀況，一旦通訊中斷時(shí)，DCS回應(yīng)報(bào)警并自動(dòng)切換到備份模式。

(2)DCS側(cè)的相應(yīng)邏輯策略。在新華DCS控制系統(tǒng)側(cè)，設(shè)置必要的先進(jìn)控制投切安全保護(hù)策略。目的有以下兩點(diǎn):第一，通過(guò)新華的DCS控制邏輯，判斷MANTRA是否獲得控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員通過(guò)操作畫(huà)面進(jìn)行擺角再熱汽溫先進(jìn)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng) (以下簡(jiǎn)稱(chēng)APC)的投入和切除操作。同時(shí)在APC控制投入時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠和DCS系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)控制信號(hào)和反饋信號(hào)的數(shù)據(jù)傳遞;第二，在APC控制切除時(shí)，控制信號(hào)交還給原有新華PID控制邏輯進(jìn)行控制，保證控制模式的無(wú)擾切換，避免再熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)而影響系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 APC的工作原理圖Fig.1 Principle of the APC

(3)先進(jìn)控制策略方案。簡(jiǎn)單策略原理如圖2。上方和下方利用MANTRA協(xié)調(diào)控制CC模塊以A，B再熱器出口溫度為PV，以鍋爐風(fēng)量為前饋，以擺角控制器輸出和A，B再熱汽溫調(diào)門(mén)輸出為跟蹤量。基于PV-SP的偏差經(jīng) (INTUNE)內(nèi)建模型和調(diào)試計(jì)算后實(shí)行兩路控制器輸出，一路為A，B再熱汽溫調(diào)節(jié)CO2，送入下級(jí)控制模塊和再熱器入口汽溫PV進(jìn)行比較運(yùn)算后輸入進(jìn)入內(nèi)膜控制模塊IMC進(jìn)行相關(guān)一側(cè)的再熱器調(diào)門(mén)指令控制;一路為擺角控制器輸出CO1，上下兩個(gè)CC模塊的擺角控制輸出引入MANTRA的內(nèi)膜控制模塊IMC，并且與A，B再熱器噴水后溫度和擺角的實(shí)際位置進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和運(yùn)算后輸出，再次與A，B側(cè)再熱汽溫輸出參數(shù)進(jìn)行解耦和均衡后輸出擺角調(diào)門(mén)控制指令，經(jīng)過(guò)速率限制后對(duì)擺角進(jìn)行精化細(xì)致的調(diào)節(jié)。

此策略利用CC控制模塊和IMC內(nèi)膜控制模塊，通過(guò)分別操控系統(tǒng)的三個(gè)不同的輸入信號(hào)加一個(gè)前饋信號(hào)來(lái)控制擺角和減溫水的耦合過(guò)程變量。使用這兩種先進(jìn)控制策略主要目的:(1)抑制過(guò)程干擾。在達(dá)到控制要求的情況下，最大限度地使用擺角控制器來(lái)調(diào)節(jié)再熱溫度;在穩(wěn)態(tài)控制的情況下，優(yōu)化兩個(gè)控制器的輸出。先進(jìn)控制策略使用兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)表“Active”和“Target”來(lái)實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)目標(biāo)。其中的“Active”參數(shù)表定義了CC控制模塊中，需要哪個(gè)控制器輸出設(shè)備的期望控制作用最強(qiáng)、最有效。當(dāng)過(guò)程量測(cè)值偏離設(shè)定值后，控制作用最強(qiáng) (也是最有效)的控制器輸出首先起作用。當(dāng)控制作用最強(qiáng)的控制器輸出飽和后，使用期望控制作用較弱的控制器進(jìn)行補(bǔ)償式耦合作用。本策略中，就是使用擺角控制器作為首選的期望控制作用最強(qiáng)的控制器，減溫水調(diào)節(jié)閥作為第二選擇的控制器。這樣，如果再熱汽溫PV值嚴(yán)重偏離了SP值，可以在擺角最大作用后，繼續(xù)通過(guò)控制減溫水調(diào)節(jié)閥耦合互補(bǔ)的進(jìn)行迅速響應(yīng)，力求兩種力量的疊合后快速使過(guò)程穩(wěn)定。(2)先進(jìn)控制同時(shí)使用Target參數(shù)表定義了在長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài)下，用戶(hù)所期望的各個(gè)控制器輸出的目標(biāo)值。當(dāng)過(guò)程測(cè)量值達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值后，控制模塊就開(kāi)始在不影響過(guò)程的情況下，驅(qū)動(dòng)每一個(gè)控制器輸出達(dá)到他們的目標(biāo)值。比如可以設(shè)定減溫水調(diào)節(jié)閥輸出為比較小的值 (例如10%)，擺角控制器為比較大的值(例如100%)。這樣，在保證過(guò)程穩(wěn)定的條件下，就可以盡量使用擺角控制器來(lái)調(diào)節(jié)再熱溫度。

