電廠之 13 華能上安電廠2×350WM機組汽溫控制系統(tǒng)策略 改進

1、.自適應(yīng)內(nèi)模控制在華能上安電廠過熱汽溫控制中的成功應(yīng)用吳志雄林新田(華能上安電廠)摘要過熱汽溫被控對象是一個典型的變遲延變參數(shù)對象，本文介紹了華能上安電廠汽溫控制策略改進前情況，指出了原控制策略存在的問題，通過對汽溫控制對象的研究，分析了被控對象遲延的確定以及干擾因素的影響，并以此為參考模型，設(shè)計了自適應(yīng)控制律，使控制器內(nèi)部模型的參數(shù)逐步逼近被控對象的參數(shù)直至相等，同時根據(jù)內(nèi)部模型的參數(shù)隨時整定控制器的參數(shù)。以此設(shè)計的控制方案，在華能上安電廠進行了調(diào)試和應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，在參數(shù)不匹配和出現(xiàn)負荷擾動的情況下，控制系統(tǒng)均有滿意的控制能力。關(guān)鍵詞汽溫控制 遲延 自適應(yīng) 內(nèi)模控制 1 引言華能上安電

2、廠一期兩臺350WM單元機組系全套引進國外設(shè)備，主機為美國“GE”公司提供的亞臨界一次中間再熱雙缸、雙排汽冷凝式機組；鍋爐為加拿大B&W公司設(shè)計制造的“W”型火焰Camolim2型自然循環(huán)爐，I&C系統(tǒng)由意大利ANSALDO公司總承包設(shè)計；熱控系統(tǒng)為ABB-BAILEY公司的N-90集散控制系統(tǒng)。鍋爐額定工況主要參數(shù)如下：鍋爐額定蒸發(fā)量：1085t/h最大連續(xù)蒸發(fā)量：1190t/h過熱器出口壓力、溫度：17.94MPa，540再熱蒸汽流量：877.8t/h再熱器進/出口壓力、溫度：3.02/2.88 MPa，301/539給水溫度：282排煙溫度：131/124（修正前/修正后

3、）鍋爐效率：90.88汽溫（過熱汽溫、再熱汽溫）是電廠熱力系統(tǒng)中的重要參數(shù)，汽溫控制品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到整個機組的安全性和經(jīng)濟性。汽溫控制系統(tǒng)的特點是被控對象具有較大的慣性，采用常規(guī)的控制方法在機組負荷變動、吹灰等工況下，控制不住汽溫的波動。華能上安電廠改進前的過熱汽溫控制系統(tǒng)分為兩級噴水，每級噴水回路分別由串級控制系統(tǒng)組成，且共用一個主調(diào)節(jié)器。實踐證明這一控制系統(tǒng)的設(shè)計已不能滿足機組運行的要求，主要問題是：機組負荷變化時，汽溫波動大，汽溫控制響應(yīng)速度慢，控制品質(zhì)不能隨機組負荷的變化而變化，影響機組的安全運行。近年來內(nèi)模控制（IMC,infi-90中稱作smith控制）引起了控制界的很大關(guān)注，

4、通過對該控制理論的分析研究，根據(jù)華能上安電廠的實際情況，我們設(shè)計了主汽溫自適應(yīng)內(nèi)模控制系統(tǒng)。為了增強系統(tǒng)抗燃燒擾動的能力，在分析、試驗的基礎(chǔ)上，引入了基于焓值計算的前饋信號，控制結(jié)果表明，控制系統(tǒng)對參數(shù)不匹配和負荷擾動有良好的適應(yīng)能力。2 改進前的控制策略介紹2.1 系統(tǒng)概述華能上安電廠的過熱汽溫控制系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)通過調(diào)整一級過熱器和二級過熱器噴水流量來保證主蒸汽溫度設(shè)定值，鍋爐總風(fēng)量通過一個函數(shù)轉(zhuǎn)換作為總減溫水流量指令的前饋信號，機前壓力的偏差和汽包壓力變化作為系統(tǒng)預(yù)先考慮負荷變化的前饋信號，送入調(diào)節(jié)系統(tǒng)參與控制。2.2 系統(tǒng)特點2.2.1 一減最大噴水流量限制為了避免主蒸汽溫度下降到

