試論基于先進(jìn)控制技術(shù)的700MW超超臨界機(jī)組優(yōu)化控制系統(tǒng)

國家電投集團(tuán)江西電力工程有限公司南昌分公司 吳佳焱

某電廠在2018年將2臺700MW超超臨界壓力機(jī)組投入生產(chǎn)中，使用由艾默生生產(chǎn)的分散控制系統(tǒng)（DCS），并使用負(fù)荷指令對前端信息進(jìn)行收集，借助PID反饋調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行時超出設(shè)定溫度的蒸汽，利用串級控制避免其產(chǎn)生進(jìn)一步影響有效控制，使用冷卻水與煙氣擋板的雙重降溫方案控制再熱蒸汽溫度，由于煙氣擋板難以做到及時處理再熱蒸汽，所以對機(jī)組安全運(yùn)行會造成一定影響。

1 原控制系統(tǒng)存在的問題

電廠因近期經(jīng)濟(jì)效益不佳導(dǎo)致對煤種選擇較為頻繁，造成機(jī)組難以有效進(jìn)行動態(tài)控制，以往PID控制系統(tǒng)對現(xiàn)有機(jī)組存在運(yùn)行遲延、系統(tǒng)慣性幅度過大等問題難以高效控制，造成電力產(chǎn)品供應(yīng)調(diào)節(jié)能力下降，對于系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)輕微不穩(wěn)定性，也無法有效遏制。主要集中在以下方面：

無法達(dá)到理想負(fù)荷調(diào)節(jié)效果。頻率較慢的負(fù)荷變化造成其速率僅能維持在3～5MW/min，但也會偶爾出現(xiàn)機(jī)組的負(fù)荷經(jīng)常出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象，無法讓調(diào)節(jié)精度達(dá)到理想狀態(tài)；因機(jī)組運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)出現(xiàn)超過幅度的波動，造成機(jī)組無法穩(wěn)定運(yùn)行。主蒸汽運(yùn)行時壓力、溫度及汽水分離器應(yīng)用溫度都會出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)幅度以外振蕩。而主蒸汽運(yùn)行壓力會在負(fù)荷升降時超過標(biāo)準(zhǔn)1.0MPa，其余主要部件運(yùn)行溫度也在15～20℃范圍內(nèi)，這造成系統(tǒng)給煤量出現(xiàn)波動，給水流量也得不到有效控制，影響正常電力生產(chǎn)。如采用新煤種進(jìn)行生產(chǎn)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度無法跟上實(shí)際生產(chǎn)需求，且蒸汽溫度控制也略有遲緩，甚至少數(shù)時間需借助操作工人利用手動方式保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行[1]。如無法使用合適方式處理這些問題，對發(fā)電廠未來健康經(jīng)營會帶來潛在影響。本文借助預(yù)測控制技術(shù)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入其中，構(gòu)建以先進(jìn)控制為技術(shù)基礎(chǔ)對機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)，優(yōu)化汽溫綜合性控制系統(tǒng)。

2 基于先進(jìn)控制技術(shù)的協(xié)調(diào)控制

2.1 預(yù)測控制器代替反饋調(diào)節(jié)器

在反饋系統(tǒng)信息回路中，借助廣義預(yù)測控制器（GPC）代替當(dāng)前正在使用的PID控制器。以現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與以往數(shù)據(jù)對比、分析被控偏差，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的PID調(diào)節(jié)，在應(yīng)用方面要稍差于利用當(dāng)前應(yīng)用被調(diào)數(shù)據(jù)、對未來展開合理預(yù)測、從而對值系統(tǒng)控制科學(xué)計(jì)算的GPC。因GPC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提前預(yù)測、合理調(diào)整系統(tǒng)控制程度，對滯后幅度較大的被控過程應(yīng)用較為有利。實(shí)現(xiàn)預(yù)測控制相關(guān)算法時，利用預(yù)測控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋邏輯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由輸入該系統(tǒng)設(shè)定值sp、閉環(huán)控制u及被調(diào)量y控制閉環(huán)結(jié)構(gòu)運(yùn)行。而預(yù)測控制參數(shù)多項(xiàng)式Ru(q-1)、Ry(q-1)、r等可由A(q-1)y(k)=B(q-1)u(k-1)+w(k)/Δ獲得，其被控過程回歸滑動數(shù)學(xué)模型也如該式。

