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(yīng)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(yīng)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(fù)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(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(shè)備不精確、運行參數(shù)經(jīng)常與設(shè)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(fù)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(shè)定值的情況，嚴(yán)重影響運行安全性。 （2）機組負(fù)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(fù)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(fù)荷的響應(yīng)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(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(fù)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(fù)變化（平均12分鐘變化一次），使得機組的燃料、給水、送風(fēng)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(yīng)力的反復(fù)變化，容易導(dǎo)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(jì)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(jì)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(jì)性受到影響。國內(nèi)火力發(fā)電機組的汽輪機普遍采用復(fù)合滑壓運行，這種控制方式既保持了在高負(fù)荷區(qū)較高的熱效率，又可以防止低負(fù)荷區(qū)水循環(huán)惡化和經(jīng)濟(jì)性下降，同時保持機組對負(fù)荷指令響應(yīng)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(shè)計開度。這是由于隨著運行邊界條件的（汽機真空、回?zé)嵯到y(tǒng)、吹灰等）的變化，相同的機組負(fù)荷對應(yīng)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(jì)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(fù)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(dāng)?shù)谋厝恍?。要從根本上解決上述問題，應(yīng)將先進(jìn)的控制技術(shù)如：預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等技術(shù)應(yīng)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(luò)模型）及預(yù)測控制技術(shù)、對鍋爐的“熱能”進(jìn)行預(yù)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(fù)荷響應(yīng)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(chǔ)上，通過有機融合預(yù)測控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)技術(shù)及自適應(yīng)控制技術(shù)，提出了現(xiàn)代火電機組AGC控制的先進(jìn)解決方案。 三、智能AGC控制解決方案特點（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)）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) 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(yīng)用了目前國際上領(lǐng)先的解決大滯后對象控制問題

7、的預(yù)測控制技術(shù)，取代了原有的PID控制。采用預(yù)測控制技術(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(jìn)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(jìn)行全工況實時校正）對機組運行特性參數(shù)進(jìn)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(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

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(xué)習(xí)的狀態(tài)，控制性能不斷向最優(yōu)目標(biāo)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(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行優(yōu)化 先將自適應(yīng)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(jìn)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(yù)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(jì)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(fù)合滑壓運行3種方式。復(fù)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(fù)荷區(qū),用改變調(diào)節(jié)汽門開度來調(diào)節(jié)負(fù)荷,保持定壓運行;在中間負(fù)荷區(qū),讓最后1個(或2個)調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉,進(jìn)行滑壓運行;在低負(fù)荷區(qū),又進(jìn)行較低壓力的定壓運行。 復(fù)合滑壓運行的變壓力運行方式升負(fù)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(fù)荷速度慢的缺點，在升負(fù)荷時，開大汽輪機調(diào)節(jié)閥門，利用鍋爐的蓄熱,提高變負(fù)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(fù)荷區(qū)較高的熱效率，又可以防止低負(fù)荷區(qū)水循環(huán)惡化和經(jīng)濟(jì)性下降，同時保持機組對負(fù)荷指令響應(yīng)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(shè)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(shè)定值與機組負(fù)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(shè)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(shè)計開度。這是由于隨著運行邊

11、界條件的（汽機真空、回?zé)嵯到y(tǒng)、吹灰等）的變化，相同的機組負(fù)荷對應(yīng)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(shè)計值，滑壓設(shè)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(fù)荷工況時才起作用。在一次調(diào)頻及變負(fù)荷工況,由于汽輪機調(diào)節(jié)閥門參與負(fù)荷調(diào)節(jié),其位置反饋與設(shè)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(shè)定值優(yōu)化回路 四、現(xiàn)場應(yīng)用效果原來的控制效果原來的控制效果 負(fù)荷調(diào)節(jié)性能不理想負(fù)荷調(diào)節(jié)性能不理想 變負(fù)荷速率慢，速率只能設(shè)定為3MW/min 5MW/min。 負(fù)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(dá)1520 ； 主汽溫度始終振蕩，動態(tài)偏差達(dá)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(fù)波動。 對煤種適應(yīng)性差優(yōu)化后控制效果