135 MW摻燒煤氣燃煤發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

蔡 偉， 任曼曼， 蔡 兵， 施 壯

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601)

某大型鋼鐵企業(yè)自備電廠配備一臺(tái)135 MW摻燒煤氣燃煤機(jī)組，它利用燃煤鍋爐摻燒混合煤氣(高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐煤氣)發(fā)電，不僅充分回收利用企業(yè)內(nèi)部多余的煤氣，解決了煤氣排放對(duì)環(huán)境的污染問題，而且為鋼鐵企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過程提供負(fù)荷和供熱，具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價(jià)值[1,2]。該機(jī)組自2008年建成投產(chǎn)以來(lái)，一直未能投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式運(yùn)行，主蒸汽壓力和負(fù)荷均在手動(dòng)控制方式，運(yùn)行人員操作強(qiáng)度大。

機(jī)組未能投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式運(yùn)行主要有兩個(gè)原因：一是機(jī)組必須全部消納鋼鐵生產(chǎn)過程送來(lái)的混合煤氣，煤氣成分、流量擾動(dòng)大、不確定[3,4]；二是鍋爐為亞臨界汽包爐，采用直吹式制粉系統(tǒng)，主蒸汽壓力控制慣性大。針對(duì)大慣性、大遲延系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者將預(yù)測(cè)控制推廣應(yīng)用到主蒸汽壓力控制上[5- 8]，但由于鍋爐燃燒過程影響因素多、不確定性強(qiáng)，難以建立準(zhǔn)確的模型，因此，主要側(cè)重于算法仿真研究，實(shí)際應(yīng)用效果并不好；在火電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中，前饋控制因抗擾動(dòng)性強(qiáng)、快速性好，得到廣泛應(yīng)用[9-11]。本文采用前饋控制思想通過對(duì)主蒸汽壓力控制對(duì)象分析、建模，設(shè)計(jì)并搭建了控制策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的正常投運(yùn)。

1 主汽壓力控制對(duì)象分析與建模

1.1 主汽壓力控制對(duì)象模型

機(jī)組煤氣成分及流量變化是影響主汽壓力穩(wěn)定控制的最大擾動(dòng)因素，煤量是控制主汽壓力的唯一手段；實(shí)際運(yùn)行中當(dāng)煤氣流量波動(dòng)較大時(shí)，操作人員只能通過預(yù)先調(diào)整給煤量抑制主蒸汽壓力大幅波動(dòng)；此外，煤氣變化對(duì)主蒸汽壓力的影響比煤更快，為掌握它們之間的特性，建立機(jī)組主汽壓力控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型[12-14]，如圖1所示。

圖1中Gm(s)、Gj(s)、Gg(s)、Gz(s)分別反映給煤量、焦?fàn)t煤氣流量、高爐煤氣流量、轉(zhuǎn)爐煤氣流量變化與主汽壓力變化之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，用傳遞函數(shù)描述，且都可簡(jiǎn)化為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)表示

(1)

為確定模型參數(shù)，對(duì)機(jī)組分別開展焦?fàn)t、高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣和給煤量階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。以焦?fàn)t煤氣為例，試驗(yàn)前使機(jī)組在手動(dòng)控制方式運(yùn)行，保持給煤量、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣流量穩(wěn)定，將焦?fàn)t煤氣總管流量快速增加3.6 km3/h，經(jīng)過一段時(shí)間后，主蒸汽壓力緩慢增加，變化過程如圖2所示。

圖1 主汽壓力控制對(duì)象模型框圖

1.2 基于非線性最小二乘算法的模型參數(shù)辨識(shí)

在模型結(jié)構(gòu)已知時(shí)，模型參數(shù)辨識(shí)問題為參數(shù)優(yōu)化問題。首先給模型中未知參數(shù)θ賦一組初始值；然后將模擬現(xiàn)場(chǎng)的激勵(lì)信號(hào)x(階躍信號(hào))作用于仿真模型，得到模型輸出y；比較y與實(shí)際輸出y′的偏差e，用誤差平方和作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使誤差平方和為最小的θ即為模型參數(shù)估計(jì)值；由于y=f(x,θ)是關(guān)于θ的非線性函數(shù)，采用非線性最小二乘算法辨識(shí)，辨識(shí)原理如圖3所示。