其中，不同采樣時刻控制與被調(diào)量分別為y(k)、u(k-1)；而w(k)則代表任意兩個之間不存在任何關(guān)聯(lián)隨機(jī)擾動相關(guān)序列；k為當(dāng)前系統(tǒng)采樣時刻。差分與后移算子分別為Δ=1-q-1、q-1，后移算子多項(xiàng)式可以由A(q-1)與B(q-1)代表，可以表示為：

本文構(gòu)建機(jī)組優(yōu)化系統(tǒng)控制，根據(jù)發(fā)電廠實(shí)際工作情況，將燃料使用量和主蒸汽運(yùn)行壓力構(gòu)建相應(yīng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型W(s)=MSP(s)/FU(s)=0.0581/(1+160s)(1+600s)。其 中，MSP是 主蒸汽運(yùn)行壓力，單位MPa；而FU代表燃料使用量，單位t/h。將10秒作為一次采樣所需時間，將式(1)采用雙線性方式進(jìn)行變換，得到系統(tǒng)自回歸滑動數(shù)學(xué)模型：(1-1.918955q-1+0.9200213q-2)MSP(k)=(1.54892×10-5+ 3.097841×10-5q-1+1.54892×10-5q-2)FU(k-1)+1/Δ w(k)，整理后獲得預(yù)測控制參數(shù)多項(xiàng)式：Ru(q-1)=1+2.75193×10-2q-1+9.214459×10-3q-2、Ry(q-1)=5.989805×102-1.145384×103q-1+5.473166×102q-2、r=0.9131。

在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化控制則需在機(jī)組選擇多個系統(tǒng)負(fù)荷檢測點(diǎn)，從而獲取對被控過程細(xì)節(jié)，構(gòu)建更完善數(shù)學(xué)模型。以機(jī)組運(yùn)行時變負(fù)荷，切換多組預(yù)測控制的參數(shù)多項(xiàng)式[2]。

2.2 以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整控制系統(tǒng)

以PID為基礎(chǔ)，使DCS實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制，會在機(jī)組發(fā)生突發(fā)情況或使用燃煤種類出現(xiàn)變化時，無法對控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及時調(diào)整，影響系統(tǒng)缺少良好自適應(yīng)能力。在這種實(shí)際需求下，本文使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)，針對控制系統(tǒng)在協(xié)調(diào)方面需求，建設(shè)非線性信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，對機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行情況及燃料煤種產(chǎn)生變化情況實(shí)時反應(yīng)[3]。以模型各個參數(shù)實(shí)際變化，采用不斷電的在線調(diào)整方式對控制算法各個參數(shù)及時調(diào)整，確保控制系統(tǒng)在面對機(jī)組突發(fā)情況、煤種應(yīng)用變化時仍可有效控制系統(tǒng)運(yùn)行。

2.3 比例微分前饋更新為智能前饋

在過去鍋爐運(yùn)行負(fù)荷指令的前端反饋，多數(shù)使用比例微分對信息進(jìn)行反饋，對負(fù)荷增加或減少時并不與機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行情況有直接影響，導(dǎo)致實(shí)際前端反饋量保持恒定狀態(tài)[4]。使用智能前饋可在一定程度上對技術(shù)工人系統(tǒng)操作進(jìn)行模仿，從而保證前端反饋是受到機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行情況影響。如，進(jìn)行加負(fù)荷時如主蒸汽運(yùn)行壓力對于固定數(shù)值相對較高，且存在穩(wěn)定上升趨勢，則對鍋爐的負(fù)荷指令前端反饋量減少；而在減負(fù)荷運(yùn)行前，主蒸汽運(yùn)行壓力比固定數(shù)值要低，在未來運(yùn)行也存在下降趨勢，則可對鍋爐的負(fù)荷指令前端反饋量增加。在對機(jī)組運(yùn)行計(jì)算時需模糊主蒸汽壓力存在的偏差，并將其偏差實(shí)際變化率也同樣模糊處理，以查詢模糊表對模糊等級計(jì)算，分析在當(dāng)前運(yùn)行條件下鍋爐負(fù)荷應(yīng)當(dāng)保持什么程度前端反饋指令。

