基于現(xiàn)代控制技術(shù)的1000MW超超臨界機組AGC實時優(yōu)化研究與應用

1、中電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司尹金亮基于現(xiàn)代控制技術(shù)的1000MW超超臨界機組AGC實時優(yōu)化研究與應用 一、常規(guī)AGC控制系統(tǒng)存在的問題 目前，國內(nèi)火電機組的AGC控制策略主要采用國外各大DCS廠商提供的組態(tài)邏輯，采用了負荷指令前饋+PID反饋的調(diào)節(jié)方案，其核心思路在于：盡可能的將整個控制系統(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。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，因此國內(nèi)一直以來都是采用國外DCS廠商的推薦方案；但是對于煤種多變、機組控制及測量設備不精確、運行參數(shù)經(jīng)常與設計參數(shù)存

2、在較大偏差的國內(nèi)機組，則控制效果會明顯變差。通過對現(xiàn)場運行情況的調(diào)研和歸納，在運機組的AGC控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面： （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、斷煤等擾動工況下，控制系統(tǒng)常會出現(xiàn)控制不穩(wěn)定或溫度、壓力大幅偏離設定值的情況，嚴重影響運行安全性。 （2）機組負荷升降速率低。常規(guī)的AGC控制方案，由于對大滯后被控對象無法找到有效的控制方法，機組負荷的升、降速率僅在1%/min左右，機組的調(diào)峰、調(diào)頻能力差，無法滿足電網(wǎng)對機組負荷的響應要求。 （3）煤種變化對控制系統(tǒng)影響大。在燃煤品質(zhì)變差時

3、，控制系統(tǒng)缺乏自適應手段，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。 （4）正常AGC調(diào)節(jié)中，燃料、給水等控制量波動大。機組正常AGC運行中，由于AGC指令的頻繁反復變化（平均12分鐘變化一次），使得機組的燃料、給水、送風等各控制量也大幅來回波動，此時雖然主汽壓力、溫度等被控參數(shù)較為穩(wěn)定，但會造成鍋爐水冷壁和過熱器管材熱應力的反復變化，容易導致氧化皮脫落，大大增加了鍋爐爆管的可能性。 （5）再熱煙氣擋板難以投入自動，機組運行經(jīng)濟性差。超（超）臨界機組的再熱汽溫通常采用噴水減溫+煙氣擋板的調(diào)節(jié)手段，但由于煙氣擋板對再熱汽溫的滯后大（控制對象時間常數(shù)大），采用DCS常

4、規(guī)PID控制方案基本無法投入煙氣擋板的自動控制。運行人員只能以再熱噴水減溫為控制手段來調(diào)節(jié)，機組運行經(jīng)濟性明顯受到影響。 6）機組沒有實現(xiàn)主汽壓自動尋優(yōu)功能，經(jīng)濟性受到影響。國內(nèi)火力發(fā)電機組的汽輪機普遍采用復合滑壓運行，這種控制方式既保持了在高負荷區(qū)較高的熱效率，又可以防止低負荷區(qū)水循環(huán)惡化和經(jīng)濟性下降，同時保持機組對負荷指令響應的快速性，目前在國內(nèi)廣泛使用，一般滑壓曲線不能保證機組在穩(wěn)態(tài)工況時汽輪機調(diào)節(jié)閥門的位置在設計開度。這是由于隨著運行邊界條件的（汽機真空、回熱系統(tǒng)、吹灰等）的變化，相同的機組負荷對應的主蒸汽壓力不同，未實現(xiàn)主汽壓自動尋優(yōu)功能，對機組的運行經(jīng)濟性影響較大。 二、主要原因分

5、析及解決辦法 出現(xiàn)上述問題的主要原因是，隨著機組工況和煤種的變化，鍋爐過程的滯后和慣性及動態(tài)特性變差，非線性和時變性的特征也越來越明顯，在這種情況下，常規(guī)的采用負荷指令前饋+PID反饋的AGC調(diào)節(jié)方案，已很難協(xié)調(diào)好控制系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾，出現(xiàn)上述問題具有相當?shù)谋厝恍?。要從根本上解決上述問題，應將先進的控制技術(shù)如：預測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制、模糊控制等技術(shù)應用到火電機組的優(yōu)化控制中來。 國外十分重視提高機組的調(diào)峰、調(diào)頻能力，例如：美卓公司DEB-400控制系統(tǒng)和西門子公司PROFI都取得很好的效果，但價格昂貴。西門子公司推出的基于TF方式調(diào)門全開模式的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)PROFI，可

6、根據(jù)鍋爐的非線性模型（神經(jīng)網(wǎng)絡模型）及預測控制技術(shù)、對鍋爐的“熱能”進行預測，提前動作給煤量，有效補償鍋爐的慣性，確保機組具有快速的負荷響應速度和平穩(wěn)的壓力變化。 在借鑒西門子PROFI基于調(diào)門全開模式的控制思想及實現(xiàn)方式的基礎上，通過有機融合預測控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡的學習技術(shù)及自適應控制技術(shù)，提出了現(xiàn)代火電機組AGC控制的先進解決方案。 三、智能AGC控制解決方案特點（1）采用預測控制技術(shù)作為機組閉環(huán)控制的核心環(huán)節(jié)）采用預測控制技術(shù)作為機組閉環(huán)控制的核心環(huán)節(jié) 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：其在反饋控制部分應用了目前國際上領先的解決大滯后對象控制問題