圖2 先進(jìn)控制策略及方法的簡(jiǎn)單示意圖Fig.2 Single sketch of APC control strategy method

3 系統(tǒng)投運(yùn)前后效果分析

如圖3所示的歷史曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，是德州電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組在未投入APC自動(dòng)控制，運(yùn)行人員在省調(diào)度AGC自動(dòng)投入的情況下，對(duì)擺角再熱汽控制進(jìn)行全程手動(dòng)控制的一個(gè)歷史曲線(xiàn)圖。從中能看到機(jī)組負(fù)荷在260～300 MW負(fù)荷波動(dòng)工況下的1 h內(nèi)，擺角由運(yùn)行人員從50%降至45% (0°到-2.5°)，A再熱汽溫波動(dòng)為534℃到547℃，其中超過(guò)要求535℃ ～545℃的，廠(chǎng)內(nèi)要求再熱汽溫波動(dòng)指標(biāo)范圍 (再熱汽溫設(shè)定值一般在540℃±2℃)5次;B再溫度波動(dòng)為532℃到544℃，超過(guò)要求溫度范圍3次。A再溫度幾乎大部分在設(shè)定點(diǎn)溫度541℃上方運(yùn)行，而B(niǎo)再溫度幾乎全程在設(shè)定點(diǎn)溫度下方運(yùn)行，同時(shí)運(yùn)行人員手段干預(yù)擺角并且減溫水調(diào)門(mén)頻繁動(dòng)作，造成A再熱汽噴水量平均8 t/h的流量且最高流量達(dá)到24 t/h的流量值，B再熱汽噴水量平均2.6 t/h的流量，最高流量至11.5 t/h的流量。

圖4所示是德州電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組APC自動(dòng)控制系統(tǒng)，成功經(jīng)受省調(diào)度AGC自動(dòng)投入下，負(fù)荷短時(shí)間大幅度擺動(dòng)的運(yùn)行工況考驗(yàn)的歷史數(shù)據(jù)圖。圖中通過(guò)升降負(fù)荷的前后兩部分，比較分析了實(shí)際APC控制投入情況與圖3的情況，說(shuō)明先進(jìn)控制系統(tǒng)精確調(diào)控再熱汽溫的效果。

快速負(fù)荷上升階段:機(jī)組在接到調(diào)度中心指令后，負(fù)荷快速在1 h內(nèi)由210 MW升到303 MW期間，APC自動(dòng)控制系統(tǒng)先通過(guò)IMC，MMC控制模塊，通過(guò)CC模塊協(xié)調(diào)A，B兩側(cè)再熱汽溫的偏差值后，內(nèi)模塊計(jì)算輸出相應(yīng)的快速指令對(duì)主調(diào)手段的擺角先行快速由70%升到80%的限幅，使A，B再熱汽溫快速由537℃左右同時(shí)升到545℃左右，隨著負(fù)荷前饋的快速攀升以及汽溫在設(shè)定值541℃以上產(chǎn)生的近4℃的大偏差而迅速觸發(fā)輔助手段的減溫水調(diào)門(mén)打開(kāi)噴水，通過(guò)短時(shí)間的1～2 t/h的流量而使再熱汽溫快速回調(diào)并維持在541℃設(shè)定值附近波動(dòng)運(yùn)行，隨著負(fù)荷的不斷攀升，主調(diào)擺角以一定的速率不斷下行，同時(shí)副調(diào)的減溫水先關(guān)閉再快速開(kāi)大后關(guān)閉配合消除汽溫的上升趨勢(shì)。

