基于內(nèi)模與PD技術(shù)的兩級(jí)過(guò)熱汽溫協(xié)同控制

楊大賢

(國(guó)能智深控制技術(shù)有限公司,北京 100761)

0 引言

目前，火力發(fā)電機(jī)組大多進(jìn)行過(guò)超低排放燃燒器改造，配風(fēng)方式與設(shè)計(jì)工況偏離較大，導(dǎo)致機(jī)組吸熱原理發(fā)生根本性改變，過(guò)熱汽溫波動(dòng)幅度大，超溫現(xiàn)象頻發(fā)，汽溫自動(dòng)投入率低，運(yùn)行人員操作干預(yù)很頻繁，監(jiān)盤(pán)壓力很大。常規(guī)過(guò)熱汽溫采取串級(jí)PID控制策略居多，穩(wěn)態(tài)工況下控制效果尚可，但遇到變負(fù)荷工況、啟停磨、AGC-R等工況，對(duì)象特性變化大，積分飽和現(xiàn)象明顯，控制效果欠佳。

常規(guī)機(jī)組一、二級(jí)過(guò)熱汽溫給定值獨(dú)立控制，在某些工況下容易出現(xiàn)一級(jí)過(guò)熱汽溫設(shè)定不合理造成二級(jí)汽溫欠溫或者超溫現(xiàn)象。本文采用內(nèi)模與PD控制相結(jié)合的技術(shù)，同時(shí)構(gòu)建了煤量、主蒸汽流量與一、二級(jí)噴水減溫精準(zhǔn)前饋控制策略。該控制策略已于2020年10月投入穩(wěn)定運(yùn)行，與原有基于串級(jí)PID控制效果進(jìn)行對(duì)比，新的控制策略提高了過(guò)熱器自動(dòng)投入率，減小了汽溫波動(dòng)幅度和超溫現(xiàn)象，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

1 過(guò)熱汽溫控制

1.1 過(guò)熱汽溫控制對(duì)象

本項(xiàng)目低溫過(guò)熱器布置在爐膛尾部煙道，通過(guò)煙氣對(duì)流進(jìn)行換熱；一級(jí)過(guò)熱器布置在爐膛水平煙道中，通過(guò)輻射和對(duì)流方式實(shí)現(xiàn)換熱；二級(jí)過(guò)熱器布置在水平煙道上，通過(guò)對(duì)流方式實(shí)現(xiàn)換熱。從燃燒角度來(lái)看，一級(jí)過(guò)熱器出口汽溫受到給煤量、總風(fēng)量、主蒸汽流量、減溫水流量和燃燒方式等多方面因素的影響；二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫除受到上述因素影響之外，還受到一級(jí)過(guò)熱器出口汽溫的影響。綜上可知，影響一、二級(jí)過(guò)熱汽溫的因素很多，從控制角度來(lái)說(shuō)又是大慣性、大遲延、強(qiáng)耦合、非線性的系統(tǒng)，因此對(duì)主汽溫度的精準(zhǔn)控制是現(xiàn)階段火電機(jī)組的普遍難題。本項(xiàng)目330 MW亞臨界火電機(jī)組一、二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫控制對(duì)象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一、二過(guò)熱器出口汽溫控制對(duì)象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 過(guò)熱汽溫控制策略

某電廠330 MW亞臨界機(jī)組一、二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫控制策略如圖2、圖3所示。

圖2 某電廠330 MW亞臨界機(jī)組一級(jí)過(guò)熱器出口汽溫優(yōu)化控制策略

圖3 某電廠330 MW亞臨界機(jī)組二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫優(yōu)化控制策略

過(guò)熱器出口汽溫設(shè)定值以運(yùn)行人員手動(dòng)給定為基礎(chǔ)，二級(jí)過(guò)熱器對(duì)象對(duì)一級(jí)過(guò)熱器出口汽溫設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)修正(由F(X)來(lái)修正)。修正規(guī)則如下：

