电厂之13华能上安电厂2×350WM机组汽温控制系统策略改进.doc

自适应内模控制在华能上安电厂过热汽温控制中的成功应用吴志雄林新田(华能上安电厂)摘要过热汽温被控对象是一个典型的变迟延变参数对象，本文介绍了华能上安电厂汽温控制策略改进前情况，指出了原控制策略存在的问题，通过对汽温控制对象的研究，分析了被控对象迟延的确定以及干扰因素的影响，并以此为参考模型，设计了自适应控制律，使控制器内部模型的参数逐步逼近被控对象的参数直至相等，同时根据内部模型的参数随时整定控制器的参数。以此设计的控制方案，在华能上安电厂进行了调试和应用，应用结果表明，在参数不匹配和出现负荷扰动的情况下，控制系统均有满意的控制能力。关键词汽温控制 迟延 自适应 内模控制 1 引言华能上安电厂一期两台350WM单元机组系全套引进国外设备，主机为美国“GE”公司提供的亚临界一次中间再热双缸、双排汽冷凝式机组；锅炉为加拿大B&W公司设计制造的“W”型火焰Camolim2型自然循环炉，I&C系统由意大利ANSALDO公司总承包设计；热控系统为ABB-BAILEY公司的N-90集散控制系统。锅炉额定工况主要参数如下：锅炉额定蒸发量：1085t/h最大连续蒸发量：1190t/h过热器出口压力、温度：17.94MPa，540再热蒸汽流量：877.8t/h再热器进/出口压力、温度：3.02/2.88 MPa，301/539给水温度：282排烟温度：131/124（修正前/修正后）锅炉效率：90.88汽温（过热汽温、再热汽温）是电厂热力系统中的重要参数，汽温控制品质的优劣直接影响到整个机组的安全性和经济性。汽温控制系统的特点是被控对象具有较大的惯性，采用常规的控制方法在机组负荷变动、吹灰等工况下，控制不住汽温的波动。华能上安电厂改进前的过热汽温控制系统分为两级喷水，每级喷水回路分别由串级控制系统组成，且共用一个主调节器。实践证明这一控制系统的设计已不能满足机组运行的要求，主要问题是：机组负荷变化时，汽温波动大，汽温控制响应速度慢，控制品质不能随机组负荷的变化而变化，影响机组的安全运行。近年来内模控制（IMC,infi-90中称作smith控制）引起了控制界的很大关注，通过对该控制理论的分析研究，根据华能上安电厂的实际情况，我们设计了主汽温自适应内模控制系统。为了增强系统抗燃烧扰动的能力，在分析、试验的基础上，引入了基于焓值计算的前馈信号，控制结果表明，控制系统对参数不匹配和负荷扰动有良好的适应能力。2 改进前的控制策略介绍2.1 系统概述华能上安电厂的过热汽温控制系统如图1所示，系统通过调整一级过热器和二级过热器喷水流量来保证主蒸汽温度设定值，锅炉总风量通过一个函数转换作为总减温水流量指令的前馈信号，机前压力的偏差和汽包压力变化作为系统预先考虑负荷变化的前馈信号，送入调节系统参与控制。2.2 系统特点2.2.1 一减最大喷水流量限制为了避免主蒸汽温度下降到接近饱和温度值，该系统给出了最大喷水流量值。二过入口温度极限值取一个汽包压力的函数关系与一过入口温度测量值进行比较，其偏差送入最大喷水流量调节器进行处理，该调节器的输出及最大喷水流量极限值。2.2.2 一减最小喷水流量限制为了使二过入口蒸汽温度不大于相应工况下的最大要求值，该系统给出了最小喷水流量值。同样，二过入口温度极限值也取一个汽包压力的函数关系与一过入口蒸汽温度测量值进行比较，其偏差送入最小喷水流量调节器进行处理，该调节器的输出即为该工况下最小喷水流量极限值。2.2.3喷水流量指令信号为了提过调节品质，一减流量指令增加类微分效果的超前功能，二减流量喷水指令考虑了最大最小喷水流量限制后的一减喷水流量指令变化的影响。2.2.4 二过出口温度设定点二过出口温度设定点由操作站给出，也可依据锅炉负荷自动设定，当站自动时，设定点为锅炉负荷函数，操作员不能手动干预。