先進(jìn)控制技術(shù)在1000 MW超超臨界機(jī)組上的應(yīng)用

李長春

（大唐江蘇發(fā)電有限公司，江蘇南京210058）

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區(qū)外來電接入電網(wǎng)影響研究

先進(jìn)控制技術(shù)在1000 MW超超臨界機(jī)組上的應(yīng)用

李長春

（大唐江蘇發(fā)電有限公司，江蘇南京210058）

摘要：針對潮州電廠1000 MW超超臨界機(jī)組存在變負(fù)荷速率低、主要控制參數(shù)波動大、主汽溫易超溫的問題，利用有機(jī)融合預(yù)測控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)及自適應(yīng)控制技術(shù)，提出了現(xiàn)代大型超超臨界火電機(jī)組自動發(fā)電控制（AGC）的先進(jìn)控制方法，并利用基于PLC的熱工控制應(yīng)用平臺（INFIT）實(shí)時優(yōu)化控制系統(tǒng)將上述控制方案在現(xiàn)場成功實(shí)現(xiàn)。機(jī)組上的實(shí)際應(yīng)用表明，采用INFIT平臺實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)控制技術(shù)明顯提高了機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和平均主、再熱汽溫，提高了機(jī)組的整體運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組；自動發(fā)電控制；預(yù)測控制；自適應(yīng)控制

目前，國內(nèi)火電機(jī)組的自動發(fā)電控制（AGC）策略主要采用國外各大分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商提供的組態(tài)邏輯，采用負(fù)荷指令前饋+PID反饋的調(diào)節(jié)方案，其核心思路在于：盡可能將整個控制系統(tǒng)整定成開環(huán)調(diào)節(jié)的方式，反饋調(diào)節(jié)僅起小幅度的調(diào)節(jié)作用［ 1，2 ］。這種方案要求前饋控制回路的參數(shù)必須整定得非常精確，對于煤種穩(wěn)定、機(jī)組設(shè)備穩(wěn)定、機(jī)組運(yùn)行方式成熟的國外機(jī)組，這種方案比較有效，因此一直以來都采用國外DCS廠商的推薦方案。但是對于煤種多變、機(jī)組控制及測量設(shè)備不精確、運(yùn)行參數(shù)經(jīng)常與設(shè)計(jì)參數(shù)存在較大偏差的國內(nèi)機(jī)組，則控制效果會明顯變差。

大唐國際潮州電廠2×1000 MW超超臨界機(jī)組投產(chǎn)一段時間以來，由于DCS協(xié)調(diào)控制方案的先天設(shè)計(jì)不足以及機(jī)組面臨的燃煤品質(zhì)多變、運(yùn)行工況多變、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備可靠性差等多種惡劣運(yùn)行環(huán)境，造成目前的自動控制性能較差，機(jī)組只能以5～10 MW/min的速率投入AGC運(yùn)行，主汽壓力始終處于0.5～1.0 MPa的振蕩過程，過熱度的調(diào)節(jié)振蕩也比較明顯。同時由于燃水比控制不合理，汽溫控制系統(tǒng)性能較低，主汽溫度控制極易出現(xiàn)明顯超溫或者長時間低于設(shè)定值10 ℃以上運(yùn)行的情況，機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性明顯受到影響。

文中首先在鍋爐主控回路中采用預(yù)測控制技術(shù)來提前調(diào)整鍋爐的負(fù)荷指令，加快鍋爐的熱負(fù)荷響應(yīng)速度；同時針對超超臨界機(jī)組，采用了新的燃水比控制方法，在汽水分離器溫度發(fā)生偏移時通過解耦策略同時改變?nèi)剂狭亢徒o水流量來匹配燃水比率；最后通過智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷動態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)的特性參數(shù)和部分機(jī)組設(shè)定參數(shù)，一方面使控制系統(tǒng)性能始終保持最佳，另一方面也使機(jī)組運(yùn)行工況不斷向最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)逼近。

