600MW超臨界機組協調控制系統模型優化研究

曹喜果　張永濤　單英雷

摘要：超臨界機組多變量耦合、強非線性、不確定性等特點給控制系統設計及調試帶來一定的困難，而研究超臨界機組主要被調量的動態特性并建立結構簡單的協調模型可很好地解決以上問題。該文將機理建模與試驗建模進行結合，對結構復雜的協調控制模型進行優化，針對某600MW超臨界機組，在機理分析模型結構的基礎上，根據模型之間的共性，對模型結構進行簡化。通過現場試驗獲取主要調節量即燃料量、給水量、閥門開度擾動下的動態特性，采用改進的粒子群算法辨識獲得600mW超臨界機組三輸入三輸出的數學模型，該模型動態特性與理論分析保持一致，驗證模型可靠性。此外，模型結構簡單且能很好地反映超臨界機組的動態特性，可為進一步研究超臨界機組及控制器的設計提供參考。

關鍵詞：超臨界機組；動態特性；機理分析；模型辨識

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0147-06

0引言

近年來，超（超）臨界機組以高效率、低排放的優勢在國內得到了越來越廣泛的應用。超（超）臨界機組與亞臨界相比，對象特性及工藝流程發生了較大的變化，表現出多變量、強非線性、強耦合性、蓄熱能力小等特點，從而給控制系統設計及調試帶來一定的困難。而掌握超（超）臨界機組的動態特性并建立其數學模型可很好地解決以上問題。

對于超（超）臨界機組來說，目前主要采用機理建模的方法。由于其模型與亞臨界的區別主要在于蒸發系統，為此，不少學者對蒸發系統模型進行了分析研究。此外，對超（超）臨界機組整體模型的研究也逐漸增多。以上的機理建模較好地反映了機組參數之間的內在聯系，但建模過程繁瑣，模型形式復雜，不利于控制算法的設計與仿真。智能算法使得采用試驗法辨識獲得超（超）臨界機組的數學模型變得相對容易，但是試驗法獲取機組的動態特性較為麻煩，既要保證機組的安全運行，又要體現出主要參數的變化趨勢。

超臨界機組協調控制模型對其動態特性分析及后續設計非常重要，目前可參考的模型結構復雜，不利于后續分析設計。本文對協調控制模型進行優化研究，在某600mW超臨界機組上進行給水量、給煤量、閥門擾動試驗，在機理分析模型結構的基礎上，采用改進的PSO辨識獲取協調控制系統三輸入、三輸出模型。所得模型結構簡單，能反映超臨界機組的動態特性，可為協調控制系統控制器的設計及今后現場調試提供參考。

1機理分析模型結構

1.1借鑒汽包爐思路

對于汽包爐來說，demello模型是其經典模型，在此研究之前，該汽包爐經典模型很少用到直流爐建模上，主要原因在于該模型下直流爐蓄熱系數的求取存在一定的困難，而求取了該蓄熱系數，使得以上的建模思路成為可能，為直流爐簡化模型的建立提供了方便。對于雙輸入、雙輸出的汽包爐，經典模型（demello模型）結構如圖1所示。

對于直吹式制粉系統來說，煤在磨煤機中磨成煤粉送人鍋爐燃燒，轉化為熱量的過程主要表現為慣性及延遲環節。即：

則其擬合效果如圖3所示，利用模型轉換公式可實現模型結構的靈活轉化。在具體的操作過程中，可利用該公式確定初始范圍，后根據擬合效果再做微調。鑒于此，將機理辨識模型轉化為多階慣性環節的乘積形式，既能很好地反映超臨界機組協調控制的動態特性，又結構簡單，為后期設計合理的控制方案提供模型參考。

2超臨界機組動態特性試驗

對某600mW超臨界機組在524mW（87%負荷點）穩定工況下做煤、水、閥門階躍擾動試驗。試驗過程中，機組控制切為手動方式。圖4為給水量W階躍50t/h時，機組功率Ⅳ、中間點溫度（分離器溫度）T、主汽壓pT的變化趨勢，采樣時間12s。圖5為給煤量曰階躍10t/h，N、T、pT的變化趨勢，采樣時間24s。圖6為調汽門肛階躍3.175%，N、T、pT的變化趨勢采樣時間5s。

給水擾動下的響應曲線如圖4，給水量階躍擾動時，中間點溫度下降；主蒸汽壓力先上升后下降并恢復到初始值：機組功率是先上升后下降，功率最終穩定在低于初始值的位置。

圖5為燃料量階躍時響應曲線，當燃料量階躍減少時，煤水比減小，所以中間點溫度下降，蒸發量減少，進而蒸汽壓力、機組的功率都降減小。

圖6中，當閥門階躍增加，中間點溫度略有下降，并穩定在較低的溫度；主汽壓下降并穩定在較初始值低的狀態：功率先增大后恢復到初始值。

3模型辨識與仿真

3.1模型辨識

基于以上機理分析模型結構形式及模型等效轉換原理，運用改進的粒子群算法對模型進行辨識，選取各模型結構形式為

以給水量-主蒸汽壓力辨識為例，采樣數據與所得模型的擬合效果如圖7所示。由圖中擬合效果可得：采用改進的PSO算法辨識獲得的超臨界機組動態模型擬合誤差較小，該模型結構簡單，較好地反映了超臨界機組的動態特性。

3.2模型仿真

針對如上辨識所得的超臨界機組協調模型，對其動態特性進行仿真研究，為協調系統優化提供理論分析和計算依據。1000s時，給煤量B階躍增加10t/h，煤水比增大，蒸發量增大，主蒸汽壓力pT增大，并達到新的穩定狀態；給水量W增加50t/h時，pT先上升后下降并恢復到初始值；調門開度μ增加，pT下降并穩定在較初始值稍低的狀態。主蒸汽壓力pT響應曲線如圖8所示。

1000s時，給煤量W階躍增加10t/h，中間點溫度Tm增大；給水量W增加50t/h時，Tm下降；中間點溫度Tm響應曲線如圖9所示。

同理，1000s時，給煤量B階躍增加10t/h，機組功率增大：給水量W增加50t/h時，機組功率N是先上升后下降，最終穩定在低于初始值的位置：調門開度μ增加3%時，N先增大后恢復到初始值。機組功率Ⅳ的響應曲線如圖10所示。以上模型動態特性與理論分析一致。

4結束語

通過機理分析法確定模型結構形式，利用模型之間的共性進行簡化，再利用改進的PSO算法，辨識獲取了超臨界直流爐三輸入、三輸出協調控制模型，該模型結構簡單、很好地反映了超臨界機組的動態特性，可為超臨界機組深入分析及控制器設計提供方便，具有較強的實用價值。