1036 MW機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實時優(yōu)化

盧懷鈿，馮庭有，陳凡夫

(華能海門電廠，廣東省 汕頭市，515071)

0 引言

華能海門電廠一期4臺1036 MW燃煤汽輪發(fā)電機組，鍋爐主設(shè)備由東方鍋爐(集團)股份有限公司、BHK、BHDB制造;汽輪機為超超臨界、一次中間再熱、單軸四缸四排汽、沖動凝汽式，設(shè)計額定功率為1036.5 MW。目前，國內(nèi)火電機組的自動發(fā)電控制(automation generation control，AGC)策略主要采用國外各大分散控制系統(tǒng)(distribution control system，DCS)廠商提供的組態(tài)邏輯，采用了負荷指令前饋+比例積分微分(proportional integral derivative，PID)反饋的調(diào)節(jié)方案，其核心思路在于:盡可能將整個控制系統(tǒng)整定成開環(huán)調(diào)節(jié)的方式，反饋調(diào)節(jié)僅起小幅度的調(diào)節(jié)作用［1－6］。這種方案要求前饋控制回路的參數(shù)必須整定得非常精確，對于煤種穩(wěn)定、機組設(shè)備穩(wěn)定、機組運行方式成熟的國外機組，這種方案是比較有效的，因此一直以來都是國外DCS廠商的推薦方案。但是對于煤種多變、機組控制及測量設(shè)備不精確、運行參數(shù)經(jīng)常與設(shè)計參數(shù)存在較大偏差的國內(nèi)機組，則控制效果會明顯變差。針對現(xiàn)代火電機組存在負荷升降速率低、關(guān)鍵參數(shù)波動大及系統(tǒng)不能很好適應(yīng)煤種變化等實際問題，通過有機融合預(yù)測控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)及自適應(yīng)控制技術(shù)而設(shè)計研發(fā)的先進AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)，采用Infit系統(tǒng)，使機組能在調(diào)度要求的AGC變負荷速率下以更優(yōu)的控制品質(zhì)穩(wěn)定運行，全面提高機組自動控制水平。

1 組合預(yù)測控制技術(shù)

隨著對預(yù)測控制技術(shù)的研究不斷深入，研究領(lǐng)域的不斷擴大，以及其他一些先進控制策略(例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、灰色理論、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)的出現(xiàn)與發(fā)展，有關(guān)將這些理論同預(yù)測控制相結(jié)合的研究也越來越多，形成了一些新型的組合式預(yù)測控制方法。主要涉及如下幾個方面:模糊預(yù)測控制、混雜預(yù)測控制、灰色預(yù)測控制、變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測控制和基于小波理論的預(yù)測控制。這類組合式預(yù)測控制方法充分發(fā)揮了各自的優(yōu)點，有效地拓寬了模型預(yù)測控制(model predictive control，MPC)算法的適用范圍。基本網(wǎng)絡(luò)模型見圖1，圖中LMS為最小均方(least mem square)。

圖1 自適應(yīng)、前饋、LMS學(xué)習(xí)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 The adaptive，feedforward and LMS learning type neural network model

模糊控制和預(yù)測控制都是對不確定系統(tǒng)進行控制的有效方法，而模糊預(yù)測控制作為兩者相結(jié)合的產(chǎn)物，更符合人類的控制思想，可進一步提高控制效果。目前的模糊預(yù)測控制算法基本上有2種思路:(1)以過程預(yù)測信息處理為核心，將模糊辨識與建模方法引入常規(guī)的MPC中來;(2)以模糊決策優(yōu)化為核心，利用MPC的相關(guān)原理、方法以及自校正原理對傳統(tǒng)模糊控制器的隸屬度函數(shù)、控制規(guī)則等進行優(yōu)化或直接修正控制策略使得某一性能測量指標趨于最優(yōu)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network，NN)具有表達任意非線性映射的能力，能夠?qū)Ψ蔷€性系統(tǒng)進行建模。利用NN的這一特點建立動態(tài)模型，作為MPC的預(yù)測，可用于過程的預(yù)測和優(yōu)化。另外，NN的高速運算能力進一步解決了MPC高速運算問題，可充分體現(xiàn)MPC方法的優(yōu)勢。近年來，許多學(xué)者從不同角度研究了NN和MPC相結(jié)合的問題。

