龐文燕

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0 引 言

我國以煤炭為主要能源。煤在生產(chǎn)和利用過程中，產(chǎn)生大量的SOx、NOx細(xì)顆粒物、重金屬和CO2，是導(dǎo)致大氣煙塵、酸雨、全球變暖和臭氧層破壞的主要原因。因此，潔凈高效的利用煤炭資源顯得至關(guān)重要。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)由于具備廣泛的燃料適應(yīng)性、排放的污染物易控制等特點，在我國得到了廣泛應(yīng)用[1]。

循化流化床的控制屬于工業(yè)過程控制中的流程工業(yè)，是工業(yè)過程的一種。它的主要任務(wù)是解決連續(xù)控制的可靠性問題。本文依托大唐武安發(fā)電項目，通過研究解耦控制設(shè)計DCS控制策略，制定300 MW循環(huán)流化床機(jī)組控制策略，并對控制設(shè)備進(jìn)行選型。

1 解耦方法研究

對復(fù)雜設(shè)備和裝置來說，控制量和被控制量之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)。一個控制量的變化，將會同時引起多個輸出量的變化，即耦合。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計中，需要通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法，將多變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多個獨立的單變量系統(tǒng)，即解除各個變量之間的耦合。

1.1 傳統(tǒng)解耦方法

對于多輸入多輸出系統(tǒng)，實現(xiàn)解耦的前提是輸入變量的個數(shù)和輸出變量的個數(shù)相同，即m = n。對大多數(shù)的多變量系統(tǒng)，將多變量系統(tǒng)解耦為單變量系統(tǒng)來控制，可以較好地解決耦合問題。對于確定的線性多變量耦合系統(tǒng)，可采用對角矩陣法、相對增益分析法、反Nyquist曲線法、特征曲線分析法、狀態(tài)變量法和序列回差法等傳統(tǒng)解耦方法進(jìn)行控制。

在線性定常多變量系統(tǒng)中，傳統(tǒng)解耦方法應(yīng)用較多。它的主要采用時域或頻域方法解耦。兩種方法的比較見表1。

表1 時域、頻域方法比較表

1.2 解耦方法研究

1.2.1 串聯(lián)補(bǔ)償解耦法

串聯(lián)補(bǔ)償解耦法設(shè)計中，設(shè)耦合系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為Gp(s)，要設(shè)計一個傳遞函數(shù)矩位Gc(s)的串聯(lián)補(bǔ)償器，使用反饋矩陣H實現(xiàn)圖1所示的閉環(huán)系統(tǒng)為解耦系統(tǒng)。

圖1 含串聯(lián)補(bǔ)償器的解耦系統(tǒng)方框圖

該解耦系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為：

矩陣中，G(s)=Gp(s)Gc(s)為前向通道的傳遞函數(shù)矩陣，進(jìn)而可以得到串聯(lián)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)矩陣Gc(s)為：

對于單位反饋矩陣，有H=I。

因為解耦系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(s)為對角矩陣，所以可以推導(dǎo)獲知單位反饋解耦系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣G(s)也為對角矩陣。

若Gp(s)為非奇異矩陣，則串聯(lián)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)矩陣Gc(s)=Gp-1(s)G(s)。該方法對低階靜態(tài)系統(tǒng)比較簡單，卻較難應(yīng)用于高階系統(tǒng)。

1.2.2 狀態(tài)反饋解耦法

對多輸入多輸出連續(xù)時間線性時不變系統(tǒng)，有：

傳遞函數(shù)為：

采用包含輸入變換的狀態(tài)反饋u，其系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)反饋解耦法的系統(tǒng)框圖

則閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

利用狀態(tài)反饋進(jìn)行系統(tǒng)解耦的目的，是通過狀態(tài)反饋使閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Φ(s)變?yōu)椋?/p>

di為解耦指數(shù)，定義為：

設(shè)ci為系統(tǒng)輸出矩陣C中的第i行變量，根據(jù)di定義下列矩陣：

若系統(tǒng)是狀態(tài)反饋可以解耦的，則該解耦系統(tǒng)是一個積分型解耦系統(tǒng)。它的狀態(tài)反饋矩陣為F=-E-1L，輸入變換矩陣為H=E-1。

1.2.3 自適應(yīng)解耦控制

由于線性多變量系統(tǒng)具有精確的數(shù)學(xué)模型，在其控制方案中，傳統(tǒng)的解耦方法應(yīng)用較多，對于時變的、非線性的被控對象則不適合。一個解耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)如果是線性的、定常的，適應(yīng)性則較差。當(dāng)被控過程發(fā)生工作點變化時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定[2]。

參數(shù)未知的線性多變量系統(tǒng)和隨機(jī)多變量系統(tǒng)是自適應(yīng)解耦控制研究的對象。該控制系統(tǒng)為時變的非線性系統(tǒng)或時變的非線性隨機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。自適應(yīng)解耦控制是將參數(shù)估計、系統(tǒng)的控制和解耦設(shè)計方法相結(jié)合來改善系統(tǒng)的性能。

