變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法在1000MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用

龔　誠(chéng)

（江蘇南通天生港發(fā)電有限公司）

變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法在1000MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用

龔誠(chéng)

（江蘇南通天生港發(fā)電有限公司）

基于變結(jié)構(gòu)控制方法和預(yù)測(cè)控制思想，提出了一種基于變結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)控制算法。 與傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制方法相比， 該算法具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)江蘇南通發(fā)電有限公司1000MW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制性能不理想等實(shí)際問(wèn)題，采用本文的變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法，提出了基于變結(jié)構(gòu)控制思想的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化控制系統(tǒng)有效提高了機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能，有效減小了關(guān)鍵參數(shù)的波動(dòng)，大大提高了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

協(xié)調(diào)控制；變結(jié)構(gòu)；預(yù)測(cè)控制；負(fù)荷調(diào)節(jié)性能

0　引言

江蘇南通發(fā)電有限公司1000MW超超臨界機(jī)組的DCS采用艾默生公司的Ovation控制系統(tǒng)，在優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)施前，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的“負(fù)荷指令前饋”+“PID反饋”的調(diào)節(jié)方案, 由于鍋爐煤量對(duì)主蒸汽壓力影響的慣性時(shí)間長(zhǎng)，常規(guī)的PID控制往往難于對(duì)該類大滯后過(guò)程進(jìn)行有效控制［1-3］。原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的具體性能如下。

1）負(fù)荷控制：變負(fù)荷率在1%Pe/min左右，AGC的考核速率和精度不理想；

2）主汽壓力控制：在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)控制性能尚可，但在變負(fù)荷過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)0.7～0.8MPa幅度的控制偏差，且長(zhǎng)時(shí)間振蕩不易穩(wěn)定；

3）主汽溫度控制：由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的水煤比控制不合理，主汽溫波動(dòng)達(dá)10～15℃，常需要手動(dòng)干預(yù)。另外，主汽溫易長(zhǎng)時(shí)間偏低，大部分時(shí)間均低于設(shè)定值5℃左右運(yùn)行，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性受到明顯影響。

由于鍋爐的慣性時(shí)間長(zhǎng)，而汽機(jī)的慣性時(shí)間很短，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐跟不上汽機(jī)所導(dǎo)致的能量不平衡是造成機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)性能差、關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)大的根本原因［1-2］，因此，要讓鍋爐跟上汽輪機(jī)的能量需求，正確的方法是“提前”調(diào)整鍋爐熱負(fù)荷指令，依靠“提前的時(shí)間”來(lái)彌補(bǔ)鍋爐的“慣性”。 預(yù)測(cè)控制可根據(jù)所預(yù)測(cè)的未來(lái)時(shí)間段內(nèi)的被控偏差來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，若用預(yù)測(cè)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)，則可以有效“提前”鍋爐熱負(fù)荷的調(diào)整［4］，確保鍋爐能與汽輪機(jī)充分協(xié)調(diào)。但是，由于超超臨界協(xié)調(diào)系統(tǒng)對(duì)象是3×3的多變量對(duì)象，而且很多控制作用還必須限制在一定的范圍內(nèi)，因此，應(yīng)用時(shí)必須采用受限的多變量預(yù)測(cè)控制算法。由于目前所提出的預(yù)測(cè)控制方法普遍采用基于二次型性能指標(biāo)的優(yōu)化策略求解預(yù)測(cè)控制問(wèn)題, 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般十分復(fù)雜,當(dāng)對(duì)控制量有約束時(shí),預(yù)測(cè)控制的求解變成了非線性約束優(yōu)化問(wèn)題, 其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制算法更為復(fù)雜。特別是對(duì)于多變量的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，難于實(shí)際應(yīng)用。

變結(jié)構(gòu)控制是一種普遍適用的控制系統(tǒng)綜合方法［5］，它利用切換函數(shù)將控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為求解控制量，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。一個(gè)很自然的想法是, 是否能借鑒變結(jié)構(gòu)控制方法來(lái)求解預(yù)測(cè)控制問(wèn)題, 使得預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制算法變得較為簡(jiǎn)單。為此本文首先提出了一種基于變結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)控制算法，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)江蘇南通發(fā)電有限公司1000MW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制性能不理想等實(shí)際問(wèn)題，提出了基于變結(jié)構(gòu)控制思想的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，應(yīng)用后有效地提高了協(xié)調(diào)控制的性能。

