火电机组协调控制系统优化研究_李泉

图 7 快速控制量
在协调控制系统中, 为了使被控量跟踪设定值, 需 叠加机组 在动态过程中利 用蓄热产生的负 荷。由图 6、图 7 可见, 指令与被控量之差越大锅炉的蓄热越难 以满足动态负荷响应的要求, 因此控制量的变化速度 在很大程度上决定了单元机组的动态响应品质。根据 图 6、图 7 可以得到各自的叠加量曲线( 图 8、图 9) 。图 9 中, 曲线包围的面积明显减少, 当机组的蓄热量满足 时, 能够达到高品质的控制。
Abstract: : T he coo rdinated co nt ro l sy st em o f large- capacit y thermal pow er unit is a com plicat ed m ult-i variable, non- linear, and close coupling object. T he problems ex ist ing at present in coo rdinat ed co nt ro l syst em ar e slow load r esponse, and larg e presure fluctuatio n of t he m ain st eam et c. . Based on t he proper ties of t herm al po wer units, optim izat ion has been car ried out in tw o aspects, nam ely dy nam ic coal quant it y and sliding pressure set t ing s. A ft er opt imizat ion, t he dynam ic and stat ic quality of unit s have been ensured, emulation and pr act ical applicat io n sho w that t he eff ect iveness of the said opt imizat ion method is good. Key words: t herm al po wer unit; coordinat ed co nt ro l; dynamic coal quant it y; sliding pressure set t ing value
用的 1 种方法) , 计算公式为:
$u = d( $UL D ) / dt + $UL D
( 6)
式中 $UL D 为实际指令变化值。该方法对于滞后较
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大的对象控制效果有待改进。 方法 2 ( 机组负荷指令- 实际负荷指令) + 实际
负荷指令。该方法在优化煤量的变化速度上具有一定 的优越性, 但是在煤量的变化总量上是一种非线性关 系, 参数调整较困难, 其控制见图 2。
以式( 5) 为研究对象, 其中的燃料量变化对负荷的
响应模型为:
$N =
2. 75 300s + 1
@
e- 150s
@
$B
( 7)
当采用不同速率的控制量作用于模型( 7) 后, 会
产生不同的控制效果, 控制量的变化速度越快, 被控量 的响应速度越快, 对比曲线见图 6、图 7。
图 6 中, 采用式( 6) 的动态前馈控制量, 在该控制
图 10 负荷响应和压力响应机理
图 8 慢速控制的叠加量
燃料量通过特性曲线 1 产生燃料负荷分量, 调节 阀通过特性曲线 3 产生调节阀负荷分量, 它们叠加后 产生实际负荷, 当该值实时跟踪负荷设定值时为高品 质控制; 同理, 燃料量通过特性曲线 2 产生燃料压力分 量, 调节阀通过曲线 4 产生调节阀压力分量, 它们叠加 后产生实际压力, 当该值实时跟踪压力设定值时为高 品质控制。
$p T
k1 e- Ss T0s+ 1
- p T ( T b s + 1) k( T 0 s + 1)
$B
=
$N
k2 T1 s+
1e- Ss
p T k2 T 2 s( AT 2 s + 1) ( T 0 s + 1) ( T 2 s + 1)
$L
( 4) 式中 S为纯迟延时间, 其将高阶惯性环节降阶为一阶 加纯迟延环节。
1) ,
A 22 =
p T k2 T 2 s( AT 2 s + 1) ( T 0 s + 1) ( T 2 s + 1)
( 3)
由式( 3) 可见, 机组的负荷和压力响应存在严重的
耦合性, 燃料量变化对压力和负荷的作用 A 11 和 A 21 是 一个多阶惯 性环节; 调节 阀开 度变 化对负 荷的 特性
1 单元机组的数学模型及特性
通过一定的简化后, 对非线性模型进行线性化处 理, 可以得到单元机组协调控制系统的近似动态模型:
$p T =
$N
k1 k( T 1 s + 1) ( T 0 s + 1)
k1 k2 ( AT 2 s + 1) ( T 0s + 1) ( T 1s + 1) ( T 2 s + 1)
-
p T ( T b s + 1) k( T 0 s + 1)
p T k2 T 2 s( AT 2 s + 1) ( T0s+ 1)( T2s+ 1)
$B $L
( 1)
式中: L为主蒸汽调节阀开度; p T 为主蒸汽压力; A为
汽轮机高压缸输出功率占总功率的百分数; T 1 为锅炉
燃烧与传热过程时间常数; T 2 为中间再热时间常数; T 0 为因管道阻力引起的吸热量变化至压力变化的惯
STUDY ON OPTIMIZATION OF COORDINATED CONTROL SYSTEM FOR THERMAL POWER UNITS
L I Quan, ZH U Beiheng, YIN F eng, SU N Yun, L UO Zhihao
Zh ejiang Pr ovin cial El ect ric Pow er T est ing & R es earch Inst it ut e, H angzhou 310014, Zh ejiang Province, PRC
随着大型火电机组深度调峰运行的需要, 对机组 协调控制品质的要求日益提高, 常规控制策略很难达 到快 速、准 确 地 动 态 跟 踪 目 标 值, 自 动 发 电 控 制
