多目標機爐協(xié)調(diào)控制中控制變量閾值范圍的確定

谷俊杰，任晏伶，楊 智，張如鵬

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

面對能源嚴重短缺、環(huán)境日益惡化、巨大的能源和電力需求壓力，節(jié)能減排是實現(xiàn)國家經(jīng)濟平穩(wěn)快速發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的重要措施［1］。在促進電站鍋爐節(jié)能降耗的各種技術(shù)手段中，機組運行優(yōu)化是最直接有效，也是較為經(jīng)濟的方法［2］。

對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)而言，不僅要保證控制系統(tǒng)快速跟蹤負荷變化，而且能夠減少汽輪機調(diào)節(jié)閥門節(jié)流損失和燃料消耗量。為滿足協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的種種要求，多目標優(yōu)化控制理論與應(yīng)用研究越來越引起人們的關(guān)注［3～4］。文獻 ［5，6］以先進算法配合多目標優(yōu)化理論確定協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的設(shè)定值，沒有給出協(xié)調(diào)控制中控制變量閾值的計算方法。能否準確的實現(xiàn)設(shè)定值優(yōu)化的關(guān)鍵問題是準確的確定控制變量閾值范圍。

本文提出一種基于機組模型的迭代尋值的方法，確定多目標優(yōu)化的控制變量閾值。為多目標優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)定值提供了保證。

1 機組模型

1.1 機組動態(tài)模型

控制變量閾值可通過火電機組非線性數(shù)學模型由機組負荷指令得到。本文以一個160 MW燃油鍋爐汽輪發(fā)電機組為被控對象，其動態(tài)模型是一個三輸入三輸出的3階非線性系統(tǒng)［8］。該單元機組仿真模型的輸入量有燃料控制閥開度 (u1)、蒸汽調(diào)節(jié)閥開度 (u2)和給水控制閥開度 (u3);輸出量有發(fā)電功率 (E)、蒸汽壓力 (P)和汽包水位偏差 (L);狀態(tài)變量有發(fā)電功率 (E)、蒸汽壓力 (P)和流體密度 (ρf)，該機組的動態(tài)模型為

汽包水位特性為

式中:αs為蒸汽流量;qe為蒸發(fā)率，可分別表示為

控制閥變化率要求如式 (6) ～ (9)［7］:

1.2 機組穩(wěn)態(tài)模型

根據(jù)機組的動態(tài)模型，可以求得機組的穩(wěn)態(tài)模型。在穩(wěn)態(tài)時，狀態(tài)變量為常量，即

經(jīng)整理可得以下穩(wěn)態(tài)模型的方程:

此穩(wěn)態(tài)模型是完全基于理論推算得出，在實際應(yīng)用中還要滿足其物理意義。因此需要引入調(diào)節(jié)因子，使模型既滿足理論要求又滿足物理意義。

1.3 控制閥的調(diào)節(jié)因子

在額定功率和壓力情況下，方程 (10)、(11)、(12)計算出的u1，u2，u3的值可能超出了其物理意義的范圍，如:u2＞1。這是因為在其他的測量量是自動的產(chǎn)生的時候，手動的收集控制閥開度會產(chǎn)生偶然誤差。為了解決這個問題，將穩(wěn)態(tài)模型計算出來的控制信號除以調(diào)節(jié)因子，以達到額定情況下控制閥開度滿足物理意義的限制 ［0，1］。這樣做不會影響模型的基本公式。調(diào)節(jié)因子同時要滿足控制信號在峰值負荷 (額定負荷的110%)時同樣有效。因此，調(diào)節(jié)因子u1，u2，u3分別?。?］:

2 控制變量閾值的計算

2.1 功率—壓力的關(guān)系

計算控制信號閾值 ，首先要計算出每個負荷下汽包壓力的變化范圍，即功率—壓力的關(guān)系。從過程的優(yōu)化的角度來看，每個負荷下汽包壓力的變化范圍是最重要的。可以通過穩(wěn)態(tài)模型使用迭代方法求得功率—壓力的關(guān)系。

求汽包壓力上限時，在某一給定負荷下，首先給定一個壓力，使汽包壓力不斷升高，同時滿足穩(wěn)態(tài)模型和控制閥u1，u2，u3開度物理意義的限制 ［0，1］，直到不滿足條件為止，所得到的壓力值就為這一負荷下汽包壓力的上限。在求汽包壓力下限時，使汽包壓力不斷下降，同樣要求滿足穩(wěn)態(tài)模型和控制閥u1，u2，u3開度物理意義的限制 ［0，1］，直到不滿足條件為止，所得到的壓力值就為這一負荷下汽包壓力的下限。使用MATLAB編寫程序，其算法流程圖如圖1，可以得到功率—壓力的關(guān)系曲線如圖2。

在低功率時，計算得到的汽包壓力下限的壓力過低。實際運行中，由于鍋爐和給水泵的要求，汽包壓力不可以低于32 kg/cm2。對計算得到的功率—壓力的計算關(guān)系曲線進行修改，最終功率—壓力的關(guān)系曲線如圖3。它清晰地指出，穩(wěn)態(tài)情況任何功率下汽包壓力可能是壓力上、下限之間的任何值。

圖3 功率—壓力的關(guān)系曲線Fig.3 Power－pressure operating window

2.2 計算控制變量的閾值

計算操作變量閾值的方法，同計算功率—壓力的關(guān)系的方法相似。如計算u1的閾值，在某一給定的負荷下，使u1開度不斷增大 (減小)，同時滿足穩(wěn)態(tài)模型、功率—壓力的關(guān)系和控制閥u2，u3開度物理意義的限制 ［0，1］，直到不滿足條件為止，所得到的值就為這一負荷下u1的上限(下限)。同理，可以得到 u2，u3的閾值。使用MATLAB編寫程序，流程與計算功率—壓力的關(guān)系的流程相似，可以得到u1，u2，u3的閾值上限、下限曲線如下:

如圖4，5，6，當給定一個機組負荷需求，就可以確定該負荷下u1，u2，u3的閾值范圍。注意到，在任一給定的功率控制點，燃料控制閥和蒸汽閥的開度變化較大，但是給水閥的要求相對變化較小。在優(yōu)化壓力設(shè)定點的下一步計算中，這可能和優(yōu)化有很大的關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)論

本文介紹了一種確定不同負荷下，操作變量(即控制信號)閾值范圍的方法。首先通過對機組穩(wěn)態(tài)模型進行迭代計算各個負荷下操作變量閾值范圍，再結(jié)合運行實際對其進行調(diào)整獲得最終的閾值范圍。此方法簡單可行?？梢詾槠渌Ｐ筒僮髯兞块撝捣秶蠼馓峁﹨⒖?。

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