7、的預測控制技術(shù)，取代了原有的PID控制。采用預測控制技術(shù)能夠提前預測被調(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）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，對于調(diào)試完畢機組工況的變化無能為力，系統(tǒng)采用競爭型的神經(jīng)網(wǎng)絡學習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

8、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)始終處于在線學習的狀態(tài)，控制性能不斷向最優(yōu)目標逼近。 （3）用大滯后控制技術(shù)對再熱汽溫控制系統(tǒng)）用大滯后控制技術(shù)對再熱汽溫控制系統(tǒng)進行優(yōu)化進行優(yōu)化 先將自適應SMITH控制技術(shù)、狀態(tài)變量控制技術(shù)及相位補償技術(shù)融于一體，對再熱汽溫被控對象的大滯后特性進行動態(tài)補償，有效減小補償后再熱汽溫廣義被控對象的滯后和慣性，而后以廣義預測控制器作為反饋調(diào)節(jié)器、以模糊智能控制作為控制系統(tǒng)的前饋，通過對多種大滯后控制策略的有效組合，成功地實現(xiàn)了以煙氣擋板調(diào)節(jié)為主、事故噴水調(diào)節(jié)為輔的再熱汽溫自動控制，有效減少了再熱汽溫的噴水流量，取得了明顯的經(jīng)濟效益。 （4）對機組

9、主汽壓力自動尋優(yōu)，在穩(wěn)定工況保持汽）對機組主汽壓力自動尋優(yōu)，在穩(wěn)定工況保持汽輪機精確閥位控制輪機精確閥位控制 滑壓運行主要有純滑壓運行、節(jié)流滑壓運行和復合滑壓運行3種方式。復合滑壓運行是滑壓與定壓相結(jié)合的運行方式。采用這種方式運行時,在高負荷區(qū),用改變調(diào)節(jié)汽門開度來調(diào)節(jié)負荷,保持定壓運行;在中間負荷區(qū),讓最后1個(或2個)調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉,進行滑壓運行;在低負荷區(qū),又進行較低壓力的定壓運行。 復合滑壓運行的變壓力運行方式升負荷時，同時會增加壓力,即增加鍋爐的蓄熱。為了克服滑壓運行時變負荷速度慢的缺點，在升負荷時，開大汽輪機調(diào)節(jié)閥門，利用鍋爐的蓄熱,提高變負荷的速度。因此，在滑壓運行時，汽輪機調(diào)節(jié)閥

10、門也參與調(diào)節(jié)，但在穩(wěn)態(tài)運行時，汽輪機調(diào)節(jié)閥門基本保持不變，即保持在節(jié)流損失最小的位置，這種方式稱為聯(lián)合控制滑壓方式。這種控制方式既保持了在高負荷區(qū)較高的熱效率，又可以防止低負荷區(qū)水循環(huán)惡化和經(jīng)濟性下降，同時保持機組對負荷指令響應的快速性，在國內(nèi)廣泛使用。 圖1：汽輪機主控制器的控制回路爐跟機協(xié)調(diào)控制方式下自動滑壓控制的實現(xiàn)，滑壓設定值的生成回路，在爐跟機協(xié)調(diào)控制方式下的主蒸汽壓力設定值與機組負荷、汽輪機閥門開度的關(guān)系如圖所示。 圖中曲線，所要求的主蒸汽壓力設定值可以根據(jù)機組所要求的滑壓方式，但是這種定值并不能保證機組任何時候在穩(wěn)態(tài)時汽輪機調(diào)節(jié)閥門的位置能維持在要求的設計開度。這是由于隨著運行邊

11、界條件的（汽機真空、回熱系統(tǒng)、吹灰等）的變化，相同的機組負荷對應的主蒸汽壓力不同。在滑壓運行區(qū)域穩(wěn)態(tài)時，為了保證汽輪機調(diào)門開度的設計值，滑壓設定值的生成回路增加1個汽輪機調(diào)節(jié)閥門位置調(diào)節(jié)器，汽輪機調(diào)節(jié)閥門位置調(diào)節(jié)器只有在穩(wěn)定負荷工況時才起作用。在一次調(diào)頻及變負荷工況,由于汽輪機調(diào)節(jié)閥門參與負荷調(diào)節(jié),其位置反饋與設定值之間不可避免地存在偏差,這時調(diào)節(jié)器保持在跟蹤狀態(tài) ：爐跟機協(xié)調(diào)控制方式下的滑壓設定值優(yōu)化回路 四、現(xiàn)場應用效果原來的控制效果原來的控制效果 負荷調(diào)節(jié)性能不理想負荷調(diào)節(jié)性能不理想 變負荷速率慢，速率只能設定為3MW/min 5MW/min。 負荷調(diào)節(jié)經(jīng)常過調(diào)，精度相對不理想。 關(guān)鍵參數(shù)波動大，機組不穩(wěn)定關(guān)鍵參數(shù)波動大，機組不穩(wěn)定 主汽壓力始終振蕩，動態(tài)偏差1.0Mpa； 分離器溫度始終振蕩，動態(tài)偏差達1520 ； 主汽溫度始終振蕩，動態(tài)偏差達1520 ； 由于關(guān)鍵參數(shù)波動大，也會使給煤量及給水流量等調(diào)節(jié)量反復波動。 對煤種適應性差優(yōu)化后控制效果