只有站为手动时，操作员才能通过操作站进行设定，如果手动给出的设定点与锅炉负荷函数之间偏差超出限值，即使站仍为手动，站的设定点仍将自动强制输出为锅炉负荷函数。2.3 系统使用情况该调节系统的副调节回路控制的是喷水流量，没有考虑到喷水后过热器温度的变化，实际上并不能称为真正意义上的串级调节系统，对于迟延较大的汽温调节系统，共用了一个主调节器，使得一级喷水也根据主汽温的变化来进行调节，没有实现真正的分段控制。锅炉总风量作为前馈信号参与汽温控制起到了重要的作用，但是每次锅炉检修风量标定后，上述参数都要进行重新调整，且随着锅炉特性的变化，参数也需要不断的调整。基于上述原因，虽然在使用过程中进行了大量的参数调整工作，但是汽温控制仍然反应偏慢，特别是启停磨组过程中，必须人为干预，不能实现全过程的自动控制。对汽温控制系统策略的改进势在必行。3 过热汽温被控对象的研究过热汽温被控对象是一个典型的变迟延变参数对象，针对这样的控制对象采用分段控制的双回路串级控制系统是必然的选择，虽然过热汽温被控对象的迟延随机组负荷或者说蒸汽流量的变化而有规律的变化，而影响惯性环节参数的因素又很多，所以，惯性环节的参数不能简单根据一、两个参数判定。在根据机组蒸汽流量判定对象迟延的基础上，鉴于被控对象参数的不确定性，针对一阶惯性加迟延对象，基于李亚普诺夫渐进稳定原理可以增加自适应功能，使系统内部模型的参数在自适应律的控制下保持与对象一致，自适应律中的修正参数不是固定的，根据机组工况随时调整，同时根据内部模型的参数随时整定调节器的参数，用以提高控制系统的鲁棒性。利用这种方法，我们设计了主汽温自适应内模控制系统。为了增强系统抗燃烧扰动的能力，在分析、试验的基础上，引入了基于焓值计算的前馈信号。3.1被控对象迟延的确定以及干扰因素分析ABC图2 过热器蒸汽流程图3.1.1 被控对象迟延的确定对于大迟延对象来讲，迟延的变化是引起控制系统效果变坏的主要原因之一，所以，确定主汽温控制系统中被控对象的迟延具有重要的实际意义。改变减温水量控制主汽温的过程可简化为两个环节： 减温水与蒸汽的混合过程和混合后的蒸汽传输到主汽温测点的过程。假设：喷水过程中，机组热负荷不变；炉膛内烟气量不变；机组负荷不变。则喷水减温的过程如图2所示：在区域AB，是减温水与蒸汽混合，被蒸汽汽化的过程。在A点，减温水进入蒸汽管道，引起蒸汽温度开始下降，在B点，减温水被蒸汽完全汽化，且混合后的蒸汽温度均匀，这个过程时间很短。经过现场试验，减温水与蒸汽混合，被蒸汽汽化的过程中，蒸汽温度变化的数学模型为：一阶惯性环节 ；或二阶惯性环节 在区域BC，因机组热负荷、炉膛内烟气量不变、机组负荷不变，为一个简单的传输过程。因为过热器管道很长，所以，这个过程时间很长。由此，我们可以看出，汽温的对象数学模型为一阶惯性环节加纯迟延 ；或二阶惯性环节加纯迟延 纯迟延时间，其中为过热器管道平均长度，为蒸汽平均流速。而惯性环节中的参数与炉膛内的热负荷、喷水前蒸汽的流量、温度、压力、减温水的流量、温度、压力等参数有关，判定起来很复杂。下面我们要做的工作就是在纯迟延时间已知的情况下，设计自适应控制系统。3.1.2 主汽温控制系统的燃烧干扰对于直吹式制粉系统的机组来讲，喷进炉膛的粉量与一次风量相对应，可以从一次风量反映出来，燃烧对主汽温的影响可以用模型表示为：但是，由于每支燃烧器所处位置不同，每台磨煤机一次风量对主汽温的影响不同，为简单起见，忽略迟延时间和时间常数的不同，认为每支燃烧器对主汽温的影响只是幅度不同，所以，每支燃烧器对主汽温的影响可以用下面的模型表示：，其中，代表每支燃烧器的加权系数。另外，每台磨煤机的启停对主汽温的影响也很明显，由于磨煤机启停时进入炉膛的一次风量和所带残粉量的变化，引起主汽温的波动，每台磨煤机的启动对主汽温的影响可以表示为：3.2 迟延对象的内模控制系统为简单起见，这里讨论一阶惯性加纯迟延环节, 对象模型为则设计内模控制系统如图3所示图3 迟延对象的内模控制系统其中，对象的名义模型为控制器数学模型，实质上是一个比例微分控制器。