火电厂锅炉主蒸汽压力的阶梯式广义预测控制

第32卷第6期中国科学技术大学学报Vol.32,No.6 2002年12月JO URNAL O F UNI VE RSI TY OF SCIENCE AND TECH NO LOG Y OF CHINA Dec.2002文章编号:0253-2778(2002)06-0685-05

火电厂锅炉主蒸汽压力的

阶梯式广义预测控制*

薛美盛,孙德敏,吴刚

(中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230026)

摘要:在分析火力发电厂锅炉主蒸汽压力动态特性及其串级控制方案的基础上,采用阶梯式控制策略,实现了锅炉主蒸汽压力的广义预测控制,并给出了预测控制方案的工程实现和控制效果.

关键词:锅炉;主蒸汽压力;广义预测控制;阶梯式控制策略

中图分类号:TK223.7;TP273.2文献标识码:A

0引言

锅炉作为是火力发电厂三大主要设备之一,用于将水变成高温高压的蒸汽,推动汽轮机做功,把热能转化成电能[1].因为电能不易储存,所以发电设备的出力要随外界负荷的变化而调整.锅炉运行的首要任务是保质(压力、温度等等)、保量(蒸发量)并适时地向汽轮机提供过热蒸汽.锅炉主蒸汽压力是衡量蒸汽品质的重要指标,汽压波动直接影响锅炉和汽轮机组的运行.为了保证锅炉机组运行的安全与经济,必须确保主蒸汽压力的控制品质.

某火力发电厂燃煤锅炉(以及汽轮机组)采用英国欧陆公司的Ne twork6000型集散控制系统(DCS)控制,控制软件为美国Intellution公司的FIX32.锅炉主蒸汽压力原采用串级控制方案,控制效果一直不太理想.作者采用阶梯式控制策略实现了锅炉主蒸汽压力的广义预测控制,取得了良好的控制品质.

1锅炉主蒸汽压力的动态特性

锅炉的燃烧过程利用燃料燃烧产生的热量生产蒸汽,再利用蒸汽驱动汽轮机做功.主蒸汽压力是衡量蒸汽产量与外界负荷是否相适应的重要标志.主蒸汽压力P T受到的扰动主要有:燃烧量扰动,称为基本扰动或内部扰动;汽轮机耗汽量的扰动,称为外部扰动.下面分析在上述两种扰动下锅炉主蒸汽压力的动态特性.

(a)内部扰动下主蒸汽压力的动态特性.记燃烧量为u B.当u B作阶跃变化时,炉膛热负荷立即增大,汽包压力上升,蒸汽流量D随之增加.若汽轮机调汽阀开度不变,主蒸汽压力

*收稿日期:2001-06-26

作者简介:薛美盛,男,1969年生,副教授.E-mail:xuems@

就会增大,从而使蒸汽流出量增加,最终达到新平衡.此过程具有自平衡性,其传递函数为:

G B (s)=K B e -S B s (T B s +1)(1)

其中:K B 、T B 和S B 分别为过程增益、时间常数和纯滞后时间.

从锅炉蒸发受热面的热平衡方程可以得到下式:

$Q r i d =D +C d d p d d t (2)

其中:$Q r 为热负荷阶跃变化;D 、p d 为蒸汽流量和汽包压力;i d 为饱和蒸汽的焓;C 为热容;C d =C i d 称为受热面的蓄热能力.测量出蒸汽流量D 和汽包压力变化速度d p d d t,再将两者按照比例C d 组合,就得到代表热负荷的Q r ,称之为热量信号.它能迅速反映燃烧量的变化情况.控制系统中采用热量信号,能显著改善基本扰动下的主蒸汽压力的控制品质.

(b)外部扰动下主蒸汽压力的动态特性.外部扰动由电网负荷变化引起,它通过改变蒸汽阀开度u g ,使汽轮机进汽量发生变化.当u g 作阶跃变化时,主蒸汽压力的动态特性可以用下列传递函数描述:

G g (s )=-A +K g (T g s +1)(3)

其中:A 为主蒸汽压力的突跳值,K g 和T g 为过程增益和时间常数.在外部扰动的开始瞬间,主蒸汽压力立即会有跳跃变化,因此可以很快地反映外部扰动.

为了有效地克服上述两种扰动,可以采用串级控制方案,如图1所示.副回路克服内部扰动,主回路克服外部扰动.主调节器为主蒸汽压力调节器,引入二次油压的变化作为前馈,以快速响应汽轮机蒸汽阀门开度的变化;

主蒸汽压力调节器的输出为热量信号,作为副调节器燃料量调节器的设定值;燃料量调节器的反馈为热量信号,输出为给煤机的转速设定值,给煤机内环控制器跟踪转速设定值的变化(图中没有画出此部分).

