基于多變量前饋的再熱汽溫自動(dòng)控制應(yīng)用研究

顏綱要，葉 青，田紹鋼

(國能蚌埠發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蚌埠 233411)

某電廠2×600 MW超臨界機(jī)組，為單爐膛變壓直流爐、一次中間再熱、采用前后墻對(duì)沖燃燒方式、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊Π型結(jié)構(gòu)。再熱汽溫采用布置在鍋爐尾部煙道一級(jí)過熱器和低溫再熱器的煙氣擋板調(diào)節(jié)為主、噴水調(diào)溫為輔的方式，噴水減溫僅用作事故減溫。機(jī)組投運(yùn)初期，再熱汽溫運(yùn)行正常，通過煙氣擋板和少量事故噴水減溫控制汽溫，減少超溫，減溫水用量也很少[1]。

經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行，以及后期引增合一、超凈排放等系統(tǒng)和設(shè)備的改造，鍋爐運(yùn)行工況發(fā)生了變化，受熱面溫度和汽溫整體升高，易造成汽溫和金屬溫度超限，需要大量投入減溫水噴水以控制溫度。原來的控制策略難以適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜的運(yùn)行工況，再熱汽溫的控制長(zhǎng)期處于手動(dòng)模式。加之再熱器溫度變化緩慢且慣性大的特點(diǎn)，運(yùn)行人員操作幅度大、操作頻次高，同時(shí)由于再熱汽減溫水對(duì)主汽壓力的影響比較大，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，易造成減溫水流量、再熱汽溫隨壓力波動(dòng)，形成調(diào)節(jié)振蕩。而當(dāng)負(fù)荷與壓力變化較大時(shí)，其振蕩不易收斂，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，使機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，也相應(yīng)影響到AGC調(diào)節(jié)精度和一次調(diào)頻的及時(shí)正確響應(yīng)。因此，需要研究一種適合當(dāng)前復(fù)雜工況的再熱汽溫控制策略，使再熱器擋板和減溫水能夠協(xié)同動(dòng)作，提高機(jī)組的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 再熱汽溫動(dòng)態(tài)特性分析

為研究再熱汽溫控制系統(tǒng)，根據(jù)鍋爐的燃燒特性，對(duì)和再熱汽溫存在相關(guān)性的熱力參數(shù)、控制變量，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

通過觀察分析認(rèn)為，主汽壓力、總給煤量、再熱器減溫器入口汽溫、再熱器減溫器出口汽溫、低溫再熱器煙氣溫度的變化與再熱汽溫相關(guān)，減溫水調(diào)節(jié)閥、再熱器煙氣擋板是調(diào)整汽溫的主要手段，因此，選擇這些變量在一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入panda數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及可視化分析。與理論研究中對(duì)象動(dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù)建模分析不同的是，本文單純以運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)之間經(jīng)過時(shí)間位移后的相關(guān)性分析為主。即對(duì)相關(guān)參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行時(shí)間位移，找出其與再熱汽溫的最大相關(guān)性，判斷該參數(shù)對(duì)再熱汽溫是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)、位移時(shí)間及相關(guān)性的大小，以此作為控制策略優(yōu)化的依據(jù)。為了減少其他隨機(jī)因素的干擾，選擇熱力性能試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)各擾動(dòng)量的動(dòng)態(tài)特性簡(jiǎn)化為：Wi(S)=K/(1+TiS)[2]，以確定動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

首先導(dǎo)出分析所需測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行離散點(diǎn)和壞點(diǎn)去除，以減少噪聲干擾。為便于可視化分析，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

