管式GGH煙氣冷卻器的系統辨識及仿真研究

陳瓏

（浙江天地環保科技有限公司，杭州 311121）

管式GGH煙氣冷卻器的系統辨識及仿真研究

陳瓏

（浙江天地環保科技有限公司，杭州 311121）

利用MATLAB中系統辨識工具箱對超低排放系統下的管式GGH中煙氣冷卻器及相關進水調節閥系統進行系統辨識，通過比較不同結構模型的擬合度得到最優模型。使用得到的模型進行系統仿真，通過比較系統在常規PID控制與使用了Smith預估的PID控制下的表現，討論在該系統中使用Smith預估補償控制的可行性。

超低排放；管式GGH；系統辨識；MATLAB仿真；Smith預估控制

0 引言

管式GGH（煙氣-煙氣換熱器）系統作為將煙塵、二氧化硫、氮氧化物等多種污染物高效協同脫除集成技術（超低排放技術）中的重要一環，相較于傳統的回轉式GGH，不存在煙氣泄漏的缺點，同時能夠有效抬升排煙溫度，減輕煙囪出口“石膏雨”及“冒白煙”現象，環境效益明顯[1-3]。管式GGH在燃煤電廠的應用尚不普及，運行人員缺乏相應運行經驗，對管式GGH系統的建模分析有助于提供運行參考數據，由其得到的仿真數據對于系統控制策略的優化具有積極意義。

1 系統概況

超低排放技術路線中，管式GGH系統由兩級煙氣-水換熱器及相關輔助系統進行換熱，具體流程見圖1。煙氣冷卻器布置于低低溫電除塵前，利用低低溫電除塵入口煙氣熱量加熱熱媒水，同時降低電除塵入口煙溫，以提升除塵效率；煙氣加熱器布置于濕式電除塵后，利用熱媒水加熱濕式電除塵出口煙氣，抬升煙囪入口煙溫。其中，熱媒蒸汽加熱器處引入輔助蒸汽，用于在機組低負荷時加熱煙氣加熱器入口熱媒水，保證煙氣加熱器出口煙溫。

圖1 管式GGH系統流程示意

2 系統控制策略

在機組運行階段，通過調節位于煙氣冷卻器前的煙氣冷卻器進水調節閥（a）及進水旁路調節閥（b）來調節冷卻器進水量，以控制冷卻器出口煙溫，煙溫宜控制在85～90℃，高于煙氣酸露點，在避免后續設備酸蝕的前提下盡量降低煙溫以提高除塵效率；通過調節蒸汽加熱器進汽調節閥（c）來調節加熱器出口煙溫，煙溫宜控制在80℃左右，滿足超低排放排煙溫度要求[1]。

在實際系統調試中，為減少煙氣冷卻器進水調節閥（a）與煙氣冷卻器進水旁路調節閥（b）的相互關聯，采用令煙氣冷卻器進水調節閥（a）跟蹤冷卻器出口煙溫，煙氣冷卻器進水旁路調節閥（b）跟蹤管式GGH循環水流量的控制策略，以減少耦合途徑。熱媒水蒸汽加熱器進汽調節閥（c）仍采用跟蹤加熱器出口煙溫的控制策略。

3 數據分析與系統建模

在設計預期中，100%THA（熱效率驗收）工況下，管式GGH系統僅依靠空預器出口煙氣所帶熱量完成其兩級換熱，蒸汽加熱器進汽調節閥處于全關狀態，煙氣冷卻器進水旁路調節閥亦處于全關狀態，僅由冷卻器進水調節閥完成管式GGH系統的溫度調節，以下僅就該工況下管式GGH系統的控制作相關分析與討論。

建立模型以研究煙氣冷卻器進水調節閥開度與煙氣冷卻器出口煙溫間的關系，所建模型用于該系統（SISO系統）模型的仿真及相關控制策略的優化。系統數據由輔控DCS（分散控制系統）采集于某300 MW燃煤機組2號機組72 h滿負荷試運期間，具體數據見圖2。

圖2 系統輸入與輸出

利用MATLAB的系統辨識工具箱進行系統辨識。對所得數據進行預處理后，選取前半段數據用于模型預估，后半段數據用于模型校驗。經對各類模型結構（自回歸滑動平均模型、過程模型、狀態空間模型）進行比較，狀態空間模型更為適合本系統，其辨識方法選用子空間辨識方法，所得最匹配模型匹配度為94.14。由各模型得到的輸出與實測輸出比較見圖3，圖中P2D，ss1，amx2221，measured output分別為過程模型、狀態空間模型和ARMAX模型的預估系統輸出及系統實測輸出。

