基于FRONT-Suite軟件的主蒸汽溫度先進控制系統設計及應用

宓春杰

（浙江浙能溫州發電有限公司，浙江 樂清 325602）

基于FRONT-Suite軟件的主蒸汽溫度先進控制系統設計及應用

宓春杰

（浙江浙能溫州發電有限公司，浙江 樂清 325602）

PID控制存在局限性，尤其是電廠主蒸汽溫度控制對象存在大遲延、時變、擾動多、非線性耦合等特性。通過對先進控制技術和FRONT-Suite軟件包功能的分析，設計了主蒸汽溫度優化先進控制系統，充分利用先進控制技術的優點，采用多變量和擾動自適應技術，在300 MW機組中進行了應用，試驗結果表明該系統有效減小了主蒸汽溫度的波動范圍。

FRONT-Suite軟件；先進主汽溫控制；設計；應用

0 引言

火電廠主蒸汽溫度在機組運行過程中,尤其是機組變工況運行情況下，其串級PID控制系統的控制效果常常不太理想，波動比較大，需要運行人員手動進行調節干預。分析其中的主要影響因素有：

主蒸汽溫度控制對象動態特性的遲延性隨著機組容量增大而增大，導致常規的PID反饋控制響應不及時，造成主蒸汽溫度動態偏差大。

主蒸汽溫度控制對象具有時變性。隨著運行工況變化和運行時間推移，主蒸汽溫度控制對象的動態特性會發生變化，但電廠控制系統PID參數不能及時跟隨調整，使得控制效果惡化。

影響因素多。主蒸汽壓力和流量、給煤量、煤發熱值、風量等參數改變時，都將影響主蒸汽溫度的變化。

主蒸汽溫度經常出現超溫及其頻繁的波動，不僅影響鍋爐的運行效率，增加運行人員的工作強度，也對過熱器等硬件設備的壽命造成不利。因此，如果能有效控制主蒸汽溫度的波動范圍并提高控制精度，運行過程中就可以抬高主蒸汽溫度的設定值，使過熱器在更高的平均溫度下運行，以此來提高機組的實際運行效率。

1 系統設計

1.1 控制系統結構

分析主蒸汽溫度控制系統的工藝流程，設計模型預測控制器進行主蒸汽溫度控制的系統，其組成和工作原理如圖1所示。

圖1 先進控制系統的組成和工作原理

該系統將主蒸汽溫度作為控制器的被控變量，減溫水流量作為操作變量，燃料量、風量、主蒸汽流量等可測干擾和一些不可測但又非常必要、可以通過軟測量技術“算出來”的擾動作為控制器的擾動變量來進行調節的。

通過對大量運行數據分析得出：煙氣熱量對主蒸汽溫度的影響比較大，不能忽略不計，很多可測擾動和不可測擾動（包括煤種的改變）都會反映到煙氣熱量的變化上。因此，在建立主蒸汽溫度預測模型時，特別設計了煙氣熱量擾動自適應預估功能，通過采用多步迭代遞推偽線性回歸自適應算法，預估計算煙氣側不可測擾動對主蒸汽溫度的影響，并對主蒸汽溫度預測模型進行自校正。這樣可以更加準確地預測一二級汽溫的未來趨勢，從而利用預測控制器的作用，減小實際運行時一二級汽溫度的波動范圍。

1.2 減溫水流量-閥門開度自校正

對主蒸汽溫度的調節主要采用兩級減溫水閥進行調節，開大減溫水閥門，噴水量增大，汽溫下降；關小減溫水閥門，噴水量減少，汽溫上升。減溫水流量的大小直接影響汽溫的波動。由于減溫水閥門的特性隨著時間的推移會產生一定的變化，而且閥門非線性使減溫水流量與閥門開度呈非線性關系，另外在減溫水閥位固定的情況下，給水壓力的波動對減溫水流量有15%左右的影響。為了克服閥門特性變化、閥門非線性、給水壓力波動的影響，在主蒸汽溫度先進控制系統中內嵌了減溫水閥流量-閥門開度自校正功能。主蒸汽溫度先進控制系統首先根據當前工況和整個過程的歷史和趨勢計算出減溫水流量的目標值，然后通過預測控制器中內嵌的流量-閥門開度自校正算法，計算出閥門開度，可以克服閥門非線性、給水壓力波動和主汽壓波動對減溫水流量的影響。

