超臨界機組再熱汽溫預測控制策略研究與應用

朱 祥

（江蘇南熱發(fā)電有限責任公司）

超臨界機組再熱汽溫預測控制策略研究與應用

朱 祥

（江蘇南熱發(fā)電有限責任公司）

本文首先提出了一種設計簡單、易于實現(xiàn)的變結構預測控制算法，并針對超臨界機組再熱汽溫被控對象具有大滯后及時變性的特點，提出了超臨界機組再熱汽溫變結構預測控制策略，并成功應用于江蘇南熱發(fā)電有限責任公司2×650MW超臨界機組再熱汽溫控制中，確保了再熱煙氣擋板的長期穩(wěn)定投入，有效減小了再熱汽溫的波動范圍，減少了再熱事故噴水量，確保了超臨界機組的安全、穩(wěn)定運行。

超臨界機組；再熱汽溫；變結構預測控制

0 引言

江蘇南熱發(fā)電有限責任公司2×650MW超臨界機組的再熱汽溫主要以調節(jié)再熱煙氣擋板來控制，而以事故噴水為輔助調節(jié)手段（噴水點在低再的入口）。改造前的再熱汽溫控制系統(tǒng)基本上都沒有投入運行，煙氣擋板和事故噴水均依靠手動操作，每天的操作量約占整個機組操作量的80%，運行的操作強度大。主要原因：再熱汽溫被控對象具有很大的滯后和慣性（20min以上），常規(guī)的PID控制系統(tǒng)很難有效抑制再熱汽溫的大范圍變化，應采用基于大滯后控制理論的優(yōu)化控制策略才能對再熱汽溫進行有效控制。由于預測控制可根據所預測的未來時間段內的被控偏差來進行調節(jié)，若用預測控制來實現(xiàn)鍋爐的再熱汽溫調節(jié)，則可以有效“提前”鍋爐再熱煙氣擋板和再熱噴水的調節(jié)，實現(xiàn)對鍋爐再熱汽溫的有效控制。在再熱汽溫控制系統(tǒng)的運行過程中，要根據實際狀況限制再熱煙氣擋板和再熱噴水的調節(jié)范圍，因此，在研究再熱汽溫的預測控制時，必須采用受限的預測控制算法，在求解優(yōu)化問題時只能采用非線性約束優(yōu)化方法, 計算過程非常復雜，在工程上幾乎無法實現(xiàn)。

本文借鑒變結構控制理論的實現(xiàn)方法，提出了一種基于變結構的預測控制算法，利用該控制算法, 使得預測控制系統(tǒng)的設計和控制算法變得較為簡單。在此基礎上，針對江蘇南熱發(fā)電有限責任公司2×650MW超臨界機組再熱汽溫控制中的實際問題，提出了基于變結構預測控制思想的再熱汽溫優(yōu)化控制策略，應用后有效地提高了鍋爐再熱汽溫的控制性能。

1　被控對象

鍋爐本體為哈爾濱鍋爐廠引進三井巴布科克能源公司技術生產的超臨界變壓運行螺旋管圈直流、單爐膛、一次中間再熱、前后墻對沖旋流燃燒方式、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結構、Ⅱ型露天布置燃煤鍋爐。再熱汽溫以采用尾部煙氣擋板調節(jié)為主，鍋爐尾部煙道分為兩個并列的煙道，分別布置一級過熱器和低溫再熱器。在煙溫較低的省煤器下面布置可控制的煙氣擋板，再熱器煙道擋板和過熱器煙道擋板配合動作，改變流經再熱器煙道的煙氣流量，從而控制再熱蒸汽的溫度。

為研究新型的再熱汽溫控制系統(tǒng)，對再熱汽溫被控對象進行了完整的動態(tài)特性試驗。在高、中、低負荷點上分別進行了煙氣擋板和事故噴水調門的階躍響應試驗，試驗結果如表1所示。

對上述試驗結果，可作如下分析：

1）負荷降低時，無論是煙氣擋板還是事故噴水，其對象的慣性時間和純滯后時間都會增加。主要原因：當負荷降低時，煙氣流速和蒸汽流速相應降低，煙氣和蒸汽之間的熱交換速度變慢，從而導致過程的純滯后和慣性增加；

表1　再熱汽溫被控對象特性試驗結果說明

2）負荷降低時，對于煙氣擋板，其對象的靜態(tài)增益減小。主要原因是當負荷降低時，為保證再熱氣溫，煙氣擋板的位置將開大，使擋板位置的改變對煙氣流量的變化變得不敏感，從而使對象的靜態(tài)增益變??；而對于事故噴水，其過程的靜態(tài)增益則增加，這是由熱力系統(tǒng)的熱平衡方程所決定的，在低負荷時，再熱蒸汽流量較小，顯然相同的噴水流量對再熱汽溫的影響要大。

