超臨界機(jī)組燃燒自適應(yīng)優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張嘉英, 張立, 王秀玲, 武欣梅

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特　010080; 2.內(nèi)蒙古巴盟電業(yè)局,內(nèi)蒙古 臨河　015000)

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超臨界機(jī)組燃燒自適應(yīng)優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張嘉英1, 張立1, 王秀玲1, 武欣梅2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010080; 2.內(nèi)蒙古巴盟電業(yè)局,內(nèi)蒙古 臨河015000)

自適應(yīng)控制具有良好的魯棒性，調(diào)節(jié)速度快和抗干擾性能優(yōu)越。超臨界機(jī)組燃燒系統(tǒng)是復(fù)雜非線性時(shí)變系統(tǒng)，針對(duì)火電廠超臨界機(jī)組燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化控制，保證系統(tǒng)運(yùn)行的高效性和穩(wěn)定性。通過燃燒自適應(yīng)控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，可以證明能夠有效地解決系統(tǒng)變量之間的耦合關(guān)系。能夠根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷的變化做出相應(yīng)的控制，做到穩(wěn)、快、準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力有效的調(diào)節(jié)，保證燃料的充分燃燒，使?fàn)t膛負(fù)壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。在煤質(zhì)和設(shè)備特性發(fā)生變化時(shí)能保證穩(wěn)定工作且大大提高燃燒效率。使復(fù)雜生產(chǎn)過程控制在最佳運(yùn)行狀態(tài)，降低煤耗，保證系統(tǒng)的安全性與可靠性。

超臨界機(jī)組；自適應(yīng)控制；鍋爐；燃燒系統(tǒng)；仿真

0　引　言

燃燒系統(tǒng)是火電廠熱力系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，是強(qiáng)耦合的多變量非線性時(shí)變系統(tǒng)，并且存在許多不確定的干擾因素。另一方面由于我國煤資源的日益減少，提高燃燒控制系統(tǒng)的熱效率及減少煙氣中氮氧化物和硫氧化物的含量也引起國家的高度重視。目前，火電廠燃燒系統(tǒng)的主要問題是保證鍋爐燃燒過程的安全性、良好的經(jīng)濟(jì)性和對(duì)環(huán)境的保護(hù)，這無疑給設(shè)計(jì)者提出了難題，因此有必要研究新型的先進(jìn)控制方法[1-3]。

本文將自適應(yīng)控制應(yīng)用于超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)控制中。通過參數(shù)估計(jì)、優(yōu)化目標(biāo)、控制律設(shè)計(jì)等部分，在控制過程中對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)控制律，用遞推最小二乘法直接估計(jì)控制器參數(shù)，改善控制品質(zhì)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)負(fù)荷變化時(shí)有良好的適應(yīng)能力，調(diào)節(jié)速度快且穩(wěn)定性好，當(dāng)系統(tǒng)受到燃料率等方面的干擾時(shí)，對(duì)爐膛負(fù)壓的影響非常小，并且經(jīng)過系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)后能夠很快的消除擾動(dòng)的影響[4-5]。

1　基于極點(diǎn)配置的自校正算法的基本原理

1.1模型的選取參數(shù)估計(jì)

自校正控制的模型建立采用系統(tǒng)辨識(shí)法，這一模型要最大程度的擬合這個(gè)對(duì)象的實(shí)際輸入和輸出。由于研究的模型根據(jù)受到的擾動(dòng)進(jìn)行反饋并進(jìn)行自校正參數(shù)估計(jì)，因此，本課題中的模型選用隨機(jī)模型，其差分方程如下所示:

A(z-1)y(k)=z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)

(1)

其中ξ(k)是白噪聲，u(k)，y(k)為系統(tǒng)的輸入和輸出，d是純延時(shí)。

A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2+…+anaz-na

B(z-1)=b0+b1z-1+b2z-2+…+bnbz-nb

(2)

1.2丟番方程的解法

丟番方程的一般形式如下:

C(z-1)=A(z-1)E(z-1)+z-dG(z-1)

F(z-1)=B(z-1)E(z-1)

(3)

其中A，B，C，E，F(xiàn)，G,均為z-1的實(shí)系數(shù)多項(xiàng)式。

將上式展開，令等號(hào)的兩邊相同次冪系數(shù)相等。求其遞推公式：

(4)

其中待定的多項(xiàng)式有R(z-1)，F(xiàn)(z-1)，G(z-1)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)處于自校正狀態(tài)，就需要在線實(shí)時(shí)的求解該方程。

1.3遞推最小二乘估計(jì)

根據(jù)最小二乘的標(biāo)準(zhǔn)格式，得到如下數(shù)學(xué)模型：

yk=a1yk-1+…,anyk-n+b1uk-1+…,bnuk-n+ek

(5)

yk，uk是采集到的輸出，輸入系列，ek是隨機(jī)干擾。

令參數(shù)向量θ=[a1,a2,…,an,b1,b2,…,bn]T，

1.4針對(duì)IN-OUT系統(tǒng)模型的極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)基本方法

采用式(1)所示隨機(jī)模型,

規(guī)定B1(z-1)=z-dB(z-1)可得:

A(z-1)y(k)=B1(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)

(6)

從參考輸入yr到參考輸出響應(yīng)ym，我們用這個(gè)動(dòng)態(tài)方程表示：

Amym=Bmyr

(7)

由此得到期望脈沖傳遞函數(shù)：

(8)

采用極點(diǎn)配置控制率:

F(z-1)u(k)=R(z-1)yr(k+d)-G(z-1)y(k)

(9)

其中G(z-1)y(k)=v(k)，其中待定的多項(xiàng)式有R(z-1)，F(xiàn)(z-1)，G(z-1)[6-8]。

2　超臨界鍋爐燃燒自適應(yīng)控制方案

2.1超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

燃料量、送風(fēng)量、爐膛負(fù)壓控制子系統(tǒng)共同構(gòu)成鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，這三個(gè)部分密切聯(lián)系、相互影響。負(fù)荷指令有變動(dòng)時(shí)，燃料量控制子系統(tǒng)能及時(shí)改變給煤量，使主蒸汽壓力的變換適應(yīng)負(fù)荷要求，使鍋爐的過熱蒸汽壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)變化；空氣燃料比通過送風(fēng)量子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其總是工作在最佳值附近，使鍋爐燃燒系統(tǒng)運(yùn)行在最高效率的狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)引風(fēng)量來控制爐膛壓力，使?fàn)t膛負(fù)壓保持穩(wěn)定，確保設(shè)備的安全運(yùn)行[9-10]。

本文以某電廠660 MW超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)為研究對(duì)象，鍋爐燃燒系統(tǒng)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性可用下式表示：

(10)

式(10)中Pm為主汽壓力(MPa),O2為煙氣含氧(%),Ps為爐膛負(fù)壓(Pa),n為給煤機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min),vg為送風(fēng)機(jī)擋板開度(%),vs為引風(fēng)機(jī)擋板開度(%)。

2.2超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)

建立三輸入三輸出超臨界鍋爐燃燒控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[11-14]。

圖1　鍋爐燃燒系統(tǒng)的自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖

2.3系統(tǒng)仿真研究

圖2　主蒸汽壓力自適應(yīng)控制仿真曲線

圖3　煙氣含氧量自適應(yīng)控制仿真曲線

圖4　爐膛負(fù)壓自適應(yīng)控制仿真曲線%

對(duì)超臨界鍋爐燃燒自適應(yīng)控制系統(tǒng)在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，自適應(yīng)控制應(yīng)用于超臨界鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、在燃料等的擾動(dòng)下能夠較快地恢復(fù)平衡狀態(tài)，魯棒性好，性能優(yōu)越。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷變化的做出相應(yīng)的控制，做到穩(wěn)、快、準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力有效的調(diào)節(jié)，保證燃料的充分燃燒，使?fàn)t膛負(fù)壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化，為超臨界鍋爐燃燒復(fù)雜過程系統(tǒng)提供了一種有效的控制方法。

3　結(jié)束語

超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)是典型的多輸入多輸出、參數(shù)時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，被控對(duì)象具有非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)。為了充分發(fā)揮超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)，有效的提高燃燒的經(jīng)濟(jì)性,減小NOX的排放，本文詳細(xì)闡述了超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的自適應(yīng)優(yōu)化控制。通過所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制的仿真實(shí)驗(yàn)，可以看出該方法對(duì)負(fù)荷變化時(shí)有良好的適應(yīng)能力，調(diào)節(jié)速度快且穩(wěn)定性好，當(dāng)系統(tǒng)受到燃料率等方面的干擾時(shí)，對(duì)爐膛負(fù)壓的影響非常小，并且經(jīng)過系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)后能夠很快地消除擾動(dòng)的影響。所設(shè)計(jì)的優(yōu)化自適應(yīng)控制方案非常適用于超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)，使復(fù)雜生產(chǎn)過程運(yùn)行在良好的工作狀態(tài)，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性，減少環(huán)境污染，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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The Design of an Optimal Self-adaptive Control System for the Combustion of the Supercritical Unit

ZHANG Jia-ying1, ZHANG Li1, WANG Xiu-ling1, WU Xin-mei2

(1. Electric Power College, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot Inner Mongolia 010080, China;2. Inner MongoliaBameng Electric Power Bureau, Linhe Inner Mongolia 015000, China)

Self-adaptive control has good robustness, high regulating speed and excellent anti-interference. The combustion system of the supercritical unit is a complex nonlinear time-varying system. Considering the characteristics of the combustion system of the supercritical unit in the thermal power plant, the self-adaptive control system is adopted to realize optimal control over the boiler combustion system to ensure high efficiency and stability of system operation. The simulation results show that this method can effectively handle the coupling between system variables. Control can be realized according to current load variation so that effective regulation of the main steam pressure can be made quickly in a steady and accurate way to ensure sufficient combustion of fuels to maintain furnace draft within the specified range. In the case of changes of coal quality and equipment characters, the system can operate steadily and the combustion efficiency is increased greatly. This method can maintain the complex production process in optimal operation, reduce coal consumption and ensure system security and reliability.

supercritical unit; self-adaptive control; boiler; combustion system; simulation

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013MS0919)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.004

TP13

A

1000-3886(2016)01-0010-02

張嘉英(1976-),女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士生，副教授，從事計(jì)算機(jī)控制在熱工過程中的應(yīng)用和預(yù)測(cè)控制方面的研究。張立(1992-),男，河南周口人，碩士生，從事火電廠系統(tǒng)建模和熱工過程控制方面的研究。王秀玲(1973-),女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，副教授，從事熱工自動(dòng)控制和預(yù)測(cè)控制方面的研究。武欣玫(1968-),女，內(nèi)蒙古巴盟臨河人，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)等方面的研究。

定稿日期: 2015-06-11