周曉明

內(nèi)蒙古京能電力檢修有限公司

火電機(jī)組熱工控制系統(tǒng)的優(yōu)化整定及其應(yīng)用

周曉明

內(nèi)蒙古京能電力檢修有限公司

火力發(fā)電廠在我國電力工業(yè)生產(chǎn)中承擔(dān)著主要任務(wù)，機(jī)組的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行是電力生產(chǎn)中需要研究解決的重要課題?，F(xiàn)代的火力發(fā)電機(jī)組正朝著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，汽機(jī)、鍋爐等主體的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)一步復(fù)雜化，要求其具有更高的可靠性和自動(dòng)化水平，這樣就使得熱工自動(dòng)控制在火電機(jī)組中的地位也越來越顯得重要，成為大機(jī)組安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的可靠保證。熱工過程普遍存在著慣性和滯后，這是火電廠大部分被控對(duì)象的主要特點(diǎn)之一，熱工過程有自平衡能力的對(duì)象可用慣性環(huán)節(jié)加純滯后來描述。

火電機(jī)組；熱工控制；優(yōu)化整定及應(yīng)用

為使工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)際整定有效地結(jié)合，作者研制出多功能控制系統(tǒng)優(yōu)化整定裝置。該裝置集采集﹑仿真﹑辯識(shí)和控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化整定等功能為一體，首次采用了曲線擬合法和目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方法進(jìn)行工業(yè)過程的參數(shù)辯識(shí)和控制系統(tǒng)的優(yōu)化整定，為工程技術(shù)人員進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整定提供了有效手段。

1 熱工過程的控制策略

在火電機(jī)組的熱工過程中，主要的熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)有：燃燒控制﹑鍋爐汽包水位控制﹑主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度控制﹑制粉系統(tǒng)控制﹑汽機(jī)控制及協(xié)調(diào)控制，它們完成水位﹑溫度﹑壓力﹑流量﹑轉(zhuǎn)速等參數(shù)的控制任務(wù)。一般大型火電機(jī)組(燃煤鍋爐)熱工自動(dòng)控制有30多個(gè)主要控制回路?；痣姍C(jī)組熱工過程在控制方式上主要采用以比例一積分一微分(PID)為基礎(chǔ)的常規(guī)控制策略，這是其突出的特點(diǎn)，也是工業(yè)控制領(lǐng)域的普遍現(xiàn)象。即使在日本，PID控制的使用率也達(dá)84.5%。目前，我國熱工過程各控制回路中PID控制至少占95%以上，即使在目前較為先進(jìn)的分散控制系統(tǒng)(DCS中也是無一例外地采用常規(guī)PID作為基本控制策略，其控制效果與模擬控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)并無本質(zhì)差別。常規(guī)PID控制是使用最多的控制手段。常規(guī)PID控制有其優(yōu)勢(shì)，一方面在于算法簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，而且早已被現(xiàn)場工程技術(shù)人員普遍熟悉掌握，另一方面在于其魯棒性較強(qiáng)，對(duì)控制系統(tǒng)的先驗(yàn)性知識(shí)要求較低，對(duì)過程模型的依賴程度不象一些現(xiàn)代控制方法那樣高。

2 主要功能

2.1 信號(hào)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集

信號(hào)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集功能是為過程參數(shù)辯識(shí)提供原始數(shù)據(jù)而設(shè)置的，同時(shí)也可作為多筆記錄儀使用。作為被測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，可以發(fā)送階躍﹑方波﹑正弦波﹑偽隨機(jī)序列等各種激勵(lì)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集最多可同時(shí)采集16路電壓﹑電流以及熱電偶﹑熱電阻等各種制式的被測(cè)信號(hào)。