1　基于先進(jìn)控制技術(shù)的AGC協(xié)調(diào)控制方案

該廠2×1000 MW超超臨界機(jī)組優(yōu)化前的AGC協(xié)調(diào)控制策略均只采用負(fù)荷指令前饋+PID反饋的調(diào)節(jié)方案，鍋爐明顯跟不上汽機(jī)的能量變化，導(dǎo)致：（1）機(jī)組變負(fù)荷率低，難以面對日益提高的電網(wǎng)AGC考核要求；（2）機(jī)組主汽壓力等重要參數(shù)的波動較大，明顯影響機(jī)組安全性及長期運(yùn)行壽命；（3）過熱度設(shè)置不合理，造成長期低參數(shù)運(yùn)行，明顯影響機(jī)組效率。

優(yōu)化控制技術(shù)的核心思路在于：采用預(yù)測控制技術(shù)對鍋爐的負(fù)荷指令進(jìn)行優(yōu)化控制，加快鍋爐的熱負(fù)荷響應(yīng)速度，從而提高機(jī)組的負(fù)荷升、降速率；對于超超臨界機(jī)組，通過新的燃水比調(diào)整方法，協(xié)調(diào)修正燃料量和給水流量，有效抑制分離器溫度變化，并盡可能減小對機(jī)組負(fù)荷的影響；通過智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷動態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)的特性參數(shù)和部分機(jī)組設(shè)定參數(shù)，使得在機(jī)組運(yùn)行環(huán)境發(fā)生改變的情況下，控制系統(tǒng)性能基本保持不變，并使機(jī)組始終運(yùn)行在最合理、經(jīng)濟(jì)的工況點(diǎn)。

1.1基于預(yù)測控制技術(shù)的鍋爐主控控制策略

基于預(yù)測控制技術(shù)的鍋爐主控控制策略如圖1所示。在控制結(jié)構(gòu)上，新方案保留了常規(guī)鍋爐主控方案中的“前饋”＋“反饋”的控制模式，但是在反饋回路中，采用了廣義預(yù)測控制器（GPC）代替常規(guī)的PID控制器，為了說明GPC預(yù)測控制器的計(jì)算原理，假定主汽壓力定值、主汽壓力以及鍋爐負(fù)荷指令的變化曲線如圖2所示。

圖2中，k為當(dāng)前時刻，k-1，k-2，k-3，…為以前各個采樣時刻；k+1，k+2，k+3，…為未來各個采樣時刻。在k時刻（即當(dāng)前時刻），GPC首先根據(jù)主汽壓力被控過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及主汽壓力、鍋爐負(fù)荷指令的歷史數(shù)據(jù)（如圖2中的曲線1和曲線2數(shù)據(jù)），并假定在當(dāng)前時刻鍋爐負(fù)荷指令保持不變的情況下 （如圖2中曲線4），預(yù)測出主汽壓力在未來一段時間內(nèi)的變化（如圖中曲線3）。則預(yù)測控制器的輸出為：

圖1　基于預(yù)測控制技術(shù)的鍋爐主控控制策略

圖2　假定的主汽壓力、定值與鍋爐負(fù)荷指令的變化曲線

式中：e（k），e（k-1），…，e（k-m）分別為當(dāng)前及以前各個采樣時刻的控制偏差；→（k+1），→（k+2），…，→（k+n）分別為預(yù)測的未來各個時刻的控制偏差；Δe→（k+1），Δ（k+2），…，Δ→（k+n）為未來各個時刻的預(yù)測誤差；u （k），u（k-1）分別為當(dāng)前及前一個采樣時刻的控制作用，本例中即為鍋爐的負(fù)荷指令；F1｛·｝為計(jì)算函數(shù)，它是控制作用中與當(dāng)前及以前各個采樣時刻控制偏差相關(guān)的分量；F2｛·｝為計(jì)算函數(shù)，它是控制作用中與預(yù)測的未來各個時刻的控制偏差相關(guān)的分量，預(yù)測控制作用主要由這部分分量決定；F3｛·｝為計(jì)算函數(shù)，它是控制作用中與未來各個時刻的預(yù)測誤差相關(guān)的分量。F1｛·｝，F(xiàn)2｛·｝，F(xiàn)2｛·｝ 可根據(jù)被控過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)獲得。

