張?zhí)煊?，陳占輝，馬樹峰

（1.國(guó)能太倉發(fā)電有限公司，江蘇 蘇州 215433；2.施耐德電氣（中國(guó)）有限公司，上海 200333）

再熱循環(huán)可以降低蒸汽損耗，提高電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。目前電廠大型火電機(jī)組應(yīng)用較多的是中間再熱，再熱器為對(duì)流結(jié)構(gòu)，再熱器溫度受爐膛煙氣溫度、流速、流量的影響較大。由于再熱蒸汽汽溫控制回路具有滯后性、非線性、多變量等特征，其控制難度較大，常規(guī)的PID控制往往很難達(dá)到理想的效果，因此，再熱蒸汽汽溫的優(yōu)化控制成為電廠生產(chǎn)的重要目標(biāo)，對(duì)火電機(jī)組的穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和控制理論的發(fā)展，更加復(fù)雜的高級(jí)過程控制方法不斷出現(xiàn)，能更好地解決強(qiáng)耦合、強(qiáng)時(shí)變、非線性和大時(shí)滯等過程控制問題。優(yōu)于常規(guī)PID控制效果的控制策略統(tǒng)稱為先進(jìn)過程控制技術(shù)（Advanced Process Control，APC）， 其中模型預(yù)測(cè)控制（Model Predicting Control，MPC）技術(shù)在目前工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用較多且效果較好。國(guó)能太倉發(fā)電有限公司基于MPC技術(shù)，結(jié)合鍋爐實(shí)際運(yùn)行方式，提出了模型預(yù)測(cè)+二次風(fēng)門控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了再熱蒸汽汽溫的穩(wěn)定控制。

1 存在的問題

國(guó)能太倉發(fā)電有限公司7號(hào)機(jī)組為國(guó)產(chǎn)首臺(tái)超臨界參數(shù)、變壓運(yùn)行、一次中間再熱、四角切圓燃燒、螺旋管圈630 MW直流鍋爐。

該機(jī)組原調(diào)節(jié)方式為傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)，以改變二次風(fēng)門總操指令為主，手動(dòng)改變?nèi)紵鲾[角及自動(dòng)調(diào)節(jié)高再微量噴水閥門和事故減溫水為輔。機(jī)組運(yùn)行中，再熱器溫度主要靠再熱減溫水調(diào)節(jié)，即燃燒器擺角手動(dòng)控制+兩級(jí)噴水減溫串級(jí)控制的方式，兩級(jí)噴水分別為事故噴水和微量噴水。事故噴水為一級(jí)再熱汽溫控制，在溫度過高時(shí)才參與調(diào)節(jié)；微量噴水為二級(jí)再熱汽溫控制，起主要調(diào)節(jié)作用。根據(jù)再熱汽溫被控對(duì)象的傳遞函數(shù)得知，燃燒器擺角和減溫水回路均存在很大的慣性遲延。變負(fù)荷過程中再熱器溫度主要靠減溫水控制，這種常規(guī)事后反饋控制方法對(duì)于大滯后、純遲延控制對(duì)象來說，控制品質(zhì)很難滿足機(jī)組變負(fù)荷過程中汽溫平穩(wěn)的控制要求，存在調(diào)節(jié)不及時(shí)、管壁超溫、噴水量過多（噴水量每增加1%，機(jī)組循環(huán)效率降低 0.1%～0.2%）、運(yùn)行操作強(qiáng)度較大等［4］問題。

2 MPC技術(shù)

MPC技術(shù)主要包括：預(yù)測(cè)模型，即利用生產(chǎn)裝置的模型根據(jù)裝置的歷史信息來預(yù)測(cè)相關(guān)變量的未來行為；滾動(dòng)優(yōu)化，即根據(jù)預(yù)測(cè)值提前控制并優(yōu)化裝置的操作；在線校正，即根據(jù)裝置的實(shí)測(cè)值實(shí)時(shí)校正模型預(yù)測(cè)值，以消除因?yàn)槟Ｐ褪洌Ｐ驼`差）對(duì)裝置控制的影響。

MPC是一種多變量高級(jí)控制技術(shù)，以先前的程序動(dòng)態(tài)行為基礎(chǔ)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)控制程序的將來行為。模型預(yù)測(cè)能計(jì)算出最佳動(dòng)作，使實(shí)際和期望程序行為間的誤差減到最小。此外，能夠計(jì)算程序最佳操作點(diǎn)，并將過程控制最優(yōu)化。圖1為MPC示意圖。

