IMC預測控制在德州電廠擺角控制再熱汽溫的應用

李 明，郭忠波，王建華，李 全，開平安

(1.華能德州電廠，山東 德州 253024;2.北京控軟公司，北京 100086;3.國家發(fā)改委能源研究所，北京，100055)

0 引言

火力發(fā)電是電力的支柱性產(chǎn)業(yè)。發(fā)電廠的汽溫控制一直是電廠自動控制的一個難點，對國內(nèi)主力發(fā)電機組的安全性和經(jīng)濟性有重要影響。由于氣溫回路獨特的大延遲、大滯后特點，采用常規(guī)的控制方案往往都達不到控制效果。國內(nèi)的很多專家也提出了預測控制、模糊控制等各種手段來解決這個問題，但是由于沒有切實可行的介入和控制方法，最后的效果都不是很明顯。本文通過德州電廠項目改造，有效控制了再熱氣溫問題，為電力行業(yè)內(nèi)部相似問題提供了參考。

1 相關系統(tǒng)介紹

德州1號機組為哈鍋生產(chǎn)的300 MW、1025T/H亞臨界、一次中間再熱、四角切圓燃燒、自然循環(huán)汽包爐。該機組改造前再熱汽溫調(diào)節(jié)運行工況為:運行人員手動改變擺動燃燒器傾角為主，自動調(diào)節(jié)再熱汽事故噴水閥門為輔的調(diào)節(jié)方式。具體運行方式如下。

1.1 噴燃器 (火嘴)擺角手動調(diào)節(jié)

目前德州電廠只能憑借運行人員的個人經(jīng)驗和習慣，跟隨機組負荷手動操作再熱汽溫溫度的變化。通過擺動燃燒器傾角，改變鍋爐內(nèi)煤粉燃燒火焰中心，沿爐膛中心線高度位置上下平移，達到使爐膛出口煙溫發(fā)生相應的變化，改變爐內(nèi)輻射傳熱量和煙道對流傳熱量的分配比例，從而改變再熱器的吸熱量。

1.2 再熱汽減溫水噴水調(diào)節(jié)

這種手段不利于機組的經(jīng)濟運行，一般在國外成熟機組不單獨使用，主要作為煙氣擋板調(diào)節(jié)或者噴燃器擺角調(diào)節(jié)的輔助手段。但是在德州電廠1號機組由于沒有煙氣擋板，并且噴燃器只能手動調(diào)節(jié)，使得減溫水事故調(diào)門成為唯一有效的調(diào)節(jié)手段。現(xiàn)在1號機組再熱汽溫主要靠減溫水調(diào)節(jié)閥噴水控制，減溫水噴水控制分別由A側減溫水噴水回路和B側減溫水噴水回路獨立完成，每一側的減溫水噴水控制回路，由一個串級PID控制回路加前饋控制系統(tǒng)組成，并引入總風量測量值作為前饋信號。

由于機組再熱汽溫控制由運行人員手動以最大3°/min的幅度控制擺角，與操作員的操作經(jīng)驗和習慣密切相關，無法保證控制水平的一致性和穩(wěn)定性。減溫水調(diào)節(jié)閥頻繁開關，既浪費了能源，又降低了設備的使用壽命。擺動燃燒器調(diào)門的操作無法兼顧A，B兩側的再熱汽溫均衡控制，而且自動投入率不高、噴水消耗比較大、汽溫波動幅度大等問題都比較突出。

2 控軟先進控制軟件優(yōu)化系統(tǒng)介紹

2.1 再熱汽減溫水系統(tǒng)優(yōu)化

優(yōu)化方案目的。德州電廠先后對常規(guī)PID策略優(yōu)化、模糊控制、預測控制等解決方案進行了試驗，最終確定了采用北京控軟公司AECS-2000先進過程控制系統(tǒng)以OPC通訊的介入模式，采用了系統(tǒng)內(nèi)INTUNE(建模引擎)，MANTRA(運行引擎)，通過借助軟件的CC協(xié)調(diào)控制、IMC內(nèi)膜控制、MMC多變量解耦控制模塊的先進控制功能塊，排除過程中的大滯后、延遲、耦合干擾，優(yōu)化控制器的輸出，以達到長時間的穩(wěn)態(tài)控制。實現(xiàn)再熱汽溫控制以擺嘴自動為主，以減溫水自動調(diào)節(jié)為輔的工作模式，消除溫度控制特有的大滯后、多耦合等因素引起的調(diào)節(jié)品質(zhì)不理想的現(xiàn)狀，提高機組熱效率以及機組的AGC快速反應能力，保證機組整體安全和經(jīng)濟運行。