1　基于變結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)控制算法

火電機(jī)組的被控過(guò)程一般都是開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的,其特性可以用以下階躍響應(yīng)模型來(lái)描述

式中，y（t+N）為t+N時(shí)刻過(guò)程輸出的預(yù)測(cè)值；d（t+N）為t+N時(shí)刻過(guò)程所受擾動(dòng)的預(yù)測(cè)值；N為預(yù)測(cè)步數(shù)。

由式（2）可知 , 過(guò)程未來(lái)輸出的預(yù)測(cè)值由三項(xiàng)組成：第一項(xiàng)取決于當(dāng)前的和未來(lái)的控制序列；第二項(xiàng)由過(guò)去各時(shí)刻的控制量決定，在當(dāng)前時(shí)刻是已知的；第三項(xiàng)為相應(yīng)時(shí)刻過(guò)程所受擾動(dòng)的預(yù)測(cè)值。假定過(guò)程未來(lái)各時(shí)刻所受的擾動(dòng)不變,其值為當(dāng)前時(shí)刻所受的擾動(dòng)量大小 ,則

式中，ym（t）為當(dāng)前時(shí)刻過(guò)程輸出的測(cè)量值；d（t）為當(dāng)前時(shí)刻過(guò)程所受擾動(dòng)量的估計(jì)值。這里的擾動(dòng)是廣義的，它包含了控制系統(tǒng)的外部擾動(dòng)、過(guò)程模型的參數(shù)攝動(dòng)及過(guò)程未建模誤差對(duì)系統(tǒng)的綜合影響。

取目標(biāo)函數(shù)為

并滿足約束條件

式中， uL和 uH分別為過(guò)程控制輸入的下限和上限。

。

由式（4）得

假定過(guò)程當(dāng)前及未來(lái)的控制序列為一恒定值，且其大小等于k-1 時(shí)刻的控制量 ,則有：

考慮到約束條件式（6）后，可推導(dǎo)獲得

可取

式中

因此，變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法要按如下簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算步驟完成：

3） 將步驟（2）計(jì)算得到的u（t）作用于被控過(guò)程；

4）t=t+1,回到步驟（1）執(zhí)行。

2　基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制算法的協(xié)調(diào)控制方案

采用以上變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制（VSPC）算法，提出了協(xié)調(diào)的控制策略。

在控制結(jié)構(gòu)上，新協(xié)調(diào)方案保留了常規(guī)鍋爐主控方案中的“前饋”+“反饋”的控制模式。在主汽壓力和分離器溫度的閉環(huán)控制回路中，采用了本文的變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制VSPC（Variable Structure Predictive Control）代替常規(guī)的PID控制器。PID調(diào)節(jié)器是根據(jù)當(dāng)前和以前的被控偏差來(lái)計(jì)算控制作用，而VSPC是主要根據(jù)被調(diào)量未來(lái)的預(yù)測(cè)值來(lái)計(jì)算控制作用，很明顯VSPC可以提前控制和調(diào)節(jié)，適合于大滯后被控過(guò)程的控制。

3　燃水比優(yōu)化控制策略

采用燃料量調(diào)節(jié)燃水比方案的優(yōu)點(diǎn)是與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的耦合程度輕，缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)響應(yīng)慢，易出現(xiàn)溫差過(guò)大；而采用給水流量調(diào)節(jié)燃水比方案的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)響應(yīng)快不易超溫，但與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的耦合嚴(yán)重，影響機(jī)組變負(fù)荷速率。本文針對(duì)該特點(diǎn)，提出了一種燃料量與給水流量同時(shí)參與中間點(diǎn)溫度校正的新型燃水比控制方法，該方法定義了燃水比分配系數(shù)，根據(jù)中間點(diǎn)溫度差和溫度差的變化率，相應(yīng)調(diào)整燃水比分配系數(shù)大小，確定燃料量和給水量的指令值，使得整個(gè)燃水比調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制總增益不變，系統(tǒng)穩(wěn)定性不受影響。同時(shí)還進(jìn)一步在控制邏輯中增加了給水側(cè)校正量至燃料側(cè)的解耦回路，可以較大地消除給水流量調(diào)節(jié)燃水比所帶來(lái)對(duì)機(jī)組負(fù)荷、汽壓的擾動(dòng)。燃水比的優(yōu)化控制策略如圖1所示。