圖3 實測輸出與模擬輸出

選取的狀態空間模型結構為：

4 系統仿真與控制優化

由于系統實際運行過程中煙氣與熱媒水間的換熱過程，普通閉環調節滯后比較嚴重，影響調節閥的調控性能。為改善該問題，可考慮加入機組負荷、空預器出口煙氣流量等作為前饋或使用相關的預估控制。文獻[4]中對引入機組負荷作為前饋的控制效果做了討論，本章對應用Smith預估補償控制的可行性作相關討論。

圖4，圖5所示為普通閉環控制及Smith預估補償控制的原理。

對于普通閉環控制，其傳輸方程為：

圖4 普通閉環控制原理

圖5 Smith預估補償控制原理

對于Smith預估補償控制，在全補償情況下，其傳輸方程為：

比較二者傳輸方程可以得出，相較于普通閉環控制，Smith預估補償控制針對純滯后系統中閉環特征方程含有的純滯后項，引入一個預估補償環節，從而使得閉環特征方程不含純滯后項，以提高控制質量[5，6]。利用Simulink進行該系統的仿真，比較普通閉環控制與Smith預估補償控制在該系統上控制性能的優劣（兩者均選用相同參數調教的PID控制器，使用前文系統辨識得到的系統模型）。系統仿真原理見圖6，仿真結果見圖7。由圖7可見，應用了Smith預估補償控制的系統，具有更小的最大動態偏差及更短的回復時間，即更好的控制品質。

圖6 系統仿真原理

圖7 仿真結果

同時應該注意的是，如果系統工況變動，針對特定工作點設計的Smith預估補償器中τ相應變動，影響控制效果。故本文僅針對100%THA（熱耗率驗收）工況下管式GGH系統進行討論，以保證控制器效果。另外，本模型可近似地代表真實系統，而只有當模型與真實系統完全一致時，Smith預估補償控制才能實現完全補償，其補償效果取決于模型誤差[7-8]。

5 結論

利用MATLAB中集成的System Identification Toolbox對管式GGH中煙氣冷卻器及相關進水調節閥進行了系統辨識，并使用該模型進行系統仿真，從而討論了在該系統中使用Smith預估補償控制的可行性。通過對模型預估數據與模型校驗數據的比較，可知建立的系統模型能夠真實反映系統在各控制策略下的調節特性，可用于對系統控制策略的優化。同時仿真結果表明，使用了Smith預估補償控制的控制系統，其控制品質明顯優于常規控制，可應用于今后實際的熱工控制中，強化系統運行穩定性。

[1]朱法華，王臨清.煤電超低排放的技術經濟與環境效益分析[J].環境保護，2014，42（21）∶28-33.

[2]肖麗，王剛，金禮方.600 MW級火電機組超低排放改造后的運行成效分析[J].浙江電力，2016，35（7）∶37-40.

[3]壽春暉，祁志福，陳彪，等.某1 000 MW燃煤機組超低排放改造減排NOX的環境效益評價[J].浙江電力，2016，35（12）∶21-25.

[4]俞峰蘋，李清毅，金軍，等.燃煤發電廠煙氣超低排放管式GGH控制模式研究[J].浙江電力，2015，34（9）∶62-65.

[5]趙東亞，鄒濤，王治平.Smith預估控制研究進展[J].化工進展，2010，29（8）∶1406-1410.

[6]曹順安，謝學軍，劉光臨.基于Smith預估器的PID自適應控制及其應用[J].化工自動化及儀表，2004，31（1）∶28-32.

[7]劉長良，馬增輝.Smith預估模型參數仿真分析及多目標優化[J].系統仿真學報，2014，26（8）∶1706-1712.

[8]俞金壽，顧幸生．過程控制工程（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2012.

（本文編輯：徐 晗）

System Identification and Simulation on the Gas Cooler of Tubular GGH

CHEN Long
（Zhejiang Tiandi Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 311121，China）

∶Flue gas cooler of tubular GGH（gas-gas heater）under the ultra-low emission system and the relevant inlet control valve are systematically identified by the system identification toolbox in MATLAB.An optimal model is obtained by fitting degree comparison of different structural models.The obtained model is used for system simulation.By comparing the system performance under conventional PID control and that with Smith Predictor，the paper discusses the feasibility ofusing Smith predictive compensation controller in the system.

∶ultra-low emission；tubular GGH；system identification；MATLAB simulation；Smith predictive control

.201704012

1007-1881（2017）04-0049-03

：TK39

：A

2016-07-25

陳 瓏（1989），男，碩士，從事燃煤發電廠環保工程建設與調試工作。