CN103225799B - 一种火电厂主蒸汽温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于火电厂主蒸汽温度的控制方法。该控制方法引入了DMC动态矩阵和多变量模型预测先进控制技术，其内容主要包括：基于动态矩阵的多变量温度预测控制器通过调节进入末级过热器的减温器出口蒸汽温度的设定值，控制锅炉出口过热蒸汽温度。此方法中，燃料流量、一次风流量、二次风流量、蒸汽流量作为干扰变量包含于主蒸汽温度控制模型中。这样的先进温度控制可以提高蒸汽温度控制系统的动态性能，从而缩窄过热蒸汽的温度变化幅度，使过热器在可允许的热应力区间范围和更高温度上运行，以获得更高的热效率。本发明使用的DMC-PID串级控制既能发挥DMC算法的超前预测性和强鲁棒性，又能利用串级控制很强的抗干扰能力。

Description

一种火电厂主蒸汽温度控制方法

技术领域

本发明属于火电厂控制技术领域，具体涉及为火电厂锅炉主蒸汽温度控制提供一个新方法，可以完成主蒸汽温度预测控制功能。

背景技术

随着经济的快速发展，环境污染问题日益严重，节能降耗的需求日益强烈。电力行业发展中，随着大容量火力发电机组的不断建设，提高机组运行效率和热经济性也非常迫切。在计算机技术快速发展的今天，很多先进控制技术和方法应用于锅炉的各种控制中。

目前电厂主蒸汽温度传统串级控制系统中设计有主、副两个PID控制器。由于主汽温对象具有较大的迟延和惯性，主控制器采用PID控制规律，副控制器采用PI或P控制规律，接受导前汽温信号和主控制器输出信号。当过热汽温升高时，主控制器输出减小，副控制器输出增加，减温水量增加，过热汽温下降。在主、副控制器均具有PI控制规律的情况下，主、副控制器的输入偏差均为零。因此可以认为主控制器的输出是导前汽温的给定值。

上述传统串级控制系统具有内外回路。内回路由导前汽温变送器、副控制器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主控制器及整个内回路组成。内回路相当于以主控制器输出为给定值、以导前汽温为被调量、以减温器为控制对象组成的一个单回路控制系统。因这一系统的控制对象迟延和惯性较小，所以它的控制过程是稳定的。当减温水发生扰动或减温器后的温度发生变化引起导前汽温变化时，系统能及时调整，快速稳定，减小扰动、特别是减温水扰动对过热汽温的影响；相对于内回路，外回路是一个低速回路，它的主要任务是维持主汽温等于给定值。主蒸汽温度有着复杂的动态和强耦合特性。上面所述常规的PID控制仅仅关注控制回路中单个输入输出变量之间的关系，而无法对强耦合或者次强耦合的输入输出变量之间的关系予以补偿。实际运行中，出口蒸汽温度不仅受到减温器中减温水量的影响，同时也受燃料流量，空气流量和蒸汽流量等过程量的影响。所以在回路中需要设计针对可测干扰变量的前馈控制以减少暂态响应过程中蒸汽温度的变化。

发明内容

为解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种适用于火电厂锅炉主蒸汽温度的DMC-PID控制方法。该控制方法集传统锅炉主蒸汽温度PID控制方法、预测控制、滚动优化于一体。该方法的DMC-PID控制，是将DMC控制器和副PID控制器组成一个串级控制回路。DMC控制器作为主蒸汽温度控制回路的主控制器，PID控制器作为控制回路的副PID控制器。DMC控制器的计算输出作为副PID控制器的设定值(减温器出口蒸汽温度设定值)。同时在本方法中，保留了传统主蒸汽温度控制回路，即主副控制器都是PID控制器的回路。用户可以根据实际情况，通过切换开关，选择投入传统PID控制回路，还是DMC-PID控制回路。

本发明具体采用以下技术方案。一种火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)在DMC-PID温度串级回路中，设置一切换开关，此切换开关一端连接副PID控制器，另一端连接主PID控制器或DMC温度预测控制器；

(2)通过切换开关，选择火电厂锅炉主蒸汽温度是采用DMC-PID模式还是采用传统串级PID模式进行控制，当选择串级PID模式时，副PID控制器接受主PID控制器的输出作为设定值，当选择DMC-PID模式时，副PID控制器直接接受DMC温度预测控制器的输出作为设定值；

(3)当处于DMC-PID模式时，DMC温度预测控制器从分散控制系统DCS中采集锅炉主蒸汽温度控制的相关测点数据，所述相关测点数据包括燃料流量、一次风流量、二次风流量、蒸汽流量、磨煤机启动和运行情况，这些测点数据对应主蒸汽温度的阶跃响应曲线在温度预测控制器中构成动态矩阵预测模型，通过求解动态矩阵，解析出在这些测点数据下的主蒸汽温度的预测值，并对主蒸汽温度预测值进行反馈校正，经反馈校正后的主蒸汽温度预测值，与参考轨迹值求差作为二次型目标函数进行滚动优化，计算出控制量的最优值；