2.2 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了豐富的組態(tài)模塊和方便的組態(tài)功能。組態(tài)模塊包括各種運(yùn)算模塊﹑控制器模塊﹑過程模型模塊以及非線性運(yùn)算和邏輯運(yùn)算模塊等，并可直接調(diào)用由辯識(shí)得到的過程模型。利用作圖法可進(jìn)行各種系統(tǒng)的組態(tài)仿真。當(dāng)所有的系統(tǒng)模塊全部輸入后，該系統(tǒng)可將所有模塊自動(dòng)連接并顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的全貌。另外，該系統(tǒng)還提供了模塊修改﹑插入﹑刪除﹑替換等功能。仿真平臺(tái)的框架設(shè)計(jì)也遵循結(jié)構(gòu)上相互分離，功能上緊密結(jié)合的原則。一個(gè)控制系統(tǒng)的仿真過程可以劃分為圖元組態(tài)﹑參數(shù)輸入﹑拓?fù)渑判颟p仿真計(jì)算﹑結(jié)果輸出等幾個(gè)步驟。其中，圖元組態(tài)又可以分為圖形繪制和實(shí)例化兩個(gè)過程。用戶先用仿真平臺(tái)提供的畫圖工具在組態(tài)窗口內(nèi)按照控制系統(tǒng)框圖繪制組態(tài)模塊和加法器，并用將這些組態(tài)模塊和加法器用連線按照系統(tǒng)框圖連起來。系統(tǒng)組態(tài)模塊在圖形繪制完成之后，必須逐一指定類型并輸入所需的參數(shù)值，即完成模塊的實(shí)例化。輸入仿真計(jì)算參數(shù)，就可以讓系統(tǒng)開始對(duì)系統(tǒng)框圖進(jìn)行拓?fù)渑判颉Ｈ缓?，開始進(jìn)行仿真計(jì)算，可以通過示波器單元觀察輸出的曲線。示波器單元可以加在框圖的任意位置。

2.3 以汽輪機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法

汽輪機(jī)跟隨控制方式中，鍋爐側(cè)控制機(jī)組負(fù)荷，汽輪機(jī)控制汽壓。因?yàn)槠啓C(jī)的動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)迅速，則主汽壓力比較穩(wěn)定，而鍋爐的動(dòng)態(tài)特性是延遲性大，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)緩慢。為了保證這種機(jī)組安全穩(wěn)定，同時(shí)避免嚴(yán)重?fù)p失負(fù)荷的狀況發(fā)生，可在汽輪機(jī)控制汽壓的同時(shí)，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)情況，適當(dāng)?shù)目刂曝?fù)荷。在汽輪機(jī)跟隨方式的基礎(chǔ)上，再將機(jī)組負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷的偏差作為汽輪機(jī)主控制器的前饋，形成以汽輪機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

為了提高機(jī)組控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)速度，將機(jī)組負(fù)荷偏差NO-NE化作為鍋爐主控制器的輸入信號(hào)，并進(jìn)行上下限幅，然后作用于汽輪機(jī)主控制器上。當(dāng)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷與指令偏差△N=NONE≠0時(shí)，將函數(shù)輸出值指令傳到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器上，及時(shí)開大或關(guān)小汽輪機(jī)調(diào)口，快速響應(yīng)負(fù)荷指令。當(dāng)負(fù)荷偏差△N超限時(shí)，經(jīng)過限幅作用，使汽輪機(jī)主控制器輸出不再變化，避免了壓力波動(dòng)的增大。該控制方法所帶來的機(jī)組適應(yīng)負(fù)荷變化能力的提高是通過犧牲主蒸汽壓力的穩(wěn)定換來的，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷指令No變化時(shí)，機(jī)組負(fù)荷指令與實(shí)際值偏差會(huì)作用在汽輪機(jī)主控制器上，負(fù)荷快速響應(yīng)，則主汽壓力偏差會(huì)加大。

多功能控制系統(tǒng)優(yōu)化整定裝置集采集﹑辯識(shí)﹑仿真和控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化整定等功能為一體，它的研制成功為現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試提供了實(shí)用﹑有效的手段。在工業(yè)過程控制的實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行了兩項(xiàng)嘗試：(1)采用曲線擬合法進(jìn)行參數(shù)辯識(shí)﹑模型轉(zhuǎn)換；(2)基于綜合目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方法，對(duì)多回路﹑多參數(shù)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為現(xiàn)代控制技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該優(yōu)化整定裝置既實(shí)用又有效。由于煤質(zhì)﹑機(jī)組運(yùn)行方式等各種原因，在控制方案的細(xì)節(jié)方面需進(jìn)一步完善，后續(xù)將進(jìn)一步研究，提同系統(tǒng)的性能。

[1] 鄧莎.單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析[J].電站系統(tǒng)工程，2010，26(5)：51-54.

[2] 鄭清等.基于解幫設(shè)計(jì)的積分分離控制器在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2012，3(1)：422-44.

[3] 項(xiàng)丹，劉吉臻，李露.基于多變量解稱內(nèi)?？刂频臋C(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].熱力發(fā)電，2015，44(2)：69-73.

[4] 屈章龍，周松國.直接能量平衡在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)王程實(shí)例中的分析[J].文摘版：工程技術(shù)，2015(22)：92-93.