Smith 預(yù)估主汽溫度控制在RB 試驗(yàn)中的應(yīng)用

陳巍文，蔣 薇，徐柳斌，張關(guān)淼

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.浙江大學(xué) 工程師學(xué)院，杭州 310015）

0 引言

火力發(fā)電機(jī)組汽溫控制一直是火電廠模擬量控制系統(tǒng)的難點(diǎn)，其主要原因是汽溫控制具有大延時(shí)、大慣性、非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)，采用常規(guī)和簡(jiǎn)單的控制規(guī)律難以獲得較好的調(diào)節(jié)效果[1]。

對(duì)于超（超）臨界機(jī)組直流爐而言，其主汽溫控制可認(rèn)為是兩段調(diào)節(jié)，即水煤比控制和噴水減溫控制。其中，水煤比控制在直流機(jī)組汽溫調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用，從理論上分析，鍋爐熱效率、燃料發(fā)熱量、給水焓決定了主汽溫度的變化，但在實(shí)際運(yùn)行中，要精確保證水煤比，特別是在變負(fù)荷及RB（輔機(jī)故障減負(fù)荷）等極端工況下尤為困難。因此，除了采用水煤比進(jìn)行主汽溫粗調(diào)以外，還會(huì)采用屏后（一級(jí)噴水）汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、鍋爐出口汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)（二級(jí)噴水減溫）對(duì)主汽溫度進(jìn)行精確細(xì)調(diào)[2]。不同于超（超）臨界機(jī)組直流爐，亞臨界機(jī)組汽包爐的工質(zhì)在汽包內(nèi)一直處于汽、液兩相共存的狀態(tài)，壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)具有相對(duì)穩(wěn)定對(duì)應(yīng)的關(guān)系，其主汽溫度控制效果取決于噴水減溫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。不論超（超）臨界機(jī)組還是亞臨界機(jī)組，噴水減溫系統(tǒng)是汽溫精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的重要手段，是汽溫控制的核心。

對(duì)于發(fā)電機(jī)組而言，過高或過低的主汽溫度都會(huì)影響整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行：主汽溫過高，過熱器易發(fā)生超溫，造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子過度膨脹，影響汽輪機(jī)運(yùn)行安全；主汽溫過低，設(shè)備的生產(chǎn)效率下降，汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度增加，引起葉片磨損[3]。因此，主汽溫度的準(zhǔn)確合理控制關(guān)乎發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定。某2×1 050 MW 燃煤發(fā)電工程作為“一帶一路”重點(diǎn)海外項(xiàng)目，其機(jī)組主汽溫度的良好控制尤為重要。

1 Smith 預(yù)估控制回路設(shè)計(jì)

針對(duì)主汽溫度這個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，文獻(xiàn)[4]總結(jié)歸納了以下幾類較為常見的控制策略：普通PID 串級(jí)控制、相位補(bǔ)償控制、狀態(tài)變量控制、Smith 預(yù)估控制以及自適應(yīng)控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。由于主汽溫度具有大延遲的特點(diǎn)，采用普通PID 串級(jí)控制時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量和振蕩，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和穩(wěn)定性能都會(huì)降低[5]，而該項(xiàng)目采用Smith 預(yù)估控制策略，取得了較好的控制效果。

Smith 預(yù)估控制器的原理如圖1 所示。其中，R（s）為輸入量，Y（s）為輸出量，Gc（s）為控制器，Gp（s）e-τs為實(shí)際被控對(duì)象，Gs（s）為無時(shí)滯預(yù)估模型，τs 為被控對(duì)象時(shí)滯時(shí)間。

圖1 Smith 預(yù)估控制器原理

根據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)圖，可以得到控制器的傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道之和：

為消除被控對(duì)象時(shí)滯特性所產(chǎn)生的不良影響，確保理想的調(diào)節(jié)品質(zhì)，需要將進(jìn)入控制調(diào)節(jié)器的被調(diào)量Y′（s）進(jìn)行無時(shí)滯化處理，因此，要求式（1）與Gp（s）相等，可以得到：