(4)将DMC温度预测控制器输出控制量的最优值，作为主蒸汽温度串级控制回路中副PID控制器的设定值，即减温器出口蒸汽温度的设定值，副PID控制器的输出直接作用于减温水调节阀门控制其开度，实现减温水流量的调节，使得被调量主蒸汽温度沿着参考轨迹到达设定值曲线，从而实现最优控制。

本发明具有以下技术效果：采用DMC-PID方法控制后，可以减小蒸汽温度的波动幅度，提高调节品质，蒸汽温度的设定值可以设定在相对较高的范围，从而提高进入汽轮机的初参数。这样，在同样蒸汽负荷下实现增加汽轮机的做功，获得了更高的循环效率。

附图说明

图1所示为火电厂锅炉主蒸汽温度传统控制方法示意图；

图2所示为本发明火电厂锅炉主蒸汽温度控制系统结构示意图；

图3所示为本发明火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法中DMC预测流程示意图；

图4所示为本发明的火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。图1中所示为发电厂锅炉主蒸汽温度传统控制方法流程示意图，图中串级控制系统具有内外回路。内回路由导前汽温变送器、副控制器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主控制器及整个内回路组成。内回路相当于以主控制器输出为给定值、以导前汽温为被调量、以减温器为控制对象组成的一个单回路控制系统。因这一系统的控制对象迟延和惯性较小，所以它的控制过程是稳定的。当减温水发生扰动或减温器后的温度发生变化引起导前汽温变化时，系统能及时调整，快速稳定，减小扰动、特别是减温水扰动对过热汽温的影响；相对于内回路，外回路是一个低速回路，它的主要任务是维持主汽温等于给定值。

图2所示为本发明火电厂锅炉主蒸汽温度预测控制系统结构示意图。

主蒸汽温度有着复杂的动态和强耦合特性。图1所述传统PID控制仅仅关注控制回路中单个输入输出变量之间的关系，而无法对强耦合或者次强耦合的输入输出变量之间的关系予以补偿。而实际运行中，出口蒸汽温度不仅受到减温器中减温水量的影响，同时也受燃料流量，空气流量和蒸汽流量的影响。

温度预测控制串级回路中，预测控制器为主控制器，PID控制器为副控制器。被调变量为主蒸汽温度，同时燃料流量、一次风流量、二次风流量和蒸汽流量作为扰动变量引入到温度预测控制器中。多变量预测控制器的计算结果作为副PID控制器的设定值，副PID控制器直接控制减温水阀门开度，实现对主蒸汽温度的优化调节。

系统工作原理：当扰动(减温水流量)发生在副回路内,例如减温水流量发生自发性波动引起减温器出口汽温变化时，由于有副回路存在,而且导前区惯性很小,副控制器能及时动作,快速消除扰动；当扰动发生在副回路以外时,如负荷变化引起过热汽温变化,由动态矩阵模型预测出被调量测量值,通过预测控制器改变其输出校正信号,由副调节回路去改变减温水流量，克服扰动影响。

预测控制系统结构：系统以预测模型为基础，采用在线滚动优化指标和反馈自校正策略，力求有效地克服受控对象的不确定性、迟滞和时变等因素的动态影响，从而达到预期的控制目标：被调量到达参考轨迹，并使系统有良好的鲁棒性和稳定性。

如图3所示为本发明火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法中DMC-PID预测流程示意图。

当控制器运行在DMC-PID模式时，DMC预测模型从分散控制系统DCS中采集锅炉主蒸汽温度控制的相关测点数据，包括燃料流量、一次风流量、二次风流量、蒸汽流量、磨煤机启动和运行情况。这些测点数据对应主蒸汽温度的阶跃响应曲线在预测控制器中构成动态矩阵预测模型，通过实时求解动态矩阵，解析出在这些输入数据下，主蒸汽温度的预测值Y_m(k)。由于随机干扰和存在有建模误差等原因，初始预测值和系统实际输出间必然有误差，这里利用偏差e(k)对预测值Y_m(k)进行修正后得到最终预测值Y_P(k)。

根据受控对象主蒸汽温度的阶跃响应特性，建模长度为N的主蒸汽温度多变量预测模型矢量式写为：

Y_m(k)＝Y₀(k)+A△U(k)

