火電廠DCS控制系統(tǒng)優(yōu)化研究與應(yīng)用

徐曉宇

摘要：大型燃煤火電廠是當(dāng)前能源產(chǎn)生的主流途徑。一般來講，工業(yè)常規(guī)的控制算法是采用PID線性控制算法來進(jìn)行回路方面的反饋，但PID控制是簡單的一自由度控制器，在要求系統(tǒng)同時具有快速設(shè)定值響應(yīng)能力和對干擾的抑制能力兩方面的情況下控制并不理想。本文是基于新一代DCS控制系統(tǒng)研究多變量廣義預(yù)測控制算法及基于工況數(shù)據(jù)篩選的模型在線辨識算法，實現(xiàn)高級算法模塊與DCS控制系統(tǒng)的融合;進(jìn)而通過建立機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)的全工況非線性動態(tài)模型，運(yùn)用智能優(yōu)化算法實現(xiàn)機(jī)爐模型的在線辨識，基于所辨識的機(jī)爐模型，采用多變量廣義預(yù)測控制算法設(shè)計機(jī)組全程自趨優(yōu)控制方案，實現(xiàn)火電機(jī)組的全程自趨優(yōu)控制。

關(guān)鍵詞：火電廠、鍋爐燃燒系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)、優(yōu)化研究

前言：

隨著新能源電力規(guī)模的不斷擴(kuò)大，綜合考慮我國的電源結(jié)構(gòu)，在儲能技術(shù)沒有革命性突破的背景下，燃煤機(jī)組通過不斷提升其運(yùn)行靈活性，將逐漸成為主要的互補(bǔ)性電源。但是，高靈活性運(yùn)行方式意味著機(jī)組將經(jīng)常處于快速、深度變負(fù)荷運(yùn)行工況，當(dāng)前機(jī)組DCS控制系統(tǒng)在復(fù)雜工況下，其鍋爐燃燒、風(fēng)煙、汽水、環(huán)保島等分系統(tǒng)的運(yùn)行適應(yīng)性多數(shù)情況下還不能滿足要求。關(guān)鍵參數(shù)控制品質(zhì)差已成為當(dāng)前機(jī)組靈活調(diào)峰能力的制約環(huán)節(jié)，機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性顯著下降的同時，其控制過程的穩(wěn)定性、設(shè)備壽命和運(yùn)行安全性也會受到不同程度影響。為有效解決上述問題，亟需研究機(jī)組主輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行的智能協(xié)調(diào)控制技術(shù)、適應(yīng)不同類型機(jī)組及煤質(zhì)特性的低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行控制、鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行裕度的定量預(yù)測等技術(shù)。

因此，利用新一代智能協(xié)調(diào)控制技術(shù)，對傳統(tǒng)DCS及其控制進(jìn)行優(yōu)化，在機(jī)組深度調(diào)峰和寬負(fù)荷運(yùn)行背景下有效提升機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行控制品質(zhì)，保障全負(fù)荷區(qū)間靈活調(diào)節(jié)能力，解決大遲延大滯后被控對象的難題具有重要的研究價值。本課題計劃在研發(fā)新一代DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，封裝高級控制算法及模型辨識算法，通過建立機(jī)爐非線性動態(tài)模型，深入分析機(jī)爐協(xié)調(diào)對象的非線性特性，采用基于模型的先進(jìn)控制算法實現(xiàn)機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)的自趨優(yōu)控制。

一、優(yōu)化后DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

本課題在新一代DCS控制系統(tǒng)的框架下，研究多變量廣義預(yù)測控制算法及模型參數(shù)在線辨識算法，實現(xiàn)對火電機(jī)組的全程自趨優(yōu)優(yōu)化控制，其優(yōu)越性主要有：

1.新一代智能發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)（DCS）和人工智能技術(shù)與先進(jìn)控制算法的深度融合，實現(xiàn)機(jī)組控制基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)的全體系的智能化改進(jìn)。

2.建立超臨界機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)的全工況非線性動態(tài)模型并實現(xiàn)模型參數(shù)的在線辨識和校正，克服機(jī)組工況差異及外界因素變化對控制系統(tǒng)的影響。

3.設(shè)計了基于模型參數(shù)在線校正及多變量預(yù)測控制的機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制策略，保證機(jī)組更好的克服煤質(zhì)煤種及工況差異對控制性能的影響，使其全負(fù)荷工況下具有優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能

二、DCS控制系統(tǒng)優(yōu)化的目的

解決大范圍變工況時機(jī)爐協(xié)調(diào)對象呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特性，通過以智能技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)控制系統(tǒng)支撐發(fā)電機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰，使機(jī)組寬負(fù)荷范圍內(nèi)投運(yùn)AGC時滿足9MW/MIN的變化速率，同時進(jìn)一步減小主蒸汽溫度、主蒸汽壓力及氮氧化合物的波動，在安全、穩(wěn)定運(yùn)行條件下參與深度變負(fù)荷運(yùn)行。

