預(yù)測控制技術(shù)在超臨界機組AGC控制中的應(yīng)用

熊東平，張 雛

(1.華潤電力(常熟)有限公司,江蘇 常熟 215536；2.中國能源建設(shè)集團科技發(fā)展有限公司,天津 300012)

近年來,隨著區(qū)域電網(wǎng)新能源裝機規(guī)模不斷增加,電網(wǎng)調(diào)峰矛盾日益突出。為提升機組調(diào)峰能力,AGC等自動控制系統(tǒng)面臨前所未有的考驗,在更寬、更快、更低負荷變化條件下,調(diào)節(jié)對象和系統(tǒng)的非線性、時變性更加明顯,煤質(zhì)變化與分層摻燒等客觀不利因素的影響進一步放大,現(xiàn)有技術(shù)面臨諸多瓶頸,開發(fā)、研究、應(yīng)用新的優(yōu)化控制技術(shù)已成為火電機組升級改造中必不可少的核心工作之一。

現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)是精確的對象參數(shù)模型,而工業(yè)過程往往具有非線性、時變性、強耦合和不確定性等特點,很難得到精確的數(shù)學(xué)模型,因而控制效果將顯著降低。面對理論與實際應(yīng)用之間的不協(xié)調(diào),模型預(yù)測控制從工業(yè)過程控制的特點與需求出發(fā),探索各種對模型精度要求不高而同樣能實現(xiàn)高質(zhì)量控制的方法。預(yù)測控制的本質(zhì)是模型預(yù)測控制求解一個開環(huán)最優(yōu)控制問題,其思想與具體的模型無關(guān),但其實現(xiàn)則與模型有關(guān)。

預(yù)測控制技術(shù)已經(jīng)有大量成功應(yīng)用的工業(yè)案例,與其他先進控制策略的結(jié)合也更加緊密,是一種極具工業(yè)應(yīng)用前景的控制策略。通過應(yīng)用基于預(yù)測控制技術(shù)設(shè)計研發(fā)的AGC,對機組自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行合理的邏輯優(yōu)化調(diào)整試驗,達到電網(wǎng)對機組AGC的性能要求,并確保各主要自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)達到現(xiàn)行電力行業(yè)標準要求。

1 基于預(yù)測控制技術(shù)的先進AGC研究關(guān)鍵點

1.1 主要功能

在對機組動態(tài)特性、AGC運行要求、熱力系統(tǒng)設(shè)備情況充分研究的基礎(chǔ)上,以性能指標為目標,設(shè)計機組的AGC優(yōu)化控制策略、過熱汽溫優(yōu)化控制策略等,在進行詳盡的仿真研究后,確定最終的控制方案和控制系統(tǒng)的初始參數(shù)。

研究提供基于預(yù)測控制等先進控制技術(shù)的超臨界機組AGC控制策略的基本框架和組態(tài)邏輯,由于各臺機組在AGC運行要求、燃煤品質(zhì)、熱力系統(tǒng)特性和熱力設(shè)備等方面的差異,在具體應(yīng)用時仍需要進行控制策略的針對性設(shè)計,以保證控制系統(tǒng)與機組實際情況盡可能匹配,獲取最佳的運行性能。

新系統(tǒng)所提供的基于預(yù)測控制技術(shù)的閉環(huán)優(yōu)化子控制系統(tǒng)包含以下主要功能：

(1)主汽壓力優(yōu)化：采用先進主汽壓力控制策略。

(2)分離器入口蒸汽過熱度控制：采用先進燃水比控制策略。

(3)機組負荷優(yōu)化控制：采用自適應(yīng)先進負荷控制策略。

(4)一次調(diào)頻優(yōu)化控制：采用先進一次調(diào)頻控制策略。

(5)主汽溫度優(yōu)化控制：采用先進主汽溫度控制策略。

1.2 預(yù)測控制技術(shù)研究

作為火電廠重點、難點的控制對象,大部分具有大滯后特性；采用傳統(tǒng)比例－積分－微分(Proportion IntegrationDifferention,PID)的工作,在出現(xiàn)控制偏差時才重新計算控制指令。采用預(yù)測控制的核心思想則是在控制偏差出現(xiàn)前就進行響應(yīng)。具體實現(xiàn)方法是應(yīng)用建模手段得到被控參數(shù)的預(yù)測值,并依據(jù)預(yù)測值實時調(diào)整當前控制指令。