式中：Y_m(k)＝[y_m(k+1|k)y_m(k+2|k)…y_m(k+N)|k)]^T,主蒸汽温度预测值

N是建模长度，T是采样周期

y_m(k+1|k)是指在k时刻，预测的k+1时刻的主蒸汽温度值，其他类推。

Y₀(k)＝[y₀(k+1|k)y₀(k+2|k)…y₀(k+N)|k)]^T，主蒸汽温度初始预测值

y₀(k+1|k)是指在k时刻，算出的k+1时刻主蒸汽温度初始预测值,其他类推

△U(k)＝[△u(k)△u(k+1)…△u(k+N-1)]^T，控制增量序列矢量(减温器出口温度设定值)

△u(k+1)，是k+1时刻的控制增量(减温器出口温度设定值)，其他的类推

A，动态系数矩阵，是来自燃料流量、一次风流量、二次风流量对主蒸汽温度的阶跃曲线。

当控制增量(减温器出口蒸汽温度设定值)序列有效长度为L,建模时域仍为N,L<N时,主蒸汽温度预测值为：

Y_m(k)＝Y₀(k)+A△U_L(k)

式中有效长度L下的控制增量值△U_L(k)(减温器出口温度设定值)为：

△U_L(k)＝[△u(k)△u(k+1)…△u(k+L-1)0…0]^T

△u(k+1)，是k+1时刻的控制增量值(减温器出口温度设定值)，其他的类推

T是采样周期

被调量主蒸汽是运行在在弱非线性、模型失配、常数时变、环境干扰等工况下,因此主蒸汽温度测量值与模型输出不能完全一致。为此,需对主蒸汽温度预测值进行反馈校正。此方法中利用偏差e(k)对预测值Y_m(k)进行修正后得到主蒸汽温度最终预测值Y_P(k)。设k+1时刻的输出误差为：e(k+1)＝y(k+1)-y_p(k+1|k)，其中y(k+1)是指主蒸汽温度测量值，y_p(k+1|k)是指从k时刻开始，k+1时刻主蒸汽温度预测值。利用e(k+1)取N维的校正矢量C＝[c1c2…]^T对Ym(k)进行修正得到主蒸汽温度的最终预测值：

Y_P(K+1)＝Y_m(K)+Ce(K+1)

DMC控制的目的是使主蒸汽温度测量值y(k)按一条给定的参考轨迹Y_d(k)逐渐到达主蒸汽温度设定值s，此算法中参考轨迹Y_d(k)从k采样时刻开始的未来i个采样时刻值，采用从当前时刻主蒸汽温度实际输出值y(k)为起始的一阶指数变化形式进行描述：

Y_d(k+i)＝y(k)+[s-y(k)](1-e_-iT/τ)(i＝1,2,…)

式中：   Y_d(k+i)------k+i时刻的主蒸汽温度的参考轨迹

T------采样周期

τ------参考轨迹的时间常数

s--------主蒸汽温度设定值

经反馈校正后的主蒸汽温度预测值Y_P(k)，与参考轨迹值Y_d(k)求差作为二次型目标函数进行优化，再计算出控制量的被优值。

对于主蒸汽温度参考轨迹Y_d(k)和预测模型输出(主蒸汽温度)Y_P(k)的系统二次型滚动优化目标函数写成：

$\min J\left(k\right)={\left|\right|Y_d\left(k\right)-Y_p\left(k\right)\left|\right|}_Q^2+{\left|\right|{\mathrm{\&Delta;U}}_L\left(k\right)\left|\right|}_R^2$

式中：

J(k)-------优化目标函数

Y_d(k)--------主蒸汽温度参考轨迹值

Yp(k)--------主蒸汽温度预测值

△U_L(k)------有效长度L下的控制增量值(减温器出口温度设定值)

Q--------权系数构成的误差权矩阵R--------权系数构成的控制权矩阵

此时有效长度L下的控制增量值(减温器出口温度设定值)为：

△U_L(k)＝[△u(k)△(k+1)…△u(k+L-1)]^T

推导可得控制增量(减温器出口蒸汽温度设定值)序列的最优值为：

△U(k)＝G[Y_d(k)-Y₀(k)]，式中：G为动态控制矩阵

Y_d(k)--------主蒸汽温度参考轨迹值

Y_p(k)--------主蒸汽温度预测值

最优控制量△U(k)，作为主蒸汽温度串级控制回路中副PID控制器的设定值，即减温器出口蒸汽温度的设定值。副PID控制器的输出直接作用于两侧减温水调节阀门控制其开度，实现减温水流量的调节，从而达到控制主蒸汽温度的目的。此控制量△U(k)使得被调量主蒸汽温度沿着一条期望的参考轨迹到达设定值曲线，从而实现最优控制。