2 原協(xié)調(diào)控制策略

2.1 概述

機組協(xié)調(diào)控制(coordinated control system，CCS)策略簡圖見圖2，屬于典型的鍋爐主要調(diào)壓，汽機主要調(diào)功的間接能量平衡原理的協(xié)調(diào)系統(tǒng)類型。正常協(xié)調(diào)方式下機、爐均接收負荷指令信號及主汽壓力指令信號，共同完成負荷調(diào)節(jié)和主汽壓力調(diào)節(jié)。其中機主控以功率調(diào)節(jié)為主，并受壓力拉回函數(shù)修正和壓力優(yōu)先回路限制;爐主控則以鍋爐能量調(diào)節(jié)為主，并受功率導(dǎo)前微分的超前校正，以防止由于調(diào)節(jié)壓力而使機組負荷響應(yīng)太慢。爐主控作為鍋爐能量指令的統(tǒng)一發(fā)令者，同時將能量指令分配至給水、燃料子系統(tǒng)，并將指令變化前饋分送至水、燃料、風(fēng)、汽溫等各子控制系統(tǒng)，在完成對負荷響應(yīng)的同時維持鍋爐燃燒的穩(wěn)定及其經(jīng)濟性。對于直流爐要實現(xiàn)鍋爐燃燒穩(wěn)定性及經(jīng)濟性，必須保證水煤比及風(fēng)煤比在正常范圍。2號機組水煤比控制在干態(tài)時，采用的是基于分離器出口過熱度控制，由負荷指令1、一減噴水開度、高過出口溫度偏差、手動偏置量4個信號疊加形成分離器出口過熱度設(shè)定值。風(fēng)煤比調(diào)節(jié)采用的是基于煙氣氧量的風(fēng)跟煤方式，同時兩者之間交叉限制。機組壓力控制采用定滑定方式。設(shè)計有負荷閉鎖功能及快減負荷功能。

圖2 2號機組協(xié)調(diào)控制簡圖Fig.2 Sketch of CCS in 2nd unit

圖2中N代表機組功率，P代表機前主汽壓力，D代表主蒸汽流量，u代表汽機調(diào)門開度，B代表鍋爐的燃燒率，下標sp代表參量的設(shè)定值。

利用機組負荷指令前饋信號來強化鍋爐指令，使鍋爐的輸入能量能夠快速與外界負荷的要求相一致。能否盡快地響應(yīng)電網(wǎng)對機組的負荷要求，在內(nèi)、外擾動作用下，機爐控制系統(tǒng)能否協(xié)調(diào)工作，并能否使汽壓偏差和功率偏差盡可能減少是對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本要求。2號機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)存在一定弊端:負荷設(shè)定及主汽壓力設(shè)定存在純延時環(huán)節(jié)，這些導(dǎo)致變負荷過程的設(shè)定壓力變化較慢，汽機調(diào)門的開度波動較大，使機組的中間點溫度、主汽溫度出現(xiàn)波動。

2.2 鍋爐主控輸入函數(shù)

表1為現(xiàn)2號機組鍋爐主控輸入函數(shù)。由表1可以看出，壓力波動死區(qū)為±0.1 MPa，鍋爐主控不參與調(diào)節(jié)。當實際壓力高于設(shè)定值時，即ΔP為負值，鍋爐主控輸入降低，以改變對應(yīng)煤、水、風(fēng)子控制器。壓力波動越小，調(diào)節(jié)幅度(斜率)越大。一般情況下，壓力波動均在 ±1.5 MPa以內(nèi)，而 ±0.1 MPa至±1.5 MPa只是2點直線調(diào)節(jié)，過于簡單，應(yīng)細化±1.5 MPa以內(nèi)函數(shù)點值。目前，1號機組已經(jīng)進行了細化:±0.1 MPa至 ±0.7 MPa放快調(diào)節(jié)，±0.7 MPa至±1.5 MPa稍放慢調(diào)節(jié)，把 ±0.7 MPa以內(nèi)的壓力波動控制好，當壓力大于±0.7 MPa波動時，下面機主控控制回路中引入了壓力修正回路f(x2)將發(fā)揮作用，進行必要的調(diào)門限制，以拉回汽壓。

