常江，孫昂，原銘良

(沈陽化工大學(xué)，信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

1 引言

由于遼寧華錦熱電廠鍋爐系統(tǒng)中主蒸汽壓力回路的前后裝置間耦合比較嚴重［1］，壓力控制過程反應(yīng)緩慢，動態(tài)響應(yīng)時間長，滯后嚴重。傳統(tǒng)PID的控制效果不理想，直接影響到發(fā)電機的經(jīng)濟運行和能源的消耗。因此，采取Profit Loop控制技術(shù)來解決機組中大滯后回路問題，提高控制水平。

2 Profit Loop的控制原理

Profit Loop是完全集成到霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的一種單輸入/單輸出(SISO)、基于模型的預(yù)測控制和優(yōu)化技術(shù)。通過對被控對象的在線辨識，以適應(yīng)被控對象動態(tài)特性的變化。最后通過滾動優(yōu)化，計算出合理的控制信號［2］。模型預(yù)測控制方框圖如圖1。

Profit Loop可以根據(jù)當前值及將來值產(chǎn)生控制動作序列，并用最優(yōu)的方式去趨近設(shè)定值，產(chǎn)生的控制序列如圖2所示。

圖1 模型預(yù)測方框圖

圖2 控制序列圖

3 主蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性

以主蒸汽壓力為被控量的燃燒調(diào)節(jié)對象流程如圖3所示。由爐膛1，蒸發(fā)受熱面2，汽包3和過熱器4等組成［3］。其主要的擾動是燃燒量擾動(內(nèi)部擾動)以及蒸汽流量的擾動(外部擾動)。

圖3 汽壓對象生產(chǎn)流程示意圖

3.1 內(nèi)擾下蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性

記燃燒量的變化為ΔuB，當ΔuB作階躍變化后爐膛熱負荷立即增大，致使汽包壓力pj上升，導(dǎo)致蒸汽流量D增加。由于汽輪機調(diào)汽門開度不變，主汽壓力pr將隨著蒸汽的積累而增大。pr的升高又會使蒸汽通向汽輪機的流出量增加，最終達到新平衡［3］，如圖4所示。

圖4 內(nèi)擾下汽壓的響應(yīng)曲線

圖5 外擾下汽壓的響應(yīng)曲線

其傳遞函數(shù)可寫為:

3.2 外擾下蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性

外部擾動是指電網(wǎng)負荷變化的擾動，它通過改變調(diào)節(jié)汽門開度ug，使汽輪機進氣量D變化而施加的擾動［3］。圖5表示了在ug作階躍擾動時汽壓的響應(yīng)曲線，其中A是主汽壓的突跳值。傳遞函數(shù)可寫為:

4 鍋爐［4］主蒸汽壓力控制方案分析

通過串級控制能夠有效的克服兩種擾動的影響，如圖6所示，控制器為主汽壓力調(diào)節(jié)器，引入二次油壓的變化作為前饋，可以快速響應(yīng)汽輪機汽門開度的變化，主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器的輸出為熱量信號，作為副調(diào)節(jié)器燃料調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，燃料調(diào)節(jié)器的反饋為熱量信號，燃料調(diào)節(jié)器的輸出為給煤機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，給煤機內(nèi)部閉環(huán)控制跟蹤轉(zhuǎn)速設(shè)定值。此方案對于影響主蒸汽壓力的內(nèi)部擾動可以通過副調(diào)節(jié)器來克服，同時引入了反映負荷變化的二次油壓作為前饋，能夠快速響應(yīng)負荷的變化［3］。

圖6 主蒸汽壓力控制方框圖

圖7 主蒸汽壓力的模型預(yù)測控制方案

5 主蒸汽壓力的模型預(yù)測控制方案

雖然PID串級控制能夠達到部頒標準［3］，但主蒸汽壓力會隨著電網(wǎng)負荷的變化而波動，并且控制器的控制量很難控制，增添了執(zhí)行機構(gòu)的負擔，使得執(zhí)行元件的使用壽命減少。因此對于這樣多干擾，耦合嚴重，大滯后對象，在原有的控制方案基礎(chǔ)上采用模型預(yù)測控制［5］。