基于焦?fàn)t煤氣擾動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用MATLAB非線性最小二乘函數(shù)lsqnonlin通過曲線擬合得到式(2)所示的焦?fàn)t煤氣擾動(dòng)通道模型，圖4為模型仿真輸出曲線與實(shí)測(cè)曲線擬合結(jié)果。

(2)

圖3 模型參數(shù)辨識(shí)原理圖

同理，得到高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、給煤量擾動(dòng)通道數(shù)學(xué)模型，分別為式(3)～(5)：

(3)

(4)

(5)

圖5 主汽壓力超前滯后補(bǔ)償控制器結(jié)構(gòu)

2 主蒸汽壓力超前滯后補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

在掌握煤氣擾動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣前饋控制器Gcj(s)、Gcg(s)、Gcz(s)，如圖5所示。煤氣流量變化時(shí)，一方面通過前饋控制器快速調(diào)整給煤量，抑制和削弱其對(duì)主汽壓力的影響；另一方面通過閉環(huán)控制系統(tǒng)細(xì)調(diào)給煤量，維持主汽壓力穩(wěn)定[15,16]，其中，Gcm(s)為主汽壓力閉環(huán)控制器。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣流量擾動(dòng)進(jìn)行“全補(bǔ)償”，以焦?fàn)t煤氣為例，前饋補(bǔ)償控制器Gcj(s)應(yīng)滿足

Fj×Gj(s)+Fj×Gcj(s)×Gm(s)=0

(6)

其中：Fj為焦?fàn)t煤氣流量。

由式(6)可得前饋控制器的表達(dá)式：

Gcj(s)=-Gj(s)/Gm(s)

(7)

將模型Gj(s)、Gm(s)帶入式(7)可得：

(8)

其中超前函數(shù)部分e27s在物理上難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)控制器進(jìn)行簡(jiǎn)化處理得到更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)公式(9)，同理可得到高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣超前滯后補(bǔ)償控制器式(10)、(11)：

(9)

(10)

(11)

3 協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

為方便工程調(diào)試，對(duì)超前滯后補(bǔ)償器進(jìn)行分解，以焦?fàn)t煤氣超前滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)為例，式(9)通過分解得到

圖6 主汽壓力前饋控制方案

(12)

其中前半部分為靜態(tài)補(bǔ)償輸出，用于抵消或補(bǔ)償煤氣流量增加或減少對(duì)應(yīng)的熱量；后半部分為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償輸出，補(bǔ)償煤氣、煤量變化對(duì)主汽壓力變化動(dòng)態(tài)過程的熱量差；為防止煤氣流量小幅波動(dòng)造成控制器頻繁調(diào)整，增加擾動(dòng)，對(duì)煤氣流量增加濾波環(huán)節(jié)；焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣超前滯后補(bǔ)償控制器與其他前饋相加一起作為鍋爐前饋量，主汽壓力控制方案如圖6所示。

4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投運(yùn)效果

為驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的性能，機(jī)組在負(fù)荷穩(wěn)定工況下，將轉(zhuǎn)爐煤氣流量擾動(dòng)11 km3/h，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度等機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)變化曲線如圖7-a和7-b所示，詳細(xì)指標(biāo)分析見表1。

表1 機(jī)組主要參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)

圖7-a 轉(zhuǎn)爐煤氣擾動(dòng)機(jī)組主要參數(shù)變化趨勢(shì)1

由圖7-b可知，轉(zhuǎn)爐煤氣流量增加時(shí)，超前滯后補(bǔ)償控制器使給煤量減少了將近10 t/h，有效補(bǔ)償了煤氣流量變化對(duì)應(yīng)的熱量，抑制了主蒸汽壓力的大幅變化，主汽壓力從12.8 MPa上升到13.2 MPa后開始下降，并趨于穩(wěn)定；由表1可知，主蒸汽溫度、汽包水位、爐膛負(fù)壓等主要運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)較小，滿足機(jī)組正常運(yùn)行需求。

5 結(jié)論

本文采用簡(jiǎn)單有效的前饋控制思想，設(shè)計(jì)了高爐、焦?fàn)t和轉(zhuǎn)爐煤氣超前滯后補(bǔ)償控制器，構(gòu)建了協(xié)調(diào)控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣擾動(dòng)工況下主蒸汽壓力穩(wěn)定控制，保證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)正常投運(yùn)，減輕了運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度和運(yùn)行壓力，提高了機(jī)組運(yùn)行自動(dòng)化水平，也為同類機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化和投運(yùn)提供參考。