2.2 系統(tǒng)過程控制優(yōu)化策略及設計方案

(1)MANTRA控制軟件與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊方案。作為先進實時控制應用軟件，MANTRA與DCS上的控制回路緊密相連。DCS中一些操作約束條件可有效阻止一些不可行的控制狀況，一旦通訊中斷時，DCS回應報警并自動切換到備份模式。

(2)DCS側的相應邏輯策略。在新華DCS控制系統(tǒng)側，設置必要的先進控制投切安全保護策略。目的有以下兩點:第一，通過新華的DCS控制邏輯，判斷MANTRA是否獲得控制權，實現(xiàn)運行人員通過操作畫面進行擺角再熱汽溫先進控制調(diào)節(jié)系統(tǒng) (以下簡稱APC)的投入和切除操作。同時在APC控制投入時，實時數(shù)據(jù)能夠和DCS系統(tǒng)進行相關控制信號和反饋信號的數(shù)據(jù)傳遞;第二，在APC控制切除時，控制信號交還給原有新華PID控制邏輯進行控制，保證控制模式的無擾切換，避免再熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動而影響系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，如圖1所示。

圖1 APC的工作原理圖Fig.1 Principle of the APC

(3)先進控制策略方案。簡單策略原理如圖2。上方和下方利用MANTRA協(xié)調(diào)控制CC模塊以A，B再熱器出口溫度為PV，以鍋爐風量為前饋，以擺角控制器輸出和A，B再熱汽溫調(diào)門輸出為跟蹤量。基于PV-SP的偏差經(jīng) (INTUNE)內(nèi)建模型和調(diào)試計算后實行兩路控制器輸出，一路為A，B再熱汽溫調(diào)節(jié)CO2，送入下級控制模塊和再熱器入口汽溫PV進行比較運算后輸入進入內(nèi)膜控制模塊IMC進行相關一側的再熱器調(diào)門指令控制;一路為擺角控制器輸出CO1，上下兩個CC模塊的擺角控制輸出引入MANTRA的內(nèi)膜控制模塊IMC，并且與A，B再熱器噴水后溫度和擺角的實際位置進行數(shù)學建模和運算后輸出，再次與A，B側再熱汽溫輸出參數(shù)進行解耦和均衡后輸出擺角調(diào)門控制指令，經(jīng)過速率限制后對擺角進行精化細致的調(diào)節(jié)。

此策略利用CC控制模塊和IMC內(nèi)膜控制模塊，通過分別操控系統(tǒng)的三個不同的輸入信號加一個前饋信號來控制擺角和減溫水的耦合過程變量。使用這兩種先進控制策略主要目的:(1)抑制過程干擾。在達到控制要求的情況下，最大限度地使用擺角控制器來調(diào)節(jié)再熱溫度;在穩(wěn)態(tài)控制的情況下，優(yōu)化兩個控制器的輸出。先進控制策略使用兩個獨立的參數(shù)表“Active”和“Target”來實現(xiàn)以上三個目標。其中的“Active”參數(shù)表定義了CC控制模塊中，需要哪個控制器輸出設備的期望控制作用最強、最有效。當過程量測值偏離設定值后，控制作用最強 (也是最有效)的控制器輸出首先起作用。當控制作用最強的控制器輸出飽和后，使用期望控制作用較弱的控制器進行補償式耦合作用。本策略中，就是使用擺角控制器作為首選的期望控制作用最強的控制器，減溫水調(diào)節(jié)閥作為第二選擇的控制器。這樣，如果再熱汽溫PV值嚴重偏離了SP值，可以在擺角最大作用后，繼續(xù)通過控制減溫水調(diào)節(jié)閥耦合互補的進行迅速響應，力求兩種力量的疊合后快速使過程穩(wěn)定。(2)先進控制同時使用Target參數(shù)表定義了在長期穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài)下，用戶所期望的各個控制器輸出的目標值。當過程測量值達到目標設定值后，控制模塊就開始在不影響過程的情況下，驅動每一個控制器輸出達到他們的目標值。比如可以設定減溫水調(diào)節(jié)閥輸出為比較小的值 (例如10%)，擺角控制器為比較大的值(例如100%)。這樣，在保證過程穩(wěn)定的條件下，就可以盡量使用擺角控制器來調(diào)節(jié)再熱溫度。

