基于系統辨識的超臨界600MW機組給水控制熱工對象建模與仿真

米克嵩，王 波，楊建蒙

(1.內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司 內蒙古 呼倫貝爾 021025;2.華北電力大學 河北 保定 071003)

1 超臨界機組給水控制特點

超臨界直流鍋爐，與汽包爐相比在控制上有其特殊性。汽水分離器在啟動初期或低負荷運行時起汽水分離作用，此時給水控制的任務是保證鍋爐的給水量;燃燒控制的任務是控制鍋爐的蒸發量;以噴水減溫的方式控制汽溫，給水流量的擾動不會對汽溫產生直接影響。此時給水控制和燃料控制不存在耦合。而高負荷時，汽水分離器僅作為一個節點［1］，給水一次性流過省煤器、水冷壁和過熱器，依次完成給水的加熱、汽化和蒸汽的過熱過程。沒有汽包將給水控制與汽溫控制和燃燒控制隔離開。此時，給水控制的主要任務是以中間點溫度或焓值作為表征量，保證煤水比［2］不變，進而控制汽溫，以滿足機組不同負荷下對給水量的需求。

焓的物理概念明確，同時為壓力和溫度的函數。過熱蒸汽焓代表其做功能力，控制中間點焓值，即控制了蒸汽的初始做功能力，有利于負荷控制［3］。中間點焓值比溫度靈敏度高，在接近飽和溫度時，對煤水比失調能較快反應，有利于防止中間點進入飽和區，即使進入了飽和區，與中間點溫度控制相比也可以較快地退出飽和區［3］，在高負荷時，根據中間點溫度控制給水流量更容易引起超溫。而且超臨界機組工質存在一個大比熱區［4］，當負荷變化時，在這個區間內控制中間點溫度容易造成給水控制失調。所以用中間點焓值做表征量來更為科學。

2 系統辨識

對于直流鍋爐，由于給水的吸熱、蒸發和過熱之間沒有明確的分界，這就使汽溫、汽壓、給水量及蒸發量相互關聯，耦合性極強，機理建模的方法已然不再適用。

而對于此類復雜對象的建模，系統辨識的方法則顯出極大的優越性。熱工過程的輸入輸出信號總是可以測量的。由于過程的動態特性必然表現在這些數據之中，那么就可以利用輸入輸出數據提供的信息來建立對象的數學模型，這種方法叫做系統辨識。

2.1 系統辨識的定義

L.Ljung對辨識定義為:辨識有三個要素:數據，模型類和準則。辨識就是按照一個準則在一組模型類中選擇一個與數據擬合得最好的模型。簡言之，辨識就是從一組模型類中選擇一個模型，按照某種準則，使之能最好地擬合所研究實際過程的動態特性［5］。

系統辨識是控制論的一個分支。辨識技術幫助人們在表征被研究的對象、現象或過程的復雜因果關系時，盡可能準確地建立它們之間的定量依存關系。

2.2 應用MATLAB系統辨識工具箱建模

若離散傳遞函數為:

它對應的差分方程為:

其中ε(t)為殘差信號。y(t－1)表示y(t)在前一個采樣周期處的函數值，這種模型稱為ARX(自回歸遍歷)模型。

MATLAB系統辨識工具箱提出了多種辨識函數，其中ARX模型辨識可以由ARX()函數加以實現。假設已經測出一組輸入信號u=［u(1)，u(2)，…，u(M)］T和一組輸出信號 y=［y(1)，y(2)，…，y(M)］T。并選定系統的分子多項式階次為m－1，分母多項式階次為n及系統的純滯后d，則可以通過下面命令辨識出系統的數學模型。

3 某超臨界600 MW機組給水控制熱工對象系統辨識模型

3.1 原始數據預處理

本文選用某電廠超臨界600 MW機組100%負荷下給水量和中間點焓值數據如圖1(a)和圖2(a)所示。系統建模時，要求輸入輸出的統計特性與統計時間起點無關，且均值為0。而從電廠DCS采集到的數據一般都含有噪聲，是隨機時間序列，需要進行數據預處理，主要包括消除數據的趨勢項，對數據進行濾波和重新采樣。在系統辨識工具箱中，函數dtrend用來去除數據中的趨勢項，函數idfilt利用濾波器對數據進行濾波，利用idresamp函數對數據進行重新采樣，插值或刪減［15］。去除趨勢項，是很重要的數據預處理步驟，它能消除數據處理中可能出現的很大畸變。圖1(b)和圖2(b)是經過預處理后的數據圖。