由此可見，在機組變負荷時，理論分析與試驗結果是一致的。從對象的動態(tài)特性中，可進一步獲得如下結論：1）無論是煙氣擋板還是事故噴水，都具有很大的純滯后和很長的慣性時間，應盡可能采用基于大滯后控制理論的優(yōu)化控制策略來實現(xiàn)對再熱汽溫的有效控制；

2）事故噴水的滯后和慣性反而大于煙氣擋板，依靠噴水難以快速抑制再熱汽溫的超溫；

3）在高、中、低負荷點上，再熱汽溫被控對象的動態(tài)特性具有較大的差別，新的控制系統(tǒng)應有強的自適應能力。

2再熱汽溫優(yōu)化控制策略

2.1再熱煙氣擋板控制策略

煙氣擋板控制作為調節(jié)再熱汽溫的主要回路，以A側為例（B側相同），其控制系統(tǒng)的結構如圖1所示。

在反饋控制回路中，采用本文的變結構預測控制算法，在確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件下，加快煙氣擋板的調節(jié)速度。在系統(tǒng)的前饋通道中，采用了基于操作經驗的模糊智能前饋技術，加快了煙氣擋板的調節(jié)速度，有效地抑制再熱汽溫的動態(tài)偏差。

2.2變結構預測控制算法

鍋爐再熱汽溫的被控過程都是開環(huán)穩(wěn)定的,其特性可以用以下階躍響應模型來描述

式中，?u（ k）= u（ k）?u（ k ?1）；y 為過程輸出；u 為控制輸入；Hj為過程的階躍響應系數(shù)；n 為正整數(shù)。由模型（1）可計算過程在 k+N 時刻的輸出預測值為

圖1　新型再熱汽溫主控系統(tǒng)結構圖

式中，y（k+N）為 k+N 時刻過程輸出的預測值；d （k+N）為k+N時刻過程所受擾動的預測值；N為預測步數(shù)。

由式（2）可知 , 過程未來輸出的預測值由三項組成：第一項取決于當前的和未來的控制序列；第二項由過去各時刻的控制量決定，在當前時刻是已知的；第三項為相應時刻過程所受擾動的預測值。假定過程未來各時刻所受的擾動不變,其值為當前時刻所受的擾動量大小 ,則

式中，ym（k）為當前時刻過程輸出的測量值；d（k）為當前時刻過程所受擾動量的估計值。這里的擾動是廣義的，它包含了控制系統(tǒng)的外部擾動、過程模型的參數(shù)攝動及過程未建模誤差對系統(tǒng)的綜合影響。

取目標函數(shù)為

其中

式中，r為過程輸出的設定值； c（q-1）為穩(wěn)定多項式。設過程當前及未來的控制序列為一恒定值,其大小分別取u（k-1）和u（k）,所對應的目標函數(shù)值分別為OBJ0（k+N）和OBJ1（k+N）。借鑒變結構控制的思想, 預測控制問題描述為，求當前控制輸入u（k）,使

并滿足約束條件

式中，uL和 uH分別為過程控制輸入的下限和上限。

c（q-1）的不同構造對控制系統(tǒng)性能會有明顯的影響。但大量仿真研究結果表明，對于熱工過程，選取低階次的c（q-1）時，也可獲得較好的品質，為此，本文取

由式（4）得

式中，。

當OBJ1（k+N）＞0時，式（5）等價為

將式（9）代入得

不失一般性 ,設HN＞HN-1＞0，則有

因此，當OBJ1（k+N）＞0時，△u（k）可取

考慮到約束條件式（6）后，可推導獲得

可取

根據式（10）、（12），當OBJ1（k+N）＞0時，控制作用u（k）為

同樣的推導，當OBJ1（k+N）≤0時，控制作用u（k）為

其中

因此，變結構預測控制算法要按如下簡單的代數(shù)計算步驟完成：

1）在k時刻，由式（3）和（8）計算OBJ1（k+N）；

2） 當OBJ1（k+N）＞0時 ,由式（12）和（13）計算控制輸入u（k）。當OBJ1（k+N）＜0時 , 由式（14）和（15）計算控制輸入u（k）。當OBJ1（k+N）=0時，u（k）=u（k-1）；

3）將步驟（2）計算得到的u（k）作用于被控過程；

4 ）k=k+1,回到步驟（1）執(zhí)行。

2.3基于模糊控制理論的智能前饋技術

對于象再熱汽溫這樣的大滯后和大慣性過程，設計合理的前饋控制是十分必要的。在新型的再熱汽溫控制系統(tǒng)中，采用了基于機組負荷指令的前饋及基于再熱汽溫偏差及偏差變化率的智能前饋。其中，基于機組負荷指令的前饋又分為負荷小范圍內變化及大幅變化時的二種前饋信號，該類前饋量與變負荷速率、負荷指令大小以及再熱汽溫的實際運行情況有關，本文中該部分的前饋量為（-30%～30%）。

