變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法在1000MW二次再熱機(jī)組過熱汽溫控制中的應(yīng)用

徐 衛(wèi)，陳國民，陳德龍

(國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

泰州發(fā)電有限公司1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組的過熱蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一、二級噴水減溫的調(diào)節(jié)方案。其中一級的4個噴水調(diào)門調(diào)節(jié)對應(yīng)側(cè)的低溫過熱器出口溫度，二級的4個噴水調(diào)門調(diào)節(jié)對應(yīng)側(cè)的高溫過熱器出口溫度。DCS采用EDPF-NT控制系統(tǒng)的串級PID控制+燃料量和負(fù)荷微分前饋的調(diào)節(jié)方案, 但由于過熱汽溫系統(tǒng)典型的大滯后特性，常規(guī)的PID控制往往難于對該類被控過程進(jìn)行有效控制。原過熱控制系統(tǒng)的具體性能有減溫水控制：減溫水調(diào)節(jié)對過熱汽溫的影響存在明顯的大滯后特征，原控制系統(tǒng)在穩(wěn)定工況時尚可，當(dāng)出現(xiàn)大幅變負(fù)荷、啟停磨等擾動工況時，運(yùn)行人員必須退出自動進(jìn)行人工干預(yù)。整體過熱汽溫性能：實(shí)際過熱汽溫運(yùn)行性能很差，變負(fù)荷過程中汽溫波動幅度達(dá)20℃以上，且平均汽溫僅為600～601℃，加上經(jīng)常需要解手動調(diào)節(jié)，值班員工作量大，運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)性明顯受損。

二次再熱機(jī)組過熱汽溫系統(tǒng)的控制難點(diǎn)在于調(diào)節(jié)通道的滯后性與擾動通道的滯后性的不平衡。過熱汽溫調(diào)節(jié)是通過減溫水來調(diào)節(jié)溫度，調(diào)節(jié)系統(tǒng)上靠前，這就造成了高溫過熱器出口汽溫發(fā)生變化存在非常大的延遲。而反觀擾動側(cè)，機(jī)組日常運(yùn)行中主要的過熱汽溫?cái)_動為：變負(fù)荷時的燃燒率擾動，煤種改變、配風(fēng)改變、啟停磨時的火焰中心擾動，吹灰造成的局部換熱擾動，這些擾動大部分呈現(xiàn)輻射特性，且多作用于過熱高溫段，擾動產(chǎn)生到過出口汽溫發(fā)生變化的延遲遠(yuǎn)小于減溫水控制側(cè)延遲。因此，要讓過熱控制系統(tǒng)能夠有效跟上機(jī)組的各種擾動，正確的方法是提前調(diào)整一級、二級減溫水調(diào)門指令，依靠提前的時間來彌補(bǔ)控制側(cè)與擾動側(cè)的時間差。預(yù)測控制可根據(jù)所預(yù)測的未來時間段內(nèi)的被控偏差來進(jìn)行調(diào)節(jié)，若用預(yù)測控制來實(shí)現(xiàn)一級和二級減溫水調(diào)節(jié)，則可以有效提前減溫水的控制，克服二次再熱機(jī)組過熱蒸汽溫系統(tǒng)控制側(cè)與擾動側(cè)的時間差問題，達(dá)到對過熱蒸汽溫的有效控制。但是，由于過熱蒸汽溫系統(tǒng)對象是復(fù)雜的2×2多變量對象(一、二級減溫水二個控制量，高溫過熱器出口溫度、低溫過熱器出口溫度兩個被控量)，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)用時必須采用受限的多變量預(yù)測控制算法。由于目前所提出的預(yù)測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)測控制問題, 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般十分復(fù)雜,當(dāng)對控制量有約束時,預(yù)測控制的求解變成了非線性約束優(yōu)化問題, 其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制算法更為復(fù)雜。特別是對于多變量的過熱汽溫控制系統(tǒng)，幾乎無法實(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，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)比較簡單[1]。一個很自然的想法是， 是否能借鑒變結(jié)構(gòu)控制方法來求解預(yù)測控制問題，使得預(yù)測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制算法變得較為簡單。為此首先提出了一種基于變結(jié)構(gòu)的預(yù)測控制算法，在此基礎(chǔ)上，針對國電泰州發(fā)電有限公司1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組過熱汽溫控制性能不理想等實(shí)際問題，提出了基于變結(jié)構(gòu)控制思想的過熱汽溫優(yōu)化控制策略，應(yīng)用后有效地提高了過熱汽溫的控制性能。

1 基于變結(jié)構(gòu)的預(yù)測控制算法

火電機(jī)組的被控過程一般都是開環(huán)穩(wěn)定的，一節(jié)慣性加遲延過程，階躍響應(yīng)模型描述[2]：

(1)

式中：△u(t)=u(t)-u(t-1)；y為過程輸出；u為控制輸入；Si為過程的階躍響應(yīng)系數(shù)；n為正整數(shù)。由式(1)可知，計(jì)算過程在t+N時刻的輸出預(yù)測值為：

(2)

由式(2)可知 , 過程未來輸出的預(yù)測值由四項(xiàng)組成:第一項(xiàng)取決于當(dāng)前的和未來的控制序列；第二項(xiàng)和第三項(xiàng)由過去各時刻的控制量決定，在當(dāng)前時刻是已知的；第四項(xiàng)為相應(yīng)時刻過程所受擾動的預(yù)測值。假定過程未來各時刻所受的擾動不變,其值為當(dāng)前時刻所受的擾動量大小，則：

-Snu(t-n)

(3)

取目標(biāo)函數(shù)為：

(4)

式中：

(5)