圖1(a) 100%負荷下給水量原始數據

圖2(b) 去除趨勢項后的中間點焓值數據

3.2 應用MATLAB系統辨識建模

機組運行時，所有數據都隨工況變化而變化，此時選取數據的激勵性最好。但是由于工況的變化，系統模型也隨之變化。因此，選擇數據時，一般選擇工況穩定，輸入輸出數據在振蕩的曲線。此時辨識出的模型較好的對應著該工況下熱工對象的模型。針對前文得到的100%負荷下經過預處理的數據圖，用MATLAB系統辨識工具箱辨識出的中間點焓值—給水量熱工對象數學模型為:

此模型階次較高，難于進行控制器的設計，需要對其進行降階簡化。目前對高階傳遞函數降階的研究比較多，計算方法各有不同，本文應用帶有時間延遲的次最優降階算法，對上述傳遞函數進行簡化后，可得到如下新的模型:

對辨識模型和降階模型分別作單位階躍響應，所得曲線如圖3所示。從圖上可以看到，辨識模型和降階后模型響應曲線近似，但降階模型簡化很多。

4 仿真實例分析

為了驗證應用MATLAB系統辨識工具箱構建的中間點焓值—給水量熱工對象數學模型的可行性、有效性及準確性，現以一仿真實例加以說明。

當直流鍋爐干態運行時，給水控制的任務是通過控制汽水分離器出口微過熱蒸汽焓值(中間點焓值)控制水煤比，進而控制過熱蒸汽溫度。圖4為給水控制系統原理圖。

其中，水煤比為負荷的函數f(x)，其對應關系曲線如圖5所示，中間點焓值的給定值為負荷的函數f(x)，如圖6所示，焓值測量值是由分離器出口溫度與貯水箱排汽壓力計算得出。

在SIMULINK環境下構建仿真圖，輸入100%負荷下給煤量設計值224.3，以及根據系統辨識并降階簡化得出的熱工對象傳遞函數Gr(s)，經臨界比例帶法整定PID控制器參數為:

PID控制器對系統進行計算機仿真，得出負荷階躍變化時中間點焓值的響應曲線如圖7所示:

圖7 負荷階躍變化時中間點焓值的響應曲線

由仿真曲線可以看出，采用P和PID控制時，都可以滿足給水控制系統的要求。整個調節過程超調量小，調節品質優越。當采用PID控制時，穩定性、準確性以及快速性都很理想。控制系統具有較強的魯棒性。

5 結論

超臨界直流鍋爐濕態運行時，給水控制與汽包爐無異，而干態運行時，給水控制主要任務是以中間點溫度或焓值為表征量，維持煤水比不變進而控制汽溫和給水量。

中間點焓值物理意義明確并且靈敏度高，另外考慮到超臨界壓力下工質大比熱特性，故以中間點焓值做為表征量要比以中間點溫度為表征量更科學。由于超臨界機組給水控制熱工對象的復雜性，難于應用機理建模方法構建數學模型。而系統辨識方法則盡顯其優越性。

應用MATLAB系統辨識工具箱在對某超臨界600MW機組DCS采集到的數據做預處理工作后，辨識出中間點焓值—給水量熱工對象高階數學模型，并采用次最優算法使其降階。仿真實例表明模型符合給水控制系統的要求。

［1］董信光，耿莉，譚小勇，等.基于多傳感器信息融合的直流鍋爐給水控制［J］.鍋爐技術，2008，39(4):14 －18.

［2］西安熱工研究院.超臨界、超超臨界燃煤發電技術［M］.北京:中國電力出版社，2008:35－37.

［3］何同祥.采用控制中間點焓值的直流爐給水控制系統［J］.華東電力，1999，27(2):26 －28.

［4］樊泉桂.超臨界鍋爐中間點溫度控制問題分析［J］.鍋爐技術，2005，36(6):1 －4.

［5］潘立登，潘仰東.系統辨識與建模［M］.北京:化學工業出版社，2004:1－5.