1 000 MW煤電機(jī)組調(diào)峰中汽溫控制策略研究

閆修峰，宗珂，何修年，高林，秦斌，王明坤，惠文濤

（1.華電鄒縣發(fā)電有限公司，山東省 鄒城市 273522；2.西安熱工研究院有限公司，陜西省 西安市 710054）

0 引言

對(duì)于燃煤機(jī)組，主汽溫和再熱汽溫是評(píng)價(jià)鍋爐運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一。為了實(shí)現(xiàn)火電行業(yè)節(jié)能減排的目標(biāo)，燃煤機(jī)組逐漸向著高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展，提升主汽溫和再熱汽溫可以有效提高機(jī)組的循環(huán)效率。然而，隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，新能源的大規(guī)模并網(wǎng)使常規(guī)燃煤機(jī)組需承擔(dān)越來(lái)越多的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，超溫爆管等現(xiàn)象普遍成為制約超(超)臨界機(jī)組提升變負(fù)荷速率的核心瓶頸。

減溫水系統(tǒng)通常是針對(duì)汽溫異?；蚴鹿是闆r設(shè)計(jì)的，但在機(jī)組快速調(diào)峰、調(diào)頻的響應(yīng)過(guò)程中，減溫水控制逐漸被迫成為動(dòng)態(tài)過(guò)程鍋爐壁溫和蒸汽溫度控制的常用手段。

由于鍋爐汽溫具有非線性、大慣性和滯后性等特性，使得減溫水控制面臨巨大挑戰(zhàn)，以過(guò)熱汽溫為例，采用常規(guī)的串級(jí)控制器往往達(dá)不到較好的控制效果。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)汽溫大慣性和大延遲系統(tǒng)控制開(kāi)展了大量研究，并提出許多先進(jìn)的控制策略?，F(xiàn)代先進(jìn)控制算法中，模型預(yù)測(cè)控制(model prediction control，MPC)[1-2]和Smith預(yù)估控制[3-4]等常被用于改進(jìn)汽溫控制。模型預(yù)測(cè)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高級(jí)算法對(duì)模型誤差比較敏感，盡管對(duì)減溫水控制及其目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行建模的研究較多[5-10]，但由于實(shí)際系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性、測(cè)量不確定性和時(shí)變特性，使實(shí)際應(yīng)用過(guò)程難以解決模型失配問(wèn)題。此外，逆神經(jīng)控制器[7]和回歸支持向量機(jī)[8]也用于減溫水控制的研究，然而這些方法大多用于仿真環(huán)境，難以長(zhǎng)期保持實(shí)際效果，限制了其在實(shí)際控制中的應(yīng)用。本文在前述研究基礎(chǔ)上，從噴水減溫對(duì)象系統(tǒng)工藝特點(diǎn)出發(fā)，提出局部Smith預(yù)估校正汽溫控制策略，規(guī)避了算法的模型失配風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)，有效改善了控制性能。

1 減溫水系統(tǒng)非線性特性分析

過(guò)熱汽溫一般采用串級(jí)控制，再熱汽溫一般采用單回路控制，均設(shè)有減溫噴水裝置。換熱器的減溫水結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 減溫水結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of desuperheating water struc‐ture

換熱器出口汽溫目標(biāo)設(shè)定值為T(mén)?2，減溫器出口混合汽溫T1作為輔助變量，共同構(gòu)成經(jīng)典串級(jí)比例-積分-微分(proportion-integral-differential，PID)控制模型，如圖2所示。其中：PID1和PID2分別為串級(jí)控制的主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器；G1(s)為減溫水與高溫蒸氣混合過(guò)程的傳遞函數(shù)；G2(s)為換熱器傳熱過(guò)程的傳遞函數(shù)；D1(s)為過(guò)熱蒸汽的外部擾動(dòng)；D2(s)為煙氣側(cè)的外部擾動(dòng)。該控制方法被廣泛地應(yīng)用于汽溫控制。

圖2 汽溫控制系統(tǒng)串級(jí)PID控制模型Fig.2 Cascade PID control model of steam temperature control system

流動(dòng)與換熱過(guò)程使減溫噴水控制成為典型的大慣性與大延遲系統(tǒng)，各種先進(jìn)控制方法被用來(lái)嘗試代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制。

Smith預(yù)測(cè)控制在大時(shí)滯對(duì)象的控制中非常流行[11-13]，并能體現(xiàn)出較優(yōu)的控制效果。Simith預(yù)估校正控制模型如圖3所示，為了避免系統(tǒng)大慣性大延遲對(duì)控制造成的不必要振蕩，通過(guò)帶有延遲的Gb(s)將控制器輸出反饋至輸入，以補(bǔ)償實(shí)際系統(tǒng)輸出反饋的慣性與延遲作用，從而提高系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。

圖3 Simith預(yù)估校正控制模型Fig.3 Smith predictive control model

該校正作用的核心在于利用系統(tǒng)近似的響應(yīng)模型Gb(s)盡可能抵消控制大慣性、大延遲的影響，因此Gb(s)與G1(s)、G2(s)的相似性極為關(guān)鍵。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，減溫水閥流量非線性和噴水流量測(cè)量不確定性是制約模型預(yù)測(cè)控制等技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。一方面，減溫水閥的實(shí)際運(yùn)行特性隨機(jī)組運(yùn)行工況的變化而變化；另一方面，對(duì)于大多數(shù)機(jī)組，小開(kāi)度、頻繁開(kāi)關(guān)是閥門(mén)的常態(tài)，這會(huì)加速閥門(mén)發(fā)生氣蝕等缺陷，從而改變閥門(mén)特性。同時(shí)，減溫水流量的測(cè)量往往偏離孔板流量計(jì)的測(cè)量線性區(qū)域。因此，減溫水流量作為一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并不能滿足精確控制的要求，在建模精確度和模型應(yīng)用上都存在較大偏差。