對不同控制算法比較研究,以主汽壓力控制對象為例,見圖1,在k時刻,對采用傳統(tǒng)PID控制與預(yù)測控制策略的控制特性進行比較分析。

圖1 主汽壓力控制效果曲線

采用傳統(tǒng)PID控制后,在k時刻,機組總給煤量u(k)可能仍會進一步增加,計算公式如下：

通過應(yīng)用預(yù)測控制技術(shù),在k時刻提前動作,使給煤量u(k)快速減少,計算公式如下：

上述公式中,k+n,k+m為未來期望值；e(k)為k時刻被控對象的變化量；F為控制響應(yīng)期。

采用傳統(tǒng)PID控制與應(yīng)用預(yù)測控制技術(shù),兩者比對效果曲線見圖2。由圖2可知,通過應(yīng)用預(yù)測控制技術(shù),在k時刻,對給煤量指令提前干預(yù),能有效避免實際壓力超調(diào),顯著改善被控對象的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

預(yù)測控制技術(shù)的關(guān)鍵：在控制響應(yīng)早期(F1),與傳統(tǒng)PID響應(yīng)特性相同；在響應(yīng)中期(F2),特別是對大慣性控制對象系統(tǒng),當過程量貼近設(shè)定值前,對預(yù)測對象建立模型,將煤量、風(fēng)等參數(shù)輸入預(yù)測控制器中的模型中,得到后面的時間的變化趨勢；在響應(yīng)后期(F3,k時刻后),及時根據(jù)預(yù)測值和實際控制值形成的偏差對控制指令進行修正,從而有效減少被控對象過程值的超調(diào)或避免震蕩。

此外,對控制系統(tǒng)的煤種校正,并不需要精確分析煤種的成分,而是通過改進算法計算出燃煤品質(zhì)對控制對象造成影響的特征參數(shù),并通過自適應(yīng)手段修正控制器參數(shù)和內(nèi)部模型參數(shù),根據(jù)每次大幅負荷變化中調(diào)節(jié)效果滾動優(yōu)化修正煤種的特征參數(shù),從而保證控制性能不變。

圖2 采用不同控制方法的控制效果對比

2 項目研究應(yīng)用的技術(shù)路線

某公司3h650 MW超臨界機組在汽輪機通流改造后,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Coordination Control System,CCS)調(diào)節(jié)效果較差,給水主控存在波動大的現(xiàn)象；主汽壓力存在控制不穩(wěn)、與燃料調(diào)節(jié)不匹配等情況,鍋爐燃燒不穩(wěn)定；運行人員啟/停磨煤機需要退出AGC、協(xié)調(diào)等運行方式。以上情況繼而引發(fā)AGC功率變化率不能滿足電網(wǎng)調(diào)度要求、運行人員操作任務(wù)繁重、機組穩(wěn)定性不好等問題。通過現(xiàn)場檢查,單元機組自動控制系統(tǒng)主要存在以下問題：

(1)機組在協(xié)調(diào)(或AGC)變負荷的起點和末端,在給水啟動加速(或末端給水回調(diào))時,存在較大的水、煤不匹配現(xiàn)象,容易引起主汽溫控制回路的大幅度波動。

(2)機組存在負荷升降速率低、關(guān)鍵參數(shù)波動大及系統(tǒng)不能很好適應(yīng)煤種變化等,AGC、一次調(diào)頻不能滿足電網(wǎng)要求的變化速率或精度。

(3)雙進雙出磨煤機啟、停過程中,水/煤比失衡嚴重,協(xié)調(diào)控制不穩(wěn)定。

結(jié)合該公司650MW超臨界機組設(shè)備狀況及當前運行情況,分析、歸納影響機組協(xié)調(diào)、汽溫控制系統(tǒng)性能的原因及存在問題,在高、中、低三個負荷點上,對機組被控對象進行動態(tài)特性試驗,并進行詳細的數(shù)學(xué)建模及特性分析。應(yīng)用基于預(yù)測控制技術(shù)的先進AGC研究關(guān)鍵點,對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、過熱汽溫控制系統(tǒng)、再熱汽溫控制系統(tǒng)等被控對象,進行動態(tài)特性試驗及建模分析,把未來時刻的期望值加到對當前時刻輸出量的控制上,實現(xiàn)提前動作控制。

依據(jù)機組動態(tài)特性試驗方案指導(dǎo)現(xiàn)場試驗,具體試驗操作由電廠運行人員負責,試驗結(jié)束后從電廠分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)或廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(Supervisory Information System,SIS)中導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù),進行后期處理、分析。