而式（3）也是Smith 預(yù)估控制回路的核心。

圖2 所示為該項(xiàng)目運(yùn)用Smith 預(yù)估控制邏輯結(jié)構(gòu)。

圖2 Smith 預(yù)估控制邏輯結(jié)構(gòu)

根據(jù)過熱器分段結(jié)構(gòu)可知：當(dāng)減溫水調(diào)閥在有效行程動(dòng)作，末級(jí)過熱器進(jìn)口溫度Tinl會(huì)隨之發(fā)生變化。但過熱器管外煙氣流速的對(duì)流、輻射對(duì)汽溫存在時(shí)滯作用，故末級(jí)過熱器出口溫度Tout的變化顯得較為緩慢。而Smith 預(yù)估器的作用就是消除上述滯后時(shí)間，將減溫水調(diào)節(jié)器的控制對(duì)象從末級(jí)過熱器出口溫度Tout轉(zhuǎn)變?yōu)槟┘?jí)過熱器進(jìn)口溫度Tinl是控制策略的關(guān)鍵[6]。

令末級(jí)過熱器出口溫度Tout與末級(jí)過熱器進(jìn)口溫度Tinl的關(guān)系定義為：

根據(jù)式（3）與式（4），可以得到減溫水調(diào)節(jié)器的控制對(duì)象為：

從式（5）可以看出，含有τ 時(shí)間滯后環(huán)節(jié)的Tout已被消除，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中被調(diào)量轉(zhuǎn)變成了具有快速響應(yīng)特性的Tinl，采用常規(guī)PID 調(diào)節(jié)器即可獲得較為理想的調(diào)節(jié)品質(zhì)。末級(jí)過熱器溫度控制邏輯如圖3 所示。

不僅如此，考慮機(jī)組RB 工況，由于快速減負(fù)荷的需要會(huì)使制粉系統(tǒng)迅速停止工作，燃料量的迅速減少會(huì)導(dǎo)致主汽溫度發(fā)生大幅度的下降與波動(dòng)[7-9]，結(jié)合該機(jī)組磨煤機(jī)設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)和位置分布特點(diǎn)，考慮全爐膛燃燒印尼煤的實(shí)際情況，特設(shè)計(jì)增加了兩級(jí)過熱器減溫水RB 超馳關(guān)閉減溫水調(diào)閥20 s 的聯(lián)鎖邏輯，確保在RB 過程初期，主汽溫度能夠維持較高的水平，避免因機(jī)組蓄熱的變化導(dǎo)致主汽溫度大幅下降。

圖3 末級(jí)過熱器溫度控制邏輯

針對(duì)機(jī)組不同負(fù)荷區(qū)間的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況，經(jīng)過相關(guān)參數(shù)細(xì)調(diào)之后，上述控制策略取得了較好效果，但在RB 試驗(yàn)過程中，卻由于超馳關(guān)閉減溫水調(diào)閥的聯(lián)鎖邏輯，反而導(dǎo)致了類似積分飽和的現(xiàn)象，影響了調(diào)節(jié)控制效果，存在超溫安全隱患。

2 RB 過程中積分飽和現(xiàn)象的分析

2.1 現(xiàn)象經(jīng)過

單磨燃料RB 試驗(yàn)前，機(jī)組在協(xié)調(diào)方式下穩(wěn)定運(yùn)行，有功功率958 MW，制粉系統(tǒng)A，B，D，E，F(xiàn)，G 共6 套運(yùn)行，主蒸汽壓力24.48 MPa，主蒸汽溫度600.3 ℃，再熱蒸汽溫度601.5 ℃，總煤量488 t/h，給水流量2 387 t/h，過熱度23.4 ℃，總風(fēng)量3 426 t/h，一次風(fēng)壓力11.9 kPa。經(jīng)調(diào)度允許后，手動(dòng)停G 制粉系統(tǒng)，燃料RB 觸發(fā)，RB過程順利，爐膛負(fù)壓、總風(fēng)量、給水流量、過熱度、主汽調(diào)門開度等相關(guān)主（重）要參數(shù)平穩(wěn)可控。