綜上所述，受減溫水閥門(mén)的非線性、測(cè)量不確定性和時(shí)變特性的影響，其流量特性很難建立精確的模型用于模型預(yù)測(cè)控制方法，這就是Smith預(yù)估等依賴模型精度的控制方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制難以直接用于減溫噴水控制的主要原因之一。

2 基于局部Simith預(yù)估的混合控制模型

本文提出了一種基于串級(jí)和局部Smith預(yù)估校正的混合控制模型，如圖4所示。為了保證模型預(yù)測(cè)控制的實(shí)際應(yīng)用、提高模型精度，將減溫水與高溫蒸氣混合過(guò)程G1(s)的模型分離出來(lái)，構(gòu)建減溫水與高溫蒸氣混合后流經(jīng)過(guò)熱器/再熱器進(jìn)行換熱的局部Smith預(yù)估模型。

圖4 混合控制模型Fig.4 Hybrid control model

在具有可靠性的串級(jí)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)混合后溫度T1進(jìn)行Smith預(yù)測(cè)校正出口溫度偏差，以解決傳熱部分G2(s)的大慣性和大延遲問(wèn)題，從而提高原有的串級(jí)控制性能。

減溫水與高溫蒸氣混合后流經(jīng)過(guò)熱器/再熱器進(jìn)行換熱，這一換熱過(guò)程主要由慣性環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)組成。忽略鍋爐穩(wěn)態(tài)工況下傳熱能力的變化，混合后蒸汽溫度T1與出口溫度T2之間的模型可化簡(jiǎn)為經(jīng)典的一階慣性模型和純延遲模型，將模型誤差考慮為3個(gè)等效模型參數(shù)，即增益、慣性時(shí)間和延遲時(shí)間。

構(gòu)建局部Smith預(yù)估動(dòng)態(tài)模型為

式中：Km為動(dòng)態(tài)模型增益；Tm為動(dòng)態(tài)模型慣性時(shí)間常數(shù)；τm為動(dòng)態(tài)模型延遲時(shí)間常數(shù)。

此外，局部Smith預(yù)估回路可以與串級(jí)PID控制器或者一些其他控制器分開(kāi)使用。

將辨識(shí)后的局部Smith預(yù)估模型的仿真結(jié)果與記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。通過(guò)對(duì)仿真曲線與4 h左右的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以看出二者達(dá)到了良好的一致性，即使在某段時(shí)間內(nèi)存在一定的偏差，曲線的波動(dòng)趨勢(shì)仍能與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合，有助于控制器準(zhǔn)確地預(yù)估換熱器出口溫度。

圖6 仿真結(jié)果和測(cè)量數(shù)據(jù)的比較Fig.6 Comparison of estimated simulation results and test data

3 參數(shù)辨識(shí)與模型驗(yàn)證

針對(duì)某超臨界燃煤直流鍋爐高溫過(guò)熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在鍋爐狀態(tài)基本穩(wěn)定情況下，記錄4 h左右的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 某超臨界燃煤直流鍋爐過(guò)熱器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Test data of a superheater in a supercritical coal-fired once-through boiler

采用最小二乘參數(shù)辨識(shí)方法[14-15]，以T1為輸入，T2為輸出，辨識(shí)局部Smith預(yù)估模型參數(shù)，

4 混合控制模型應(yīng)用

辨識(shí)的參數(shù)如表1所示。

表1 辨識(shí)的模型參數(shù)Tab.1 Identified model parameters

本文設(shè)計(jì)的混合控制模型在1 000 MW超超臨界鍋爐減溫水控制中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，與經(jīng)典的串級(jí)控制相比，結(jié)合局部Smith預(yù)估校正可以為減溫水控制獲得更好的效果。圖7顯示了其在1 000 MW超超臨界鍋爐上的應(yīng)用效果，與原串級(jí)PID控制相比，本文提出的基于串級(jí)與局部Smith預(yù)估校正的混合模型控制可以隨著機(jī)組運(yùn)行工況的變化有效地改善汽溫控制性能，最大控制偏差快速回落至±5℃之內(nèi)。

圖7 混合控制模型在1 000 MW直流鍋爐中的應(yīng)用Fig.7 Application of the proposed hybrid control model in an ultra-suppercritical 1 000 MWonce-through boiler

通過(guò)增益因子Km可以調(diào)整預(yù)測(cè)校正的強(qiáng)度。與其他改進(jìn)的控制器相比，本文提出的方法更簡(jiǎn)單，更易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

5 結(jié)論

在普遍提升燃煤機(jī)組快速調(diào)峰、調(diào)頻響應(yīng)靈活性需求的大背景下，將汽溫快速地控制在合理的范圍區(qū)間是關(guān)鍵的核心瓶頸之一。為此，提出了一種基于串級(jí)與局部Smith預(yù)估的混合控制模型，并于1 000 MW超超臨界鍋爐減溫水系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明：

1）該方法高效、易用、穩(wěn)定，可有效地改善汽溫控制性能，達(dá)到良好的控制效果。

2）該模型能有效地解決模型預(yù)測(cè)控制方法無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際控制的難題，同時(shí)通過(guò)局部Smith預(yù)估可以獲得較為精確的預(yù)估模型，從而指導(dǎo)超前減溫水的控制，有效地提高經(jīng)典串級(jí)PID的控制效果，獲得更好的汽溫控制指標(biāo)。