3 新型再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度的控制回路主要構(gòu)成為煙氣擋板?，F(xiàn)將相位補(bǔ)償、廣義預(yù)測控制等多種對系統(tǒng)滯后進(jìn)行控制相關(guān)技術(shù)科學(xué)融合，保證控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，增強(qiáng)調(diào)節(jié)煙氣擋板效率與速度。因前端反饋使用根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行以往經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的模糊智能應(yīng)用技術(shù)，所以煙氣擋板更加便利，加快調(diào)節(jié)速度，對機(jī)組再熱蒸汽溫度產(chǎn)生動態(tài)偏差也可做到高效遏制。

3.1 自適應(yīng)Smith特性補(bǔ)償

自適應(yīng)Smith特性補(bǔ)償應(yīng)用目的為對被控對象在滯后情況下進(jìn)行適度補(bǔ)償，其優(yōu)點(diǎn)為：在特性補(bǔ)償機(jī)制運(yùn)行后，以再熱蒸汽溫度等效的被控對象構(gòu)建相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，讓等效對象在動態(tài)方面特性與機(jī)組負(fù)荷保持不相關(guān)狀態(tài)，便于進(jìn)行廣義式預(yù)測控制以及其他控制器進(jìn)一步設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)整定；因再熱蒸汽溫度是人為選擇等效對象，這與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的再熱蒸汽溫度被控對象動態(tài)特性相比擁有更小、更穩(wěn)定慣性時間，對于提升再熱汽溫控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有較強(qiáng)意義[5]。

自適應(yīng)Smith特性補(bǔ)償控制方法需保證被控過程擁有較高模型精度，所以需在機(jī)組中選擇合適負(fù)荷點(diǎn)，覆蓋至機(jī)組運(yùn)行全周期，從而獲得高精度數(shù)學(xué)模型。本文對機(jī)組控制進(jìn)行優(yōu)化時，借助機(jī)組動態(tài)特性選擇3個較為精確的負(fù)荷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)再熱蒸汽溫度被控過程數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，有效提升系統(tǒng)控制質(zhì)量。

3.2 相位補(bǔ)償技術(shù)、狀態(tài)變量與廣義預(yù)測控制器

相位補(bǔ)償技術(shù)：在原有控制回路基礎(chǔ)上，將兩組超前/滯后邏輯環(huán)節(jié)插入其中，借助其超前特性對機(jī)組被控產(chǎn)生慣性時間進(jìn)行抵消，保證在補(bǔ)償后，降低蒸汽溫度的被控對象產(chǎn)生慣性時間，便于提升控制系統(tǒng)快速運(yùn)行能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]；狀態(tài)變量控制器：在不斷電情況下，對再熱器運(yùn)行流程各個點(diǎn)位溫度采用在線方式估計(jì)，并將估計(jì)值導(dǎo)入負(fù)責(zé)控制再熱蒸汽調(diào)節(jié)溫度系統(tǒng)中，保證對系統(tǒng)運(yùn)行提前控制，縮減反應(yīng)時間，加快調(diào)節(jié)擋板反應(yīng)速度，遏制多種因素對再熱蒸汽運(yùn)行溫度負(fù)面影響，從而對溫度變量構(gòu)建控制系統(tǒng)；廣義預(yù)測控制器：將再熱蒸汽溫度作為被控對象構(gòu)建相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，并對未來溫度變化情況合理預(yù)測，進(jìn)而對煙氣擋板調(diào)節(jié)對系統(tǒng)運(yùn)行滯后，導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)面影響有效彌補(bǔ)。而在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，也同樣使用文中類似閉環(huán)反饋邏輯結(jié)構(gòu)。

3.3 模擬仿真

使用etap20.6對本設(shè)計(jì)仿真處理：將9MW/min速率設(shè)置變負(fù)荷率,而機(jī)組負(fù)荷波動范圍限制在400～670MW內(nèi)，經(jīng)過多次變動后趨于平穩(wěn)的640MW，最大變化幅度接近100MW。在全過程中，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)從始至終跟蹤實(shí)際負(fù)荷，詳細(xì)收集數(shù)據(jù)。雖然機(jī)組主汽最高出現(xiàn)0.53MPa壓力偏差,但會在變負(fù)荷停止后立即恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。主汽溫與中間點(diǎn)僅有5～6℃的溫差，實(shí)際汽溫控制效果要遠(yuǎn)好于設(shè)計(jì)指標(biāo)，有效提升過熱汽溫與協(xié)調(diào)系統(tǒng)性能。

9MW/min速率運(yùn)行機(jī)組在400MW到650MW范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，沒有強(qiáng)烈波動。即使在以正、反向變動為主負(fù)荷擾動，主汽壓力依舊以無差別跟蹤設(shè)定值，主汽、中間點(diǎn)溫度均表現(xiàn)良好。