采用的模型預(yù)測控制方案如圖7所示，副回路采用傳統(tǒng)的PID控制。針對主回路非線性強，干擾大，采取模型預(yù)測控制算法［6］，即主調(diào)節(jié)器用MPC控制器。

6 Profit Loop控制的實施

6.1 建立模型

在霍尼韋爾PKS系統(tǒng)系統(tǒng)中，通過多次的給汽壓對象施加偽矩形脈沖響應(yīng)(PRBS)激勵信號來獲得系統(tǒng)模型，實現(xiàn)Profit Loop。

6.2 模型的預(yù)測

通過將Profit Loop得到的動態(tài)模型置入到控制器的方法，就可以進行預(yù)測。從而將控制器過去的OP值與將來的預(yù)測PV值聯(lián)系起來，如圖8所示，其傳遞函數(shù)可描述為:

其中，K是對象的增益系數(shù);T是對象的滯后時間;n和d是模型系數(shù);s是拉普拉斯常數(shù)［2］。

圖8 預(yù)測PV軌跡

經(jīng)過反復(fù)的測試汽壓對象的系統(tǒng)模型為:

6.3 控制器建立及運行

完成了測試結(jié)果評估后，將模型下載到霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的C300控制器中運行，一旦計算出PV將來的運行軌跡，控制器就會采取相應(yīng)的控制動作，促使過程的運行軌跡朝向控制目標。在這段時間，滾動計算促使PV值靠近SP值，減少控制器的偏差［2］。如圖9，圖10所示。

圖9 滾動計算示意圖

圖10 控制作用的滾動優(yōu)化

7 Profit Loop控制的效果

經(jīng)過Profit Loop控制后，預(yù)測控制［7］投入運行，控制效果較好。不但主蒸汽壓力平穩(wěn)，而且給煤機轉(zhuǎn)速特別平緩、波動小。這減輕了執(zhí)行機構(gòu)的負擔，同時執(zhí)行元件的使用壽命得到了延長。相反，傳統(tǒng)PID控制器，由于其控制器的控制量變化特別頻繁，導(dǎo)致蒸汽壓力波動幅度大。對比效果如圖11所示。中間部分為Profit Loop控制，前后兩端為傳統(tǒng)PID控制。(第一條曲線為發(fā)電機有功功率曲線，第二條曲線線為主蒸汽壓力，第三條曲線為給煤機轉(zhuǎn)速，第一幅圖中的直線為控制器狀態(tài))。

從圖11中還可以看出，當為Profit Loop控制時，發(fā)電機的有功功率變化比較平穩(wěn)，而為傳統(tǒng)PID控制時其變化頻率比較大，這是由于鍋爐的主蒸汽壓力和負荷相互影響的結(jié)果。也就是說發(fā)電機有功功率隨著鍋爐主蒸汽壓力波動的變化而變化。因此主蒸汽壓力的波動狀況可以直接通過發(fā)電機的有功功率做出判斷。

圖12為Profit Loop控制時4#機組運行曲線，通過對數(shù)據(jù)統(tǒng)計，Profit Loop控制時主蒸汽壓力標準差為0.02～0.04。從圖中可以看出Profit Loop控制時蒸汽壓力穩(wěn)定，另外一個優(yōu)勢就是給煤機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，這對執(zhí)行機構(gòu)是特別有益的，達到了廠方所希望的目標。

圖11 4#機組蒸汽壓力的Profit Loop控制與PID控制對比圖

圖12 4#機組蒸汽壓力控制的Profit Loop控制曲線

8 結(jié)束語

霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的Profit Loop作為一種模型預(yù)測控制技術(shù)，在遼寧華錦熱電廠鍋爐系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用，受到了廠方得好評。該技術(shù)減小了主蒸汽壓力的偏差而且使控制量輸出平穩(wěn)，達到了經(jīng)濟節(jié)能的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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