1.2新型超超臨界機(jī)組燃水比調(diào)整控制策略

鍋爐的燃水比是根據(jù)分離器溫度的偏差進(jìn)行調(diào)整的，常規(guī)的調(diào)整方法有調(diào)整給煤量或給水流量2種方法。調(diào)整給煤量方法的缺點(diǎn)是給煤量對分離器溫度的影響較慢，通過調(diào)整給煤量來控制分離器溫度的效果相對較差；優(yōu)點(diǎn)是給煤量對主汽壓力和負(fù)荷的影響也慢，有利于主汽壓力和機(jī)組負(fù)荷的穩(wěn)定。而調(diào)整給水流量的方法，給水流量對分離器溫度的影響較快，因此調(diào)整給水流量有利于控制分離器的溫度，但是對機(jī)組負(fù)荷及主汽壓力的影響相對較大。綜合這2種方法的優(yōu)點(diǎn)，文中提出了同時調(diào)整給煤量和給水流量的協(xié)調(diào)解耦控制策略，整個控制方案分為2個部分，首先計(jì)算燃水比控制分配系數(shù)λw，λw是一個數(shù)值在0～1之間的系數(shù)，λw表示給水側(cè)的校正強(qiáng)度，1-λw則表示燃料側(cè)的校正強(qiáng)度。燃水比控制分配系數(shù)λw的計(jì)算回路如圖3所示。

圖3　燃水比控制分配系數(shù)的計(jì)算回路

從圖中不難看出，燃水比控制分配系數(shù)的確定遵循如下原則：

（1）當(dāng)分離器溫度偏差不大時，說明燃水比失配并不嚴(yán)重，此時單純校正燃料側(cè)燃料量來調(diào)節(jié)燃水比，減小對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的擾動。

（2）當(dāng)分離器溫度偏差大于某一閾值時，即中間點(diǎn)溫度控制偏差（ΔT）>中間點(diǎn)溫度控制偏差的計(jì)算閥值（DW）時，給水側(cè)校正回路開始投入，彌補(bǔ)燃料側(cè)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，控制汽溫偏差在合理范圍內(nèi)。

（4）在考慮中間點(diǎn)溫度偏差的同時，還參考偏差的變化趨勢：若溫度差和溫度差變化率的乘積LED （ΔT）×ΔT為正，說明溫度差有逐步擴(kuò)大的趨勢，則給水側(cè)校正回路提前投入，相應(yīng)增加λw。

（5）若溫度差和溫度差變化率的乘積LED（ΔT）× ΔT為負(fù)，說明溫度差有逐步收斂的趨勢，相應(yīng)減少λw，削弱給水側(cè)校正強(qiáng)度，防止過調(diào)。

燃水比控制分配系數(shù)計(jì)算后，燃料量指令和給水流量指令修改量的控制方案如圖4所示。

圖4　燃料量指令和給水流量指令修改量的控制方案

考慮到分離器溫度的變化過程也是一個大滯后的被控過程，為了提高分離器溫度的控制性能，控制方案的反饋回路中，均采用了廣義預(yù)測控制器GPC。

1.3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的控制參數(shù)和運(yùn)行工況的自適應(yīng)調(diào)整

對于大型超超臨界火電機(jī)組這樣復(fù)雜的控制對象，更由于國內(nèi)電廠煤種多變、執(zhí)行設(shè)備質(zhì)量差的運(yùn)行特點(diǎn)，整個AGC協(xié)調(diào)被控對象的模型存在非常明顯的時變性和非線性特征。在控制策略設(shè)計(jì)中，若只采用單一靜態(tài)模型，必然無法面對電廠復(fù)雜的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，控制系統(tǒng)長期投用的性能無法得到保證。為此，文中采用智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)［ 3 ］，不斷動態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)的特性參數(shù)和部分機(jī)組設(shè)定參數(shù)，一方面使控制系統(tǒng)性能始終保持最佳，另一方面也使機(jī)組運(yùn)行工況不斷向最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)逼近。

1.3.1控制系統(tǒng)模型及控制參數(shù)的自適應(yīng)機(jī)制

采用如下方法校正機(jī)組被控模型中的重要參數(shù)：

（1）實(shí)時擬合機(jī)組真空-汽耗率的函數(shù)關(guān)系，從而保證鍋爐指令-給水指令的前饋/反饋通道的靜態(tài)增益始終與實(shí)際工況保持一致；