1.1 總給煤量與再熱汽溫的相關(guān)性

從熱力特性分析，當(dāng)給煤量增大時(shí)，鍋爐吸熱增加，會(huì)使汽溫升高。但在協(xié)調(diào)控制下，燃料量的增加相應(yīng)會(huì)有給水量的增加，而且給水的影響超前于給煤量的影響，當(dāng)系統(tǒng)趨于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，煤量與汽溫沒有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此從整個(gè)負(fù)荷范圍來看，給煤量和再熱汽溫沒有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，二者之間相關(guān)性較小。但通過觀察，運(yùn)行中煤量變化時(shí)，對(duì)汽溫的影響比較明顯，尤其是在變負(fù)荷時(shí)，汽溫的波動(dòng)也比較大，這除了蒸汽流量的影響，與給煤量變化所導(dǎo)致的燃燒變化也有關(guān)系。因此，從短時(shí)間內(nèi)的變化進(jìn)行分析，對(duì)給煤量數(shù)據(jù)做算數(shù)平均濾波，并經(jīng)過時(shí)間移位，與再熱汽溫進(jìn)行相關(guān)性分析。對(duì)給煤量延時(shí)尋優(yōu)如圖1所示。由圖1得到滯后0.67 min后與再熱汽溫最大相關(guān)性為0.504的趨勢(shì)曲線，縱坐標(biāo)為歸一化數(shù)據(jù)，量程為0～1。通過多階段數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，給煤量滯后時(shí)間不太固定，但均具有較高的相關(guān)性。擬合函數(shù)為：

f(x)= 0.340 8x3-1.343x2+1.525x+0.128 4

圖1 總給煤量與再熱汽溫的相關(guān)性Fig.1 Correlation between total coal feed and reheat steam temperature

1.2 減溫器入口汽溫對(duì)再熱汽溫的影響

在熱力系統(tǒng)中，事故噴水減溫器布置在再熱器進(jìn)口管路上，因此減溫器入口汽溫是再熱汽初始工質(zhì)參數(shù)，其參數(shù)的變化趨勢(shì)將影響到再熱汽溫的變化。通過對(duì)再熱器入口汽溫和再熱器出口溫度延時(shí)尋優(yōu)，得到再熱器入口汽溫滯后3.33 min后與再熱汽溫的最大相關(guān)性為0.57。從圖2可以看出，二者的變化具有高度一致性。擬合函數(shù)為：

f(x)= -0.142 1x3+0.686 8x2-0.517 9x+0.573

圖2 減溫器入口汽溫與再熱汽溫的相關(guān)性Fig.2 Correlation between inlet steam temperature of desuperheater and reheat steam temperature

1.3 低溫再熱器出口煙溫對(duì)再熱汽溫的影響

爐膛水平煙道布置有屏式過熱器、屏式再熱器、末級(jí)再熱器及末級(jí)過熱器。在負(fù)荷一定的情況下，煙氣溫度產(chǎn)生變化，屏式再熱器、末級(jí)再熱器的吸熱量也相應(yīng)發(fā)生變化，從而引起再熱汽溫的變化，但此變化比較滯后。通過對(duì)低溫過熱器煙氣溫度進(jìn)行時(shí)間移位，與再熱汽溫做相關(guān)性尋優(yōu)分析，得到滯后時(shí)間5.67 min、相關(guān)系數(shù)為0.789的趨勢(shì)曲線(圖3)，擬合函數(shù)為：

導(dǎo)樂分娩時(shí)一種全新的分娩模式,有專業(yè)導(dǎo)樂人員為產(chǎn)婦提供專業(yè)化、人性化的服務(wù),無創(chuàng)傷,給予產(chǎn)婦持續(xù)性的生理上的支持幫助及心理上的安慰鼓勵(lì),使其順利完成分娩過程,有利于提高產(chǎn)科服務(wù)質(zhì)量,降低剖宮產(chǎn)率,是國際上比較推崇的服務(wù)理念。自2017年1月我院開展導(dǎo)樂分娩以來,取得較好的收效,先總結(jié)如下。

f(x)= 0.651 2x3-0.867 1x2+0.902 6x+0.172 7

圖3 低再出口煙溫與再熱汽溫的相關(guān)性Fig.3 Correlation between low re-exit smoke temperature and reheat steam temperature

2 再熱汽減溫水控制策略選擇

2.1 原傳統(tǒng)控制策略

原再熱汽減溫水是一個(gè)具有導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)，為前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。如圖4所示，減溫器出口的溫度θ1經(jīng)過微分器作為前饋信號(hào)，疊加至減溫器出口蒸汽溫度θ和其給定值的偏差上，綜合值輸入PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算，PID輸出值控制減溫水流量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)中有2個(gè)測(cè)量值：再熱器出口溫度θ和減溫器出口蒸汽溫度θ1。測(cè)點(diǎn)θ1安裝在減溫器出口，作為導(dǎo)前信號(hào)，可以較早地反映大慣性環(huán)節(jié)的遲延，以改善基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性。

圖4 具有導(dǎo)前微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of dual-loop control system with leading differential signal