項目采用如下技術(shù)路線完成設(shè)計、調(diào)試及優(yōu)化：

(1)進行機組動態(tài)特性試驗和數(shù)學(xué)建模,歸納機組被控對象特性,分析優(yōu)化控制設(shè)計方向。

(2)根據(jù)機組被控對象特性分析結(jié)果,針對性設(shè)計基于先進控制技術(shù)的新型AGC協(xié)調(diào)、過熱汽溫、再熱汽溫及脫硝優(yōu)化控制方案。

(3)完成新型AGC、協(xié)調(diào)、過熱汽溫、再熱汽溫控制策略組態(tài),并搭建仿真平臺,通過詳細的仿真試驗,確定最終的控制方案和控制系統(tǒng)的初始參數(shù)。

(4)利用機組停機時間段,完成先進系統(tǒng)現(xiàn)場DCS組態(tài)邏輯修改工作。

(5)機組啟動后,進行先進系統(tǒng)熱態(tài)調(diào)試工作,逐步投入系統(tǒng)的各項控制功能,并進行必要的擾動試驗和變負荷試驗,以檢驗AGC協(xié)調(diào)及汽溫等優(yōu)化子系統(tǒng)的運行性能。

3 現(xiàn)場實施情況

本項目在機組DCS上組態(tài)及應(yīng)用實施,根據(jù)機組的實際運行情況,有針對性地對部分燃燒預(yù)判參數(shù)和策略進行了深入研究和分析,依據(jù)規(guī)程要求進行實際AGC負荷擾動試驗,對歷史數(shù)據(jù)分析,檢驗先進控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果。

3.1 項目實施前CCS控制效果

以單臺機組為例,在投用原CCS控制時,機組的運行性能較差。從圖3、圖4的運行曲線可以看出,機組投用原協(xié)調(diào)、汽溫控制的運行特點。

圖3 投用原CCS控制時機組控制曲線1

圖4 投用原CCS控制時機組控制曲線2

(1)負荷控制：機組投入正常AGC運行時變負荷速率設(shè)為10 MW/min,但實際負荷跟蹤并不好,且由于主汽壓力控制不穩(wěn)定,在負荷指令穩(wěn)定時也經(jīng)常會出現(xiàn)較大的負荷偏差,最終反映在1號機組的電網(wǎng)AGC精度、速率和一次調(diào)頻考核均較差。

(2)主汽壓力控制：經(jīng)常出現(xiàn)0.8 MPa以上的控制偏差,最大動態(tài)偏差超過1.2 MPa,且有非常明顯的調(diào)節(jié)振蕩,控制極其不穩(wěn)定。

(3)主汽溫度控制：負荷穩(wěn)定和大幅度變負荷過程均存在較為嚴重的振蕩現(xiàn)象,汽溫經(jīng)常偏離設(shè)定值15℃以上,超溫和低溫現(xiàn)象均較為頻繁。

3.2 項目實施后CCS控制效果

針對機組存在負荷升降速率低、關(guān)鍵參數(shù)波動大以及系統(tǒng)不能很好適應(yīng)煤種變化等實際問題,通過采用先進的AGC優(yōu)化控制系統(tǒng),重點對AGC指令環(huán)節(jié)、主汽壓力控制、主汽溫控制、給水主控等主要自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用基于預(yù)測控制技術(shù)的先進控制策略,有效解決了原CCS抗擾動能力差等問題。

經(jīng)過精心調(diào)試及完善,機組的AGC、協(xié)調(diào)、汽溫控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能均有了明顯提高。對優(yōu)化后的機組進行負荷擾動試驗(見圖5),以12 MW/min的速率從450 MW下降到400 MW,稍待穩(wěn)定后再下降到350 MW,隨后又上升到400 MW,稍待穩(wěn)定后再上升到450 MW的試驗曲線。

圖5 優(yōu)化后12MW/min速率變負荷擾動試驗曲線

此外,通過對2016年12月至2017年2月單臺機組各小時的AGC精度進行分析得出投入后逐月數(shù)據(jù),見表1,其中2016年12月數(shù)據(jù)為系統(tǒng)優(yōu)前的參數(shù)指標,2017年2月數(shù)據(jù)為系統(tǒng)優(yōu)后的參數(shù)指標。

