600MW超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型優(yōu)化研究

曹喜果　張永濤　單英雷

摘要：超臨界機(jī)組多變量耦合、強(qiáng)非線性、不確定性等特點給控制系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試帶來一定的困難，而研究超臨界機(jī)組主要被調(diào)量的動態(tài)特性并建立結(jié)構(gòu)簡單的協(xié)調(diào)模型可很好地解決以上問題。該文將機(jī)理建模與試驗建模進(jìn)行結(jié)合，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的協(xié)調(diào)控制模型進(jìn)行優(yōu)化，針對某600MW超臨界機(jī)組，在機(jī)理分析模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)模型之間的共性，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。通過現(xiàn)場試驗獲取主要調(diào)節(jié)量即燃料量、給水量、閥門開度擾動下的動態(tài)特性，采用改進(jìn)的粒子群算法辨識獲得600mW超臨界機(jī)組三輸入三輸出的數(shù)學(xué)模型，該模型動態(tài)特性與理論分析保持一致，驗證模型可靠性。此外，模型結(jié)構(gòu)簡單且能很好地反映超臨界機(jī)組的動態(tài)特性，可為進(jìn)一步研究超臨界機(jī)組及控制器的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：超臨界機(jī)組；動態(tài)特性；機(jī)理分析；模型辨識

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0147-06

0引言

近年來，超（超）臨界機(jī)組以高效率、低排放的優(yōu)勢在國內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。超（超）臨界機(jī)組與亞臨界相比，對象特性及工藝流程發(fā)生了較大的變化，表現(xiàn)出多變量、強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合性、蓄熱能力小等特點，從而給控制系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試帶來一定的困難。而掌握超（超）臨界機(jī)組的動態(tài)特性并建立其數(shù)學(xué)模型可很好地解決以上問題。

對于超（超）臨界機(jī)組來說，目前主要采用機(jī)理建模的方法。由于其模型與亞臨界的區(qū)別主要在于蒸發(fā)系統(tǒng)，為此，不少學(xué)者對蒸發(fā)系統(tǒng)模型進(jìn)行了分析研究。此外，對超（超）臨界機(jī)組整體模型的研究也逐漸增多。以上的機(jī)理建模較好地反映了機(jī)組參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，但建模過程繁瑣，模型形式復(fù)雜，不利于控制算法的設(shè)計與仿真。智能算法使得采用試驗法辨識獲得超（超）臨界機(jī)組的數(shù)學(xué)模型變得相對容易，但是試驗法獲取機(jī)組的動態(tài)特性較為麻煩，既要保證機(jī)組的安全運(yùn)行，又要體現(xiàn)出主要參數(shù)的變化趨勢。

超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制模型對其動態(tài)特性分析及后續(xù)設(shè)計非常重要，目前可參考的模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于后續(xù)分析設(shè)計。本文對協(xié)調(diào)控制模型進(jìn)行優(yōu)化研究，在某600mW超臨界機(jī)組上進(jìn)行給水量、給煤量、閥門擾動試驗，在機(jī)理分析模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的PSO辨識獲取協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)三輸入、三輸出模型。所得模型結(jié)構(gòu)簡單，能反映超臨界機(jī)組的動態(tài)特性，可為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計及今后現(xiàn)場調(diào)試提供參考。

1機(jī)理分析模型結(jié)構(gòu)

1.1借鑒汽包爐思路

對于汽包爐來說，demello模型是其經(jīng)典模型，在此研究之前，該汽包爐經(jīng)典模型很少用到直流爐建模上，主要原因在于該模型下直流爐蓄熱系數(shù)的求取存在一定的困難，而求取了該蓄熱系數(shù)，使得以上的建模思路成為可能，為直流爐簡化模型的建立提供了方便。對于雙輸入、雙輸出的汽包爐，經(jīng)典模型（demello模型）結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對于直吹式制粉系統(tǒng)來說，煤在磨煤機(jī)中磨成煤粉送人鍋爐燃燒，轉(zhuǎn)化為熱量的過程主要表現(xiàn)為慣性及延遲環(huán)節(jié)。即：