這種系統(tǒng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作快于單信號(hào)系統(tǒng)，在減小動(dòng)態(tài)偏差、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等方面都明顯優(yōu)于單信號(hào)系統(tǒng)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，有2個(gè)重要原因使得這種控制策略不適用于現(xiàn)場(chǎng)：①在外部擾動(dòng)如煙氣和蒸汽流量的擾動(dòng)下，θ1的導(dǎo)前作用不明顯，因此外部擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過程滯后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力較差；②由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的限制，導(dǎo)前溫度信號(hào)θ1安裝位置距離噴水減溫器太近，噴水和蒸汽不能充分混合均勻，其測(cè)量值不能真實(shí)地反映導(dǎo)前區(qū)溫度。往往是減溫水閥開大時(shí)，溫度快速下降，減溫水閥關(guān)小時(shí)，溫度又快速回升，從而造成在PID作用下減溫水閥頻繁開關(guān)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性(圖5)。

圖5 減溫器后溫度造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩示意Fig.5 Temperature after the desuperheater causes the regulation system to oscillate

2.2 先進(jìn)算法及智能控制策略簡(jiǎn)介

在汽溫控制的研究和應(yīng)用中，有一些先進(jìn)的控制，如自適應(yīng)控制、模糊控制、預(yù)測(cè)控制、狀態(tài)觀測(cè)器等智能控制策略。文獻(xiàn)[3]介紹了自適應(yīng)控制算法在再熱汽溫控制中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]提出智能自校正模糊控制在電廠再熱汽溫調(diào)節(jié)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[5]提出將模糊控制與自適應(yīng)控制相結(jié)合的模糊自適應(yīng)控制；文獻(xiàn)[6]介紹了復(fù)合控制在過熱汽溫控制中應(yīng)用的仿真研究；文獻(xiàn)[7-8]基于預(yù)測(cè)控制理論設(shè)計(jì)再熱汽溫控制器；文獻(xiàn)[9-10]運(yùn)用多變量廣義預(yù)測(cè)控制對(duì)火力發(fā)電廠中的汽溫系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究；文獻(xiàn)[11]提出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID應(yīng)用于再熱汽溫進(jìn)行控制；文獻(xiàn)[12]介紹了狀態(tài)觀測(cè)器及狀態(tài)反饋控制在汽溫控制中的應(yīng)用。這些先進(jìn)算法和策略，一方面由于理論深、參數(shù)多，受制于現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)功能模塊，難以組態(tài)實(shí)現(xiàn)，有的采用外掛式控制器(俗稱黑匣子)，具有保密性和很高的專業(yè)性，一般普通工程技術(shù)人員很難獲得和掌握修改參數(shù)的方法，在系統(tǒng)特性發(fā)生改變時(shí)無法及時(shí)修改調(diào)整，存在一定的維護(hù)難度，需要后續(xù)投入較高的維護(hù)費(fèi)用，也延續(xù)了風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 多變量前饋控制策略的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

基于以上分析，需要研究出一種便于維護(hù)并適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況的控制策略，使再熱汽溫能夠自動(dòng)正常可靠投入。

(1)以被調(diào)量為微分前饋的變參數(shù)調(diào)節(jié)回路。優(yōu)化后的再熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理如圖6所示，主回路采用再熱汽溫作為被調(diào)量的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，按照負(fù)荷指令進(jìn)行變參數(shù)調(diào)節(jié)。由于噴水后溫度的突變性，此信號(hào)不予采用。再熱汽出口溫度的變化速率作為一個(gè)前饋信號(hào)，經(jīng)過放大，和輸入偏差的函數(shù)相乘后直接匯入PID輸出，能夠在汽溫變化時(shí)快速超前動(dòng)作，減小被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差。

(3)抗積分飽和智能處理功能。很多較為復(fù)雜的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略都設(shè)計(jì)有前饋指令，以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的超前響應(yīng)和抗干擾能力，但前饋信號(hào)是和PID輸出進(jìn)行綜合，當(dāng)所控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到上下限時(shí)，調(diào)節(jié)器存在積分飽和現(xiàn)象，調(diào)節(jié)返回變得不及時(shí)，嚴(yán)重影響自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，在控制指令回路中設(shè)計(jì)了抗積分飽和回路，以速率變參數(shù)控制組合超限輸出抑制，解決了這個(gè)重要難題。