1.3 二級減溫水閥門工作點自尋優

在主蒸汽溫度系統的調節過程中，如果一級汽溫的設定值不合適，常會導致二級減溫水閥門工作點接近全開或全關的位置，使二級減溫水閥門失去調節能力。主蒸汽溫度先進控制系統根據二級減溫水閥門當前開度，采用“工作點自尋優”方法，微調二級進口溫度設定值，使二級減溫水閥門始終處于合理位置，即盡量在線性工作區間，向上向下都有足夠大的調節余地。當二級減溫水閥位開度太低時，適當降低二級進口溫度設定值，即可適當抬高二級減溫水閥的工作點，提高二級減溫水閥門開度；當二級減溫水閥位開度太高時，適當提高二級進口溫度設定值，即可適當降低二級減溫水閥的工作點，減小二級減溫水閥門開度。在變負荷過程中，此功能使主蒸汽溫度更容易平穩。

2 系統實施及其效果

2.1 先進控制系統與DCS的對接

主蒸汽溫度先進控制系統安裝在上位機中，上位機通過MODBUS接口與現場DCS系統連接。上位機中的模型預測控制器根據現場傳送上來的相關數據，實時計算出當前時刻的主蒸汽溫度最優設定值，通過MODBUS接口發送到DCS系統，DCS系統中原有的主蒸汽溫度串級PID控制系統按照此最優設定值進行調節。如果現場原有串級PID控制系統控制效果不理想，上位機中的模型預測控制器也可以直接計算當前減溫水量的最優設定值，發給減溫水閥進行調節。

在方案實施過程中，在DCS中要進行先進控制系統和原PID控制系統的對接、切換保護組態，即當上位機發生故障時，原PID控制回路的設定值可切回原來的設定值繼續進行控制，暫停優化功能。

2.2 裝置測試與模型辨識

測試利用浙江大學研發的FRONT-Suite軟件包中的FRONT-Test軟件進行測試。該軟件是一個自動測試工具，它能夠自動生成測試信號，如圖2所示，自動采集并保存測量值，圖中Tau表示CV的響應達到穩態值63%所用的時間，如有多個CV，則取其最大值。

圖2 測試信號序列

從長時間來看，這些測試信號的均值為零，所以操作變量不會長期偏離未加測試信號時的值，故測試信號本身對裝置的工藝控制過程變量幾乎不產生影響。測試信號的確定需要2個參數：信號幅度與信號平均持續時間。信號幅度需要結合現場的操作進行調整；信號存在不同的持續時間，其目的是為了既能得到過程的穩態信息（如增益、穩態時間等），又能得到過程的動態信息（如滯后時間、反向特性等），信號平均持續時間也需要結合現場的操作進行調整。測試數據經過FRONT-ID辨識軟件辨識，得到系統模型。

2.3 系統投運

先進控制系統上位機的作用是代替DCS控制器，用于先控系統運算和工程師分析，無操作功能，界面如圖3所示。

圖3 FRONT-APC先進控制平臺界面

在DCS上為控制器設計了操作界面，如圖4所示。操作界面包含兩部分信息。

（1）被控變量設定值：控制器通過一級減溫水閥門、二級減溫水閥門，控制一級過熱汽溫度和主蒸汽溫度這2個被控變量。現場運行人員根據機組負荷指令的實際需要，在先進控制系統中輸入合適的一級溫度和主蒸汽溫度的設定值。

