模型預測控制火電機組再熱蒸汽汽溫的研究與應用

張?zhí)煊穑愓驾x，馬樹峰

（1.國能太倉發(fā)電有限公司，江蘇 蘇州 215433；2.施耐德電氣（中國）有限公司，上海 200333）

再熱循環(huán)可以降低蒸汽損耗，提高電廠運行的經(jīng)濟性。目前電廠大型火電機組應用較多的是中間再熱，再熱器為對流結構，再熱器溫度受爐膛煙氣溫度、流速、流量的影響較大。由于再熱蒸汽汽溫控制回路具有滯后性、非線性、多變量等特征，其控制難度較大，常規(guī)的PID控制往往很難達到理想的效果，因此，再熱蒸汽汽溫的優(yōu)化控制成為電廠生產(chǎn)的重要目標，對火電機組的穩(wěn)定、高效運行具有重要意義。隨著計算機性能的提高和控制理論的發(fā)展，更加復雜的高級過程控制方法不斷出現(xiàn)，能更好地解決強耦合、強時變、非線性和大時滯等過程控制問題。優(yōu)于常規(guī)PID控制效果的控制策略統(tǒng)稱為先進過程控制技術（Advanced Process Control，APC）， 其中模型預測控制（Model Predicting Control，MPC）技術在目前工業(yè)控制領域應用較多且效果較好。國能太倉發(fā)電有限公司基于MPC技術，結合鍋爐實際運行方式，提出了模型預測+二次風門控制技術，實現(xiàn)了再熱蒸汽汽溫的穩(wěn)定控制。

1 存在的問題

國能太倉發(fā)電有限公司7號機組為國產(chǎn)首臺超臨界參數(shù)、變壓運行、一次中間再熱、四角切圓燃燒、螺旋管圈630 MW直流鍋爐。

該機組原調(diào)節(jié)方式為傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)，以改變二次風門總操指令為主，手動改變?nèi)紵鲾[角及自動調(diào)節(jié)高再微量噴水閥門和事故減溫水為輔。機組運行中，再熱器溫度主要靠再熱減溫水調(diào)節(jié)，即燃燒器擺角手動控制+兩級噴水減溫串級控制的方式，兩級噴水分別為事故噴水和微量噴水。事故噴水為一級再熱汽溫控制，在溫度過高時才參與調(diào)節(jié)；微量噴水為二級再熱汽溫控制，起主要調(diào)節(jié)作用。根據(jù)再熱汽溫被控對象的傳遞函數(shù)得知，燃燒器擺角和減溫水回路均存在很大的慣性遲延。變負荷過程中再熱器溫度主要靠減溫水控制，這種常規(guī)事后反饋控制方法對于大滯后、純遲延控制對象來說，控制品質很難滿足機組變負荷過程中汽溫平穩(wěn)的控制要求，存在調(diào)節(jié)不及時、管壁超溫、噴水量過多（噴水量每增加1%，機組循環(huán)效率降低 0.1%～0.2%）、運行操作強度較大等［4］問題。

2 MPC技術

MPC技術主要包括：預測模型，即利用生產(chǎn)裝置的模型根據(jù)裝置的歷史信息來預測相關變量的未來行為；滾動優(yōu)化，即根據(jù)預測值提前控制并優(yōu)化裝置的操作；在線校正，即根據(jù)裝置的實測值實時校正模型預測值，以消除因為模型失配（模型誤差）對裝置控制的影響。

MPC是一種多變量高級控制技術，以先前的程序動態(tài)行為基礎產(chǎn)生一個數(shù)學模型，預測控制程序的將來行為。模型預測能計算出最佳動作，使實際和期望程序行為間的誤差減到最小。此外，能夠計算程序最佳操作點，并將過程控制最優(yōu)化。圖1為MPC示意圖。

圖1 MPC示意圖Fig.1 MPC Diagram

如圖1所示，利用實際被控變量（CV）在當前的測量值，以及操作變量（MV）和前饋變量（FV）當前狀態(tài)，通過控制模型預測出被控變量在將來時段的變化趨勢以及偏離情況，通過控制器計算應用到操作變量進行合理的控制調(diào)整 （Move Plan），來抵消未來時刻被控變量的偏離。

3 再熱蒸汽汽溫控制優(yōu)化

3.1 再熱減溫水控制優(yōu)化

再熱減溫水控制優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 再熱減溫水控制優(yōu)化流程Fig.2 Optimized Flow for Control of Reheating Desuperheating Water

當機組負荷增加時，開始階段再熱蒸汽汽溫會有一個快速增高的過程，隨后恢復正常值；當機組負荷減少時，開始階段再熱蒸汽汽溫會有一個快速下降的過程，隨后恢復正常值。這個短暫的過程需要采用輔助二次風門來調(diào)節(jié)煙氣流量，以削弱溫度變化的峰谷現(xiàn)象。實際情況下，再熱器溫度升高，開大輔助二次風門，再熱器溫度會降低；再熱器溫度降低，關小輔助二次風門，再熱器溫度會減緩下降趨勢。為了穩(wěn)定控制再熱器溫度，在減溫水控制系統(tǒng)中納入了輔助二次風門和燃燒器擺角的模糊預測控制協(xié)同控制方案。

3.2 再熱蒸汽汽溫控制優(yōu)化

采用APC和DCS傳統(tǒng)PID控制相結合的方式可實現(xiàn)先進過程控制對具有滯后性、非線性、多變量性特征的二次風門控制，同時保留原有的高溫再熱器微量噴水調(diào)閥的PID控制作為輔助及保護手段。高溫再熱器微量噴水調(diào)閥的PID控制設定值要高于APC設定的上限值（1.0～1.5）℃，以保證優(yōu)先使用二次風門控制再熱蒸汽汽溫。

