基于多變量前饋的再熱汽溫自動控制應用研究

顏綱要，葉 青，田紹鋼

(國能蚌埠發電有限責任公司，安徽 蚌埠 233411)

某電廠2×600 MW超臨界機組，為單爐膛變壓直流爐、一次中間再熱、采用前后墻對沖燃燒方式、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊Π型結構。再熱汽溫采用布置在鍋爐尾部煙道一級過熱器和低溫再熱器的煙氣擋板調節為主、噴水調溫為輔的方式，噴水減溫僅用作事故減溫。機組投運初期，再熱汽溫運行正常，通過煙氣擋板和少量事故噴水減溫控制汽溫，減少超溫，減溫水用量也很少[1]。

經過長期運行，以及后期引增合一、超凈排放等系統和設備的改造，鍋爐運行工況發生了變化，受熱面溫度和汽溫整體升高，易造成汽溫和金屬溫度超限，需要大量投入減溫水噴水以控制溫度。原來的控制策略難以適應當前復雜的運行工況，再熱汽溫的控制長期處于手動模式。加之再熱器溫度變化緩慢且慣性大的特點，運行人員操作幅度大、操作頻次高，同時由于再熱汽減溫水對主汽壓力的影響比較大，當機組運行工況產生波動時，易造成減溫水流量、再熱汽溫隨壓力波動，形成調節振蕩。而當負荷與壓力變化較大時，其振蕩不易收斂，造成系統不穩定，使機組負荷波動，也相應影響到AGC調節精度和一次調頻的及時正確響應。因此，需要研究一種適合當前復雜工況的再熱汽溫控制策略，使再熱器擋板和減溫水能夠協同動作，提高機組的安全性、穩定性和經濟性。

1 再熱汽溫動態特性分析

為研究再熱汽溫控制系統，根據鍋爐的燃燒特性，對和再熱汽溫存在相關性的熱力參數、控制變量，調取歷史數據進行大數據分析。

通過觀察分析認為，主汽壓力、總給煤量、再熱器減溫器入口汽溫、再熱器減溫器出口汽溫、低溫再熱器煙氣溫度的變化與再熱汽溫相關，減溫水調節閥、再熱器煙氣擋板是調整汽溫的主要手段，因此，選擇這些變量在一段時間內的數據，導入panda數據庫進行數據處理及可視化分析。與理論研究中對象動態特性傳遞函數建模分析不同的是，本文單純以運行實際數據之間經過時間位移后的相關性分析為主。即對相關參數的變化趨勢進行時間位移，找出其與再熱汽溫的最大相關性，判斷該參數對再熱汽溫是正相關還是負相關、位移時間及相關性的大小，以此作為控制策略優化的依據。為了減少其他隨機因素的干擾，選擇熱力性能試驗時的數據進行分析。對各擾動量的動態特性簡化為：Wi(S)=K/(1+TiS)[2]，以確定動態特性參數。

首先導出分析所需測點數據庫，進行離散點和壞點去除，以減少噪聲干擾。為便于可視化分析，對相關數據進行歸一化處理。

1.1 總給煤量與再熱汽溫的相關性

從熱力特性分析，當給煤量增大時，鍋爐吸熱增加，會使汽溫升高。但在協調控制下，燃料量的增加相應會有給水量的增加，而且給水的影響超前于給煤量的影響，當系統趨于動態平衡時，煤量與汽溫沒有一定的對應關系，因此從整個負荷范圍來看，給煤量和再熱汽溫沒有線性對應關系，二者之間相關性較小。但通過觀察，運行中煤量變化時，對汽溫的影響比較明顯，尤其是在變負荷時，汽溫的波動也比較大，這除了蒸汽流量的影響，與給煤量變化所導致的燃燒變化也有關系。因此，從短時間內的變化進行分析，對給煤量數據做算數平均濾波，并經過時間移位，與再熱汽溫進行相關性分析。對給煤量延時尋優如圖1所示。由圖1得到滯后0.67 min后與再熱汽溫最大相關性為0.504的趨勢曲線，縱坐標為歸一化數據，量程為0～1。通過多階段數據分析認為，給煤量滯后時間不太固定，但均具有較高的相關性。擬合函數為：

f(x)= 0.340 8x3-1.343x2+1.525x+0.128 4

圖1 總給煤量與再熱汽溫的相關性Fig.1 Correlation between total coal feed and reheat steam temperature