圖2 先進控制策略及方法的簡單示意圖Fig.2 Single sketch of APC control strategy method

3 系統(tǒng)投運前后效果分析

如圖3所示的歷史曲線數(shù)據(jù)，是德州電廠1號機組在未投入APC自動控制，運行人員在省調(diào)度AGC自動投入的情況下，對擺角再熱汽控制進行全程手動控制的一個歷史曲線圖。從中能看到機組負荷在260～300 MW負荷波動工況下的1 h內(nèi)，擺角由運行人員從50%降至45% (0°到-2.5°)，A再熱汽溫波動為534℃到547℃，其中超過要求535℃ ～545℃的，廠內(nèi)要求再熱汽溫波動指標范圍 (再熱汽溫設定值一般在540℃±2℃)5次;B再溫度波動為532℃到544℃，超過要求溫度范圍3次。A再溫度幾乎大部分在設定點溫度541℃上方運行，而B再溫度幾乎全程在設定點溫度下方運行，同時運行人員手段干預擺角并且減溫水調(diào)門頻繁動作，造成A再熱汽噴水量平均8 t/h的流量且最高流量達到24 t/h的流量值，B再熱汽噴水量平均2.6 t/h的流量，最高流量至11.5 t/h的流量。

圖4所示是德州電廠1號機組APC自動控制系統(tǒng)，成功經(jīng)受省調(diào)度AGC自動投入下，負荷短時間大幅度擺動的運行工況考驗的歷史數(shù)據(jù)圖。圖中通過升降負荷的前后兩部分，比較分析了實際APC控制投入情況與圖3的情況，說明先進控制系統(tǒng)精確調(diào)控再熱汽溫的效果。

快速負荷上升階段:機組在接到調(diào)度中心指令后，負荷快速在1 h內(nèi)由210 MW升到303 MW期間，APC自動控制系統(tǒng)先通過IMC，MMC控制模塊，通過CC模塊協(xié)調(diào)A，B兩側再熱汽溫的偏差值后，內(nèi)模塊計算輸出相應的快速指令對主調(diào)手段的擺角先行快速由70%升到80%的限幅，使A，B再熱汽溫快速由537℃左右同時升到545℃左右，隨著負荷前饋的快速攀升以及汽溫在設定值541℃以上產(chǎn)生的近4℃的大偏差而迅速觸發(fā)輔助手段的減溫水調(diào)門打開噴水，通過短時間的1～2 t/h的流量而使再熱汽溫快速回調(diào)并維持在541℃設定值附近波動運行，隨著負荷的不斷攀升，主調(diào)擺角以一定的速率不斷下行，同時副調(diào)的減溫水先關閉再快速開大后關閉配合消除汽溫的上升趨勢。

快速負荷下降階段:機組在調(diào)度指令要求下，負荷快速在隨后1 h內(nèi)由303 MW降到200 MW期間，作為主調(diào)手段的擺角在APC自動控制系統(tǒng)的先進控制策略辨識和多變量模糊矩陣快速運算下，順著調(diào)節(jié)慣性繼續(xù)快速關到最低點30%，使A，B再熱汽溫穩(wěn)定的由近545℃下降到535℃，隨著負荷前饋的快速下降，汽溫在設定值541℃以下產(chǎn)生的-4℃的負偏差下觸發(fā)輔助手段的減溫水調(diào)門完全關閉，而主調(diào)手段擺角開始以較快速率向上擺動到最高80%的限幅，使再熱汽溫快速上升回歸設定值541℃設定值附近，當負荷繼續(xù)下降到200 MW以下時，由于擺角全開減溫水門全關，同時燃燒工況熱值已經(jīng)不足以維持A，B再熱汽溫上到540℃時，APC系統(tǒng)自動無擾切除轉入手動控制。

通過APC自動控制系統(tǒng)未投入和投入時的歷史曲線數(shù)據(jù)分析，能看到在不到兩小時，負荷快速由210 MW攀升到303 MW，然后急劇降低到200 MW以下的極端運行工況期間，擺角再熱汽溫聯(lián)合先進控制APC系統(tǒng)，能在這個極端過程中全程自動的情況下，通過以擺角為主控、兩側減溫水調(diào)門為輔助調(diào)節(jié)手段的方式，快速響應大負荷擾動，極好地維持了A，B兩側再熱汽溫在535℃～545℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定安全經(jīng)濟運行，最后在運行燃燒控制系統(tǒng)熱值不足以維持A，B再熱汽溫540℃的條件工況下，自動無擾切換到手動控制而把控制權交給新華DCS控制系統(tǒng)，由運行人員進行手動干預，實現(xiàn)了再熱汽溫的精細化自動控制。