（2）實(shí)時擬合機(jī)組功率-燃料量的函數(shù)關(guān)系，從而保證鍋爐指令-燃料指令的前饋/反饋通道的靜態(tài)增益始終與實(shí)際工況保持一致；

（3）通過每次典型升、降負(fù)荷時燃料量變化后的實(shí)際負(fù)荷、主汽壓力變化情況，實(shí)時計(jì)算制粉系統(tǒng)慣性模型的參數(shù)，并以此為依據(jù)調(diào)整機(jī)組主汽壓力的預(yù)測模型和GPC預(yù)測控制器參數(shù)，使控制系統(tǒng)的對象滯后模型與鍋爐實(shí)際滯后特性保持一致；

通過上述技術(shù)的應(yīng)用，整個控制系統(tǒng)將始終處于在線學(xué)習(xí)的狀態(tài)，控制性能不斷向最優(yōu)目標(biāo)逼近。

1.3.2機(jī)組工況的自適應(yīng)調(diào)整

超超臨界機(jī)組中間點(diǎn)溫度 （通常是汽水分離器出口溫度）的設(shè)定值是決定機(jī)組運(yùn)行狀況的重要參數(shù)，在原DCS協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)中，該設(shè)定值僅是分離器壓力的靜態(tài)函數(shù)，在機(jī)組煤質(zhì)、磨組合、工況改變時，該函數(shù)必然將偏離實(shí)際運(yùn)行工況，從而導(dǎo)致機(jī)組不能運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的工況點(diǎn)上。

為解決上述問題，文中設(shè)計(jì)了中間點(diǎn)溫度設(shè)定值的智能動態(tài)校正策略，主要規(guī)律如下：

首先根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，通過滾動優(yōu)化擬合出基本的“分離器壓力、磨煤機(jī)組合、燃料熱值—過熱度”的多元函數(shù)關(guān)系；

在機(jī)組日常運(yùn)行中，按照如下規(guī)律（優(yōu)先級從上至下遞減），動態(tài)調(diào)整過熱度設(shè)定值，盡可能使機(jī)組運(yùn)行在最合理、經(jīng)濟(jì)性最高的模式下：

（1）調(diào)整過熱度，使機(jī)組主汽溫能達(dá)到設(shè)定值；

（2）調(diào)整過熱度，使機(jī)組再熱汽溫能達(dá)到設(shè)定值，同時再熱減溫水量盡量為零；

（3）調(diào)整過熱度，使機(jī)組的過熱減溫水量隨負(fù)荷點(diǎn)的不同維持在合理數(shù)值。

通過上述技術(shù)的應(yīng)用，可使機(jī)組自動調(diào)整工況，始終運(yùn)行在最合理、經(jīng)濟(jì)的模式下。

2　優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)施方式

工程選用基于PLC的熱工控制應(yīng)用平臺（INFIT）優(yōu)化控制系統(tǒng)作為優(yōu)化控制策略現(xiàn)場實(shí)施的軟硬件平臺。INFIT控制系統(tǒng)采用MODBUS通信方式與DCS系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，從而以類似擴(kuò)展DPU的方式接入到DCS中，完成實(shí)際的優(yōu)化控制功能。

2.1優(yōu)化系統(tǒng)的軟件和硬件平臺

硬件方面：INFIT實(shí)時優(yōu)化控制系統(tǒng)選用Siemens S7系列PLC為硬件平臺，系統(tǒng)采用“雙冗余電源+CPU模塊+modbus通信模塊”的硬件配置［ 4 ］。軟件方面：在Siemens Step7編程環(huán)境中采用SCL、STL語言開發(fā)了所有的高級算法模塊，并通過面向?qū)ο蟮姆庋b技術(shù)，建立了類似一般DCS系統(tǒng)的組態(tài)函數(shù)庫（但功能更為強(qiáng)大），之后可通過函數(shù)調(diào)用以類似DCS組態(tài)的方式完成具體機(jī)組負(fù)荷性能優(yōu)化工程的建立。

2.2采用獨(dú)立硬件平臺的優(yōu)點(diǎn)

INFIT系統(tǒng)采用這種獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的硬件平臺，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）DCS只能實(shí)現(xiàn)常規(guī)的PID控制，控制性能有明顯的局限性，而INFIT優(yōu)化裝置可實(shí)現(xiàn)任何先進(jìn)的控制算法，是應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)來解決火電機(jī)組疑難控制問題的必備平臺；