1.2 減溫器入口汽溫對再熱汽溫的影響

在熱力系統中，事故噴水減溫器布置在再熱器進口管路上，因此減溫器入口汽溫是再熱汽初始工質參數，其參數的變化趨勢將影響到再熱汽溫的變化。通過對再熱器入口汽溫和再熱器出口溫度延時尋優，得到再熱器入口汽溫滯后3.33 min后與再熱汽溫的最大相關性為0.57。從圖2可以看出，二者的變化具有高度一致性。擬合函數為：

f(x)= -0.142 1x3+0.686 8x2-0.517 9x+0.573

圖2 減溫器入口汽溫與再熱汽溫的相關性Fig.2 Correlation between inlet steam temperature of desuperheater and reheat steam temperature

1.3 低溫再熱器出口煙溫對再熱汽溫的影響

爐膛水平煙道布置有屏式過熱器、屏式再熱器、末級再熱器及末級過熱器。在負荷一定的情況下，煙氣溫度產生變化，屏式再熱器、末級再熱器的吸熱量也相應發生變化，從而引起再熱汽溫的變化，但此變化比較滯后。通過對低溫過熱器煙氣溫度進行時間移位，與再熱汽溫做相關性尋優分析，得到滯后時間5.67 min、相關系數為0.789的趨勢曲線(圖3)，擬合函數為：

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f(x)= 0.651 2x3-0.867 1x2+0.902 6x+0.172 7

圖3 低再出口煙溫與再熱汽溫的相關性Fig.3 Correlation between low re-exit smoke temperature and reheat steam temperature

2 再熱汽減溫水控制策略選擇

2.1 原傳統控制策略

原再熱汽減溫水是一個具有導前汽溫微分信號的雙回路控制系統，為前饋—反饋復合控制系統。如圖4所示，減溫器出口的溫度θ1經過微分器作為前饋信號，疊加至減溫器出口蒸汽溫度θ和其給定值的偏差上，綜合值輸入PID調節器運算，PID輸出值控制減溫水流量，最終實現對再熱蒸汽溫度的調節。此系統中有2個測量值：再熱器出口溫度θ和減溫器出口蒸汽溫度θ1。測點θ1安裝在減溫器出口，作為導前信號，可以較早地反映大慣性環節的遲延，以改善基本擾動下的動態特性。

圖4 具有導前微分信號的雙回路控制系統原理Fig.4 Principle of dual-loop control system with leading differential signal

這種系統的調節動作快于單信號系統，在減小動態偏差、縮短調節時間等方面都明顯優于單信號系統。但是在實際應用中，有2個重要原因使得這種控制策略不適用于現場：①在外部擾動如煙氣和蒸汽流量的擾動下，θ1的導前作用不明顯，因此外部擾動下的調節過程滯后，調節系統抗干擾能力較差；②由于現場實際條件的限制，導前溫度信號θ1安裝位置距離噴水減溫器太近，噴水和蒸汽不能充分混合均勻，其測量值不能真實地反映導前區溫度。往往是減溫水閥開大時，溫度快速下降，減溫水閥關小時，溫度又快速回升，從而造成在PID作用下減溫水閥頻繁開關，調節系統出現振蕩，影響系統穩定性(圖5)。

圖5 減溫器后溫度造成調節系統振蕩示意Fig.5 Temperature after the desuperheater causes the regulation system to oscillate

2.2 先進算法及智能控制策略簡介

在汽溫控制的研究和應用中，有一些先進的控制，如自適應控制、模糊控制、預測控制、狀態觀測器等智能控制策略。文獻[3]介紹了自適應控制算法在再熱汽溫控制中的應用。文獻[4]提出智能自校正模糊控制在電廠再熱汽溫調節中的應用；文獻[5]提出將模糊控制與自適應控制相結合的模糊自適應控制；文獻[6]介紹了復合控制在過熱汽溫控制中應用的仿真研究；文獻[7-8]基于預測控制理論設計再熱汽溫控制器；文獻[9-10]運用多變量廣義預測控制對火力發電廠中的汽溫系統進行了應用研究；文獻[11]提出一種神經網絡PID應用于再熱汽溫進行控制；文獻[12]介紹了狀態觀測器及狀態反饋控制在汽溫控制中的應用。這些先進算法和策略，一方面由于理論深、參數多，受制于現場控制系統功能模塊，難以組態實現，有的采用外掛式控制器(俗稱黑匣子)，具有保密性和很高的專業性，一般普通工程技術人員很難獲得和掌握修改參數的方法，在系統特性發生改變時無法及時修改調整，存在一定的維護難度，需要后續投入較高的維護費用，也延續了風險。