( AGC) 响应品质不理想, 并且由于系统的耦合性, 在 加快负荷响应速度时会使主蒸汽压力剧烈波动, 影响 到系统的稳定运行。对此, 本文对动态煤量和滑压设
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根据上述机理分析, 当获得机组的数学模型后, 采 用反向推理( 图 11) 算法可以得到优化的滑压设定值 曲线。
图 12 采用煤量动态优化方法 3 的协调控制响应曲线
作者简介: 李泉( 1979-) , 男, 安徽阜阳人, 硕士, 工程师, 从事热工自动控制研究与应用。 E- mail: l q_lq_2001@ 163. com
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定值进行优化, 为燃烧系统提 供足够、适 当的能量支 撑, 以适应负荷变化需求, 以及使系统能够充分利用机 组的蓄热能力, 快速、准确地跟踪目标值, 在稳态时合 理整定 P ID 控制器参数, 以保证负荷和主蒸汽压力的 稳定。
A 22 是一种暂态过程, 对压力的特性 A 12 是一个惯性过
程; 负荷和压力最终的变化是燃料量和调节阀共同作 用的结果, 它们通过模型的关联项 A 12 、A 21 相互结合在 一起。单元机组的阶跃响应曲线见图 1。
图 1 机组阶跃响应曲线
为了便于研究, 将模型中燃料量对压力和负荷的 特性 A 11 和 A 21 简化为一阶加迟延环节, 简化后的模型 具有阶跃响应特性:
=
( 2)
$N
A 21 A 22 $ L
其中:
A 11 =
k( T 1s +
k1 1) ( T 0 s +
1) , A 12
=-
p T ( T b s + 1) k( s+
k1 k2 ( AT 2 s + 1) 1) ( T 1 s + 1) ( T 2 s +
对某 300 M W 机 组进行的特性试验所 获得的近 似简化数学模型为:
$p T =
$N
0. 18 @ e- 150s 300s + 1
2. 75 300s +
1
@
e- 150s
-
0. 18 @
20s + 80s +
1 1
3. 67 @
15 5. 13 9s
68 s +1
@
30. 42s + 1 117s + 1
量的变化速度下对象的响应可以平行于设定值。图 7
中, 采用式( 8) 的动态前馈控制量。该控制量比式( 6)
多了一阶跃变化量 $a, 加快了控制量的变化速度, 对
象的响应更加接近指令信号。
$u = d( $a + $UL D ) / dt + $UL D
( 8)
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图 6 慢速控制量
图 9 快速控制的叠 加量
3 滑压定值优化
由于单元机组是一个多输入多输出的耦合对象, 因此当控制负荷时会对蒸汽压力产生影响, 对此需要 对滑压设定值进行优化。
通过将对象模型( 式( 2) ) 分解, 可得出机组负荷响 应和压力响应的形成机理 ( 图 10) 。图 10 中, 燃料量 对负荷的响应特性为曲线 1, 燃料量对压力的响应特 性为曲线 2, 调节阀对负荷的响应特性为曲线 3, 调节 阀对压力的响应特性为曲线 4。
火电机组协调控制系统优化研究
李 泉, 朱北恒, 尹 峰, 孙 耘, 罗志浩
浙江省电力试验研究院, 浙江 杭州 310014
[摘
要]
[ 关 键 词] [ 中图分类号] [ 文献标识码] [ 文 章 编 号] [ DOI 编 号]
大型火电机组协调控制系统的控制对象具有多变量、非线性、强耦合的特性, 目前协调 控制存在负荷响应速度慢、主蒸汽压力波动大等问题。基于火电机组对象特性, 从对协 调控制动态煤量和滑压设定值两个方面进行优化。优化后保证了机组的动态和稳态品 质, 仿真和实际应用证明了该优化方法的有效性。 火电机组; 协调控制; 动态煤量; 滑压设定值 T K323 A 1002- 3364( 2011) 06- 0052- 05 10. 3969/ j. issn. 1002- 3364. 2011. 06. 052
原理, 只针对其惯性环节进行控制, 在实际负荷指令上 叠加预测值形成预测指令后对模型进行控制, 其控制 见图 4, 仿真控制曲线见图 5。图 5 中, 预估煤量前馈 叠加煤量基准值后形成煤量指令, 此时煤量变化速度 和变化总量由控制优化完成。
图 2 动态优化方法 2
方法 3 负荷指令的二阶微分+ 调节阀微分特性 + 实际负荷指令, 其控制见图 3。图 3 中, 调节阀特性 函数为式( 3) 中的 A 22 , L A G 1 的时间常数固定, L A G2 的时间常数根据负荷变化幅度自适应变化, 该方法对 于调节煤量动态变化速度和变化总量具有一定的优越 性, 控制效果明显。
性时间常数; T b 为因管道蓄热引起的调节阀开度变化
至压力变化的微分时间常数; B 为锅炉燃料量; N 为负 荷; k1 为燃料量变化至吸热量变化的增益系数; k2 为 蒸汽流量变化至负荷变化的微分增益系数; k 为主蒸 汽调节阀开度系数。可将式( 1) 表示为一个矩阵 A:
$p T
A 11 A 12 $B
图 4 动态优化方法 4
图 5 预测指令形成煤量 动态优化值
图 3 动态优化方法 3
方法 4 内模控制+ 实际负荷 指令, 该方法考虑 了对象特性, 其利用燃料量对负 荷的特性模型 A 21 进 行闭环控制, 根据所产生的控制量作为煤量动态优化 值( 由控制器计算得出) , 使煤量的动态变化速度和变 化总量更加准确。由于模型 A 21 可简化为一阶惯性加 迟延环节( 式( 5) 中的3020.s7+5 1 @ e- ) 150 s , 根据内模控制
$B $L
(5)
2 煤量动态优化
煤量动态优化是指锅炉主控动态前馈优化, 当负
荷指令变动后, 为使实际负荷达到目标值, 煤量的变化
速度、变化总量需要满足负荷响应速度和滑压变化要
求, 具体方法是优化煤量的变化速度和变化总量。
优化煤量的变化速度、变化总量目标在于满足负
荷的能量支撑, 其方法具有多样性。
方法 1 负荷指令的微分+ 实际负荷指令( 最常