火電廠超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制方法研究

[摘 要] 為了提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在火電廠超臨界機(jī)組運(yùn)行中的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)了一種超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制方法。先對(duì)超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后以多目標(biāo)優(yōu)化方法為依托，對(duì)超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制方法進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了優(yōu)化后的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的可行性，旨在保障超臨界機(jī)組安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞]超臨界機(jī)組；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；控制方法；爐跟機(jī)控制

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0015–03

Research on Control Method of Coordinated Control System for Supercritical Units in Thermal Power Plants

WANG Ruiwen

[Abstract]In order to improve the application effect of coordinated control system in the operation of supercritical units in thermal power plants， a control method for coordinated control system of supercritical units was designed. Firstly， the structure of the coordinated control system for supercritical units was designed， and then the control method of the coordinated control system for supercritical units was optimized based on multi-objective optimization methods. The feasibility of the optimized coordinated control system was verified through simulation analysis， aiming to ensure the safe and stable operation of supercritical units.

[Keywords]supercritical unit； coordinated control system； control methods； furnace and machine control

1 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 火電廠單元機(jī)組的常見(jiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

科技的快速發(fā)展加快了我國(guó)火電廠信息化建設(shè)步伐，從而開(kāi)發(fā)出多種不同的控制方法。通過(guò)這些控制方法的應(yīng)用，一方面，動(dòng)態(tài)跟蹤外部負(fù)荷指令N0，另一方面，則使主汽壓力PT保持穩(wěn)定。針對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷變化的不同，可將控制方法分為以下3種類(lèi)型。

（1）鍋爐跟蹤法。超臨界機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)N0出現(xiàn)改變后，功率調(diào)節(jié)器自動(dòng)發(fā)出指令，以修改汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的開(kāi)度μ，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的功率Ne，使其與N0相匹配，確保電機(jī)運(yùn)行狀況符合外部電網(wǎng)實(shí)際情況的要求。同時(shí)，當(dāng)調(diào)門(mén)開(kāi)度出現(xiàn)改變后，PT也隨之改變，以此調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)的燃料量，確保整個(gè)機(jī)組的汽壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。鍋爐跟蹤法原理如圖1所示。該方法可通過(guò)外部荷載的變化，自動(dòng)地對(duì)電機(jī)功率、主汽壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，但受到鍋爐高延遲特性的影響，導(dǎo)致主汽壓力并不穩(wěn)定，在一定程度上干擾了整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行。所以，該方法一般應(yīng)用到電網(wǎng)調(diào)頻控制中。

（2）汽機(jī)跟隨法。N0出現(xiàn)改變后，功率調(diào)節(jié)器自動(dòng)發(fā)出指令，以調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)部燃料量B，同時(shí)，PT也隨之改變，針對(duì)PT變化情況，主汽壓調(diào)節(jié)器對(duì)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到主汽壓力穩(wěn)定的目的。汽機(jī)跟隨法原理如圖2所示。該方法主要通過(guò)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的調(diào)節(jié)，達(dá)到主汽壓穩(wěn)定的目的，但因?yàn)殄仩t存在延遲與慣性，導(dǎo)致機(jī)組與外部荷載存在延遲。所以，該方法通常僅用于承載基本負(fù)荷。

（3）機(jī)爐協(xié)調(diào)法，N0出現(xiàn)改變后，協(xié)同控制系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生負(fù)荷偏差信號(hào)，該信號(hào)不僅會(huì)修改汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度，還會(huì)對(duì)燃料量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)主汽壓穩(wěn)定的目的。機(jī)爐協(xié)調(diào)法原理如圖3所示。該方法融合了上述兩種方法的優(yōu)勢(shì)，更加有利于整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，因而現(xiàn)代火電廠建設(shè)時(shí)，通常采用機(jī)爐協(xié)調(diào)法對(duì)超臨界機(jī)組進(jìn)行控制。

1.2 超臨界機(jī)組鍋爐跟機(jī)方式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，超臨界機(jī)組內(nèi)部并無(wú)汽包，直接將給水泵與蒸汽機(jī)相連，使得機(jī)組內(nèi)部給水量出現(xiàn)改變后，蒸汽量也隨之改變，從而改變了機(jī)組內(nèi)部的蒸汽壓力，即鍋爐給水量與汽輪機(jī)運(yùn)行情況具有非常緊密的聯(lián)系。因此，超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制過(guò)程中，應(yīng)將給水量作為主要控制指標(biāo)之一。此外，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，火電廠需要對(duì)汽水分離器出口溫度（中間點(diǎn)溫度）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此作為鍋爐壓力調(diào)節(jié)的主要依據(jù)之一，因而協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制時(shí)，還應(yīng)選擇中間點(diǎn)溫度作為控制指標(biāo)，從而進(jìn)一步提升協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制效果。

目前，隨著我國(guó)火電行業(yè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，使得電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻工作開(kāi)展時(shí)，需要更多的超臨界機(jī)組參與進(jìn)來(lái)，即機(jī)組應(yīng)具備良好的跟蹤負(fù)荷能力，即當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷出現(xiàn)改變后，機(jī)組內(nèi)部功率等也隨之改變。針對(duì)這一情況，現(xiàn)代火電廠超臨界機(jī)組建設(shè)時(shí)，通常采用爐跟機(jī)控制法進(jìn)行控制：利用μ的調(diào)節(jié)，改變鍋爐電機(jī)負(fù)荷N，利用B的調(diào)節(jié)，改變機(jī)組PT，利用給水流量W的調(diào)節(jié)，改變中間點(diǎn)溫度T。