圖4 主蒸汽溫度DCS操作界面

（2）控制器開關：由總控開關、主蒸汽溫度分控開關、一級溫度分控開關組成。當總開關、一級溫度分開關都為開時，預測控制器采用一級減溫水控制一級過熱汽出口溫度。當總開關、一級溫度分開關、主蒸汽溫度分開關都為開時，控制器使用一級和二級減溫水閥門協同控制一級過熱汽溫度和主蒸汽溫度。

2.4 實施效果

（1）先進控制優化軟件投運后，原有DCS系統的一、二級主汽溫度控制系統仍將保留，用于異常或手動工況，且在相互切換過程中，主汽溫度及減溫水閥位無明顯波動，運行人員可根據機組運行需要選擇主汽溫度控制方式。

（2）先進控制優化軟件控制性能在主汽溫度定值擾動下的測試數據優于《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》的指標。

（3）先進控制優化軟件控制性能在主汽溫度變負荷擾動下的測試數據見表1，測試數據優于《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》的指標。變負荷擾動試驗曲線如圖5、圖6所示。

表1 主蒸汽溫度變負荷擾動測試數據

（4）從圖5、圖6曲線可以看出，在定值擾動及變負荷擾動過程中，均出現了短暫的減溫水調門指令抖動現象，從而引起減溫水流量晃動，說明其減溫水閥門-流量自校正的控制過強。此外，在先進控制上位機與DCS之間通信中斷時，主蒸汽溫度雖能自動切換至DCS手動控制，但報警不明顯，還需增加DCS聲光報警，以便及時引起運行人員注意，并進一步優化控制軟件人機界面的友好性。

控制器性能測試結果顯示，在150～300 MW負荷下，投運預測控制器時的主汽溫度最大偏差，變負荷時為±3.5℃，穩定負荷時為±1℃，二級減溫器進口蒸汽溫最大偏差在變負荷時為±6.5℃，穩定負荷時為±3℃，該結果表明控制系統能滿足主蒸汽溫度控制要求。尤其當機組負荷指令在190 MW以下時，原有的汽溫PID控制系統無法投運，二級減溫器進口汽溫常常由手動控制，導致主蒸汽溫度波動大；而該預測控制器在負荷190 MW以下仍能良好運行，顯著提升了主蒸汽溫度系統的運行品質。

圖5 300～250 MW負荷變動下主蒸汽溫度曲線

圖6 250～300 MW負荷變動下主蒸汽溫度曲線

3 結語

本設計通過對主蒸汽溫度被控對象特性和現場設備特點的分析，采用多變量模型預測控制算法的先進主蒸汽溫度控制方法，實際投運效果明顯優于傳統的PID控制方案。

經過理論分析、系統特性試驗、先進控制方式下的投用試驗證明，先進控制技術在300 MW機組主蒸汽溫度控制優化中的應用研究是可靠的，能有效提高機組的經濟性和安全性。

[1]顏文俊.控制理論 CAI教程[M].北京：科學出版社，2011.

[2]葉瑰昀.自動控制元件[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2002.

[3]朱北恒.火電廠熱工自動化系統試驗[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]羅萬金.電廠熱工過程自動調節[M].北京：中國電力出版社，1991.

[5]王小海，祁才君.集成電子技術基礎教程[M].高等教育出版社，2008.

（本文編輯：徐 晗）

Design and Application of Advanced Main Steam Temperature Control System Based on FRONT-Suite Software

MI Chunjie
（Zhejiang Energy Wenzhou Power Generation Co.，Ltd.，Yueqing Zhejiang 325602，China）

PID control is limited and power plant's main steam temperature controlled object is particularly characterized by large delay，time varying，multiple disturbances，nonlinear coupling and so on.Through analysis of advanced control technology and FRONT-Suit package features，advanced main steam temperature control system is designed to take advantage of the advanced control technology and use multi-variable and disturbance adaptive technologies.The control system is put into operation of 300 MW units and the test result shows that the system effectively reduces fluctuation range of main steam temperature.

FRONT-Suit software；advanced main steam temperature control；design；application

TK39

B

1007-1881（2015）10-0025-04

2015-08-13

宓春杰（1968），男，工程師，從事熱工自動化管理工作。