（1）二次風門APC控制

二次風門的MPC是根據(jù)現(xiàn)場階躍測試得到過程響應數(shù)據(jù)，對其辨識后得到再熱蒸汽汽溫的多個定常狀態(tài)模型如下：

式中，ΔYi為模型第i個被控變量當前值與最優(yōu)控制預測值之間的差值；m為MV在控制器中的數(shù)量；gij為第j個MV與第i個CV之間的定常增益；Δuj為模型第j次當前值與最優(yōu)控制預測值之間的差值；q為FV在控制器中的數(shù)量；gik為第k個FV與第i個CV之間的定常增益；ΔVk模型第k個FV當前值與最優(yōu)控制預測值之間的差值。

將二次風門總操偏置作為先進過程控制的操作變量，將鍋爐主控指令及高溫再熱器微量噴水作為主要的前饋變量，將高溫再熱器A/B側出口蒸汽溫度作為被控變量，采用區(qū)間控制方式。同時新增高溫再熱器出口平均溫度被控變量，采用設定點控制方式，設定值為高溫再熱器A/B側出口溫度區(qū)間控制設定的上限值，在被控區(qū)間滿足要求的情況下，盡可能抬高平均值的溫度，提高機組運行的經(jīng)濟性。將先進控制平臺辨識出的多個單獨的定常狀態(tài)模型進行重新調(diào)整、組合，構成最終的復合模型矩陣，見圖3所示。

圖3 復合模型矩陣Fig.3 Composite Model Matrix

（2）再熱蒸汽汽溫預測

利用圖3所示的模型矩陣采取二次優(yōu)化約束的控制方式對再熱蒸汽汽溫進行預測控制。約束控制模型如下:

式中，ek+1為裝置被控變量偏差向量；Δuk為控制作用向量；fk為MV偏差向量；P、Q和 R分別為CV設定值偏差、MV控制作用、MV目標偏差權重矩陣。通過改變上述權重，控制器的求解會“偏向于”某個變量，也會改變控制器實現(xiàn)“最優(yōu)”軌跡。預測控制優(yōu)化流程框圖見圖4。

圖4 預測控制優(yōu)化流程框圖Fig.4 Optimized Flow Block Diagram for Predictive Control

3.3 DCS上預測控制器投切方式設計

APC與DCS接口邏輯及畫面組態(tài)實時監(jiān)測APC控制器與DCS之間通訊狀態(tài)。DCS邏輯圖見圖5，投切邏輯圖見圖6。

圖5 DCS邏輯圖Fig.5 DCS Logic Diagram

圖6 投切邏輯圖Fig.6 Input and Exit Logic Diagram

采用Watchdog看門狗機制，APC控制器每個運算周期發(fā)送0～99順序序列至DCS，并讀回。DCS側的Watchdog狀態(tài)判斷在DCS邏輯中實現(xiàn)，讀寫數(shù)據(jù)差值如果小于±0.5，則延時發(fā)送通訊故障。DCS控制邏輯自動切除控制器以及所有的MV，并具有通訊故障以及控制器、控制回路切除報警功能，所有操作權限回歸運行人員。

DCS主要實現(xiàn)以下功能：

（1）運行人員可在APC的操作界面實現(xiàn)控制器的投入/切除、被控變量的投入/切除及控制區(qū)間和控制設定點的設定、操作變量的投入/切除及輸出上下限的設定、前饋變量的投入/切除、控制狀態(tài)顯示和看門狗報警顯示等。

（2）實現(xiàn)APC控制器及各個變量的無擾投切，控制器自動切除條件和操作變量閉鎖及切除條件的組態(tài)，保證APC運行的安全性。

3.4 搭建AVEVA APC軟件平臺

先進控制平臺與DCS的通訊采用標準OPC協(xié)議搭建AVEVA APC軟件平臺，基于先進控制的開放式一體化控制平臺對二次風門控制進行優(yōu)化，通訊框架見圖7。

圖7 通訊框架Fig.7 Network Architecture Diagram

采用APC先進控制的輸出作為二次風門總操的偏置量嫁接至原有的DCS操作系統(tǒng)中，常規(guī)工況下可實現(xiàn)二次風門對再熱汽溫的自動控制，同時在特殊工況時，也可手動操作二次風門，保障機組的安全運行。

4 取得的效果

統(tǒng)計在相同負荷段（565～610 MW）、相同工況下，模型預測控制技術投用前后的運行數(shù)據(jù)。表1為再熱蒸汽汽溫控制性能的對比。由表1可以看出，模型預測控制技術投用后，減溫水用量下降了91.2%，再熱器出口溫度變化標準偏差降低了49.5%，手動干預次數(shù)下降了77.7%，再熱蒸汽汽溫的控制穩(wěn)定性有了明顯的提升。

表1 再熱蒸汽汽溫控制性能的對比Table 1 Comparison of Reheating Steam Temperature Control Performance

5 結語

國能太倉發(fā)電有限公司基于模型預測控制技術，結合鍋爐實際運行方式，提出了模型預測+二次風門控制技術，實現(xiàn)了再熱蒸汽汽溫的優(yōu)化控制。該技術投用后，減溫水用量下降了91.2%，再熱器出口溫度變化標準偏差減少了49.5%，手動干預次數(shù)下降了77.7%，取得了良好的控制效果，具有較強的適用性和推廣價值。