5、接近飽和溫度值，該系統(tǒng)給出了最大噴水流量值。二過入口溫度極限值取一個汽包壓力的函數(shù)關(guān)系與一過入口溫度測量值進行比較，其偏差送入最大噴水流量調(diào)節(jié)器進行處理，該調(diào)節(jié)器的輸出及最大噴水流量極限值。2.2.2 一減最小噴水流量限制為了使二過入口蒸汽溫度不大于相應(yīng)工況下的最大要求值，該系統(tǒng)給出了最小噴水流量值。同樣，二過入口溫度極限值也取一個汽包壓力的函數(shù)關(guān)系與一過入口蒸汽溫度測量值進行比較，其偏差送入最小噴水流量調(diào)節(jié)器進行處理，該調(diào)節(jié)器的輸出即為該工況下最小噴水流量極限值。2.2.3噴水流量指令信號為了提過調(diào)節(jié)品質(zhì)，一減流量指令增加類微分效果的超前功能，二減流量噴水指令考慮了最大最小噴水流量限制后的一

6、減噴水流量指令變化的影響。2.2.4 二過出口溫度設(shè)定點二過出口溫度設(shè)定點由操作站給出，也可依據(jù)鍋爐負荷自動設(shè)定，當(dāng)站自動時，設(shè)定點為鍋爐負荷函數(shù)，操作員不能手動干預(yù)。只有站為手動時，操作員才能通過操作站進行設(shè)定，如果手動給出的設(shè)定點與鍋爐負荷函數(shù)之間偏差超出限值，即使站仍為手動，站的設(shè)定點仍將自動強制輸出為鍋爐負荷函數(shù)。2.3 系統(tǒng)使用情況該調(diào)節(jié)系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)回路控制的是噴水流量，沒有考慮到噴水后過熱器溫度的變化，實際上并不能稱為真正意義上的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對于遲延較大的汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，共用了一個主調(diào)節(jié)器，使得一級噴水也根據(jù)主汽溫的變化來進行調(diào)節(jié)，沒有實現(xiàn)真正的分段控制。鍋爐總風(fēng)量作為前饋信號參與

7、汽溫控制起到了重要的作用，但是每次鍋爐檢修風(fēng)量標(biāo)定后，上述參數(shù)都要進行重新調(diào)整，且隨著鍋爐特性的變化，參數(shù)也需要不斷的調(diào)整。基于上述原因，雖然在使用過程中進行了大量的參數(shù)調(diào)整工作，但是汽溫控制仍然反應(yīng)偏慢，特別是啟停磨組過程中，必須人為干預(yù)，不能實現(xiàn)全過程的自動控制。對汽溫控制系統(tǒng)策略的改進勢在必行。3 過熱汽溫被控對象的研究過熱汽溫被控對象是一個典型的變遲延變參數(shù)對象，針對這樣的控制對象采用分段控制的雙回路串級控制系統(tǒng)是必然的選擇，雖然過熱汽溫被控對象的遲延隨機組負荷或者說蒸汽流量的變化而有規(guī)律的變化，而影響慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的因素又很多，所以，慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)不能簡單根據(jù)一、兩個參數(shù)判定。在根據(jù)機

8、組蒸汽流量判定對象遲延的基礎(chǔ)上，鑒于被控對象參數(shù)的不確定性，針對一階慣性加遲延對象，基于李亞普諾夫漸進穩(wěn)定原理可以增加自適應(yīng)功能，使系統(tǒng)內(nèi)部模型的參數(shù)在自適應(yīng)律的控制下保持與對象一致，自適應(yīng)律中的修正參數(shù)不是固定的，根據(jù)機組工況隨時調(diào)整，同時根據(jù)內(nèi)部模型的參數(shù)隨時整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，用以提高控制系統(tǒng)的魯棒性。利用這種方法，我們設(shè)計了主汽溫自適應(yīng)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)。為了增強系統(tǒng)抗燃燒擾動的能力，在分析、試驗的基礎(chǔ)上，引入了基于焓值計算的前饋信號。3.1被控對象遲延的確定以及干擾因素分析ABC圖2 過熱器蒸汽流程圖3.1.1 被控對象遲延的確定對于大遲延對象來講，遲延的變化是引起控制系統(tǒng)效果變壞的主要原因