表1 現(xiàn)2號機組鍋爐主控輸入函數(shù)Tab.1 The main control input function of the boiler for 2nd unit

2.3 壓力拉回修正函數(shù)

該主控控制回路中引入了壓力修正回路，見圖2。圖2中壓力偏差修正函數(shù)f(x2)一路，此路對爐調(diào)壓、機調(diào)功類型的協(xié)調(diào)回路起著很重要的作用。機主控的輸入值可近似等于∑ =［(Nsp－N)－f(x－ΔP)］。其中，1號機實際f(x－ΔP)的函數(shù)關(guān)系如表2所示。

表2 機組協(xié)調(diào)壓力偏差修正函數(shù)Tab.2 The coordinate pressure errors correcting function in CCS

這個函數(shù)應(yīng)起的作用為:實際壓力偏低時，壓力偏差修正函數(shù)f(x2)輸出正方向增大，從而機主控的輸入值∑減小，調(diào)門關(guān)小;實際壓力偏高時，壓力偏差修正函數(shù)f(x2)輸出負方向減小，從而機主控的輸入值∑增大，調(diào)門開大，起到穩(wěn)定汽壓作用，避免機爐能量的過多失衡，使機組的負荷調(diào)節(jié)變差。然而1000 MW機組在變負荷時響應(yīng)能力要求很高，這個回路的限制作用有限，所以一旦機組變負荷后主汽壓力實際值始終跟不上，并且需要較長時間穩(wěn)定。

2.4 壓力優(yōu)先控制回路

當壓力高于26.3 MPa或一次調(diào)頻動作時，機主控PID比例系數(shù)由0.22變?yōu)?.35，積分時間由50 s變?yōu)?5 s，及時開大調(diào)門以穩(wěn)定汽壓或頻率。防止機前壓力超壓，導(dǎo)致機爐能量的過多失衡。

3 Infit系統(tǒng)實時優(yōu)化控制策略及特點

(1)采用預(yù)測控制技術(shù)作為機組閉環(huán)控制的核心環(huán)節(jié)。Infit系統(tǒng)在整體控制結(jié)構(gòu)上仍采用前饋+反饋的控制模式，但與常規(guī)DCS控制策略不同的是在其反饋控制部分應(yīng)用了目前國際上最前沿的解決大滯后對象控制問題的預(yù)測控制技術(shù)，取代了原有的PID控制。采用這種技術(shù)能夠提前預(yù)測被調(diào)量(如主汽壓力、汽溫等參數(shù))的未來變化趨勢，而后根據(jù)被調(diào)量的未來變化量進行控制，有效提前調(diào)節(jié)過程，從而大幅提高了機組AGC控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動能力。

(2)對機組運行特性參數(shù)進行全工況實時校正。常規(guī)DCS的控制回路，其控制參數(shù)一經(jīng)整定結(jié)束就不會改變，對于日后機組工況的變化無能為力;Infit系統(tǒng)采用競爭型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法來實時校正機組運行中與控制系統(tǒng)密切相關(guān)的各種特性參數(shù)(包括燃料熱值、汽耗率、機組滑壓曲線、中間點溫度設(shè)定曲線、制粉系統(tǒng)慣性時間等)，并根據(jù)這些特性參數(shù)實時計算AGC控制系統(tǒng)的前饋和反饋回路中的各項控制參數(shù)，使得整個系統(tǒng)始終處于在線學(xué)習(xí)的狀態(tài)，控制性能不斷向最優(yōu)目標逼近。

