基于內模與PD技術的兩級過熱汽溫協同控制

楊大賢

(國能智深控制技術有限公司,北京 100761)

0 引言

目前，火力發電機組大多進行過超低排放燃燒器改造，配風方式與設計工況偏離較大，導致機組吸熱原理發生根本性改變，過熱汽溫波動幅度大，超溫現象頻發，汽溫自動投入率低，運行人員操作干預很頻繁，監盤壓力很大。常規過熱汽溫采取串級PID控制策略居多，穩態工況下控制效果尚可，但遇到變負荷工況、啟停磨、AGC-R等工況，對象特性變化大，積分飽和現象明顯，控制效果欠佳。

常規機組一、二級過熱汽溫給定值獨立控制，在某些工況下容易出現一級過熱汽溫設定不合理造成二級汽溫欠溫或者超溫現象。本文采用內模與PD控制相結合的技術，同時構建了煤量、主蒸汽流量與一、二級噴水減溫精準前饋控制策略。該控制策略已于2020年10月投入穩定運行，與原有基于串級PID控制效果進行對比，新的控制策略提高了過熱器自動投入率，減小了汽溫波動幅度和超溫現象，提高了機組運行的安全性和經濟性指標。

1 過熱汽溫控制

1.1 過熱汽溫控制對象

本項目低溫過熱器布置在爐膛尾部煙道，通過煙氣對流進行換熱；一級過熱器布置在爐膛水平煙道中，通過輻射和對流方式實現換熱；二級過熱器布置在水平煙道上，通過對流方式實現換熱。從燃燒角度來看，一級過熱器出口汽溫受到給煤量、總風量、主蒸汽流量、減溫水流量和燃燒方式等多方面因素的影響；二級過熱器出口汽溫除受到上述因素影響之外，還受到一級過熱器出口汽溫的影響。綜上可知，影響一、二級過熱汽溫的因素很多，從控制角度來說又是大慣性、大遲延、強耦合、非線性的系統，因此對主汽溫度的精準控制是現階段火電機組的普遍難題。本項目330 MW亞臨界火電機組一、二級過熱器出口汽溫控制對象系統結構如圖1所示。

圖1 一、二過熱器出口汽溫控制對象系統結構示意圖

1.2 過熱汽溫控制策略

某電廠330 MW亞臨界機組一、二級過熱器出口汽溫控制策略如圖2、圖3所示。

圖2 某電廠330 MW亞臨界機組一級過熱器出口汽溫優化控制策略

圖3 某電廠330 MW亞臨界機組二級過熱器出口汽溫優化控制策略

過熱器出口汽溫設定值以運行人員手動給定為基礎，二級過熱器對象對一級過熱器出口汽溫設定值進行自動修正(由F(X)來修正)。修正規則如下：

(1) 增負荷時，二級過熱出口汽溫高并且閥門位置大于50%，降低一級過熱器出口汽溫設定值。

(2) 降負荷時，二級過熱出口汽溫不高并且閥門位置小于20%，提高一級過熱器出口汽溫設定值。

(3) 穩態時，閥門位置大于50%時，降低二級過熱器前溫度設定值；閥門位置小于10%時，提高一級過熱器出口汽溫設定值。

通過二級過熱器對一級過熱器汽溫設定值進行聯動修正來實現基于多變量預測控制算法的控制策略。運行過程中經常出現二級減溫水調閥全開或者全關狀態導致二級過熱器出口汽溫缺乏調節裕度，而此時一級減溫水調閥還具備較大調節裕度，因此本文將二級減溫器的給定值作為前饋引入一級過熱器出口汽溫控制回路中，結合減溫水流量和過熱器出口汽溫設計相應的算法對一級過熱器出口設定值進行修正，實現汽溫聯動控制。同時控制前饋中加入了減溫器溫度的四階慣性(LAG)前饋和設定值的微分環節，減少了由于管道長度導致的控制滯后。

2 控制效果對比

上述基于多變量廣義預測控制算法的主汽溫優化控制策略于2020年5月在某電廠330 MW亞臨界機組中進行了應用。圖4、圖5分別為常規PID控制與多變量廣義預測算法在機組穩態運行工況下的對比數據，時間窗口為3 h。由圖4可見，穩態工況下PID控制的二級過熱器出口汽溫最大偏差為7.1 ℃且減溫水流量波動較大。圖5為采用了優化控制策略的控制結果，最大偏差為1.8 ℃且減溫水調節比較平穩。

圖4 穩定負荷工況下的PID控制效果

圖5 穩定負荷工況下的優化控制效果

圖6、圖7分別為常規PID控制與多變量廣義預測算法在機組變負荷工況下的對比數據，時間窗口為3 h。由圖6可見，變負荷工況下常規串級PID控制的汽溫最大偏差大于18 ℃且需要人工頻繁干預。圖7為采用了優化控制策略的控制結果，最大偏差小于8 ℃且長期處于自動狀態，調節效果明顯改善。

圖6 大范圍變負荷時PID控制曲線

圖7 大范圍變負荷時優化控制曲線

3 結語

實踐結果表明：基于多變量廣義預測控制算法的汽溫優化控制策略提高了該廠的經濟性，通過對比過熱汽溫優化控制投入前后一個月的主汽溫度小時均值、減溫水用量的數據并進行了統計計算。過熱汽溫優化控制策略投入后，超溫次數和超溫時長降低80%以上；主蒸汽溫度小時平均值達到539.5 ℃，較優化前提高5.4 ℃；減溫水使用量平均值為31 t，較優化前降低17 t；日平均自動投入時長由18 h提升至23 h，有效降低了發電成本，提高了經濟效益。