超（超）臨界機組再熱汽溫優化控制策略研究與應用

龔 誠

（南通天生港發電有限公司，江蘇 南通226003）

0 引言

某電廠650 MW 超臨界機組的再熱汽溫主要以調節再熱煙氣擋板來控制，而以事故噴水為輔助調節手段（噴水點在低再的入口）。改造前的再熱汽溫控制系統基本上都沒有投入運行，煙氣擋板和事故噴水均依靠手動操作，每天的操作量約占整個機組操作量的80%左右，運行的操作強度大。主要原因：再熱汽溫被控對象具有很大的滯后和慣性，通過現場測試，在低負荷（350 MW）時，煙氣擋板對再熱汽溫影響的純滯后時間達190s，整個響應時間達1 487s左右；而對于事故噴水，由于噴水點在低溫再熱器的入口，在低負荷（350 MW）時，噴水對再熱汽溫影響的純滯后時間達330s，整個響應時間達1 820s左右。對于這樣的被控對象，在機組升降負荷或吹灰等擾動下，常規的PID 控制系統很難有效抑制再熱汽溫的大范圍變化，應采用基于大滯后控制理論的優化控制策略才能對再熱汽溫進行有效控制。

本文在再熱汽溫對象動態特性試驗的基礎上，先將改進的自適應Smith預估補償控制與Smith預測平行串級控制有效組合，并應用于再熱汽溫系統，實現了以煙氣擋板調節為主、事故噴水調節為輔的再熱汽溫優化控制，減輕了運行人員的操作強度，有效減小了在吹灰及變負荷等擾動下再熱汽溫的波動范圍，達到了預期的目標。

1 被控對象

鍋爐本體為哈爾濱鍋爐廠引進三井巴布科克能源公司技術生產的超臨界變壓運行螺旋管圈直流、單爐膛、一次中間再熱、前后墻對沖旋流燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構、∏型露天布置燃煤鍋爐。再熱汽溫以采用尾部煙氣擋板調節為主，鍋爐尾部煙道分為兩個并列的煙道，分別布置一級過熱器和低溫再熱器。在煙溫較低的省煤器下面布置可控制的煙氣擋板，再熱器煙道擋板和過熱器煙道擋板配合動作，改變流經再熱器煙道的煙氣流量，從而控制再熱蒸汽的溫度。

為研究新型的再熱汽溫控制系統，對再熱汽溫被控對象進行了完整的動態特性試驗。在高、中、低負荷點上分別進行了煙氣擋板和事故噴水調門的階躍響應試驗，試驗結果如表1所示。

對上述試驗結果可作如下分析：

（1）負荷降低時，無論是煙氣擋板還是事故噴水，其對象的慣性時間和純滯后時間都會增加。主要原因：當負荷降低時，煙氣流速和蒸汽流速相應降低，煙氣和蒸汽之間的熱交換速度變慢，從而導致過程的純滯后和慣性增加。

表1 再熱汽溫被控對象特性試驗結果說明

（2）負荷降低時，對于煙氣擋板，其對象的靜態增益減小。主要原因：當負荷降低時，為保證再熱汽溫，煙氣擋板的位置將開大，使擋板位置的改變對煙氣流量的變化變得不敏感，從而使對象的靜態增益變小。而對于事故噴水，其過程的靜態增益則增加，這是由熱力系統的熱平衡方程所決定的，在低負荷時，再熱蒸汽流量較小，顯然相同的噴水流量對再熱汽溫的影響要大。

由此可見，在機組變負荷時，理論分析與試驗結果是一致的。從對象的動態特性中可進一步獲得如下結論：

（1）無論是煙氣擋板還是事故噴水，都具有很大的純滯后和很長的慣性時間，應盡可能采用基于大滯后控制理論的優化控制策略來實現對再熱汽溫的有效控制。

（2）事故噴水的滯后和慣性反而大于煙氣擋板，依靠噴水難以快速抑制再熱汽溫的超溫。

（3）在高、中、低負荷點上，再熱汽溫被控對象的動態特性具有較大的差別，新的控制系統應有較強的自適應能力。

2 再熱汽溫優化控制策略

2.1 煙氣擋板控制策略

煙氣擋板控制作為調節再熱汽溫的主要回路，以A 側為例（B側相同），其控制系統結構如圖1所示。

在反饋控制回路中，將一種改進的自適應Smith預估控制技術應用于再熱汽溫系統，在確保控制系統穩定性的前提條件下，加快煙氣擋板的調節速度。在系統的前饋通道中，采用了基于操作經驗的模糊智能前饋技術，加快了煙氣擋板的調節速度，有效地抑制了再熱汽溫的動態偏差。

2.1.1 改進的自適應Smith預估控制技術

改進的自適應Smith預估控制方案如圖1所示，主要目的是補償被控對象的純滯后，此外，與傳統以及當前改進的Smith預估控制方案比較其還有如下兩方面的優點：

圖1 新型再熱汽溫主控系統結構圖

（1）從表1中可以看出隨著負荷變化，再熱汽溫動態特性有較大的變化，如果過程模型Gm存在失配，傳統Smith預估補償方案存在控制效果變差甚至失穩的問題［1］。本文所提出的方法為雙控制器結構，設定值響應由控制器PI1完成，擾動抑制由控制器PI2完成，如果模型存在失配，則可由PI2按擾動抑制處理。