如图4所示为火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法流程示意图。

本发明公布的一种火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法，包括以下内容步骤：

(1)在DMC-PID温度串级回路中，设置一切换开关，此切换开关一端连接副PID控制器，另一端连接主PID控制器或温度预测控制器；

(2)通过切换开关，选择火电厂锅炉主蒸汽温度是采用DMC-PID模式还是采用传统串级PID模式进行控制，当选择传统串级PID模式时，副PID控制器接受主PID控制器的输出作为设定值，当选择DMC-PID模式时，副PID控制器直接接受温度预测控制器(DMC)的输出作为设定值；

(3)当处于DMC-PID模式时，温度预测控制器从分散控制系统DCS中采集锅炉主蒸汽温度控制的相关测点数据，所述相关测点数据包括燃料流量、一次风流量、二次风流量、蒸汽流量、磨煤机启动和运行情况，

这些测点数据对应主汽温度的阶跃响应曲线在温度预测控制器中构成多变量动态矩阵预测模型，通过实时求解动态矩阵，解析出在这些输入数据下的主蒸汽温度的预测值，并对主蒸汽温度预测值进行反馈校正，经反馈校正后的主蒸汽温度预测值，与参考轨迹值求差作为二次型目标函数进行滚动优化，计算出控制量的最优值。

(4)将DMC温度预测控制器输出的控制量最优值，作为主蒸汽温度串级控制回路中副PID控制器的设定值，即减温器出口蒸汽温度的设定值，副PID控制器的输出直接作用于减温水调节门控制其开度，实现减温水流量的调节，使得被调量主蒸汽温度沿着参考轨迹到达设定值曲线，从而实现最优控制。

在示意图中，最上面一层为上位监控层：温度预测控制站上运行预测控制软件包(温度预测控制器)，从DCS网络实时读取数据进行在线计算，计算出优化结果后，发送到DCS的控制器逻辑中，实现在线控制。用户可以根据现场运行情况决定使用DMC-PID控制模式和传统PID控制器模式，模式选择通过切换开关实现。

Claims (1)

1.一种火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)在DMC-PID温度串级回路中，设置一切换开关，此切换开关一端连接副PID控制器，另一端连接主PID控制器或DMC温度预测控制器；

(2)通过切换开关，选择火电厂锅炉主蒸汽温度是采用DMC-PID模式还是采用传统串级PID模式进行控制，当选择串级PID模式时，副PID控制器接受主PID控制器的输出作为设定值，当选择DMC-PID模式时，副PID控制器直接接受DMC温度预测控制器的输出作为设定值；

(3)当处于DMC-PID模式时，DMC温度预测控制器从分散控制系统DCS中采集锅炉主蒸汽温度控制的相关测点数据，所述相关测点数据包括燃料流量、一次风流量、二次风流量、蒸汽流量、磨煤机启动和运行情况，这些测点数据对应主蒸汽温度的阶跃响应曲线在DMC温度预测控制器中构成动态矩阵预测模型，

通过实时求解动态矩阵，解析出在这些输入数据下，主蒸汽温度的预测值Y_m(k)，利用偏差e(k)对预测值Y_m(k)进行修正后得到最终预测值Y_P(k)，即经反馈校正后的主蒸汽温度预测值Y_P(k)，将其与主蒸汽温度参考轨迹值Y_d(k)求差作为优化目标函数进行优化，再计算出控制量的最优值，

对于主蒸汽温度参考轨迹值Y_d(k)和最终预测值Y_P(k)的优化目标函数写成：

$\min J\left(k\right)={\left|\right|Y_d\left(k\right)-Y_p\left(k\right)\left|\right|}_Q^2+{\left|\right|{\mathrm{\&Delta;U}}_L\left(k\right)\left|\right|}_R^2$

式中：

J(k)-------优化目标函数

Y_d(k)--------主蒸汽温度参考轨迹值

Yp(k)--------主蒸汽温度预测值

△U_L(k)------有效长度L下的控制增量值k------表示k时刻

Q--------权系数构成的误差权矩阵

R--------权系数构成的控制权矩阵

此时有效长度L下的控制增量值为：

△U_L(k)＝[△u(k) △(k+1)…△u(k+L-1)]^T

控制增量值的最优值，也称为最优控制量为：

△U(k)＝G[Y_d(k)-Y₀(k)]，式中：G为动态控制矩阵

Y_d(k)--------主蒸汽温度参考轨迹值

Y₀(k)--------主蒸汽温度初始预测值

Y_p(k)--------主蒸汽温度预测值

最优控制量△U(k)，作为主蒸汽温度串级控制回路中副PID控制器的设定值，即减温器出口蒸汽温度的设定值；

(4)将DMC温度预测控制器输出控制量的最优值，作为主蒸汽温度串级控制回路中副PID控制器的设定值，即减温器出口蒸汽温度的设定值，副PID控制器的输出直接作用于减温水调节阀门控制其开度，实现减温水流量的调节，使得被调量主蒸汽温度沿着参考轨迹到达设定值曲线，从而实现最优控制。