快速負(fù)荷下降階段:機(jī)組在調(diào)度指令要求下，負(fù)荷快速在隨后1 h內(nèi)由303 MW降到200 MW期間，作為主調(diào)手段的擺角在APC自動(dòng)控制系統(tǒng)的先進(jìn)控制策略辨識(shí)和多變量模糊矩陣快速運(yùn)算下，順著調(diào)節(jié)慣性繼續(xù)快速關(guān)到最低點(diǎn)30%，使A，B再熱汽溫穩(wěn)定的由近545℃下降到535℃，隨著負(fù)荷前饋的快速下降，汽溫在設(shè)定值541℃以下產(chǎn)生的-4℃的負(fù)偏差下觸發(fā)輔助手段的減溫水調(diào)門(mén)完全關(guān)閉，而主調(diào)手段擺角開(kāi)始以較快速率向上擺動(dòng)到最高80%的限幅，使再熱汽溫快速上升回歸設(shè)定值541℃設(shè)定值附近，當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)下降到200 MW以下時(shí)，由于擺角全開(kāi)減溫水門(mén)全關(guān)，同時(shí)燃燒工況熱值已經(jīng)不足以維持A，B再熱汽溫上到540℃時(shí)，APC系統(tǒng)自動(dòng)無(wú)擾切除轉(zhuǎn)入手動(dòng)控制。

通過(guò)APC自動(dòng)控制系統(tǒng)未投入和投入時(shí)的歷史曲線(xiàn)數(shù)據(jù)分析，能看到在不到兩小時(shí)，負(fù)荷快速由210 MW攀升到303 MW，然后急劇降低到200 MW以下的極端運(yùn)行工況期間，擺角再熱汽溫聯(lián)合先進(jìn)控制APC系統(tǒng)，能在這個(gè)極端過(guò)程中全程自動(dòng)的情況下，通過(guò)以擺角為主控、兩側(cè)減溫水調(diào)門(mén)為輔助調(diào)節(jié)手段的方式，快速響應(yīng)大負(fù)荷擾動(dòng)，極好地維持了A，B兩側(cè)再熱汽溫在535℃～545℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，最后在運(yùn)行燃燒控制系統(tǒng)熱值不足以維持A，B再熱汽溫540℃的條件工況下，自動(dòng)無(wú)擾切換到手動(dòng)控制而把控制權(quán)交給新華DCS控制系統(tǒng)，由運(yùn)行人員進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了再熱汽溫的精細(xì)化自動(dòng)控制。

4 應(yīng)用總結(jié)及經(jīng)濟(jì)性分析

控軟的AECS2000先進(jìn)控制提供了多種高級(jí)功能，如INTUNE(建模和優(yōu)化引擎)、MANTRA(運(yùn)行引擎)LPM(電廠(chǎng)控制性能監(jiān)測(cè))等。只需要幾個(gè)模塊的簡(jiǎn)單組合，就能完成復(fù)雜的過(guò)程控制方案。優(yōu)點(diǎn)如下:(1)作為先進(jìn)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用軟件，APC系統(tǒng)與DCS上的控制回路緊密相連。DCS中一些操作約束條件，可有效阻止一些不可行的控制狀況。通訊中斷時(shí)，DCS回報(bào)警并自動(dòng)切換到備份模式。(2)MANTRA的諸多先進(jìn)控制功能塊:CC，MMC，IMC可以提供預(yù)測(cè)控制，有效排除過(guò)程的干擾，優(yōu)化控制器的輸出以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)態(tài)控制。(3)INTUNE具有自動(dòng)整定 (Auto-Tuning)功能，即當(dāng)一個(gè)回路在控制策略搭建完成以后，通過(guò)開(kāi)環(huán)擾動(dòng)試驗(yàn)，收集曲線(xiàn)后會(huì)進(jìn)行模型辨識(shí)，并給出回路魯棒特性?xún)?yōu)良的PID參數(shù)，為過(guò)程控制提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和控制參數(shù)。自適應(yīng)優(yōu)化 (Adapt-Tune)功能、自適應(yīng)優(yōu)化工具實(shí)際是一個(gè)系統(tǒng)，他的“無(wú)干擾”理論使用了極其復(fù)雜的啟發(fā)式算法，自動(dòng)偵測(cè)過(guò)程的異常情況，從而無(wú)擾本過(guò)程回路的最優(yōu)化控制參數(shù)值。