在實際運行過程中，運行人員往往可以根據再熱汽溫的偏差及偏差變化率來快速調整煙氣擋板的開度，而這種快速的操作思想完全可以通過智能前饋控制器來實現(xiàn)。

2.4事故噴水控制系統(tǒng)

以A側為例（B側相同），再熱汽溫事故噴水的控制方案如圖2所示。與煙氣擋板控制相同，采用變結構預測控制器VSPC實現(xiàn)反饋控制。前饋均采用了與前面相似的模糊智能前饋，并融入了如下控制思想：

1）當煙氣擋板關到某一位置時，煙氣擋板的調節(jié)余量已較小，可切換到噴水調節(jié)再熱汽溫，以不致使再熱汽溫過高；

2）當再熱汽溫已回調時，應及時關小噴水門，并根據回調情況及時關閉噴水門，盡可能減少噴水流量。

2.5防止壁溫超溫的智能控制回路

在控制系統(tǒng)中還設計了防止再熱器金屬壁溫超溫的智能控制回路，當壁溫接近限值時，能自動調整再熱汽溫設定值，并快速關小煙氣擋板一定值。若這些措施仍無法抑制金屬壁溫，則自動打開噴水閥，抑制金屬壁溫繼續(xù)上升。

3　再熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)的應用

3.1優(yōu)化前的狀態(tài)

在再熱汽溫控制系統(tǒng)優(yōu)化前，再熱汽溫控制系統(tǒng)主要存在如下問題：

1）原DCS再熱煙氣擋板自動和再熱減溫水自動的控制邏輯及控制參數(shù)均存在問題，導致自動無法投入，運行人員只能手動調節(jié)再熱汽溫；

2）由于再熱汽溫被控對象的大滯后特性，運行人員不能很好地掌握其調節(jié)規(guī)律，造成手動調節(jié)時再熱汽溫在大部分時間均處于等幅振蕩狀態(tài)，振蕩的幅度達15～ 20℃；并且在大幅升降負荷、啟停制粉系統(tǒng)時極易造成超溫，同時減溫水調節(jié)頻繁，閥門動作幅度和減溫水用量均較大，明顯影響機組安全性和經濟性。

3.2優(yōu)化后的狀態(tài)

新型再熱汽溫控制系統(tǒng)已在江蘇南熱發(fā)電有限責任公司2×650MW超臨界機組上連續(xù)穩(wěn)定運行了2年多，機組的再熱汽溫的運行品質有了大幅度的提高，主要體現(xiàn)在：1）新型再熱汽溫控制系統(tǒng)已完全避免了控制系統(tǒng)的反復振蕩，有效減小了再熱汽溫的波動范圍，完全能滿足機組正常運行的需要。圖3機組正常AGC調節(jié)運行中再熱汽溫的運行曲線，機組運行于AGC方式（5h運行曲線），負荷在470～530MW范圍內來回變化，再熱汽溫最大偏差僅為±5℃，且運行非常平穩(wěn)，汽溫最低值為558℃。

圖3　機組正常AGC調節(jié)運行中再熱汽溫的控制曲線

2）再熱汽溫在大幅升降負荷等惡劣工況擾動時，同樣具有良好的控制品質。典型的運行曲線如圖4所示，機組負荷由470MW快速變化至560MW，優(yōu)化系統(tǒng)能迅速調節(jié)再熱汽溫在合理范圍內，最大動態(tài)偏差＜±7℃。

圖4　機組AGC大幅變負荷時再熱汽溫的運行曲線

4　結束語

本文提出的基于變結構預測控制技術的超臨界機組新型再熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以確保再熱汽溫煙氣擋板和事故噴水控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定地投入運行，能有效減小再熱汽溫的波動范圍，減少事故噴水量，且能防止再熱器金屬壁溫的超溫。

［1］ 呂劍虹， 袁震， 楊榕，等. 基于狀態(tài)變量控制器的再熱汽溫控制系統(tǒng)［J］.中國電力， 2002，35（1）：53-56.

［2］ 華志剛，呂劍虹. 狀態(tài)變量-預測控制技術在600MW機組再熱汽溫控制中的研究與應用 ［J］. 中國電機工程學報， 2005，25（12）：103-107.

［3］ 呂劍虹.預測控制在熱工過程控制中的應用研究［D］.南京：東南大學，1990.

［4］ 高為炳. 變結構控制理論基礎［M］ . 北京：中國科學技術出版社， 1990.

（2016-02-15）