圖3 自適應(yīng)解耦控制系統(tǒng)

常見的自適應(yīng)解耦控制算法有極點配置自適應(yīng)解耦控制、基于廣義最小方差的多變量自適應(yīng)開環(huán)解耦控制、基于前饋控制的自適應(yīng)閉環(huán)解耦控制和基于廣義預(yù)測控制的多變量自適應(yīng)解耦控制。

2 控制策略設(shè)計

通過研究解耦控制設(shè)計DCS控制策略，將300 MW循環(huán)流化床機(jī)組的控制系統(tǒng)劃分為過熱蒸汽溫度控制、主汽壓力控制、燃燒控制和給水控制系統(tǒng)四個獨立的子系統(tǒng)。燃燒控制和給水控制是其中比較重要且具有代表性的控制系統(tǒng)，將作為本文的重點內(nèi)容進(jìn)行研究。

2.1 總體控制策略設(shè)計

循環(huán)流化床鍋爐DCS系統(tǒng)構(gòu)成，如圖4所示。系統(tǒng)提供可擴(kuò)展接口，能夠與其他品牌控制系統(tǒng)和設(shè)備通信，以實現(xiàn)通過同一總線傳遞信息和數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和指揮。

圖4 DCS系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計

為了確保生產(chǎn)安全，保證優(yōu)質(zhì)蒸汽的供應(yīng)，需要特別關(guān)注鍋爐汽包水位這一重要變量[3]。如何保持給水量與鍋爐蒸發(fā)量的平衡，是汽包水位控制中的核心問題。

汽包水位的動態(tài)特性指引起水位變化的各種擾動與汽包水位值之間的動態(tài)關(guān)系。煤粉爐的給水量、蒸汽量、汽包壓力和爐膛負(fù)荷等會影響汽包水位的擾動。而循環(huán)流化床鍋爐除上述因素外，一次風(fēng)對蒸汽流量的作用也影響汽包水位的動態(tài)過程。鍋爐汽包的水位值不僅能反映汽包中的蓄水容積，也能反映水面下的氣泡容積，而鍋爐負(fù)荷和蒸汽壓力又影響水面下的氣泡容積。因此，蒸汽負(fù)荷的變化、燃料量的變化、汽包壓力的變化和給水?dāng)_動（含母管壓力變化和給水調(diào)節(jié)閥開度變化）四方面，都是汽包水位的影響因素。

在蒸汽發(fā)生過程中，汽包內(nèi)部可以看為由蒸汽容積和水容積組成。忽略燃料量這個因傳送滯后、容量滯后而影響緩慢的因素，再將壓力的變化并入蒸汽負(fù)荷中，經(jīng)過化簡、整理得出汽包水位動態(tài)特性方程式如式（12）所示，其中各字母含義見表2。

表2 汽包水位動態(tài)特性方程式字母含義表

給水流量受到階躍擾動后，進(jìn)入汽包的給水流量大于鍋爐蒸發(fā)量，汽包水位上升。由于原飽和水中部分熱量被給水流量吸收，水面以下的氣泡容積會減小。因此，在擾動初期，水位不會立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積的變化漸趨平衡后，氣泡水位才呈現(xiàn)上升趨勢。把汽包和給水看作單容量無平衡過程，汽包水位在給水流量擾動下的階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 給水流量擾動下水位的階躍響應(yīng)曲線

用下列傳遞函數(shù)近似表示給水流量擾動下汽包水位的動態(tài)特性：

其中，ε指響應(yīng)速度，含義是當(dāng)給水流量變化單位流量時水位的變化速度。ε與鍋爐的汽包水位和蒸發(fā)量有關(guān)。

汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化引起外部擾動，即蒸汽流量D。理論上，蒸汽流量增大，水位H會按積分規(guī)律下降。事實上，當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增加時，會出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象[3]。這是因為鍋爐蒸發(fā)強(qiáng)度增加導(dǎo)致汽泡容積迅速增大，水位升高。蒸汽流量擾動下水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 蒸汽流量擾動下水位的階躍響應(yīng)曲線

本設(shè)計采用狀態(tài)反饋解耦法和三沖量調(diào)節(jié)方式。其中，反饋信號是液位信號，前饋信號是蒸汽流量，串級副調(diào)節(jié)變量是給水流量信號?，F(xiàn)有汽包水位調(diào)節(jié)方式采用三沖量、單沖量和雙沖量方式。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、品質(zhì)好，是前饋-串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它的控制框圖如圖7所示。

圖7 三沖量控制框圖

本項目中，采用冗余方式檢測汽包水位。當(dāng)系統(tǒng)啟動或主蒸汽流量低于20%時，選用旁路給水閥給水，此時采用單沖量調(diào)節(jié)方式。系統(tǒng)設(shè)有主給水調(diào)節(jié)閥，正常運(yùn)行后，主蒸汽流量大于20%時選用主給水閥給水，采用三沖量調(diào)節(jié)方式。