图1 锅炉主蒸汽压力串级控制方案

Fig.1 Cascade control scheme for mai n -steam pressure

在上述方案中,比例器K1和K2用FIX 32的比例器模块实现;主蒸汽压力调节器和燃料量调节器用FIX 32的PID 模块实现,其参数利用AtLoop PID 自动整定软件包[2]进行了整定.事实表明,采用串级控制效果较好,主蒸汽压力的控制指标能够达到部颁标准.

2 阶梯式广义预测控制方案及其实现

广义预测控制(GPC)[3]采用受控自回归积分滑动平均(C ARI MA)模型,设计灵活方便,具有预测模型、滚动优化和在线反馈校正等特征.通过长周期预测,其可解决变参数及纯滞后和阶次同时变化的系统的稳定控制问题,并能有效地抑制阶跃干扰引起的稳态偏差,呈现686 中国科学技术大学学报 第32卷

出优良的控制性能和鲁棒性,被广泛地应用于工业过程控制中,取得了明显的经济效益[4].

2.1 主蒸汽压力的广义预测控制方案

尽管锅炉主蒸汽压力在采用串级控制后能够达到部颁标准.但由于电网负荷经常有较大波动,主蒸汽压力也随之波动;而且PID 控制器的控制量变化频繁,变化幅度也较大,加重了执行机构的负担,缩短了执行机构的使用寿命.因此,有必要在原有的控制方案基础上采用广义预测控制[5],进一步改善控制品质.

实现锅炉主蒸汽压力的广义预测控制时,将原串级控制方案中的主调节器用GPC 控制器代替,仍然引入二次油压作为前馈,控制器的输出为热量信号,作为副调节器的设定值,副调节器的输出为给煤机的转速,通过控制给煤机转速,从而改变给煤量.

原来的串级控制是通过组态,由多个数采模块、控制模块来完成的.由于DCS 系统中没有GPC 模块,且GPC 算法相对复杂,不可能通过运算模块的组合来实现,必须另外实现GPC 控制器.同时需要解决一些关键的技术问题,如GPC 控制器如何与DCS 系统相连接,如何存取FIX 32数据等等.此外为保证安全生产,还必须做到可以随时切换到PID 控制.

2.2 阶梯式控制策略

广义预测控制可以采用递推方法避免Diophantine 方程在线求解[3],但还是要进行高维矩阵运算,包括矩阵求逆运算,计算量非常大,况且有时矩阵不可逆.在实际控制系统运行时,应尽量减小控制量的变化波动,又因为每次预测控制计算出的控制量中只有当前时刻的值由控制系统付诸实现,所以给出阶梯式控制策略

[5],以减少计算量,即预测的若干步控制

量增量遵循一个比例系数:$u t +1$u t =B

(4)其中$u t+1和$u t 分别为预测的t +1时刻和t 时刻的控制量增量.这样控制量呈现阶梯状,

变化稳定均衡,计算也因此大为简化,避免了在线矩阵求逆.为减少由于耦合造成回路间的相互干扰及延长执行机构寿命,在控制工程中,控制量不宜变化频繁,变化幅度不宜过大,一段时间内应当向一个方向变动.而许多优化控制算法为了抑制输出噪声,控制量包含许多高频信号,但由于执行机构的惯性,高频信号基本上不起作用,反而加重执行机构的磨损.采用阶梯式控制,有效地抑制了高频控制分量,并且控制的变化是单向的,符合工程要求.当B >1时,未来控制量增量递增,表明更希望在未来时刻改变控制量,响应速度较慢,控制量平缓;当B <1时,未来控制量增量递减,表明更希望在当前时刻改变控制量,响应速度较快.B 的取值应在被控系统的快速性与平稳性之间取折衷.

2.3 控制方案的实现

FIX 32可以通过/动态数据交换0(dynamic data exchange,简称DDE)与其它应用程序交换数据.GPC 控制器程序通过DDE 服务程序来实现对过程数据库数据的存取操作.

为保证预测控制系统的安全正常运行,必须保留原PID 串级控制,同时还必须保证控制器切换过程无扰动.FIX 32PID 控制模块有手动、自动、串级三种工作状态,其中的手动是指软手动,即可以由操作员或工程师修改控制量.利用这一特性,当GPC 切入时,PID 控制器设定为软手动工作方式,此时GPC 控制器取代了PID 控制器,PID 控制器处于备用状态;当需要切换回PID 控制器时,可以人为手工设定PID 控制器为自动工作状态,或者由GPC 控制器发出指令修改PID 控制器工作方式.在GPC 控制器工作时,控制量的输出是通过修改PID 控687第6期 火电厂锅炉主蒸汽压力的阶梯式广义预测控制