CN104914735B - 风机解耦控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风机解耦控制方法及装置，该方法包括：对风烟系统进行建模得到风烟系统的第一特性和第二特性，其中风烟系统不具有旁路烟道，第一特性是风烟系统中的引风机、送风机和增压风机对炉膛负压的特性，第二特性是引风机、送风机和增压风机对增压风机入口压力的特性；基于第一特性和第二特性设计前馈控制器；利用第一特性、第二特性和前馈控制器进行风烟系统仿真，根据仿真结果调整前馈控制器参数；在将前馈控制器和调整后的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统，且DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，根据试验结果进一步调整控制策略和前馈控制器参数。彻底消除了三大风机的耦合，确保机组安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及风机技术领域，尤其涉及一种风机解耦控制方法及装置。
背景技术
随着环保部“十二五”减排要求实施细化，要求对燃煤电厂脱硫系统的旁路烟道实施彻底封堵。脱硫旁路烟道实际上是构成主机和脱硫岛运行的一个重要通道，当原脱硫系统带有旁路烟道的时候，在大幅变负荷和极端故障情况下可以通过开启旁路烟道维持主机部分的正常运行，实现脱硫岛和主机运行上的解耦，最大程度减少脱硫岛故障对主机的影响。脱硫旁路烟道封堵后，脱硫装置和主机组成为串联的系统，由于送风机、引风机、增压风机三大风机的耦合极其严重，对主机安全运行很重要的炉膛负压若按原控制方案仅依靠主机的送风机、引风机两者的解耦易引起炉膛负压的大幅波动，甚至控制发散导致炉膛负压过高或过低而触发锅炉主燃料跳闸(Main Fuel Trip，简称为MFT)动作(即锅炉灭火)，炉膛负压的控制品质很大程度取决于对送风机、引风机、增压风机构成的大风烟系统的整体性解耦控制。
引风机调节挡板调节锅炉炉膛负压，增压风机调节挡板调节增压风机入口压力。由于引风机和增压风机是串联运行的，它们之间往往互相影响，同时送风机的运行决定了机组的总风量，即决定了机组的烟气流量，因此送风机的动叶开度对引风机和增压风机的运行也会产生较大的影响。三种风机的运行存在严重的耦合。
在正常运行中，通过引风机自动调节和增压风机的自动调节能够维持炉膛负压和增压风机入口压力的稳定。但在锅炉大负荷运行情况下，锅炉的单台引风机突然跳闸，这时同侧的送风机会连锁跳闸，从而引发机组的快速减负荷(RunBack，简称为RB)动作。单侧风机跳闸后，增压风机入口烟气流量突然降低，增压风机不能接收到RB信号，调节滞后，增压风机入口压力(即引风机出口压力)会突然降低。引风机出口压力降低后，引风机的出力增大，炉膛压力会降低，这时引风机会自动控制挡板进一步关小，从而增压风机入口烟气量进一步减小，形成恶性循环，严重时会引起引风机失速，增大了机组运行的不稳定性。在脱硫旁路烟道封堵前，旁路会自动连锁打开，从而消除增压风机入口压力的突然变化。但旁路取消后，炉膛负压的剧烈波动会引起增压风机入口压力的剧烈波动，更进一步恶化炉膛负压的波动。因此优化前的风烟系统的自动调节完全不能适应脱硫旁路烟道封堵后机组在不同工况下的运行需要。
在整个炉膛至脱硫烟道中，当机组运行工况发生改变时，增压风机入口压力变化最大，其次是炉膛压力和脱硫装置入口压力。电厂增压风机入口压力的调节相对较慢，当机组变负荷或发生送风机、引风机或一侧风机跳闸触发风烟系统风机RB动作，两台引风机的出力瞬间作用到一台增压风机上，原有的常规的增压风机入口压力控制方案往往调整不及时，会造成增压风机跳闸或者进一步影响到炉膛负压导致锅炉MFT动作。因此整体大风烟系统的精确解耦设计是确保机组正常和极端工况下的安全稳定运行的重点。
目前，送风机、引风机和增压风机构成的大风烟系统的解耦控制方案如下：