圖1中，λw是一個(gè)數(shù)值在0～1之間的系數(shù)，本文定義為燃水比控制分配系數(shù)λw表示給水側(cè)的校正強(qiáng)度，1- λw則表示燃料側(cè)的校正強(qiáng)度。這樣無(wú)論燃料和給水兩側(cè)如何進(jìn)行校正，整個(gè)燃水比調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制總增益不變，系統(tǒng)穩(wěn)定性不受影響。燃水比控制分配系數(shù)λw的確定遵循如下原則：

圖1　燃水比優(yōu)化控制策略

1）當(dāng)中間點(diǎn)溫度偏差不大時(shí)，說(shuō)明燃水比失配并不嚴(yán)重，此時(shí)單純校正燃料側(cè)燃料量來(lái)調(diào)節(jié)燃水比，減小對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)；

2）當(dāng)中間點(diǎn)溫度偏差大于某一閾值時(shí)，即△T＞dbw時(shí)，給水側(cè)校正回路開(kāi)始投入，彌補(bǔ)燃料側(cè)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，控制汽溫偏差在合理范圍內(nèi)；

4）若溫度差和溫度差的變化率的乘積LED（△T）· △T為正，說(shuō)明溫度差有逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，則給水側(cè)校正回路提前投入，相應(yīng)增加λw；

5）若溫度差和溫度差的偏差變化率的乘積LED（△T）·△T為負(fù)，說(shuō)明溫度差有逐步收斂的趨勢(shì)，相應(yīng)減少λw，削弱給水側(cè)校正強(qiáng)度，防止過(guò)調(diào)。

4　工程應(yīng)用及性能與效益分析

利用優(yōu)化系統(tǒng)的獨(dú)立控制平臺(tái)，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了上述先進(jìn)協(xié)調(diào)控制策略，同時(shí)，先進(jìn)的變結(jié)構(gòu)控制算法也同樣應(yīng)用于再熱汽溫和SCR脫硝優(yōu)化控制中。優(yōu)化控制平臺(tái)與DCS系統(tǒng)之間通過(guò)MODIBUS通信交換數(shù)據(jù)。

新協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（包括再熱汽溫及脫硝優(yōu)化控制）分別于2015年12月20日在2號(hào)機(jī)組上成功投入運(yùn)行，機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性得到了明顯的提升。圖2是#2機(jī)組投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，機(jī)組以AGC運(yùn)行的控制曲線，期間#2以15MW/min速率在600～880MW區(qū)間進(jìn)行AGC調(diào)節(jié)。

圖2　　#2機(jī)組投用優(yōu)化控制系統(tǒng)AGC運(yùn)行控制曲線

從圖中可知其控制性能如下：

1）負(fù)荷控制：實(shí)際負(fù)荷幾乎與負(fù)荷指令完全重合，#2機(jī)組的AGC考核精度將有明顯改善；

2）主汽壓力控制：主汽壓力幾乎始終與設(shè)定值完全重合，僅極個(gè)別時(shí)間存在0.1～0.2MPa的控制偏差，控制性能非常優(yōu)秀；

3）主汽溫度控制：除極短時(shí)間內(nèi)由于啟停磨煤機(jī)造成主汽溫有約9℃的波動(dòng)，其他時(shí)間主汽溫度偏差僅為2 ～3℃，且控制非常平穩(wěn)。

4）再熱汽溫控制：在各種啟停磨及變負(fù)荷擾動(dòng)下，再熱汽溫波動(dòng)幅度僅為3～4℃，且控制非常平穩(wěn)；

5）SCR脫硝控制：除極短時(shí)間內(nèi)由于啟停磨煤機(jī)造成煙囪入口NOx有約11mg/Nm3的波動(dòng)，其它時(shí)段煙囪入口NOx的波動(dòng)幅度僅為±5mg/Nm3，控制非常平穩(wěn)。在正常運(yùn)行中完全可以將濃度定值由目前的25mg/Nm3提高至35～40mg/Nm3，噴氨量將明顯降低。