在被控对象的名义模型与实际模型失配的情况下，为提高系统鲁棒性，在控制器后增加一个一阶滤波器，滤波器时间常数越大，系统鲁棒性越好，但控制系统调节时间会增长，所以应根据实际情况选取。但当被控对象的名义模型与实际模型严重失配的情况下，系统的控制品质将变差。因此，通过自适应环节提高整个控制系统的鲁棒性是设计研究的一项重要内容。3.3. 名义模型参数及控制器参数修正算法3.3.1 名义模型参数修正算法考虑一阶惯性加纯迟延的被控对象。我们暂不考虑纯迟延的变化，设计名义模型参数修正系统如图4。图4 名义模型参数修正系统图其中，为被控对象的数学模型，一阶惯性环节 (1)名义模型中，一阶惯性环节 (2)建立（1）式和（2）式的微分方程 (3) (4)假设 ，令， 则 (5)令 (6)把（4）式和（5）式代入（6）式，并 对方程进行整理，得 (7) 其中 (8)为了使名义模型逼近实际被控对象，即通过对、的合理设计，使时间趋于无穷大时，我们选择李亚普诺夫函数如下： (9)其中，. 假设 ，则对于 , 必定成立。 （10）如果选择 (11)则 (12)因为 ，所以 式 (7)稳定。对式 (8)微分 (13)把（13）式代入（11）式，可得 (14)表达式 (14)就是我们设计的自适应算法。 在迟延控制系统中，因为不能通过测量得到，所以只能用可测量的系统输出与名义模型经滞后环节后的输出之差代替，这样，不能太大，应根据实际系统情况而定。在主汽温控制系统中，因为蒸汽流量、燃烧和烟气量的变化都会引起在机组负荷变化，所以，设定为机组负荷变化率的函数。3.3.2控制器参数的修正算法控制系统中的名义模型的修正参数，实时修正，根据这两个参数，对象的名义模型变为 ，则控制器控制参数 ，其中为控制器的比例增益，为控制器的微分增益。4. 自适应内模控制在主汽温自动调节系统中的设计及实际应用4.1华能上安电厂主汽温自动调节系统控制策略的改变通过上述自适应内模控制的分析和研究，根据上安电厂的实际情况，应用INFI-90中的自适应功能码和SMITH预估器等功能码，设计自适应内模主汽温调节系统如图5所示：图5 内模自适应主汽温自动控制系统在火电厂中，影响主汽温的因素很多，在确定使用减温水作为控制量后，最主要的干扰是喷向炉膛的粉量和吹到炉膛的风量的变化。为了保持主汽温的稳定，必须及时地改变减温水量平衡这些干扰。因此，在控制系统中设计了燃烧前馈。由于机组负荷变化带来的控制对象数学模型的变化可能使整个控制系统控制品质变坏，所以控制器参数随、的变化而变化。4.2 系统地投入和应用2003年，利用检修机会，新设计的汽温控制系统，在华能上安电厂#1、#2机组分别投入使用，在投入和调试过程中，为了使系统能更加稳定，我们在前馈信号中，又增加了锅炉吹灰信号，以平衡由此造成的系统干扰。根据现场试验，270MW负荷下喷水减温的正数学模型为，因为机组多数时间运行在此负荷附近，所以把270MW负荷下喷水减温的数学模型作为名义模型。控制器参数，。在此之前，主汽温控制系统采用的是串级控制策略，升降负荷必须人为干预。采用自适应SMITH预估器控制策略后，控制结果有很大改善，图6是机组负荷无剧烈变化时的自动控制结果，图7是机组负荷和燃料量剧烈变化时的自动控制结果，控制结果表明，本文所设计的控制系统对参数不匹配和负荷扰动有良好的适应能力。67图7 机组负荷、燃烧剧烈变化时控制结果图6 机组负荷无剧烈变化时控制结果 5 结论在迟延对象的内模控制系统中，纯迟延时间的大幅度变化会引起控制系统性能变差，而主汽温被控对象是一个典型的变迟延变参数对象，根据现场试验，主汽温被控对象的迟延随机组负荷或者说蒸汽流量的变化而有规律的变化，本文给出了主汽温被控对象的纯迟延时间的确定方法。而影响惯性环节参数的因素又很多，如炉膛内的热负荷、喷水前蒸汽的