4 基于先進(jìn)控制技術(shù)的700MW超超臨界機(jī)組優(yōu)化控制系統(tǒng)優(yōu)化策略

4.1 燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后

在以先進(jìn)控制應(yīng)用技術(shù)對機(jī)組優(yōu)化時，會遇到燃燒系統(tǒng)在調(diào)節(jié)方面存在滯后情況。所以在實(shí)際作業(yè)中要結(jié)合機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行情況適當(dāng)增大變負(fù)荷指令，確保機(jī)組在控制變負(fù)荷時其汽壓調(diào)節(jié)回路在初始狀態(tài)時速度有較大可提升。并對煤機(jī)加強(qiáng)前段反饋，避免讓虛假煤位繼續(xù)對燃燒調(diào)節(jié)造成負(fù)面影響，從而改善當(dāng)前滯后問題，進(jìn)而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。為進(jìn)一步加強(qiáng)鍋爐在變負(fù)荷時一次風(fēng)的響應(yīng)速度，可對一次風(fēng)壓預(yù)設(shè)值調(diào)整，讓其與負(fù)荷指令變化相契合，達(dá)到高效解決燃燒系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時出現(xiàn)滯后問題。如處理后仍存在問題，則需由技術(shù)人員專項(xiàng)處理，并將問題產(chǎn)生原因、解決對策以及實(shí)際情況詳細(xì)記錄。

4.2 直流爐非線性調(diào)節(jié)

700MW超超臨界機(jī)組下相對復(fù)雜，涉及到各種輸入輸出，為保證高效提高系統(tǒng)運(yùn)行能力，可在優(yōu)化時增設(shè)非線性函數(shù)并對變參數(shù)設(shè)置數(shù)量調(diào)整，保證機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)可以針對外界環(huán)境影響而產(chǎn)生正面反饋效果。一般情況會借助熱力學(xué)研究，非線性調(diào)節(jié)也保證鍋爐擁有蓄熱能力?？紤]到機(jī)組會在實(shí)際應(yīng)用中，蓄熱系數(shù)會與汽壓呈現(xiàn)反比關(guān)系。如果考慮汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開啟，如果汽壓下降，會因鍋爐蓄熱原理緩慢減低作用機(jī)組氣溫，造成飽和區(qū)工質(zhì)在吸收熱量后，會流入微過熱位置，保證機(jī)組運(yùn)行所需蒸汽流量不間斷供給。而機(jī)組會于300～600MW條件下不斷上升負(fù)荷，則會降低蓄熱能力。所以，將大量燃料投入高負(fù)荷區(qū)域，進(jìn)而控制機(jī)組系統(tǒng)，提高優(yōu)化質(zhì)量。還可針對機(jī)組燃水比合理調(diào)節(jié)，保證過熱調(diào)節(jié)回路具有靈敏性，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定質(zhì)量。

4.3 降低斷煤干擾與把控閥流量

對于機(jī)組優(yōu)化時，可將水前饋提高故障回路數(shù)量與比重。一旦系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)斷煤嚴(yán)重情況，將其和燃燒快速相互匹配后，可有效降低在燃煤與水在比例失調(diào)而產(chǎn)生汽溫波動問題。還可以靈活應(yīng)用煤質(zhì)系數(shù)，利用手動改變煤質(zhì)系數(shù)進(jìn)行改變，進(jìn)而提升煤質(zhì)在變化時產(chǎn)生燃水比管控質(zhì)量。同時，通過調(diào)節(jié)減溫水方法，對把控閥流量充分掌握。因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥存在一級、二級減溫水會衍生為自動控制，在回路中增添對流量與開度的轉(zhuǎn)換函數(shù)，并對減溫壓力是否對于流量同時綜合考量。以減溫水特性為例，判斷是否可以采用這種方法，達(dá)到關(guān)小控制通過擾動減溫水維持流量控制，從源頭上避免出現(xiàn)重要安全事故，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。

綜上，本文涉及內(nèi)容較淺，無法將內(nèi)容具體到細(xì)節(jié)。所以電力企業(yè)仍需根據(jù)自身情況與未來發(fā)展需求，綜合性分析機(jī)組優(yōu)化相關(guān)問題。避免因生搬硬套造成理論與實(shí)踐差異過大，造成其他影響。