2.3 燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計

主蒸汽壓力控制、床溫控制、煙氣含氧量控制和爐膛負(fù)壓控制，是循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的主要被控變量。被控對象有燃料量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量和引風(fēng)量[4]。根據(jù)控制任務(wù)，主要進(jìn)行以下調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)燃料量使進(jìn)入爐膛燃燒所產(chǎn)生的能量與鍋爐外部負(fù)荷的需求相適應(yīng)；調(diào)節(jié)送風(fēng)量，燃料量改變時，送風(fēng)量也相應(yīng)改變，從而使燃料的完全燃燒和排煙熱損失最??；為保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行送風(fēng)量的調(diào)節(jié)；為保證燃燒過程穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)引風(fēng)量，使之與送風(fēng)量互相適應(yīng)，從而確保爐膛壓力的正確范圍[5]；由于被控對象的強(qiáng)耦合作用，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計時，采用自適應(yīng)解耦控制方法進(jìn)行解耦。根據(jù)以上策略，繪制鍋爐燃燒控制方框圖如圖8所示。

圖8 鍋爐燃燒控制框圖

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本項目是綜合利用煤矸石的環(huán)保發(fā)電項目，有2臺1 100 t/h循環(huán)硫化床鍋爐，現(xiàn)場控制儀表多，控制回路復(fù)雜，采用DCS進(jìn)行控制。經(jīng)過市場調(diào)研和對比分析，選擇北京和利時HOLLiAS MACS系統(tǒng)。

3.1 循環(huán)流化床機(jī)組DCS系統(tǒng)構(gòu)成

表3 域構(gòu)成一覽表

循環(huán)流化床機(jī)組DCS系統(tǒng)的域的構(gòu)成，如表3所示。

需要注意，每個操作員均可共用硬件平臺。實際配置過程中，主控單元不宜控制過多I/O點，以分散控制危險。打印控制站可由操作員站兼做。通信控制站可支持RS-232、RS-422和RS-485等通信線路，也可支持以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)等數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

現(xiàn)場控制站基于現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計、開發(fā)，所有模塊、卡件均具有防環(huán)境腐蝕能力，達(dá)到ANSI/ISA S71.04標(biāo)準(zhǔn)G3等級。在現(xiàn)場控制機(jī)柜中，需布置主控機(jī)籠、IO模塊和端子模塊等?，F(xiàn)場控制機(jī)柜有在控制室中集中安裝和分散安裝兩種方式。SM機(jī)柜布置圖如圖9所示。

圖9 硬件布置圖示例

3.2 循環(huán)流化床機(jī)組DCS系統(tǒng)主控模塊及冗余設(shè)計

本項目采用C/S結(jié)構(gòu)，以主控制器SM220為核心，基于開放的Windows平臺，配置方便，界面友好。在現(xiàn)場控制站內(nèi)，SM220作為核心設(shè)備，為系統(tǒng)提供了冗余工業(yè)以太網(wǎng)接口，并把現(xiàn)場控制站采集的數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)服務(wù)器。按照它的設(shè)計功能，還需要接收組態(tài)指令。

本系統(tǒng)在設(shè)計時從不同方面多角度應(yīng)用了多種冗余技術(shù)，包括分布式均勻冗余電源設(shè)計、冗余的I/O模塊、冗余的控制網(wǎng)絡(luò)、冗余的主控單元、冗余的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、各個軟件功能模塊的服務(wù)冗余以及冗余的操作站，以保證系統(tǒng)硬件運(yùn)行的安全可靠。

系統(tǒng)的主控制器采用的是主備雙模冗余配置，配置了硬件冗余切換，還配置了故障自檢電路。系統(tǒng)配置兩個主控制器，運(yùn)行方式是主備同步運(yùn)算，保障無擾切換。當(dāng)工作主控出現(xiàn)故障時，備份主控自動投入工作。在主控制器上設(shè)有看門狗電路，作用是監(jiān)視任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。有異常出現(xiàn)時，看門狗動作，然后故障工作主機(jī)變?yōu)閺臋C(jī)，而原備份機(jī)成為主機(jī)。工作原理如圖10所示。

圖10 主控制器冗余工作原理框圖

4 結(jié) 論

設(shè)計的DCS控制系統(tǒng)已運(yùn)行一年，系統(tǒng)方案設(shè)計合理，硬件選型經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行較好，為同類控制系統(tǒng)的解耦及硬件設(shè)計提供了可參考的方案。

[1] 趙偉杰.循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2009：1-20.

[2] 任玉清，唐永哲，郝濤，等.自適應(yīng)解耦控制方法的研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2008，28（6）：33-38.

[3] 侯典來.300MW機(jī)組汽包水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成[C].第七屆工業(yè)儀表與自動化學(xué)術(shù)會議，2006：233-237.

[4] 張雨飛，許立偉，陳 霈，等.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的模糊控制[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，（S2）：308-313.

[5] 任國臣.循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制[J].電站系統(tǒng)工程，2010，（6）：21-27.