管式GGH煙氣冷卻器的系統(tǒng)辨識及仿真研究

陳瓏

（浙江天地環(huán)保科技有限公司，杭州 311121）

管式GGH煙氣冷卻器的系統(tǒng)辨識及仿真研究

陳瓏

（浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?，杭州 311121）

利用MATLAB中系統(tǒng)辨識工具箱對超低排放系統(tǒng)下的管式GGH中煙氣冷卻器及相關(guān)進(jìn)水調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)辨識，通過比較不同結(jié)構(gòu)模型的擬合度得到最優(yōu)模型。使用得到的模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真，通過比較系統(tǒng)在常規(guī)PID控制與使用了Smith預(yù)估的PID控制下的表現(xiàn)，討論在該系統(tǒng)中使用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的可行性。

超低排放；管式GGH；系統(tǒng)辨識；MATLAB仿真；Smith預(yù)估控制

0 引言

管式GGH（煙氣-煙氣換熱器）系統(tǒng)作為將煙塵、二氧化硫、氮氧化物等多種污染物高效協(xié)同脫除集成技術(shù)（超低排放技術(shù)）中的重要一環(huán)，相較于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式GGH，不存在煙氣泄漏的缺點(diǎn)，同時能夠有效抬升排煙溫度，減輕煙囪出口“石膏雨”及“冒白煙”現(xiàn)象，環(huán)境效益明顯[1-3]。管式GGH在燃煤電廠的應(yīng)用尚不普及，運(yùn)行人員缺乏相應(yīng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對管式GGH系統(tǒng)的建模分析有助于提供運(yùn)行參考數(shù)據(jù)，由其得到的仿真數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化具有積極意義。

1 系統(tǒng)概況

超低排放技術(shù)路線中，管式GGH系統(tǒng)由兩級煙氣-水換熱器及相關(guān)輔助系統(tǒng)進(jìn)行換熱，具體流程見圖1。煙氣冷卻器布置于低低溫電除塵前，利用低低溫電除塵入口煙氣熱量加熱熱媒水，同時降低電除塵入口煙溫，以提升除塵效率；煙氣加熱器布置于濕式電除塵后，利用熱媒水加熱濕式電除塵出口煙氣，抬升煙囪入口煙溫。其中，熱媒蒸汽加熱器處引入輔助蒸汽，用于在機(jī)組低負(fù)荷時加熱煙氣加熱器入口熱媒水，保證煙氣加熱器出口煙溫。

圖1 管式GGH系統(tǒng)流程示意

2 系統(tǒng)控制策略

在機(jī)組運(yùn)行階段，通過調(diào)節(jié)位于煙氣冷卻器前的煙氣冷卻器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥（a）及進(jìn)水旁路調(diào)節(jié)閥（b）來調(diào)節(jié)冷卻器進(jìn)水量，以控制冷卻器出口煙溫，煙溫宜控制在85～90℃，高于煙氣酸露點(diǎn)，在避免后續(xù)設(shè)備酸蝕的前提下盡量降低煙溫以提高除塵效率；通過調(diào)節(jié)蒸汽加熱器進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥（c）來調(diào)節(jié)加熱器出口煙溫，煙溫宜控制在80℃左右，滿足超低排放排煙溫度要求[1]。

在實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試中，為減少煙氣冷卻器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥（a）與煙氣冷卻器進(jìn)水旁路調(diào)節(jié)閥（b）的相互關(guān)聯(lián)，采用令煙氣冷卻器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥（a）跟蹤冷卻器出口煙溫，煙氣冷卻器進(jìn)水旁路調(diào)節(jié)閥（b）跟蹤管式GGH循環(huán)水流量的控制策略，以減少耦合途徑。熱媒水蒸汽加熱器進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥（c）仍采用跟蹤加熱器出口煙溫的控制策略。

3 數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)建模

在設(shè)計預(yù)期中，100%THA（熱效率驗(yàn)收）工況下，管式GGH系統(tǒng)僅依靠空預(yù)器出口煙氣所帶熱量完成其兩級換熱，蒸汽加熱器進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，煙氣冷卻器進(jìn)水旁路調(diào)節(jié)閥亦處于全關(guān)狀態(tài)，僅由冷卻器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥完成管式GGH系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)，以下僅就該工況下管式GGH系統(tǒng)的控制作相關(guān)分析與討論。

建立模型以研究煙氣冷卻器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開度與煙氣冷卻器出口煙溫間的關(guān)系，所建模型用于該系統(tǒng)（SISO系統(tǒng)）模型的仿真及相關(guān)控制策略的優(yōu)化。系統(tǒng)數(shù)據(jù)由輔控DCS（分散控制系統(tǒng)）采集于某300 MW燃煤機(jī)組2號機(jī)組72 h滿負(fù)荷試運(yùn)期間，具體數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 系統(tǒng)輸入與輸出

利用MATLAB的系統(tǒng)辨識工具箱進(jìn)行系統(tǒng)辨識。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，選取前半段數(shù)據(jù)用于模型預(yù)估，后半段數(shù)據(jù)用于模型校驗(yàn)。經(jīng)對各類模型結(jié)構(gòu)（自回歸滑動平均模型、過程模型、狀態(tài)空間模型）進(jìn)行比較，狀態(tài)空間模型更為適合本系統(tǒng)，其辨識方法選用子空間辨識方法，所得最匹配模型匹配度為94.14。由各模型得到的輸出與實(shí)測輸出比較見圖3，圖中P2D，ss1，amx2221，measured output分別為過程模型、狀態(tài)空間模型和ARMAX模型的預(yù)估系統(tǒng)輸出及系統(tǒng)實(shí)測輸出。