1.3 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)跟機(jī)控制法雖然可以自動(dòng)地對(duì)外部負(fù)荷進(jìn)行跟蹤，但主汽壓力并不穩(wěn)定，對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行有一定干擾。針對(duì)這一問(wèn)題，以傳統(tǒng)爐跟機(jī)控制法為依托，設(shè)計(jì)出一種超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，即增加了壓力拉回回路和機(jī)組負(fù)荷指令的前饋回路。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。增加拉回回路后，可自動(dòng)地對(duì)壓力偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到符合后續(xù)處理要求的信號(hào)，并將其傳輸給輸入端，以提升機(jī)組控制效率與精確性。增加前饋回路后，可自動(dòng)地對(duì)壓力偏差變化情況進(jìn)行觀測(cè)，若發(fā)現(xiàn)壓力偏差變化范圍大，則自動(dòng)地對(duì)該信號(hào)進(jìn)行限幅，以控制壓力偏差的變化幅度，防止由于變化幅度較大而影響機(jī)組的正常運(yùn)行。同時(shí)，在前饋回路中，還會(huì)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況，提前對(duì)給煤量與給水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以賦予系統(tǒng)更快的響應(yīng)速度。

2 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

2.1 多目標(biāo)優(yōu)化基本原理

多目標(biāo)優(yōu)化解決問(wèn)題時(shí)，共包含控制變量、目標(biāo)函數(shù)與約束條件3部分，其中，控制變量指問(wèn)題中需要進(jìn)行控制或選擇的因素與參數(shù)，共有n個(gè)；目標(biāo)函數(shù)指待解決問(wèn)題與相關(guān)因素之間的函數(shù)關(guān)系，共M個(gè)；約束條件指問(wèn)題解決時(shí)應(yīng)遵守的前提條件。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化的原理，可得到多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題表達(dá)式為：

通過(guò)大量實(shí)踐研究可以發(fā)現(xiàn)，采用多目標(biāo)優(yōu)化解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，所有指標(biāo)通常無(wú)法都獲得最優(yōu)解，有些指標(biāo)甚至存在矛盾，即一個(gè)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)解時(shí)，其他一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)得到很差的解。針對(duì)這一情況，在多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)際操作時(shí)，需要根據(jù)各指標(biāo)在復(fù)雜問(wèn)題中的重要程度，賦予其相應(yīng)的權(quán)重值，并按照由高到低的順序?qū)Ω髦笜?biāo)進(jìn)行排列，然后選擇權(quán)重值較高的指標(biāo)作為關(guān)鍵指標(biāo)，盡量計(jì)算出這些指標(biāo)的最優(yōu)解，以使整個(gè)問(wèn)題的最優(yōu)解盡量最優(yōu)。由此可以發(fā)現(xiàn)，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題過(guò)程中，通?？梢缘玫阶顑?yōu)解集，而非單一的最優(yōu)解。最后，工作人員應(yīng)針對(duì)問(wèn)題的具體情況，結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn)，在集合中提取出最終的最優(yōu)解，以此當(dāng)作整個(gè)問(wèn)題的最優(yōu)解。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

在超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，共有3個(gè)輸入與3個(gè)輸出，主要控制指標(biāo)為機(jī)組功率、主蒸汽壓力與中間點(diǎn)溫度，屬于多目標(biāo)復(fù)雜控制問(wèn)題。采用傳統(tǒng)優(yōu)化方法時(shí)，分別構(gòu)建3個(gè)控制器，每個(gè)控制器分別控制不同的指標(biāo)，以使各指標(biāo)均處于最佳狀態(tài)，最后，通過(guò)對(duì)3個(gè)指標(biāo)的耦合，實(shí)現(xiàn)超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制的目的。該控制方法具有一定的應(yīng)用效果，但由于各指標(biāo)控制相對(duì)獨(dú)立，可能出現(xiàn)各指標(biāo)相互沖突的問(wèn)題，從而制約了機(jī)組的控制效果。所以，為了進(jìn)一步提升超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制效果，采用多目標(biāo)優(yōu)化的方式對(duì)協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行控制。由上述可知，目標(biāo)函數(shù)是多目標(biāo)優(yōu)化中的重要組成部分，直接影響到最終優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)選擇最佳的目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具體情況，采用誤差平方積分（ISE）加權(quán)和確定目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為：

采用該方法確定目標(biāo)函數(shù)時(shí)，根據(jù)各指標(biāo)在整個(gè)問(wèn)題中的重要程度，分別賦予各指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)值，若兩個(gè)指標(biāo)的重要程度相同，應(yīng)賦予一致的加權(quán)系數(shù)。若其中1個(gè)指標(biāo)的重要程度顯著高于其他兩個(gè)，則重新設(shè)置該指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)，以提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化與仿真分析

為了驗(yàn)證該優(yōu)化方案是否合理，選擇傳統(tǒng)爐跟機(jī)控制參數(shù)作為對(duì)照，對(duì)優(yōu)化前后協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行模擬分析。由模擬分析結(jié)果可知，相較于原控制參數(shù)，優(yōu)化后的控制參數(shù)更合理，可顯著提升機(jī)組負(fù)荷、主蒸汽壓力、中間點(diǎn)溫度、給煤量、調(diào)門(mén)開(kāi)度及給水量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速度，使整個(gè)機(jī)組可以穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)火電廠超臨界機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其控制方法。該系統(tǒng)顯著提升了超臨界機(jī)組的控制效果，使整個(gè)機(jī)組可以安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，有利于推動(dòng)火電廠向著更加良好的方向發(fā)展。

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