RB 試驗(yàn)前，機(jī)組各參數(shù)調(diào)節(jié)正常，主汽溫度設(shè)定值600 ℃，實(shí)際主汽溫度600.3 ℃，二級(jí)過熱器減溫水兩側(cè)調(diào)閥平均開度28.4%，控制平穩(wěn)。23:08:06，機(jī)組觸發(fā)燃料RB，主汽溫度開始下降，由于RB 信號(hào)會(huì)觸發(fā)過熱器減溫水調(diào)閥的超馳關(guān)信號(hào)，因此在RB 過程初期（20 s），各級(jí)過熱器減溫水調(diào)閥均處于全關(guān)狀態(tài)，23:09:26 時(shí)達(dá)到該RB 過程最低值596.7℃。隨著熱力系統(tǒng)逐漸達(dá)到新的穩(wěn)定，主汽溫度開始回升，最高值至612.6℃，嚴(yán)重偏離設(shè)定值，調(diào)節(jié)效果不甚理想，調(diào)節(jié)過程如圖4 所示。

圖4 單磨RB 過程主汽溫度控制情況

2.2 原因分析

由圖4 可知，在RB 初期，減溫水快關(guān)的確對(duì)主汽溫度提升有較大幫助，但隨著熱力系統(tǒng)的變化，特別是過熱度的回升以及金屬蓄熱的釋放，流經(jīng)屏式過熱器的蒸汽溫度也在逐漸回復(fù)，因此作為溫度細(xì)調(diào)和精調(diào)的減溫水，應(yīng)及時(shí)把握溫度的變化趨勢(shì)，適時(shí)乃至提前動(dòng)作，確保主汽溫度的穩(wěn)定[10]。

以末級(jí)過熱器減溫水為例，結(jié)合圖3 可知，減溫水調(diào)節(jié)PID 的設(shè)定值為末級(jí)過熱器進(jìn)口溫度Tinl，PID 的被控量為：

式中：Tset為主汽溫度設(shè)定值；為燃料量微分。

根據(jù)RB 動(dòng)作后汽溫開始回升的實(shí)際工況，此時(shí)的燃料量已達(dá)到穩(wěn)定且微分作用已基本結(jié)束，因此，可以將式（6）簡(jiǎn)化為：

從式（7）可以看到，Tout和Tinl的變化影響了PID 被控量的變化，將PID 的設(shè)定值及被控量整理為：

因Tset保持不變且主汽溫度降幅較大，雖然Tinl已開始緩慢回升，但基于過熱器結(jié)構(gòu)特性，Tinl的變化趨勢(shì)要提前于Tout，即Tinl回升時(shí)Tout可能還處于下降階段或穩(wěn)定階段，因此（Tset-Tout）將長(zhǎng)時(shí)間保持較大數(shù)值，這就導(dǎo)致了減溫水調(diào)閥一直處于全關(guān)狀態(tài)，直至Tout反超溫度設(shè)定值之后，才開始介入調(diào)節(jié)，出現(xiàn)了較為典型的積分飽和現(xiàn)象。

3 優(yōu)化措施及效果

3.1 優(yōu)化措施

根據(jù)上述積分飽和現(xiàn)象及分析結(jié)果，提出以下優(yōu)化措施：

（1）增加RB 過程中主汽溫度變化的微分前饋。因RB 類型的不同，其過程復(fù)雜多樣、不可預(yù)測(cè)，主汽溫度的變化快慢及變化幅度很難一一表征，借鑒模糊控制理念，設(shè)計(jì)了選定控制偏差、誤差變化率、控制作用的離散模糊子集[11]，通過對(duì)主汽溫度的實(shí)時(shí)采集，及時(shí)掌握主汽溫度的變化趨勢(shì)，運(yùn)用函數(shù)功能塊F（x）來實(shí)現(xiàn)在主汽溫度不同變化速率下減溫水的不同前饋量值[12-13]。