圖3 實(shí)測輸出與模擬輸出

選取的狀態(tài)空間模型結(jié)構(gòu)為：

4 系統(tǒng)仿真與控制優(yōu)化

由于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中煙氣與熱媒水間的換熱過程，普通閉環(huán)調(diào)節(jié)滯后比較嚴(yán)重，影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)控性能。為改善該問題，可考慮加入機(jī)組負(fù)荷、空預(yù)器出口煙氣流量等作為前饋或使用相關(guān)的預(yù)估控制。文獻(xiàn)[4]中對引入機(jī)組負(fù)荷作為前饋的控制效果做了討論，本章對應(yīng)用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的可行性作相關(guān)討論。

圖4，圖5所示為普通閉環(huán)控制及Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的原理。

對于普通閉環(huán)控制，其傳輸方程為：

圖4 普通閉環(huán)控制原理

圖5 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制原理

對于Smith預(yù)估補(bǔ)償控制，在全補(bǔ)償情況下，其傳輸方程為：

比較二者傳輸方程可以得出，相較于普通閉環(huán)控制，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制針對純滯后系統(tǒng)中閉環(huán)特征方程含有的純滯后項(xiàng)，引入一個預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而使得閉環(huán)特征方程不含純滯后項(xiàng)，以提高控制質(zhì)量[5，6]。利用Simulink進(jìn)行該系統(tǒng)的仿真，比較普通閉環(huán)控制與Smith預(yù)估補(bǔ)償控制在該系統(tǒng)上控制性能的優(yōu)劣（兩者均選用相同參數(shù)調(diào)教的PID控制器，使用前文系統(tǒng)辨識得到的系統(tǒng)模型）。系統(tǒng)仿真原理見圖6，仿真結(jié)果見圖7。由圖7可見，應(yīng)用了Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的系統(tǒng)，具有更小的最大動態(tài)偏差及更短的回復(fù)時間，即更好的控制品質(zhì)。

圖6 系統(tǒng)仿真原理

圖7 仿真結(jié)果

同時應(yīng)該注意的是，如果系統(tǒng)工況變動，針對特定工作點(diǎn)設(shè)計的Smith預(yù)估補(bǔ)償器中τ相應(yīng)變動，影響控制效果。故本文僅針對100%THA（熱耗率驗(yàn)收）工況下管式GGH系統(tǒng)進(jìn)行討論，以保證控制器效果。另外，本模型可近似地代表真實(shí)系統(tǒng)，而只有當(dāng)模型與真實(shí)系統(tǒng)完全一致時，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制才能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，其補(bǔ)償效果取決于模型誤差[7-8]。

5 結(jié)論

利用MATLAB中集成的System Identification Toolbox對管式GGH中煙氣冷卻器及相關(guān)進(jìn)水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了系統(tǒng)辨識，并使用該模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真，從而討論了在該系統(tǒng)中使用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的可行性。通過對模型預(yù)估數(shù)據(jù)與模型校驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，可知建立的系統(tǒng)模型能夠真實(shí)反映系統(tǒng)在各控制策略下的調(diào)節(jié)特性，可用于對系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化。同時仿真結(jié)果表明，使用了Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)明顯優(yōu)于常規(guī)控制，可應(yīng)用于今后實(shí)際的熱工控制中，強(qiáng)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

[1]朱法華，王臨清.煤電超低排放的技術(shù)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益分析[J].環(huán)境保護(hù)，2014，42（21）∶28-33.

[2]肖麗，王剛，金禮方.600 MW級火電機(jī)組超低排放改造后的運(yùn)行成效分析[J].浙江電力，2016，35（7）∶37-40.

[3]壽春暉，祁志福，陳彪，等.某1 000 MW燃煤機(jī)組超低排放改造減排NOX的環(huán)境效益評價[J].浙江電力，2016，35（12）∶21-25.

[4]俞峰蘋，李清毅，金軍，等.燃煤發(fā)電廠煙氣超低排放管式GGH控制模式研究[J].浙江電力，2015，34（9）∶62-65.

[5]趙東亞，鄒濤，王治平.Smith預(yù)估控制研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2010，29（8）∶1406-1410.

[6]曹順安，謝學(xué)軍，劉光臨.基于Smith預(yù)估器的PID自適應(yīng)控制及其應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2004，31（1）∶28-32.

[7]劉長良，馬增輝.Smith預(yù)估模型參數(shù)仿真分析及多目標(biāo)優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2014，26（8）∶1706-1712.

[8]俞金壽，顧幸生．過程控制工程（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2012.

（本文編輯：徐 晗）

System Identification and Simulation on the Gas Cooler of Tubular GGH

CHEN Long
（Zhejiang Tiandi Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 311121，China）

∶Flue gas cooler of tubular GGH（gas-gas heater）under the ultra-low emission system and the relevant inlet control valve are systematically identified by the system identification toolbox in MATLAB.An optimal model is obtained by fitting degree comparison of different structural models.The obtained model is used for system simulation.By comparing the system performance under conventional PID control and that with Smith Predictor，the paper discusses the feasibility ofusing Smith predictive compensation controller in the system.

∶ultra-low emission；tubular GGH；system identification；MATLAB simulation；Smith predictive control

.201704012

1007-1881（2017）04-0049-03

：TK39

：A

2016-07-25

陳 瓏（1989），男，碩士，從事燃煤發(fā)電廠環(huán)保工程建設(shè)與調(diào)試工作。