采用優(yōu)化控制系統(tǒng)后，已獲得了以下經(jīng)濟(jì)效益：

1） 實(shí)施AGC協(xié)調(diào)優(yōu)化控制后，由于主汽壓力、主汽溫度及再熱汽溫等關(guān)鍵參數(shù)控制性能明顯提高，參數(shù)的動(dòng)態(tài)偏差大幅減小，且不再振蕩。控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，使得機(jī)組的燃料、給水、送風(fēng)等各控制量的變化十分平穩(wěn)，十分有利于減小鍋爐水冷壁和過(guò)熱器管材的熱應(yīng)力，對(duì)防止氧化皮脫落和鍋爐爆管有明顯的作用；

2）由于在機(jī)組的負(fù)荷升降速率和調(diào)節(jié)精度的性能方面得到了明顯的提升，改善了機(jī)組的調(diào)峰、調(diào)頻能力。在未投入優(yōu)化控制系統(tǒng)之前，高壓調(diào)門平均開(kāi)度為35%， AGC考核速率也僅為1.3%/min以下。而投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，已將高壓調(diào)門平均開(kāi)度提高到45%，平均的AGC速率也能達(dá)1.6%/min，很明顯投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后的機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)性能明顯提升；

3）在投入優(yōu)化控制系統(tǒng)之前，由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的水煤比控制不佳，主汽溫易長(zhǎng)時(shí)間偏低，很大部分時(shí)間均低于設(shè)定值5～10℃運(yùn)行，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性受到明顯影響。在投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，在穩(wěn)定負(fù)荷及升降負(fù)荷過(guò)程中，絕大部分時(shí)間主汽溫僅存在2℃～3℃的偏差，汽溫控制非常平穩(wěn)，且提高了主汽溫的運(yùn)行平均值約5℃，可降低煤耗0.58g/kWh。

4）在投入優(yōu)化系統(tǒng)之前，再熱汽溫控制與主汽溫控制情況類似，在溫度快速上升時(shí)易超溫，再熱汽溫經(jīng)常超過(guò)設(shè)定值10℃以上，而大部分時(shí)間再熱汽溫又偏低，再熱汽溫經(jīng)常低于設(shè)定值10～20℃運(yùn)行，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性受到明顯影響。在投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，在各種啟停磨及變負(fù)荷擾動(dòng)下，再熱汽溫波動(dòng)幅度僅為3～4℃，且控制非常平穩(wěn)。再熱汽溫的運(yùn)行平均值約提高了5℃，可降低煤耗0.28g/kWh。

5）#2機(jī)組在未投入優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)，只能通過(guò)設(shè)定較高的主汽壓力，使高壓調(diào)門平均開(kāi)度在35%附近時(shí)才能通過(guò)考核；而在#2機(jī)組投入優(yōu)化系統(tǒng)后，可大幅降低主汽壓力設(shè)定值，高壓調(diào)門平均開(kāi)度在45%附近運(yùn)行時(shí)，仍能滿足江蘇調(diào)度的AGC考核要求。根據(jù)測(cè)算，高壓調(diào)門平均開(kāi)度從35%提高到45%，約可降低煤耗0.5～0.6g/Kwh。

5　結(jié)束語(yǔ)

本優(yōu)化控制系統(tǒng)采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制技術(shù)，提出了現(xiàn)代火電機(jī)組AGC協(xié)調(diào)控制的先進(jìn)方案，解決了國(guó)內(nèi)大型火電機(jī)組中普遍存在的共性問(wèn)題，因此，本系統(tǒng)具有好的應(yīng)用前景。

目前，在基于預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)技術(shù)的火電機(jī)組優(yōu)化控制方面，在國(guó)內(nèi)有較多應(yīng)用業(yè)績(jī)且比較著名的產(chǎn)品基本上只有西門子公司的新協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)PROFI，本文所介紹的AGC協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)，很好地融合了國(guó)際上最先進(jìn)的預(yù)測(cè)控制技術(shù)及智能模糊控制技術(shù)等，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在AGC協(xié)調(diào)及汽溫優(yōu)化控制產(chǎn)品方面的空白。

（2016-01-27）