2.3 多變量前饋控制策略的設計和優化

基于以上分析，需要研究出一種便于維護并適合現場實際運行工況的控制策略，使再熱汽溫能夠自動正常可靠投入。

(1)以被調量為微分前饋的變參數調節回路。優化后的再熱汽溫調節系統原理如圖6所示，主回路采用再熱汽溫作為被調量的PID閉環調節回路，按照負荷指令進行變參數調節。由于噴水后溫度的突變性，此信號不予采用。再熱汽出口溫度的變化速率作為一個前饋信號，經過放大，和輸入偏差的函數相乘后直接匯入PID輸出，能夠在汽溫變化時快速超前動作，減小被調量的動態偏差。

(3)抗積分飽和智能處理功能。很多較為復雜的自動調節系統控制策略都設計有前饋指令，以提高調節系統的超前響應和抗干擾能力，但前饋信號是和PID輸出進行綜合，當所控制的執行機構達到上下限時，調節器存在積分飽和現象，調節返回變得不及時，嚴重影響自動調節品質。經過反復試驗，在控制指令回路中設計了抗積分飽和回路，以速率變參數控制組合超限輸出抑制，解決了這個重要難題。

圖6 減溫閥調節系統原理Fig.6 Principle of desuperheating valve adjustment system

3 再熱器擋板控制策略優化

3.1 原傳統控制策略

原傳統控制策略再熱器煙氣擋板設計為串級雙回路控制系統，內回路控制再熱器煙氣溫度，外回路控制再熱汽溫，均為隨負荷的變參數調節器，且有負荷指令函數前饋以及主壓力前饋[13]。實際應用中，該控制策略對PID參數和各前饋量參數調試與熱力系統特性匹配性差，故不能正常投入使用。

3.2 智能前饋控制策略設計

(1)以給煤量、主汽壓力為互補的智能預測前饋。根據之前的熱力特性分析計算給煤量與再熱汽溫的正相關性，在煙氣擋板控制回路中，設計給煤量微分與負荷指令函數相乘的負向前饋回路，當給煤量增大時，按照不同負荷下的系數預先關小煙氣擋板，以抑制給煤量對煙氣溫度的影響，同時考慮到減溫水導致的主汽壓力波動會影響煤量指令，設計了壓力變化率前饋回路，使給煤量和主汽壓力的前饋進行互補，朝向減小汽溫波動的方向動作。再熱器煙氣擋板調節系統原理如圖7所示。

(2)吹灰工況智能前饋。鍋爐吹灰時，使進入再熱系統煙溫下降，減少了再熱系統吸熱量，使再熱

圖7 再熱器煙氣擋板調節系統原理Fig.7 Principle of reheater flue gas baffle adjustment system

汽溫快速降低，正常的調節難以適應這種熱力特性的快速改變，造成汽溫的大幅波動。因此，設計了再熱汽擋板吹灰模式，作為吹灰前饋。當鍋爐需要吹灰時，運行人員使用再熱汽擋板吹灰模式，按照經驗取得當前負荷下的函數，輸出前饋量作用于煙氣擋板控制輸出，吹灰結束后退出。可以在吹灰時提前預開再熱器擋板至一定開度，防止吹灰(尤其是長吹)時再熱汽溫度下降過低。

4 結語

(1)經過邏輯優化，并在實際運行中對PID參數、各前饋參數的反復調整修正，實現了再熱器減溫水和煙氣擋板自動的協調投入，二者在不同負荷區間權重不同、定值不同，協同互補，分別進行調節，各項調節指標滿足要求。通過運行數據分析，運行人員的操作量由最高11 030次/d降低到3 818次/d，再熱汽溫超溫時間減少了60%以上，減溫水量減少15.24 m3/h。

(2)按照再熱器事故噴水下降10～20 m3/h，影響供電煤耗為標準煤0.3～0.6 g/kWh計算，可降低煤耗約0.45 g/kWh，依據2019年度70%的負荷率，年節約費用約116萬元/臺。節能降耗效果顯著，且極大地減輕了運行人員的勞動強度，降低了爐管因超溫而造成的安全風險。

(3)再熱汽控制策略的分析和邏輯優化，提出了一種相對比較簡易的、以現場運行數據為依據的分析方法，并結合具體實際而設計的控制策略，為同類型機組在常規DCS控制系統下的控制改進提供了參考思路。