Smith預(yù)估在循環(huán)流化床協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用

賈峰生，張魯凡，周自強(qiáng)

（1.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.山西宇翔電力有限責(zé)任公司，山西 太原 030001）

Smith預(yù)估在循環(huán)流化床協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用

賈峰生1，張魯凡2，周自強(qiáng)1

（1.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.山西宇翔電力有限責(zé)任公司，山西 太原 030001）

以某電廠210MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐為例，對循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，并結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的特性，對所采取的Smith預(yù)估器在循環(huán)流化床協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究和論證。

Smith預(yù)估；循環(huán)流化床；協(xié)調(diào)控制

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，各個(gè)變量之間互相影響。一些被調(diào)參數(shù)同時(shí)受到幾個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)的共同影響，如床層溫度要受到給煤量、一次風(fēng)量、返料量及排渣量等多個(gè)參數(shù)控制。同時(shí)，有的調(diào)節(jié)參數(shù)又影響多個(gè)被調(diào)參數(shù)，如給煤量不僅影響主汽壓力，還影響床溫、爐膛溫度、過量空氣系數(shù)等參數(shù)。在構(gòu)造循環(huán)流化床鍋爐（CFB）控制方案時(shí)只有抓住主要矛盾，同時(shí)考慮各個(gè)次要矛盾，才能構(gòu)造出滿足系統(tǒng)要求的控制策略，其自動控制系統(tǒng)需要完成更為復(fù)雜的控制任務(wù)。由于循環(huán)流化床燃燒的復(fù)雜性，使得對于煤粉鍋爐行之有效的常規(guī)控制方法，已難以實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐的各項(xiàng)控制指標(biāo)。目前大部分循環(huán)流化床的協(xié)調(diào)控制策略也都是基于煤粉爐的控制思想，本文在此思想的指導(dǎo)下，通過設(shè)計(jì)主蒸汽壓力預(yù)估方案來完善協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

1 目前循環(huán)流化床鍋爐常規(guī)控制策略

1.1 以汽機(jī)跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式（CTF）

CTF方式是由鍋爐調(diào)功、汽機(jī)調(diào)壓。優(yōu)點(diǎn)為機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，主汽壓力波動?。欢秉c(diǎn)是不能利用鍋爐蓄能、負(fù)荷響應(yīng)慢且擾動對功率影響大。從CTF方式負(fù)荷試驗(yàn)調(diào)試過程和運(yùn)行曲線分析，在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，主汽壓力的波動小，而功率的波動則要大；在動態(tài)試驗(yàn)過程中，功率的波動比較大。基于這種特點(diǎn)，機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行，但是負(fù)荷不易控制，且該控制方式也無法滿足電網(wǎng)自動發(fā)電控制的要求。

1.2 以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式（CBF）

CBF方式由鍋爐調(diào)壓、汽機(jī)調(diào)功。優(yōu)點(diǎn)為利用鍋爐蓄熱，負(fù)荷響應(yīng)快；缺點(diǎn)為主汽壓波動大，穩(wěn)定性差。從CBF方式變負(fù)荷調(diào)試的實(shí)際情況看，這種方式的動態(tài)過程長且主汽壓力偏差大（常超過1MPa），不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，但是從煤粉爐的控制思路來看也大都為這種控制策略。

2 壓力預(yù)估協(xié)調(diào)控制策略

a）大型循環(huán)流化床鍋爐汽輪機(jī)單元機(jī)組是個(gè)多變量控制對象，并且機(jī)爐的動態(tài)特性差異甚大，鍋爐反應(yīng)滯后相當(dāng)大。循環(huán)流化床燃煤機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）把鍋爐與汽輪機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，使鍋爐與汽輪機(jī)共同承擔(dān)發(fā)電量控制和主汽壓力穩(wěn)定任務(wù)。由于主汽壓力的大滯后特性，該協(xié)調(diào)控制的主要任務(wù)是壓力保持穩(wěn)定，尤其是在接近滿負(fù)荷時(shí)機(jī)組的壓力控制問題。