9、之一，所以，確定主汽溫控制系統(tǒng)中被控對象的遲延具有重要的實際意義。改變減溫水量控制主汽溫的過程可簡化為兩個環(huán)節(jié)： 減溫水與蒸汽的混合過程和混合后的蒸汽傳輸?shù)街髌麥販y點的過程。假設(shè)：噴水過程中，機組熱負荷不變；爐膛內(nèi)煙氣量不變；機組負荷不變。則噴水減溫的過程如圖2所示：在區(qū)域AB，是減溫水與蒸汽混合，被蒸汽汽化的過程。在A點，減溫水進入蒸汽管道，引起蒸汽溫度開始下降，在B點，減溫水被蒸汽完全汽化，且混合后的蒸汽溫度均勻，這個過程時間很短。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，減溫水與蒸汽混合，被蒸汽汽化的過程中，蒸汽溫度變化的數(shù)學(xué)模型為：一階慣性環(huán)節(jié) ；或二階慣性環(huán)節(jié) 在區(qū)域BC，因機組熱負荷、爐膛內(nèi)煙氣量不變、機組負

10、荷不變，為一個簡單的傳輸過程。因為過熱器管道很長，所以，這個過程時間很長。由此，我們可以看出，汽溫的對象數(shù)學(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延 ；或二階慣性環(huán)節(jié)加純遲延 純遲延時間，其中為過熱器管道平均長度，為蒸汽平均流速。而慣性環(huán)節(jié)中的參數(shù)與爐膛內(nèi)的熱負荷、噴水前蒸汽的流量、溫度、壓力、減溫水的流量、溫度、壓力等參數(shù)有關(guān)，判定起來很復(fù)雜。下面我們要做的工作就是在純遲延時間已知的情況下，設(shè)計自適應(yīng)控制系統(tǒng)。3.1.2 主汽溫控制系統(tǒng)的燃燒干擾對于直吹式制粉系統(tǒng)的機組來講，噴進爐膛的粉量與一次風(fēng)量相對應(yīng)，可以從一次風(fēng)量反映出來，燃燒對主汽溫的影響可以用模型表示為：但是，由于每支燃燒器所處位置不同，每臺磨

11、煤機一次風(fēng)量對主汽溫的影響不同，為簡單起見，忽略遲延時間和時間常數(shù)的不同，認為每支燃燒器對主汽溫的影響只是幅度不同，所以，每支燃燒器對主汽溫的影響可以用下面的模型表示：，其中，代表每支燃燒器的加權(quán)系數(shù)。另外，每臺磨煤機的啟停對主汽溫的影響也很明顯，由于磨煤機啟停時進入爐膛的一次風(fēng)量和所帶殘粉量的變化，引起主汽溫的波動，每臺磨煤機的啟動對主汽溫的影響可以表示為：3.2 遲延對象的內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)為簡單起見，這里討論一階慣性加純遲延環(huán)節(jié), 對象模型為則設(shè)計內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示圖3 遲延對象的內(nèi)模控制系統(tǒng)其中，對象的名義模型為控制器數(shù)學(xué)模型，實質(zhì)上是一個比例微分控制器。在被控對象的名義模型與實際模型失

12、配的情況下，為提高系統(tǒng)魯棒性，在控制器后增加一個一階濾波器，濾波器時間常數(shù)越大，系統(tǒng)魯棒性越好，但控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間會增長，所以應(yīng)根據(jù)實際情況選取。但當(dāng)被控對象的名義模型與實際模型嚴重失配的情況下，系統(tǒng)的控制品質(zhì)將變差。因此，通過自適應(yīng)環(huán)節(jié)提高整個控制系統(tǒng)的魯棒性是設(shè)計研究的一項重要內(nèi)容。3.3. 名義模型參數(shù)及控制器參數(shù)修正算法3.3.1 名義模型參數(shù)修正算法考慮一階慣性加純遲延的被控對象。我們暫不考慮純遲延的變化，設(shè)計名義模型參數(shù)修正系統(tǒng)如圖4。圖4 名義模型參數(shù)修正系統(tǒng)圖其中，為被控對象的數(shù)學(xué)模型，一階慣性環(huán)節(jié) (1)名義模型中，一階慣性環(huán)節(jié) (2)建立（1）式和（2）式的微分方程 (3)