則其擬合效果如圖3所示，利用模型轉(zhuǎn)換公式可實現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的靈活轉(zhuǎn)化。在具體的操作過程中，可利用該公式確定初始范圍，后根據(jù)擬合效果再做微調(diào)。鑒于此，將機(jī)理辨識模型轉(zhuǎn)化為多階慣性環(huán)節(jié)的乘積形式，既能很好地反映超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制的動態(tài)特性，又結(jié)構(gòu)簡單，為后期設(shè)計合理的控制方案提供模型參考。

2超臨界機(jī)組動態(tài)特性試驗

對某600mW超臨界機(jī)組在524mW（87%負(fù)荷點）穩(wěn)定工況下做煤、水、閥門階躍擾動試驗。試驗過程中，機(jī)組控制切為手動方式。圖4為給水量W階躍50t/h時，機(jī)組功率Ⅳ、中間點溫度（分離器溫度）T、主汽壓pT的變化趨勢，采樣時間12s。圖5為給煤量曰階躍10t/h，N、T、pT的變化趨勢，采樣時間24s。圖6為調(diào)汽門肛階躍3.175%，N、T、pT的變化趨勢采樣時間5s。

給水?dāng)_動下的響應(yīng)曲線如圖4，給水量階躍擾動時，中間點溫度下降；主蒸汽壓力先上升后下降并恢復(fù)到初始值：機(jī)組功率是先上升后下降，功率最終穩(wěn)定在低于初始值的位置。

圖5為燃料量階躍時響應(yīng)曲線，當(dāng)燃料量階躍減少時，煤水比減小，所以中間點溫度下降，蒸發(fā)量減少，進(jìn)而蒸汽壓力、機(jī)組的功率都降減小。

圖6中，當(dāng)閥門階躍增加，中間點溫度略有下降，并穩(wěn)定在較低的溫度；主汽壓下降并穩(wěn)定在較初始值低的狀態(tài)：功率先增大后恢復(fù)到初始值。

3模型辨識與仿真

3.1模型辨識

基于以上機(jī)理分析模型結(jié)構(gòu)形式及模型等效轉(zhuǎn)換原理，運(yùn)用改進(jìn)的粒子群算法對模型進(jìn)行辨識，選取各模型結(jié)構(gòu)形式為

以給水量-主蒸汽壓力辨識為例，采樣數(shù)據(jù)與所得模型的擬合效果如圖7所示。由圖中擬合效果可得：采用改進(jìn)的PSO算法辨識獲得的超臨界機(jī)組動態(tài)模型擬合誤差較小，該模型結(jié)構(gòu)簡單，較好地反映了超臨界機(jī)組的動態(tài)特性。

3.2模型仿真

針對如上辨識所得的超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)模型，對其動態(tài)特性進(jìn)行仿真研究，為協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化提供理論分析和計算依據(jù)。1000s時，給煤量B階躍增加10t/h，煤水比增大，蒸發(fā)量增大，主蒸汽壓力pT增大，并達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)；給水量W增加50t/h時，pT先上升后下降并恢復(fù)到初始值；調(diào)門開度μ增加，pT下降并穩(wěn)定在較初始值稍低的狀態(tài)。主蒸汽壓力pT響應(yīng)曲線如圖8所示。

1000s時，給煤量W階躍增加10t/h，中間點溫度Tm增大；給水量W增加50t/h時，Tm下降；中間點溫度Tm響應(yīng)曲線如圖9所示。

同理，1000s時，給煤量B階躍增加10t/h，機(jī)組功率增大：給水量W增加50t/h時，機(jī)組功率N是先上升后下降，最終穩(wěn)定在低于初始值的位置：調(diào)門開度μ增加3%時，N先增大后恢復(fù)到初始值。機(jī)組功率Ⅳ的響應(yīng)曲線如圖10所示。以上模型動態(tài)特性與理論分析一致。

4結(jié)束語

通過機(jī)理分析法確定模型結(jié)構(gòu)形式，利用模型之間的共性進(jìn)行簡化，再利用改進(jìn)的PSO算法，辨識獲取了超臨界直流爐三輸入、三輸出協(xié)調(diào)控制模型，該模型結(jié)構(gòu)簡單、很好地反映了超臨界機(jī)組的動態(tài)特性，可為超臨界機(jī)組深入分析及控制器設(shè)計提供方便，具有較強(qiáng)的實用價值。