基于預測與自適應控制的超臨界機組協調控制應用研究

摘要：超臨界機組的被控對象有著大慣性、強耦合、非線性及變參數等特點，與亞臨界汽包爐在控制上有很大的差異性。本文針對超臨界機組協調控制系統，從對象建模及控制策略出發，研究超臨界機組協調控制系統的被控對象的動態特性。并采用預測控制和自適應控制方法與技術，提出了一種現代火電機組自動發電控制的解決方案，對超臨界機組協調控制策略進行優化。

關鍵詞：超臨界機組 AGC 自動發電控制 預測控制 協調控制

1.引言

超臨界燃煤發電機組作為目前國際上最先進的燃煤發電機組，由于其沒有汽包動態特性更為復雜，在給水、汽溫和負荷控制回路之間存在著很強的非線性耦合，其被控對象具有多變量、強耦合、非線性、變參數的特點，與亞臨界汽包爐相比在協調控制上具有很大的特殊性。因此，應對超臨界機組的協調控制策略進行必要的研究，這對機組的安全運行和節能降耗有著深遠的意義。

2.機組協調控制策略

單元機組協調控制系統（簡稱CCS）是指通過控制回路協調汽輪機和鍋爐的工作狀態，同時對鍋爐和汽輪機的自動控制系統發出指令，以快速響應負荷的變化，并盡可能發揮機組的調頻調峰能力，同時穩定運行參數。對于超臨界機組來說，其基本任務是：當機組負荷指令發生變化時，協調汽輪機的進汽量、鍋爐的燃料量、風量和給水流量，使機組的發電功率能快速響應負荷指令的變化，并使機組的主要運行參數保持穩定。目前，火力發電廠的協調控制系統采用的控制策略主要運行方式包括:汽機跟隨方式、鍋爐跟隨方式、以汽機跟隨為基礎的協調控制方式、以鍋爐跟隨為基礎的協調控制方式。采用汽機跟隨方式運行的機組，機組汽壓波動小，但由于未利用鍋爐蓄熱，功率變化大，負荷的適應性較差；而采用鍋爐跟隨方式運行的機組，能充分利用鍋爐蓄熱，機組能較快地適應電網負荷要求，但主汽壓力波動較大。大多數超臨界機組除部分因系統控制難度較大、為避免安全性問題而采用汽機跟隨方式為基礎的協同控制系統外，大多數均采用以鍋爐跟隨方式為基礎的協調控制系統。

鍋爐主控控制方案大致分為基于鍋爐熱功率的多模型預測控制和自適應內模特性補償部分。火電機組的協調控制系統主要以控制機前壓力為目標，一般采取保持機組運行參數的穩定作為控制目標，其實質是維持鍋爐燃燒所提供的能量與汽機耗能之間的平衡；但保持機組運行參數的穩定實質上是一種間接的能量平衡，顯然它的控制品質沒有以直接維持能量平衡的控制方法好。圖1采取直接基于單元機組鍋爐與汽機之間能量平衡關系進行設計，采用主蒸汽流量及主蒸汽焓值的函數NS=f(D，H)作為表征鍋爐做功能力的“熱功率”信號，并通過多臺機組現場試驗及物理計算，建立了在機組負荷調整范圍內高、中、低三個工況點上的鍋爐“熱功率”與風、水、煤及鍋爐狀態之間的實時非線性模型，形成多模型預測控制器。當系統運行在某一工況點附近的時，由于系統具有良好的魯棒性，系統仍能獲得滿意的控制品質。當系統工況發生較大變化時，根據對當前運行工況的判斷，通過一定切換策略切換到相應的控制器，使系統較快地恢復平衡，以系統對動態響應的魯棒性要求。采用自適應內模特性補償技術，對鍋爐被控對象進行動態特性的補償，使補償后的主汽壓力等效被控對象具有較小的滯后和慣性，從而使整個鍋爐主控系統具有較強的穩定性和較快的動態響應，這對大滯后對象控制是十分有利的。

3.超臨界機組協調控制被控過程特性試驗和建模分析

對于超臨界機組的協調控制，往往是通過協調調整鍋爐燃料量及給水流量共同維持鍋爐主汽壓力和中間點溫度（分離器入口溫度或出口溫度或其他點的溫度，應根據現場的實際情況確定），目前的控制方案較好地協調了鍋爐燃料量和給水流量之間的關系，使超臨界機組AGC的最大負荷升降速率達2.0%Pe/min左右，主汽壓力的最大動態偏差基本在0.8Mpa之內，但仍有改進的余地，如：對于常規的協調控制方案，鍋爐的負荷指令BM，目前主要是依據主汽壓力的反饋PID控制＋功率指令的PD前饋控制獲得，可采用更加先進的控制策略如：預測控制策略等來進一步提升AGC的負荷升降速率并減小主汽壓力的波動，這也是本項目需要研究的內容。設計先進合理的超臨界機組協調控制系統，需要掌握協調控制系統被控對象的動態特性。

在580MW的負荷點上，分別進行了燃料量、給水流量、汽機閥門開度（DEH流量指令）、的擾動試驗，根據試驗數據擬合各擾動對負荷數學模型。燃料量先從213.35t/h逐步減少到201.55t/h，負荷從584.07MW經過一定的延遲后逐步下降到554.96MW，待負荷穩定后，燃料量再增加到214.24t/h。給水流量從1750.66t/h逐步增加到1835.74t/h，負荷從583.53MW經過一定的延遲后逐步上升到598.56MW，待負荷穩定后，給水流量再下降到1744.20t/h。汽機閥門開度從88.96%逐步減小到86.00%，負荷從584.49MW迅速下降到567.94MW后逐步上升到584.49MW，待負荷穩定后，汽機閥門開度再開大到89.0%。

4.先進AGC協調控制方案的實施及仿真

基于預測控制策略的AGC協調控制方案，針對超臨界機組采用獨立于DCS系統的INFIT-300M優化控制裝置，它以SIEMENS S7-300系列PLC為硬件載體，與DCS間采用硬接線方式，并作為一個擴充的分散處理單元融入到整個DCS系統中。并與華能太倉電廠超臨界機組的動態模型構成閉環，進行半實物（控制器為真實，對象為模型）的仿真試驗，并與目前在DCS中實現的常規優化控制方案進行性能比較。

5.結論

“INFIT”實時優化控制系統采用先進的預測控制技術設計了全新的火電機組AGC控制系統，并已在某發電廠600MW超臨界機組進行了應用，且機組運行良好，很好地解決了目前AGC控制所存在的難題；文中所提出的優化方案同樣適用于超臨界機組AGC控制系統。