（2）當前主流的改進自適應Smith預估控制方案雖然能實現抗模型失配，但存在的共同缺點是擾動抑制能力顯著變差［2－3］。本文所提出的控制方案可以通過調節0≤Lx≤Lm，從而實現擾動抑制與系統魯棒性的折中。

2.1.2 基于模糊控制理論的智能前饋技術

對于像再熱汽溫這樣的大滯后和大慣性過程，設計合理的前饋控制是十分必要的。在新型的再熱汽溫控制系統中，采用了基于機組負荷指令的前饋及基于再熱汽溫偏差及偏差變化率的智能前饋。其中，基于機組負荷指令的前饋又分為負荷小范圍內變化及大幅變化時的兩種前饋信號，該類前饋量與變負荷速率、負荷指令大小以及再熱汽溫的實際運行情況有關，本文中該部分的前饋量為－30%～30%。

在實際運行過程中，運行人員往往可以根據再熱汽溫的偏差及偏差變化率來快速調整煙氣擋板開度，而這種快速的操作思想完全可以通過智能前饋控制器來實現。

2.2 事故噴水控制系統

以A 側為例（B側相同），再熱汽溫事故噴水的控制方案如圖2所示。

常規噴水減溫控制系統為串級控制方式，雖可實現控制效果的改善，但對于大滯后的再熱汽溫系統控制性能提升有限，為此將傳統串級與Smith預估控制結合［4］，提出了一種Smith預測平行串級噴水減溫控制技術。該控制方案具有以下優點：

（1）該控制結構具有兩個控制器，PI2為內回路擾動抑制控制器，可以實現在擾動進入外回路前提前進行控制，PI1為外回路擾動抑制控制器，當內回路消除擾動不完全以及產生單獨進入外回路的擾動時進行擾動抑制控制；

（2）為了在快速消除擾動的同時實現設定值跟蹤平穩過渡，在設定值后增加設定值濾波器，通過調節濾波器的參數實現設定值跟蹤與擾動抑制的折中。

2.3 防止壁溫超溫的智能控制回路

在控制系統中還設計了防止再熱器金屬壁溫超溫的智能控制回路，當壁溫接近限值時，能自動調整再熱汽溫設定值，并快速關小煙氣擋板至定值。若這些措施仍無法抑制金屬壁溫，則自動打開噴水閥，抑制金屬壁溫的繼續上升。

3 再熱汽溫優化控制系統的應用

3.1 優化前的狀態

優化前，再熱汽溫控制系統主要存在如下問題：

（1）原DCS再熱煙氣擋板自動和再熱減溫水自動的控制邏輯及控制參數均存在問題，導致自動無法投入，運行人員只能手動調節再熱汽溫。

（2）由于再熱汽溫被控對象的大滯后特性，運行人員不能很好地掌握其調節規律，造成手動調節時再熱汽溫在大部分時間均處于等幅振蕩狀態，振蕩的幅度達15～20 ℃；并且在大幅升降負荷、啟停制粉系統時極易造成超溫，同時減溫水調節頻繁，閥門動作幅度和減溫水用量均較大，明顯影響了機組安全性和經濟性。

3.2 優化后的狀態

新型再熱汽溫控制系統已在某發電有限責任公司650MW超臨界機組上連續穩定運行了兩年多，機組的再熱汽溫運行品質有了大幅度提高，主要體現在：

（1）新型再熱汽溫控制系統已完全避免了控制系統的反復振蕩，有效減小了再熱汽溫的波動范圍，完全能滿足機組正常運行的需要。圖3為機組正常AGC 調節運行中再熱汽溫的運行曲線，機組運行于AGC 方式（5h運行曲線），負荷在470～530 MW 范圍內來回變化，再熱汽溫最大偏差僅為±5 ℃，且運行非常平穩，汽溫最低值為558 ℃。

圖3 機組正常AGC調節運行中再熱汽溫的控制曲線

（2）再熱汽溫在大幅升降負荷等惡劣工況擾動時，同樣具有良好的控制品質。典型的運行曲線如圖4所示，機組負荷由470 MW 快速變化至560 MW，優化系統能迅速調節再熱汽溫至合理范圍內，最大動態偏差小于±7 ℃。

圖4 機組AGC大幅變負荷時再熱汽溫的運行曲線

4 結語

本文提出的基于改進的Smith預估控制與Smith預測平行串級先進控制技術的超臨界機組新型再熱汽溫優化控制系統，可以確保再熱汽溫煙氣擋板和事故噴水控制系統長期穩定地投入運行，能有效減小再熱汽溫的波動范圍，減少事故噴水量，且能防止再熱器金屬壁溫的超溫。

［1］Meyer C，Seborg D E，Wood R K.A comparison of the Smith predictor and conventional feedback control［J］.Chemical Engineering Science，1976，31（9）：775－778.

［2］Vre?ko D，Vran?i c＇D，Juri?i c＇D－ ，et al.A new modified Smith predictor：the concept，design and tuning［J］.ISA Transactions，2001，40（2）：111－121.

［3］Kaya I.A new Smith predictor and controller for control of processes with long dead time［J］.ISA Transactions，2003，42（1）：101－110.

［4］Kaya I.Improving performance using cascade control and a Smith predictor［J］.ISA Transactions，2001，40（3）：223－234.