（2）優(yōu)化減溫水PID 被控量邏輯，實(shí)現(xiàn)RB 過程中抗積分飽和的能力。在機(jī)組RB 工況下，通過對(duì)被控量值的鎖定，將（Tset-Tout）進(jìn)行剔除處理，在一定時(shí)間內(nèi)減溫水PID 將根據(jù)RB 觸發(fā)時(shí)（Tset-Tout）和Tinl的關(guān)系提前進(jìn)行調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，在該控制回路上還設(shè)計(jì)增加了（Tset-Tout）量值疊加溫度修正的功能，該修正基于不同RB 類型對(duì)主汽溫所產(chǎn)生的不同影響，靈活區(qū)分疊加作用強(qiáng)弱[14]，確保RB 后期蒸汽溫度，特別是主汽溫度快速大幅飆升時(shí)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

（3）增加RB 觸發(fā)后主汽溫度設(shè)定值切換的邏輯[15]。在機(jī)組RB 發(fā)生后，將主汽溫度設(shè)定值切換為595 ℃，主動(dòng)降低溫度設(shè)定值，進(jìn)一步避免后續(xù)的溫度超溫。待RB 復(fù)位后，運(yùn)行人員可手動(dòng)改變溫度設(shè)定值偏置，恢復(fù)對(duì)主汽溫度的正?？刂?。

以末級(jí)過熱器減溫水為例，優(yōu)化后的控制邏輯如圖5 所示。

3.2 優(yōu)化效果

通過對(duì)上述相關(guān)邏輯優(yōu)化后，主汽溫度調(diào)節(jié)品質(zhì)改善效果明顯。以燃料量波動(dòng)、爐內(nèi)風(fēng)煙流場(chǎng)擾動(dòng)、火焰偏燒情況最為惡劣的空預(yù)器RB 試驗(yàn)為例，其末級(jí)過熱器進(jìn)口溫度在RB 觸發(fā)后經(jīng)過3 min 18 s 開始回升；主汽溫度經(jīng)過5 min 27 s開始回升。隨著Tinl的緩慢攀升，末級(jí)減溫水調(diào)閥隨之開始調(diào)節(jié)，待主汽溫度開始上升時(shí)，主汽溫度變化微分的前饋也逐漸介入。整個(gè)空預(yù)器RB過程中，主汽溫度最低581.8 ℃，最高597.3 ℃，調(diào)節(jié)效果顯著，調(diào)節(jié)過程如圖6 所示。

圖5 優(yōu)化后末級(jí)過熱器溫度控制邏輯

圖6 邏輯優(yōu)化后空預(yù)器RB 過程主汽溫度控制情況

4 結(jié)語

在具有大延時(shí)、大慣性、非線性和時(shí)變性特點(diǎn)的主汽溫度控制中，針對(duì)應(yīng)用Smith 預(yù)估控制方法在RB 過程中出現(xiàn)的近似積分飽和現(xiàn)象，提出了一種運(yùn)用增加主汽溫度變化微分前饋和優(yōu)化RB 過程PID 導(dǎo)前設(shè)定值邏輯的改進(jìn)Smith 預(yù)估控制策略。該方法通過實(shí)時(shí)采集主汽溫度的變化趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整對(duì)減溫水的前饋量值，同時(shí)優(yōu)化減溫水PID 導(dǎo)前設(shè)定值邏輯，通過對(duì)RB 過程中導(dǎo)前設(shè)定值的鎖定，實(shí)現(xiàn)近似抗積分飽和的能力。在空預(yù)器RB 試驗(yàn)中，超調(diào)量控制在2.3℃，峰值時(shí)間在RB 觸發(fā)后的15 min 42 s，系統(tǒng)穩(wěn)定后無振蕩。試驗(yàn)結(jié)果表明，該策略控制品質(zhì)改善明顯，積分飽和現(xiàn)象得以消除，滿足了控制要求，對(duì)同樣采取Smith 預(yù)估控制策略的機(jī)組具有借鑒意義。