本協(xié)調(diào)控制綜合了CTF和CBF兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，將機(jī)、爐作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，在保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，充分利用蓄能加快負(fù)荷響應(yīng)，機(jī)、爐兩側(cè)同時(shí)調(diào)功、調(diào)壓；采用Smith主汽壓力預(yù)估模式，使機(jī)組在滿足負(fù)荷調(diào)節(jié)的要求下，滿足機(jī)組壓力的穩(wěn)定，尤其超壓問題，通過預(yù)估壓力精確控制給煤量實(shí)現(xiàn)壓力的穩(wěn)定控制。

b）Smith預(yù)估器的工作原理，如圖1所示。

圖1 Smith預(yù)估器原理結(jié)構(gòu)圖

Smith預(yù)估器使用了帶死區(qū)的一價(jià)慣性環(huán)節(jié)近似實(shí)際過程，如果過程模型沒有偏差（即過程模型=過程），則過程輸出為

式中：

F——Smith預(yù)估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)器傳遞函數(shù)。

Smith預(yù)估器設(shè)計(jì)思想是:Smith預(yù)估器基本是一個(gè)超前滯后前饋控制器。它通過從實(shí)際測量過程值中減去模型輸出來對擾動進(jìn)行估算。在實(shí)際應(yīng)用中，模型總是有偏差，LS作為超前滯后控制器的調(diào)整參數(shù)。它采用過去和未來的輸入輸出信息，根據(jù)內(nèi)部模型，預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出狀態(tài)，經(jīng)過用模型輸出誤差進(jìn)行反饋校正以后，再與參考輸入軌跡進(jìn)行比較，應(yīng)用二次型性能指標(biāo)進(jìn)行滾動優(yōu)化，然后再計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作，完成整個(gè)控制循環(huán)。由于這種算法的基本思想是：預(yù)先估計(jì)出控制過程的動態(tài)響應(yīng)，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被遲延了t的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動作，從而減小超調(diào)量，加速調(diào)節(jié)過程。首先預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出狀態(tài)，再去確定當(dāng)前時(shí)刻的控制動作，即先預(yù)測后控制，所以具有預(yù)見性。

c）方案設(shè)計(jì)。循環(huán)流化床鍋爐在動態(tài)特性上不同于煤粉爐，主要表現(xiàn)在循環(huán)流化床鍋爐燃燒室內(nèi)流化層大熱容量的熱平衡特性，這種特性及其隨運(yùn)行工況不同而變化的特點(diǎn)，造成了循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程實(shí)現(xiàn)自動控制的困難，在燃料量擾動下，主蒸汽壓力被控對象的特性如圖2所示。在燃料量擾動下，主蒸汽壓力傳遞函數(shù)為

圖2 主汽壓力的燃料量特性曲線

該協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)利用給煤量對主汽壓力的響應(yīng)特性：運(yùn)用Smith預(yù)估器輸出壓力如果大于實(shí)際壓力則鍋爐輸出增加給煤量，如果Smith預(yù)估器輸出壓力小于實(shí)際壓力則鍋爐輸出減小給煤量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)控制原理框圖

穩(wěn)態(tài)下鍋爐主控輸入偏差△e=Pg-（Pt-Bt（K/（1+TS）n）e-ts）-Bt（K/（1+TS）n）,由于Bt（K/（1+TS）n）e-ts=Bt（K/（1+TS）n），則△e=Pg-（Pt-Bt（K/（1+TS）n）e-ts）-Bt（K/（1+TS）n）=Pg-Pt=0。

即在穩(wěn)定過程中鍋爐主控PID輸入為零，機(jī)組鍋爐汽機(jī)之間形成一個(gè)平衡狀態(tài)。

動態(tài)過程中，由于Pg是隨著負(fù)荷指令的變化而變化，但是在變負(fù)荷過程中煤量在負(fù)荷指令前饋的作用下首先發(fā)生變化，這時(shí)Bt首先發(fā)生變化，由于鍋爐響應(yīng)滯后比較大，在機(jī)組升負(fù)荷開始主汽壓力下降，但在模型的作用下只要K值取值比較合適，則