(3)對AGC運行模式進行了特別優(yōu)化。常規(guī)DCS控制方案對于機組運行在CCS方式還是AGC是不加區(qū)分的，Infit系統(tǒng)中包含AGC運行模式下的特別優(yōu)化模塊:采用智能預(yù)測算法，一方面根據(jù)機組當前AGC指令、實發(fā)功率、電網(wǎng)頻率等參數(shù)實時預(yù)測“調(diào)度EMS系統(tǒng)AGC指令”在未來時刻的變化趨勢;另一方面根據(jù)機組的燃料量、風(fēng)量、給水流量等參數(shù)實時預(yù)測表征鍋爐做功能力的“鍋爐熱功率信號”在未來時刻的變化值，并依據(jù)這兩者間的匹配程度來修正鍋爐指令的變化量。實際應(yīng)用表明，增加AGC模式特別優(yōu)化模塊后，可在保證AGC負荷響應(yīng)的基礎(chǔ)上使機組燃料量、風(fēng)量、給水流量、減溫水流量的波動幅度減小60%以上，對于延長鍋爐管材壽命，減少爆管極為有利。

4 改進前后控制效果

改造前機組協(xié)調(diào)主要存在幾個問題:

(1)消除擾動能力差，易出現(xiàn)參數(shù)大幅波動及調(diào)節(jié)振蕩情況。這是目前機組運行中最普遍出現(xiàn)的情況，機組在大幅度變負荷、啟停制粉系統(tǒng)、吹灰等擾動工況下，控制系統(tǒng)常會出現(xiàn)控制不穩(wěn)定或溫度、壓力大幅偏離設(shè)定值的情況，嚴重影響運行安全性。

(2)煤種變化對控制系統(tǒng)影響大。在燃煤品質(zhì)變差時，控制系統(tǒng)缺乏自適應(yīng)手段，控制性能也隨之變差。運行人員為保證機組安全，只能采用很低的變負荷率運行。

(3)主汽溫、分離器過熱度等關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)存在一定滯后。圖3是投用原DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行曲線，同時結(jié)合未投用Infit系統(tǒng)的機組運行曲線可以看出，原DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在升降負荷過程中很容易出現(xiàn)1.0 MPa的壓力控制偏差、分離器出口過熱度波動大于10℃，且引發(fā)控制振蕩，需要較長的時間才能穩(wěn)定。

圖3 投用原DCS系統(tǒng)12 MW/min AGC的運行曲線Fig.3 The operation curve with 12 MW/min in original DCS after revamping AGC

Infit系統(tǒng)經(jīng)過細化調(diào)試后，正常投用AGC控制。圖4是投用Infit系統(tǒng)進行正常AGC變負荷的運行曲線，由圖4可以看出機組運行十分平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)下主汽壓力調(diào)節(jié)幾乎完全無差，而在進行800 MW→690 MW→800 MW的雙向變負荷時，機組運行同樣非常穩(wěn)定，主汽壓力偏差僅為0.34 MPa，同時負荷跟蹤情況也很好，曲線中幾次由調(diào)度實測的AGC速率分別為 13.83，16.86，17，18，14.25，9.7 MW/min。

上述結(jié)果表明，投用Infit系統(tǒng)后，可在目前2號機組的運行環(huán)境下，使機組AGC速率更高，壓力及汽溫控制更穩(wěn)定。

5 結(jié)論

Infit系統(tǒng)投入后，機組運行穩(wěn)定性及經(jīng)濟性都有所提高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)獲得更高的AGC響應(yīng)速率和調(diào)節(jié)精度。

圖4 投用Infit系統(tǒng)12 MW/min AGC的運行曲線Fig.4 The operation curve with 12 MW/min in Infit after revamping AGC

(2)機組運行更加平穩(wěn)。機組運行中主汽壓力、中間點溫度的波動幅度可減小至:穩(wěn)態(tài)工況±0.1 MPa、±2.0 ℃，變負荷工況 ±0.4 MPa、±6.0 ℃。

(3)機組更節(jié)能。由于變負荷時各參數(shù)波動較小，顯然機組能耗隨之降低。特別是機組煤耗、廠用電率等。

通過智能預(yù)測算法使機組在AGC運行中的燃料、給水等控制量的波動幅度明顯減少，可對主汽壓力、主汽溫度、分離器過熱度等重要參數(shù)控制提前反應(yīng)，及時有效地進行提前干預(yù)調(diào)節(jié)。通過采用預(yù)測控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)及自適應(yīng)控制技術(shù)而設(shè)計研發(fā)的先進AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)，對協(xié)調(diào)優(yōu)化，使機組具有更加穩(wěn)定、可靠的運行品質(zhì)。

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