(1) 增負(fù)荷時(shí)，二級(jí)過(guò)熱出口汽溫高并且閥門位置大于50%，降低一級(jí)過(guò)熱器出口汽溫設(shè)定值。

(2) 降負(fù)荷時(shí)，二級(jí)過(guò)熱出口汽溫不高并且閥門位置小于20%，提高一級(jí)過(guò)熱器出口汽溫設(shè)定值。

(3) 穩(wěn)態(tài)時(shí)，閥門位置大于50%時(shí)，降低二級(jí)過(guò)熱器前溫度設(shè)定值；閥門位置小于10%時(shí)，提高一級(jí)過(guò)熱器出口汽溫設(shè)定值。

通過(guò)二級(jí)過(guò)熱器對(duì)一級(jí)過(guò)熱器汽溫設(shè)定值進(jìn)行聯(lián)動(dòng)修正來(lái)實(shí)現(xiàn)基于多變量預(yù)測(cè)控制算法的控制策略。運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)二級(jí)減溫水調(diào)閥全開(kāi)或者全關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫缺乏調(diào)節(jié)裕度，而此時(shí)一級(jí)減溫水調(diào)閥還具備較大調(diào)節(jié)裕度，因此本文將二級(jí)減溫器的給定值作為前饋引入一級(jí)過(guò)熱器出口汽溫控制回路中，結(jié)合減溫水流量和過(guò)熱器出口汽溫設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法對(duì)一級(jí)過(guò)熱器出口設(shè)定值進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)汽溫聯(lián)動(dòng)控制。同時(shí)控制前饋中加入了減溫器溫度的四階慣性(LAG)前饋和設(shè)定值的微分環(huán)節(jié)，減少了由于管道長(zhǎng)度導(dǎo)致的控制滯后。

2 控制效果對(duì)比

上述基于多變量廣義預(yù)測(cè)控制算法的主汽溫優(yōu)化控制策略于2020年5月在某電廠330 MW亞臨界機(jī)組中進(jìn)行了應(yīng)用。圖4、圖5分別為常規(guī)PID控制與多變量廣義預(yù)測(cè)算法在機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的對(duì)比數(shù)據(jù)，時(shí)間窗口為3 h。由圖4可見(jiàn)，穩(wěn)態(tài)工況下PID控制的二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫最大偏差為7.1 ℃且減溫水流量波動(dòng)較大。圖5為采用了優(yōu)化控制策略的控制結(jié)果，最大偏差為1.8 ℃且減溫水調(diào)節(jié)比較平穩(wěn)。

圖4 穩(wěn)定負(fù)荷工況下的PID控制效果

圖5 穩(wěn)定負(fù)荷工況下的優(yōu)化控制效果

圖6、圖7分別為常規(guī)PID控制與多變量廣義預(yù)測(cè)算法在機(jī)組變負(fù)荷工況下的對(duì)比數(shù)據(jù)，時(shí)間窗口為3 h。由圖6可見(jiàn)，變負(fù)荷工況下常規(guī)串級(jí)PID控制的汽溫最大偏差大于18 ℃且需要人工頻繁干預(yù)。圖7為采用了優(yōu)化控制策略的控制結(jié)果，最大偏差小于8 ℃且長(zhǎng)期處于自動(dòng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)效果明顯改善。

圖6 大范圍變負(fù)荷時(shí)PID控制曲線

圖7 大范圍變負(fù)荷時(shí)優(yōu)化控制曲線

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐結(jié)果表明：基于多變量廣義預(yù)測(cè)控制算法的汽溫優(yōu)化控制策略提高了該廠的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)對(duì)比過(guò)熱汽溫優(yōu)化控制投入前后一個(gè)月的主汽溫度小時(shí)均值、減溫水用量的數(shù)據(jù)并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算。過(guò)熱汽溫優(yōu)化控制策略投入后，超溫次數(shù)和超溫時(shí)長(zhǎng)降低80%以上；主蒸汽溫度小時(shí)平均值達(dá)到539.5 ℃，較優(yōu)化前提高5.4 ℃；減溫水使用量平均值為31 t，較優(yōu)化前降低17 t；日平均自動(dòng)投入時(shí)長(zhǎng)由18 h提升至23 h，有效降低了發(fā)電成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。