圖1 MPC示意圖Fig.1 MPC Diagram

如圖1所示，利用實(shí)際被控變量（CV）在當(dāng)前的測(cè)量值，以及操作變量（MV）和前饋?zhàn)兞浚‵V）當(dāng)前狀態(tài)，通過控制模型預(yù)測(cè)出被控變量在將來時(shí)段的變化趨勢(shì)以及偏離情況，通過控制器計(jì)算應(yīng)用到操作變量進(jìn)行合理的控制調(diào)整 （Move Plan），來抵消未來時(shí)刻被控變量的偏離。

3 再熱蒸汽汽溫控制優(yōu)化

3.1 再熱減溫水控制優(yōu)化

再熱減溫水控制優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 再熱減溫水控制優(yōu)化流程Fig.2 Optimized Flow for Control of Reheating Desuperheating Water

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)，開始階段再熱蒸汽汽溫會(huì)有一個(gè)快速增高的過程，隨后恢復(fù)正常值；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷減少時(shí)，開始階段再熱蒸汽汽溫會(huì)有一個(gè)快速下降的過程，隨后恢復(fù)正常值。這個(gè)短暫的過程需要采用輔助二次風(fēng)門來調(diào)節(jié)煙氣流量，以削弱溫度變化的峰谷現(xiàn)象。實(shí)際情況下，再熱器溫度升高，開大輔助二次風(fēng)門，再熱器溫度會(huì)降低；再熱器溫度降低，關(guān)小輔助二次風(fēng)門，再熱器溫度會(huì)減緩下降趨勢(shì)。為了穩(wěn)定控制再熱器溫度，在減溫水控制系統(tǒng)中納入了輔助二次風(fēng)門和燃燒器擺角的模糊預(yù)測(cè)控制協(xié)同控制方案。

3.2 再熱蒸汽汽溫控制優(yōu)化

采用APC和DCS傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方式可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)過程控制對(duì)具有滯后性、非線性、多變量性特征的二次風(fēng)門控制，同時(shí)保留原有的高溫再熱器微量噴水調(diào)閥的PID控制作為輔助及保護(hù)手段。高溫再熱器微量噴水調(diào)閥的PID控制設(shè)定值要高于APC設(shè)定的上限值（1.0～1.5）℃，以保證優(yōu)先使用二次風(fēng)門控制再熱蒸汽汽溫。

（1）二次風(fēng)門APC控制

二次風(fēng)門的MPC是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)階躍測(cè)試得到過程響應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)其辨識(shí)后得到再熱蒸汽汽溫的多個(gè)定常狀態(tài)模型如下：

式中，ΔYi為模型第i個(gè)被控變量當(dāng)前值與最優(yōu)控制預(yù)測(cè)值之間的差值；m為MV在控制器中的數(shù)量；gij為第j個(gè)MV與第i個(gè)CV之間的定常增益；Δuj為模型第j次當(dāng)前值與最優(yōu)控制預(yù)測(cè)值之間的差值；q為FV在控制器中的數(shù)量；gik為第k個(gè)FV與第i個(gè)CV之間的定常增益；ΔVk模型第k個(gè)FV當(dāng)前值與最優(yōu)控制預(yù)測(cè)值之間的差值。

將二次風(fēng)門總操偏置作為先進(jìn)過程控制的操作變量，將鍋爐主控指令及高溫再熱器微量噴水作為主要的前饋?zhàn)兞?，將高溫再熱器A/B側(cè)出口蒸汽溫度作為被控變量，采用區(qū)間控制方式。同時(shí)新增高溫再熱器出口平均溫度被控變量，采用設(shè)定點(diǎn)控制方式，設(shè)定值為高溫再熱器A/B側(cè)出口溫度區(qū)間控制設(shè)定的上限值，在被控區(qū)間滿足要求的情況下，盡可能抬高平均值的溫度，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。將先進(jìn)控制平臺(tái)辨識(shí)出的多個(gè)單獨(dú)的定常狀態(tài)模型進(jìn)行重新調(diào)整、組合，構(gòu)成最終的復(fù)合模型矩陣，見圖3所示。

圖3 復(fù)合模型矩陣Fig.3 Composite Model Matrix

（2）再熱蒸汽汽溫預(yù)測(cè)

利用圖3所示的模型矩陣采取二次優(yōu)化約束的控制方式對(duì)再熱蒸汽汽溫進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。約束控制模型如下:

式中，ek+1為裝置被控變量偏差向量；Δuk為控制作用向量；fk為MV偏差向量；P、Q和 R分別為CV設(shè)定值偏差、MV控制作用、MV目標(biāo)偏差權(quán)重矩陣。通過改變上述權(quán)重，控制器的求解會(huì)“偏向于”某個(gè)變量，也會(huì)改變控制器實(shí)現(xiàn)“最優(yōu)”軌跡。預(yù)測(cè)控制優(yōu)化流程框圖見圖4。

圖4 預(yù)測(cè)控制優(yōu)化流程框圖Fig.4 Optimized Flow Block Diagram for Predictive Control

3.3 DCS上預(yù)測(cè)控制器投切方式設(shè)計(jì)

APC與DCS接口邏輯及畫面組態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)APC控制器與DCS之間通訊狀態(tài)。DCS邏輯圖見圖5，投切邏輯圖見圖6。

圖5 DCS邏輯圖Fig.5 DCS Logic Diagram

圖6 投切邏輯圖Fig.6 Input and Exit Logic Diagram

采用Watchdog看門狗機(jī)制，APC控制器每個(gè)運(yùn)算周期發(fā)送0～99順序序列至DCS，并讀回。DCS側(cè)的Watchdog狀態(tài)判斷在DCS邏輯中實(shí)現(xiàn)，讀寫數(shù)據(jù)差值如果小于±0.5，則延時(shí)發(fā)送通訊故障。DCS控制邏輯自動(dòng)切除控制器以及所有的MV，并具有通訊故障以及控制器、控制回路切除報(bào)警功能，所有操作權(quán)限回歸運(yùn)行人員。

DCS主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）運(yùn)行人員可在APC的操作界面實(shí)現(xiàn)控制器的投入/切除、被控變量的投入/切除及控制區(qū)間和控制設(shè)定點(diǎn)的設(shè)定、操作變量的投入/切除及輸出上下限的設(shè)定、前饋?zhàn)兞康耐度?切除、控制狀態(tài)顯示和看門狗報(bào)警顯示等。

（2）實(shí)現(xiàn)APC控制器及各個(gè)變量的無擾投切，控制器自動(dòng)切除條件和操作變量閉鎖及切除條件的組態(tài)，保證APC運(yùn)行的安全性。

3.4 搭建AVEVA APC軟件平臺(tái)

先進(jìn)控制平臺(tái)與DCS的通訊采用標(biāo)準(zhǔn)OPC協(xié)議搭建AVEVA APC軟件平臺(tái)，基于先進(jìn)控制的開放式一體化控制平臺(tái)對(duì)二次風(fēng)門控制進(jìn)行優(yōu)化，通訊框架見圖7。

圖7 通訊框架Fig.7 Network Architecture Diagram

采用APC先進(jìn)控制的輸出作為二次風(fēng)門總操的偏置量嫁接至原有的DCS操作系統(tǒng)中，常規(guī)工況下可實(shí)現(xiàn)二次風(fēng)門對(duì)再熱汽溫的自動(dòng)控制，同時(shí)在特殊工況時(shí)，也可手動(dòng)操作二次風(fēng)門，保障機(jī)組的安全運(yùn)行。

4 取得的效果

統(tǒng)計(jì)在相同負(fù)荷段（565～610 MW）、相同工況下，模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)投用前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)。表1為再熱蒸汽汽溫控制性能的對(duì)比。由表1可以看出，模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)投用后，減溫水用量下降了91.2%，再熱器出口溫度變化標(biāo)準(zhǔn)偏差降低了49.5%，手動(dòng)干預(yù)次數(shù)下降了77.7%，再熱蒸汽汽溫的控制穩(wěn)定性有了明顯的提升。

表1 再熱蒸汽汽溫控制性能的對(duì)比Table 1 Comparison of Reheating Steam Temperature Control Performance

5 結(jié)語

國(guó)能太倉發(fā)電有限公司基于模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，結(jié)合鍋爐實(shí)際運(yùn)行方式，提出了模型預(yù)測(cè)+二次風(fēng)門控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了再熱蒸汽汽溫的優(yōu)化控制。該技術(shù)投用后，減溫水用量下降了91.2%，再熱器出口溫度變化標(biāo)準(zhǔn)偏差減少了49.5%，手動(dòng)干預(yù)次數(shù)下降了77.7%，取得了良好的控制效果，具有較強(qiáng)的適用性和推廣價(jià)值。