預(yù)估準(zhǔn)確情況下Pt≈Bt（K/（1+TS）n）e-ts，則

在煤量的變化作用下，偏差△e很快趨于零，鍋爐主控PID不再參與調(diào)節(jié)，此時(shí)煤量在鍋爐主控的作用下只增加負(fù)荷變化量對應(yīng)的應(yīng)該增加的煤量，而不是在PID的作用下過多地增加煤量，降負(fù)荷過程正好與升負(fù)荷過程相反。如果沒有此預(yù)估信號的存在，則鍋爐主控在PID的作用下指令一直在同一個(gè)方向增加或減小，由于鍋爐的大滯后特性，煤量肯定會過調(diào)，那么主汽壓力不會穩(wěn)定，唯一的結(jié)果就是壓力不停地?cái)[動。

3 應(yīng)用效果

該電廠在用常規(guī)思路控制之前主汽壓力不易控制，汽機(jī)主控調(diào)節(jié)負(fù)荷，雖然負(fù)荷能滿足要求，但是汽機(jī)調(diào)門為了滿足負(fù)荷要求不斷調(diào)節(jié)，這樣主汽壓力不斷擺動，進(jìn)一步使煤量擺動，主汽壓力偏差較大，而且穩(wěn)態(tài)下也不易穩(wěn)定，如圖4所示。

在運(yùn)用了Smith預(yù)估主汽壓力后，由于預(yù)估作用的存在，使煤量的變化是在一定可控范圍內(nèi)變化，該變化量滿足負(fù)荷的變化，既滿足負(fù)荷的變化，而且使主汽壓力波動不太大，如圖5所示。

4 結(jié)論

圖4 常規(guī)協(xié)調(diào)控制模式下趨勢圖

圖5 Smith預(yù)估模式下協(xié)調(diào)控制趨勢圖

該電廠經(jīng)過投產(chǎn)72h協(xié)調(diào)控制全部投入，主汽壓力靜態(tài)偏差+0.2MPa，動態(tài)偏差+0.9MPa，沒有發(fā)生鍋爐超壓現(xiàn)象，另外該電廠一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)都是用液耦調(diào)節(jié)，液耦調(diào)節(jié)死區(qū)比較大，因此系統(tǒng)在變負(fù)荷過程中風(fēng)量的變化緩慢，如果加大二次風(fēng)機(jī)液耦的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，該協(xié)調(diào)控制主汽壓力響應(yīng)能力應(yīng)該更好。但是在機(jī)組接近滿負(fù)荷時(shí)，機(jī)組速率必須降低，否則主汽壓力容易超壓，因此，循環(huán)流化床鍋爐還是不易滿足電網(wǎng)AGC（自為發(fā)電控制）解釋的指標(biāo)要求，更成熟的控制策略需要在實(shí)踐中不斷優(yōu)化和完善。

The Application of Smith Predictor in Coordinate Control of CFB Boilers

JIA Feng-sheng1，ZHANG Lu-fan2，ZHOU Zi-qiang1
（1.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi030001，China；
2.Shanxi Yuxiang Electric Power Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi030001，China）

This paper analyzes the existing problems on coordinating control system for CFB boiler in a power plant.According to the characteristics of CFB boiler，the application of Smith Predictor in the coordinate control of CFB boiler are studied and demonstrated.

Smith Predictor；CFB Boilers；coordinate control

TK229

B

1671-0320（2012）05-0043-03

2012-06-12，

2012-07-15

賈峰生（1978-），男，山西平遙人，2004年畢業(yè)于太原理工大學(xué)控制理論控制工程專業(yè)，工程師，從事火電機(jī)組自動控制系統(tǒng)工作；

張魯凡（1961-），男，山西朔州人，2004年畢業(yè)于太原理工大學(xué)控制理論控制工程專業(yè)，工程碩士，高級工程師，從事電力檢修和自控設(shè)備成套維護(hù)工作；

周自強(qiáng)（1984-），男，江蘇徐州人，2009年畢業(yè)于東南大學(xué)動力工程及工程熱物理專業(yè)，碩士，助理工程師，從事信息安全及信息化等工作。