（2）采用INFIT后，整個優(yōu)化控制系統(tǒng)的調(diào)試過程十分簡單，不需要在DCS中反復(fù)在線下載控制組態(tài)，調(diào)試過程中機(jī)組的安全性大大提高，完全避免了由于下載不當(dāng)而導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)事故的發(fā)生；

（3）INFIT是作為一個擴(kuò)充的分散處理單元融入到整個DCS系統(tǒng)中，運(yùn)行人員的操作方式保持不變；

（4）采用INFIT后，無需改變原有DCS中的控制策略，運(yùn)行人員可方便地在原有控制方案和新的優(yōu)化控制方案之間無擾動地切換，增加了系統(tǒng)的靈活性和安全性。

3　現(xiàn)場應(yīng)用效果

文中所設(shè)計(jì)的控制方案均已通過INFIT實(shí)時優(yōu)化平臺成功實(shí)施于潮州電廠3號和4號機(jī)組。圖5和圖6分別是機(jī)組以20 MW/min速率進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)的運(yùn)行曲線。變負(fù)荷中的各項(xiàng)控制指標(biāo)列于表1。

圖5　20 MW/min變負(fù)荷運(yùn)行曲線1

圖6　20 MW/min變負(fù)荷運(yùn)行曲線2

結(jié)合圖4、5以及表1的數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用新型控制策略后，機(jī)組變負(fù)荷率由原先的10 MW/min提高至20 MW/min，并且在變負(fù)荷過程中控制性能非常優(yōu)秀，特別是主汽溫度在各種變負(fù)荷下最大波動僅為1～2 ℃，各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1　12 MW/min速率降負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7、8是投用文中提出的新型INFIT協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)停用F磨煤機(jī)的同時啟動A磨煤機(jī)的運(yùn)行曲線，切磨工況是正常運(yùn)行中比大幅度變負(fù)荷擾動強(qiáng)度更大的工況。從圖7、8可以看出，在整個切磨過程中機(jī)組運(yùn)行非常平穩(wěn)，主汽壓力最大僅波動0.4 MPa，主汽溫度最大僅波動3～4 ℃，過熱度最大僅波動5 ℃，整體控制性能同樣非常優(yōu)秀。

圖7　切換磨煤機(jī)運(yùn)行曲線1

圖8　切換磨煤機(jī)運(yùn)行曲線2

4　結(jié)束語

該大型火電機(jī)組AGC優(yōu)化控制策略依靠INFIT實(shí)時優(yōu)化控制平臺，成功實(shí)現(xiàn)鍋爐主控回路預(yù)測控制技術(shù)、燃水比控制中的新型解耦技術(shù)、控制模型參數(shù)和機(jī)組工況自適應(yīng)調(diào)整等多種先進(jìn)控制技術(shù)，使機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)性能得到提高。在潮州電廠3號和4號機(jī)組上實(shí)際應(yīng)用中表明，在INFIT新型優(yōu)化系統(tǒng)控制下機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、各項(xiàng)考核指標(biāo)均居于全省前列，為廠里帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。且由于INFIT系統(tǒng)獨(dú)立性和與DCS的完美融合性，其具有非常好的推廣前景。

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李長春（1980），男，江蘇鹽城人，工程師，從事設(shè)備管理工作。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：51576043

Application of Advanced Control Technology in the 1000 MW Ultra-supercritical Unit

LI Changchun
（Datang Jiangsu Power Generation Co. Ltd.， Nangjing 210058， China）

Abstract：With the problems of low speed of changing load， high fluctuation of main control parameters and the over-heat of main steam temperature of the 1000 MW ultra supercritical unit in Chaozhou power plant， this paper proposed an advanced control method of automatic generation control （AGC）， which can be applied in the field with the INFIT real-time optimization system. The performance indicated that the advanced control technology can significantly improve load regulation ability， the operation stability of the unit and the average steam temperature of superheat and reheat， thus global safety and economy of the unit were improved.

Key words：ultra-supercritical unit； automatic generation control； model predictive control； self-adaptation control

中圖分類號：TM621

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）03-0005-05

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-07；修回日期：2016-01-29