統(tǒng)計(jì)分析了經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)2011年運(yùn)行參數(shù)的統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 2011年平均月再熱汽溫?cái)?shù)據(jù)表Tab.1 Luna average data of 2011

通過(guò)擺角再熱汽溫聯(lián)合的先進(jìn)過(guò)程控制的優(yōu)化改造后，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性做了預(yù)期統(tǒng)計(jì):如果按照最嚴(yán)峻的運(yùn)行工況來(lái)計(jì)算，將有如表2所示的月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表。

表2 擺角再熱汽溫APC自動(dòng)投入后月預(yù)期統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Luna average data after alteration

比較表1和表2:

投入APC控制系系統(tǒng)之前，A再?lài)娝刂茰囟日`差Ta=±7℃，B再?lài)娝刂茰囟日`差Tb=±6℃。

投入APC控制系系統(tǒng)之后，A再?lài)娝刂茰囟日`差Ta=±6℃，B再?lài)娝刂茰囟日`差Tb=5℃。

兩值之差: ΔT=ΔTa+ΔTb=(Ta-Ta)+(Tb-Tb)=(7-6)+(6-5)=2(℃)

按照20萬(wàn)kW機(jī)組計(jì)算，增加1℃，每小時(shí)需要增加耗煤量40 kg/℃。假定機(jī)組每年運(yùn)行312 d，計(jì)7 500 h，一年節(jié)約的煤量為:

根據(jù)煤燃燒的化學(xué)方程，

按照煤的含碳量為70%計(jì)算，每年減少的CO2排放量為:

實(shí)施了APC先進(jìn)過(guò)程控制策略后得到的效益是多方面的:在運(yùn)行效益方面，協(xié)調(diào)控制器CC及內(nèi)膜控制器IMC的使用，可有效消除擺角控制回路與噴水減溫控制回路之間的關(guān)聯(lián)耦合，優(yōu)化控制輸出，實(shí)現(xiàn)了再熱汽溫調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)，采用擺角控制為主、噴水減溫控制為輔的控制策略，并保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定控制。通過(guò)擺角控制與噴水減溫控制的優(yōu)先次序，縮短達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。同時(shí)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，成功解決了過(guò)程的大遲延、大滯后以及控制器輸出飽和問(wèn)題。魯棒的模型修正技術(shù)，對(duì)非線(xiàn)性過(guò)程或隨著長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)其過(guò)程特性發(fā)生變化的過(guò)程進(jìn)行修正，實(shí)時(shí)補(bǔ)償和優(yōu)化了再熱汽系統(tǒng)的控制品質(zhì)。引入減溫器入口汽溫為前饋信號(hào)，提高了控制器響應(yīng)和控制精度。在經(jīng)濟(jì)效益方面，APC的投入，穩(wěn)定了再熱汽溫，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，降低了再熱減溫水用量，提高了機(jī)組效率，節(jié)省了能源;降低操作員和工程師的工作量，提高工作效率并減少了設(shè)備由于超溫造成爆管的幾率，從而提高了機(jī)組的整體使用壽命。

5 結(jié)論

隨著電力行業(yè)技術(shù)和自動(dòng)化水平的不斷提高，先進(jìn)過(guò)程自動(dòng)控制策略將不斷發(fā)展出新的模塊化、集成化、軟件系統(tǒng)化、智能化的、自適應(yīng)能力強(qiáng)的新技術(shù)和新策略手段，從而滿(mǎn)足更大的市場(chǎng)需求。

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