圖6 減溫閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理Fig.6 Principle of desuperheating valve adjustment system

3 再熱器擋板控制策略優(yōu)化

3.1 原傳統(tǒng)控制策略

原傳統(tǒng)控制策略再熱器煙氣擋板設(shè)計(jì)為串級(jí)雙回路控制系統(tǒng)，內(nèi)回路控制再熱器煙氣溫度，外回路控制再熱汽溫，均為隨負(fù)荷的變參數(shù)調(diào)節(jié)器，且有負(fù)荷指令函數(shù)前饋以及主壓力前饋[13]。實(shí)際應(yīng)用中，該控制策略對(duì)PID參數(shù)和各前饋量參數(shù)調(diào)試與熱力系統(tǒng)特性匹配性差，故不能正常投入使用。

3.2 智能前饋控制策略設(shè)計(jì)

(1)以給煤量、主汽壓力為互補(bǔ)的智能預(yù)測(cè)前饋。根據(jù)之前的熱力特性分析計(jì)算給煤量與再熱汽溫的正相關(guān)性，在煙氣擋板控制回路中，設(shè)計(jì)給煤量微分與負(fù)荷指令函數(shù)相乘的負(fù)向前饋回路，當(dāng)給煤量增大時(shí)，按照不同負(fù)荷下的系數(shù)預(yù)先關(guān)小煙氣擋板，以抑制給煤量對(duì)煙氣溫度的影響，同時(shí)考慮到減溫水導(dǎo)致的主汽壓力波動(dòng)會(huì)影響煤量指令，設(shè)計(jì)了壓力變化率前饋回路，使給煤量和主汽壓力的前饋進(jìn)行互補(bǔ)，朝向減小汽溫波動(dòng)的方向動(dòng)作。再熱器煙氣擋板調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理如圖7所示。

(2)吹灰工況智能前饋。鍋爐吹灰時(shí)，使進(jìn)入再熱系統(tǒng)煙溫下降，減少了再熱系統(tǒng)吸熱量，使再熱

圖7 再熱器煙氣擋板調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理Fig.7 Principle of reheater flue gas baffle adjustment system

汽溫快速降低，正常的調(diào)節(jié)難以適應(yīng)這種熱力特性的快速改變，造成汽溫的大幅波動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)了再熱汽擋板吹灰模式，作為吹灰前饋。當(dāng)鍋爐需要吹灰時(shí)，運(yùn)行人員使用再熱汽擋板吹灰模式，按照經(jīng)驗(yàn)取得當(dāng)前負(fù)荷下的函數(shù)，輸出前饋量作用于煙氣擋板控制輸出，吹灰結(jié)束后退出?？梢栽诖祷視r(shí)提前預(yù)開再熱器擋板至一定開度，防止吹灰(尤其是長(zhǎng)吹)時(shí)再熱汽溫度下降過低。

4 結(jié)語

(1)經(jīng)過邏輯優(yōu)化，并在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)PID參數(shù)、各前饋參數(shù)的反復(fù)調(diào)整修正，實(shí)現(xiàn)了再熱器減溫水和煙氣擋板自動(dòng)的協(xié)調(diào)投入，二者在不同負(fù)荷區(qū)間權(quán)重不同、定值不同，協(xié)同互補(bǔ)，分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，各項(xiàng)調(diào)節(jié)指標(biāo)滿足要求。通過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，運(yùn)行人員的操作量由最高11 030次/d降低到3 818次/d，再熱汽溫超溫時(shí)間減少了60%以上，減溫水量減少15.24 m3/h。

(2)按照再熱器事故噴水下降10～20 m3/h，影響供電煤耗為標(biāo)準(zhǔn)煤0.3～0.6 g/kWh計(jì)算，可降低煤耗約0.45 g/kWh，依據(jù)2019年度70%的負(fù)荷率，年節(jié)約費(fèi)用約116萬元/臺(tái)。節(jié)能降耗效果顯著，且極大地減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了爐管因超溫而造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)再熱汽控制策略的分析和邏輯優(yōu)化，提出了一種相對(duì)比較簡(jiǎn)易的、以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)的分析方法，并結(jié)合具體實(shí)際而設(shè)計(jì)的控制策略，為同類型機(jī)組在常規(guī)DCS控制系統(tǒng)下的控制改進(jìn)提供了參考思路。