三、全程自趨優(yōu)智能協(xié)調(diào)控制設(shè)計思想

考慮到火電機(jī)組燃料量至主蒸汽壓力的響應(yīng)過程具有大慣性、大滯后特性，常規(guī)前饋+PID控制方式難以滿足新能源電力系統(tǒng)環(huán)境下的控制要求，為了從根本上解決這類大慣性、大滯后系統(tǒng)的控制難題，引入帶前饋的多變量預(yù)測控制算法，該算法融合了傳統(tǒng)前饋控制，能夠準(zhǔn)確的預(yù)測被控量未來的變化趨勢，而后根據(jù)被控量未來的變化量進(jìn)行控制，有效提前調(diào)節(jié)過程，可大幅提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，且能夠利用隱式解耦原理實現(xiàn)耦合系統(tǒng)的解耦控制。在預(yù)測控制算法中，廣義預(yù)測控制采用傳統(tǒng)的參數(shù)模型，參數(shù)數(shù)目較少，且易于在線估計，故以廣義預(yù)測控制為核心設(shè)計直流爐機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制方案。此外，為了減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損，避免控制量的頻繁波動，繞開廣義預(yù)測控制的矩陣可逆性問題，采用階梯式控制的思想求解最優(yōu)控制律。設(shè)計的火電機(jī)組全程自趨優(yōu)智能協(xié)調(diào)控制方案如下：

由圖可見，所設(shè)計的超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制方案保留了傳統(tǒng)前饋—反饋的控制架構(gòu)，但與傳統(tǒng)控制策略不同的是反饋控制采用了階梯式多變量廣義預(yù)測控制算法，取代了常規(guī)PID控制方式。此外，來自機(jī)組負(fù)荷設(shè)定的靜態(tài)前饋主要由負(fù)荷—煤量基線構(gòu)成，用于機(jī)組升降負(fù)荷過程中煤量的基準(zhǔn)定位，以降低控制器調(diào)節(jié)壓力;來自機(jī)組負(fù)荷設(shè)定的動態(tài)前饋主要由預(yù)給煤構(gòu)成，用于機(jī)組升降負(fù)荷起始階段快速增減煤量，以克服機(jī)組在升降負(fù)荷起始階段，控制器反饋調(diào)節(jié)速率緩慢的問題。

3.1火電機(jī)組全程自趨優(yōu)智能協(xié)調(diào)控制

針對火電機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)大遲延、大慣性、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜特性，為了從根本上解決這類復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，以帶前饋的階梯式多變量廣義預(yù)測控制算法為核心來設(shè)計火電機(jī)組全程自趨優(yōu)智能協(xié)調(diào)控制策略，具體研究工作包括：階梯式多變量廣義預(yù)測控制算法的程序化與模塊化、智能化控制策略的構(gòu)建、控制器參數(shù)自趨優(yōu)的更新策略等。旨在從工程應(yīng)用觸發(fā)，以現(xiàn)場工程應(yīng)用需求為指導(dǎo)，理論聯(lián)系實際，建立適應(yīng)于工程應(yīng)用的一整套全程自趨優(yōu)智能協(xié)調(diào)控制策略，且具有一定的推廣價值。

3.2主蒸汽/再熱蒸汽系統(tǒng)及脫硝系統(tǒng)優(yōu)化控制

由于主/再熱汽溫、脫硝系統(tǒng)均屬于大遲延大慣性被控對象，因此以多變量廣義預(yù)測控制算法為核心控制器，進(jìn)一步研究主/再熱汽溫、脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化控制方法和策略，提升機(jī)組主蒸汽參數(shù)的控制品質(zhì)，減小參數(shù)波動，提升其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。

3.3給水全程自動控制

研究實現(xiàn)從給水系統(tǒng)管道注水、鍋爐上水、點(diǎn)火啟動、升溫升壓、并網(wǎng)帶初負(fù)荷以及由低負(fù)荷逐漸升至滿負(fù)荷或由高負(fù)荷降至低負(fù)荷運(yùn)行的全過程給水全程自動控制。主要包括三大部分：給水調(diào)節(jié)回路、鍋爐啟動系統(tǒng)控制回路和給水系統(tǒng)順控回路的設(shè)計。給水調(diào)節(jié)回路完成給水流量的調(diào)節(jié)，在低負(fù)荷時，維持水冷壁具有流速穩(wěn)定的最小水流量，保持鍋爐啟動流量和啟動壓力;在高負(fù)荷時維持一定的水煤比，控制中間點(diǎn)溫度。鍋爐啟動系統(tǒng)控制回路完成鍋爐啟動過程中的開式?jīng)_洗、循環(huán)沖洗、熱態(tài)沖洗、分離器水位控制、爐水循環(huán)泵流量控制等，給水順控主要完成各個泵組的啟動/停止、汽泵電泵并/退泵控制、給水主路/旁路閥切換、干/濕態(tài)轉(zhuǎn)換等控制。

結(jié)語：

綜上所述，通過火電廠DCS控制的實際現(xiàn)場繪制趨勢對比可以看出，基于新一代DCS控制系統(tǒng)研究多變量廣義預(yù)測控制算法及基于工況數(shù)據(jù)篩選的模型在線辨識算法，實現(xiàn)高級算法模塊與DCS控制系統(tǒng)的融合;進(jìn)而通過建立機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)的全工況非線性動態(tài)模型，運(yùn)用智能優(yōu)化算法實現(xiàn)機(jī)爐模型的在線辨識，基于所辨識的機(jī)爐模型，采用多變量廣義預(yù)測控制算法設(shè)計機(jī)組全程自趨優(yōu)控制方案，實現(xiàn)火電機(jī)組的全程自趨優(yōu)控制。有效的提高了系統(tǒng)抗干擾能力，保證鍋爐對能源的利用率、鍋爐的效率和運(yùn)行安全，在實際生產(chǎn)中具有深遠(yuǎn)的意義。

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