4 應用總結及經(jīng)濟性分析

控軟的AECS2000先進控制提供了多種高級功能，如INTUNE(建模和優(yōu)化引擎)、MANTRA(運行引擎)LPM(電廠控制性能監(jiān)測)等。只需要幾個模塊的簡單組合，就能完成復雜的過程控制方案。優(yōu)點如下:(1)作為先進實時控制應用軟件，APC系統(tǒng)與DCS上的控制回路緊密相連。DCS中一些操作約束條件，可有效阻止一些不可行的控制狀況。通訊中斷時，DCS回報警并自動切換到備份模式。(2)MANTRA的諸多先進控制功能塊:CC，MMC，IMC可以提供預測控制，有效排除過程的干擾，優(yōu)化控制器的輸出以達到長時間的穩(wěn)態(tài)控制。(3)INTUNE具有自動整定 (Auto-Tuning)功能，即當一個回路在控制策略搭建完成以后，通過開環(huán)擾動試驗，收集曲線后會進行模型辨識，并給出回路魯棒特性優(yōu)良的PID參數(shù)，為過程控制提供準確的數(shù)學模型和控制參數(shù)。自適應優(yōu)化 (Adapt-Tune)功能、自適應優(yōu)化工具實際是一個系統(tǒng)，他的“無干擾”理論使用了極其復雜的啟發(fā)式算法，自動偵測過程的異常情況，從而無擾本過程回路的最優(yōu)化控制參數(shù)值。

統(tǒng)計分析了經(jīng)濟效益。對2011年運行參數(shù)的統(tǒng)計如表1所示。

表1 2011年平均月再熱汽溫數(shù)據(jù)表Tab.1 Luna average data of 2011

通過擺角再熱汽溫聯(lián)合的先進過程控制的優(yōu)化改造后，對其經(jīng)濟性做了預期統(tǒng)計:如果按照最嚴峻的運行工況來計算，將有如表2所示的月統(tǒng)計數(shù)據(jù)表。

表2 擺角再熱汽溫APC自動投入后月預期統(tǒng)計表Tab.2 Luna average data after alteration

比較表1和表2:

投入APC控制系系統(tǒng)之前，A再噴水控制溫度誤差Ta=±7℃，B再噴水控制溫度誤差Tb=±6℃。

投入APC控制系系統(tǒng)之后，A再噴水控制溫度誤差Ta=±6℃，B再噴水控制溫度誤差Tb=5℃。

兩值之差: ΔT=ΔTa+ΔTb=(Ta-Ta)+(Tb-Tb)=(7-6)+(6-5)=2(℃)

按照20萬kW機組計算，增加1℃，每小時需要增加耗煤量40 kg/℃。假定機組每年運行312 d，計7 500 h，一年節(jié)約的煤量為:

根據(jù)煤燃燒的化學方程，

按照煤的含碳量為70%計算，每年減少的CO2排放量為:

實施了APC先進過程控制策略后得到的效益是多方面的:在運行效益方面，協(xié)調(diào)控制器CC及內(nèi)膜控制器IMC的使用，可有效消除擺角控制回路與噴水減溫控制回路之間的關聯(lián)耦合，優(yōu)化控制輸出，實現(xiàn)了再熱汽溫調(diào)節(jié)的控制目標，采用擺角控制為主、噴水減溫控制為輔的控制策略，并保持長期的穩(wěn)定控制。通過擺角控制與噴水減溫控制的優(yōu)先次序，縮短達到穩(wěn)態(tài)的時間。同時模型預測控制技術，成功解決了過程的大遲延、大滯后以及控制器輸出飽和問題。魯棒的模型修正技術，對非線性過程或隨著長期運轉其過程特性發(fā)生變化的過程進行修正，實時補償和優(yōu)化了再熱汽系統(tǒng)的控制品質(zhì)。引入減溫器入口汽溫為前饋信號，提高了控制器響應和控制精度。在經(jīng)濟效益方面，APC的投入，穩(wěn)定了再熱汽溫，提高機組運行的安全性和經(jīng)濟性，降低了再熱減溫水用量，提高了機組效率，節(jié)省了能源;降低操作員和工程師的工作量，提高工作效率并減少了設備由于超溫造成爆管的幾率，從而提高了機組的整體使用壽命。

5 結論

隨著電力行業(yè)技術和自動化水平的不斷提高，先進過程自動控制策略將不斷發(fā)展出新的模塊化、集成化、軟件系統(tǒng)化、智能化的、自適應能力強的新技術和新策略手段，從而滿足更大的市場需求。

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