從表1中可以看出投入后對機組AGC精度有逐漸改善的趨勢,2016年12月份的數(shù)據(jù)AGC精度不甚理想,檢查歷史趨勢后發(fā)現(xiàn),AGC負荷受限的時間很多(精度大于2.5的部分),且有很多時間優(yōu)化協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)未投入,造成很多精度在1～2.5之間的部分。至2017年2月份,數(shù)據(jù)精度有了很大的提高,AGC負荷受限的時間較少,且協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)基本保持投入,AGC精度滿足考核要求的小時數(shù)超過75%,平均精度也有顯著提高,達到了0.4728。

表1 優(yōu)化前后AGC調(diào)節(jié)精度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對優(yōu)化后AGC的整體性能評價如下：

(1)負荷控制：除在初始階段和部分的變負荷結(jié)束階段實際負荷與設(shè)定值有短時間的偏差外,其他控制時段機組實際負荷嚴格按照設(shè)定變負荷速率變化,動態(tài)過程平穩(wěn),無振蕩,過調(diào)量很小。實際速率、響應(yīng)延遲時間、動態(tài)控制偏差、穩(wěn)態(tài)控制精度均滿足要求。

(2)主汽壓力控制：與滑壓設(shè)定值保持相同趨勢變化,動態(tài)過程非常平穩(wěn),無振蕩和過調(diào),平均實際動態(tài)偏差僅為0.3～0.4 MPa,明顯優(yōu)于改造前的性能指標。

(3)主汽溫度控制：控制非常平穩(wěn),變負荷過程中的一級汽溫的平均最大動態(tài)偏差僅為4～6℃,明顯優(yōu)于改造前的15～20℃偏差值。

4 經(jīng)濟及社會效益分析

(1)實施基于預(yù)測控制技術(shù)的AGC協(xié)調(diào)及汽溫優(yōu)化控制后,由于主汽壓力、主汽溫度及再熱汽溫等關(guān)鍵參數(shù)控制性能明顯提高,參數(shù)的動態(tài)偏差大幅減小,且不再振蕩。控制系統(tǒng)的穩(wěn)定,使得機組的燃料、給水、送風(fēng)等各控制量的變化十分平穩(wěn),十分有利于減小鍋爐水冷壁和過熱器管材的熱應(yīng)力,對防止氧化皮脫落和鍋爐爆管有明顯的作用,在提高機組安全運行方面,可取得良好的間接經(jīng)濟效益。

(2)由于在機組的負荷升降速率和調(diào)節(jié)精度的性能方面得到了明顯的提升,改善了機組的調(diào)峰、調(diào)頻能力。在應(yīng)用先進控制系統(tǒng)之前,即使變負荷率設(shè)為13 MW/min時,AGC調(diào)節(jié)速率也未能達到考核要求。而投運新系統(tǒng)后,即使變負荷率設(shè)為12 MW/min,平均的AGC速率也能滿足考核要求,機組負荷調(diào)節(jié)性能明顯提升。

(3)在應(yīng)用先進控制系統(tǒng)之前,主汽溫經(jīng)常需要運行人員手動開大減溫水門,否則極易造成超溫。同時由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的水煤比控制不佳,主汽溫易長時間偏低,很大部分時間均低于設(shè)定值5～10℃運行,機組經(jīng)濟性受到明顯影響。在投運新系統(tǒng)后,在穩(wěn)定負荷及升降負荷過程中,絕大部分時間主汽溫僅存在3～4℃的偏差,汽溫控制非常平穩(wěn),且提高了主汽溫的運行平均值,可降低煤耗,提高機組的經(jīng)濟性。

(4)本項目通過有機融合預(yù)測控制技術(shù),提出了現(xiàn)代火電機組AGC協(xié)調(diào)、汽溫及脫硝控制的先進方案,具有好的應(yīng)用前景。

(5)本項目很好地融合了先進的預(yù)測控制技術(shù),在很多控制性能方面如在對煤種變化的自適應(yīng)方面,其性能已明顯改善。

5 結(jié)語

本項目針對AGC考核、機組協(xié)調(diào)、給水、汽溫等主要自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了一系列先進控制策略設(shè)計、調(diào)試和優(yōu)化,在某公司650MW超臨界機組上,成功實現(xiàn)了基于預(yù)測控制技術(shù)的先進AGC控制的現(xiàn)場實施。成果的應(yīng)用有效解決了機組鍋爐超溫、AGC及一次調(diào)頻受電網(wǎng)考核嚴重等問題,全面提升了機爐協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)定性,使機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能高效、長期投運,降低了運行人員的勞動強度,從整體上提高了火電機組自動控制水平和管理水平,對發(fā)電企業(yè)的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有重大意義。