并滿足約束條件：

uL

(6)

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(gòu)造對控制系統(tǒng)性能會有明顯的影響。但大量仿真研究結(jié)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(zhì)，為此，本文?。?/p>

C(q-1)=(1+λ)-λq-1

由式(4)得：

(7)

式中：

假定過程當(dāng)前及未來的控制序列為一恒定值，且其大小等于t-1時刻的控制量 ,則有：△u(t+N-i)=0,i=1,…,N，由式(2)、(3)和(7)可推得此時的目標(biāo)函數(shù)值為：

(8)

式中，N≤n-2。假定過程當(dāng)前的控制輸入為u(t)，而未來各時刻的控制量保持不變，則有：△u(t+N-i)=0,i=1,…N-1，不難推得此時的目標(biāo)函數(shù)值為：

△u(t)

(9)

(10)

考慮到約束條件式(6)后，可推導(dǎo)獲得：

(11)

可?。?/p>

(12)

α+∈(0，1)

(13)

α-∈(0，1)

(14)

式中：

(15)

因此，變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法要按如下簡單的代數(shù)計(jì)算步驟完成[3]：

將計(jì)算得到的u(t)作用于被控過程；

t=t+1，回到第一步驟執(zhí)行。

2 被控對象

為研究新型的過熱汽溫控制系統(tǒng)，對過熱汽溫被控對象進(jìn)行了完整的動態(tài)特性試驗(yàn)。在高、中、低負(fù)荷點(diǎn)上分別進(jìn)行了減溫水的階躍響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 過熱汽溫被控對象特性試驗(yàn)結(jié)果

對上述試驗(yàn)結(jié)果，分析如下：

負(fù)荷降低時，一級減溫水和二級減溫水對象的慣性時間和純滯后時間都會增加。主要原因：當(dāng)負(fù)荷降低時，煙氣流速和蒸汽流速相應(yīng)降低，煙氣和蒸汽之間的熱交換速度變慢，從而導(dǎo)致過程的純滯后和慣性增加。

負(fù)荷降低時，對于一級和二級減溫水，其對象的靜態(tài)增益增大。主要原因：當(dāng)負(fù)荷降低時，過熱蒸汽流量較小，顯然相同的噴水流量對過熱汽溫的影響要大。

由此可見，在機(jī)組變負(fù)荷時，理論分析與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。從對象的動態(tài)特性中，可進(jìn)一步獲得如下結(jié)論：

無論是一級減溫水還是二級減溫水，都具有很大的純滯后和很長的慣性時間，應(yīng)盡可能采用基于大滯后控制理論的優(yōu)化控制策略來實(shí)現(xiàn)對過熱汽溫的有效控制；在高、中、低負(fù)荷點(diǎn)上，過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(yīng)有強(qiáng)的自適應(yīng)能力。

3 過熱汽溫優(yōu)化控制策略

二級減溫水控制作為調(diào)節(jié)過熱汽溫的主要回路，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型二級過熱器減溫水控制策略

在反饋控制回路中，采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法，在確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件下，加快減溫水的調(diào)節(jié)速度。在系統(tǒng)的前饋通道中，采用了基于溫差操作經(jīng)驗(yàn)、變負(fù)荷預(yù)測、受熱面換熱模型的模糊智能前饋技術(shù)，加快了減溫水的調(diào)節(jié)速度，有效地抑制過熱汽溫的動態(tài)偏差。

一級減溫水作為調(diào)節(jié)過熱汽溫的輔助回路，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型一級過濾器減溫水控制策略

一級減溫水的基本結(jié)構(gòu)與二級減溫水類似，在反饋控制回路中同樣采用了變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法，在確保控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件下，加快一級的調(diào)節(jié)速度。在系統(tǒng)的前饋通道中，采用了變負(fù)荷預(yù)測、煙氣放熱模型的模糊智能前饋技術(shù)，能夠在擾動產(chǎn)生前提前動作一級減溫水，消除低溫過熱器出口汽溫偏差。

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，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了上述減溫水控制策略，優(yōu)化控制平臺與DCS系統(tǒng)之間通過MODIBUS通信交換數(shù)據(jù)[4]。過熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)于2017年4月1日在4號機(jī)組上成功投入運(yùn)行，機(jī)組的過熱汽溫控制性能得到了明顯的提升。從4號機(jī)組投入過熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)前后的對比曲線可看出投用過熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)前后控制性能的改善[5-6]：

投入再熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)時即使是大幅變負(fù)荷的擾動工況下，過熱汽溫的波動幅度僅為±5℃；而未投過熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)時，僅小幅度的變負(fù)荷工況，過熱汽溫的波動即達(dá)到±10℃；

投入過熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)時最低汽溫為597℃，平均汽溫約為603℃；未投過熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)時，最低汽溫為586℃，平均汽溫約為600℃。

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

投入過熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)后，由于過熱汽溫控制性能明顯提高，參數(shù)的動態(tài)偏差大幅減小，且不再振蕩?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定，十分有利于減小鍋爐受熱面管材的熱應(yīng)力，對防止氧化皮脫落和鍋爐爆管有明顯的作用；

投入過熱汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)后，過熱汽溫平均溫度提高約3℃，經(jīng)測算，投入過熱汽溫優(yōu)化控制后可降低煤耗0.3g/(kW·h)。

5 結(jié)語

本優(yōu)化控制系統(tǒng)采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制技術(shù)，提出了1000MW級超超臨界二次再熱機(jī)組機(jī)組過熱汽溫系統(tǒng)改進(jìn)方案，其方案稍作修改也可同樣應(yīng)用于其它機(jī)組的過熱汽溫控制上。