13、 (4)假設(shè) ，令， 則 (5)令 (6)把（4）式和（5）式代入（6）式，并 對方程進行整理，得 (7) 其中 (8)為了使名義模型逼近實際被控對象，即通過對、的合理設(shè)計，使時間趨于無窮大時，我們選擇李亞普諾夫函數(shù)如下： (9)其中，. 假設(shè) ，則對于 , 必定成立。 （10）如果選擇 (11)則 (12)因為 ，所以 式 (7)穩(wěn)定。對式 (8)微分 (13)把（13）式代入（11）式，可得 (14)表達式 (14)就是我們設(shè)計的自適應(yīng)算法。 在遲延控制系統(tǒng)中，因為不能通過測量得到，所以只能用可測量的系統(tǒng)輸出與名義模型經(jīng)滯后環(huán)節(jié)后的輸出之差代替，這樣，不能太大，應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)情況而定。在主

14、汽溫控制系統(tǒng)中，因為蒸汽流量、燃燒和煙氣量的變化都會引起在機組負荷變化，所以，設(shè)定為機組負荷變化率的函數(shù)。3.3.2控制器參數(shù)的修正算法控制系統(tǒng)中的名義模型的修正參數(shù)，實時修正，根據(jù)這兩個參數(shù)，對象的名義模型變?yōu)?，則控制器控制參數(shù) ，其中為控制器的比例增益，為控制器的微分增益。4. 自適應(yīng)內(nèi)?？刂圃谥髌麥刈詣诱{(diào)節(jié)系統(tǒng)中的設(shè)計及實際應(yīng)用4.1華能上安電廠主汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略的改變通過上述自適應(yīng)內(nèi)?？刂频姆治龊脱芯?，根據(jù)上安電廠的實際情況，應(yīng)用INFI-90中的自適應(yīng)功能碼和SMITH預(yù)估器等功能碼，設(shè)計自適應(yīng)內(nèi)模主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖5所示：圖5 內(nèi)模自適應(yīng)主汽溫自動控制系統(tǒng)在火電廠中，影響

15、主汽溫的因素很多，在確定使用減溫水作為控制量后，最主要的干擾是噴向爐膛的粉量和吹到爐膛的風(fēng)量的變化。為了保持主汽溫的穩(wěn)定，必須及時地改變減溫水量平衡這些干擾。因此，在控制系統(tǒng)中設(shè)計了燃燒前饋。由于機組負荷變化帶來的控制對象數(shù)學(xué)模型的變化可能使整個控制系統(tǒng)控制品質(zhì)變壞，所以控制器參數(shù)隨、的變化而變化。4.2 系統(tǒng)地投入和應(yīng)用2003年，利用檢修機會，新設(shè)計的汽溫控制系統(tǒng)，在華能上安電廠#1、#2機組分別投入使用，在投入和調(diào)試過程中，為了使系統(tǒng)能更加穩(wěn)定，我們在前饋信號中，又增加了鍋爐吹灰信號，以平衡由此造成的系統(tǒng)干擾。根據(jù)現(xiàn)場試驗，270MW負荷下噴水減溫的正數(shù)學(xué)模型為，因為機組多數(shù)時間運行在此

16、負荷附近，所以把270MW負荷下噴水減溫的數(shù)學(xué)模型作為名義模型?？刂破鲄?shù)，。在此之前，主汽溫控制系統(tǒng)采用的是串級控制策略，升降負荷必須人為干預(yù)。采用自適應(yīng)SMITH預(yù)估器控制策略后，控制結(jié)果有很大改善，圖6是機組負荷無劇烈變化時的自動控制結(jié)果，圖7是機組負荷和燃料量劇烈變化時的自動控制結(jié)果，控制結(jié)果表明，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)對參數(shù)不匹配和負荷擾動有良好的適應(yīng)能力。:67圖7 機組負荷、燃燒劇烈變化時控制結(jié)果圖6 機組負荷無劇烈變化時控制結(jié)果 5 結(jié)論在遲延對象的內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)中，純遲延時間的大幅度變化會引起控制系統(tǒng)性能變差，而主汽溫被控對象是一個典型的變遲延變參數(shù)對象，根據(jù)現(xiàn)場試驗，主汽溫被控對象的遲延隨機組負荷或者說蒸汽流量的變化而有規(guī)律的變化，本文給出了主汽溫被控對象的純遲延時間的確定方法。而影響慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的因素又很多，如爐膛內(nèi)的熱負荷、噴水前蒸汽的