单纯采用引风机动叶(或静叶)控制炉膛负压、送风机动叶控制锅炉总风量、增压风机主要通过调节动叶开度来克服脱硫系统的阻力，维持增压风机入口到引风机出口烟道的压力。三种风机相互之间的耦合采用以下方式：(1)送风机动叶开度值的折线函数作为前馈给引风机；(2)引风机挡板开度值或机组负荷值的折线函数作为调节前馈给增压风机；从而起到提升响应快速性的作用。
上述方案存在如下缺点：
增压风机入口压力，相对于其他压力控制对象(如炉膛负压、一次风压)，从准确测量到分布式控制系统(Distributed Control System，简称为DCS)参与运算，本身就具有一定的延时性。当机组工况改变时，大幅升降负荷或煤质有较大变动需要调整风量时，往往送风机、燃料、引风机均需进行调节维持炉膛压力和增压风机入口的稳定，此时炉膛压力和增压风机入口压力必须控制在固定的范围内(一般为-800～600Pa)，在调整过程中，每次引风机导叶有调整时都会导致增压风机入口压力有较大的变化。在增压风机动叶不作调整的情况下，引风机出口导叶开度越大，增压风机入口压力就越高；引风机出口导叶开度越小，增压风机入口压力就越低。虽然增压风机入口压力与引风机导叶开度有直接关系，但从动态特性上分析，两者具有惯性和迟延参数相差较大，单纯靠经验简单采用引风机挡板开度值或机组负荷值的折线函数作为调节前馈的方式来提高增压风机响应快速性时，由于未深入考虑三大风机相互作用的耦合关系，从而增加了响应的不稳定性。采用上述方案在机组常规运行尚可，但在机组运行工况恶劣的情况下无法满足对安全稳定的要求。例如，脱硫旁路烟道封堵后，某电厂机组大修后的风机RB试验就发生了试验过程中增压风机入口压力控制不稳(大于1200Pa)，导致增压风机跳闸。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种风机解耦控制方法及装置，以至少解决风烟系统的送风机、引风机和增压风机之间存在耦合，导致在机组运行工况恶劣的情况下无法满足安全稳定要求的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种风机解耦控制方法，包括：对风烟系统进行建模，得到所述风烟系统的第一特性和第二特性，其中，所述风烟系统不具有旁路烟道，所述第一特性是所述风烟系统中的引风机、送风机和增压风机对炉膛负压的特性，所述第二特性是所述引风机、所述送风机和所述增压风机对增压风机入口压力的特性；基于所述第一特性和所述第二特性，设计所述引风机、所述送风机和所述增压风机之间的前馈控制器；利用所述第一特性、所述第二特性和所述前馈控制器进行风烟系统的仿真，并根据仿真结果调整所述前馈控制器的参数；在将所述前馈控制器和调整后的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统，且所述DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，验证所述风烟系统的控制性能，并根据试验结果进一步调整控制策略和所述前馈控制器的参数，以满足机组在不同工况下的运行要求。
在一个实施例中，对风烟系统进行建模，得到所述风烟系统的第一特性和第二特性，包括：将所述引风机的调节机构、所述送风机的调节机构和所述增压风机的调节机构全部置于手动位置；在预设负荷段中的每个负荷段下，均进行引风机扰动试验、送风机动叶扰动试验以及增压风机动叶扰动试验，并记录试验数据；其中，所述引风机扰动试验包括：引风机静叶扰动试验或引风机动叶扰动试验；所述试验数据包括：负荷、各风机开度、炉膛负压、总风量、增压风机入口压力；将所述试验数据导入仿真建模软件中，进行最小二乘拟合得到所述风烟系统的所述第一特性和所述第二特性。
在一个实施例中，
所述第一特性为：F(s)＝FIDF(s)·UIDF(s)+FFDF(s)·UFDF(s)+FBF(s)·UBF(s)；
所述第二特性为：P(s)＝PIDF(s)·UIDF(s)+PFDF(s)·UFDF(s)+PBF(s)·UBF(s)；
其中，所述第一特性的表达式和所述第二特性的表达式均为时域过程的拉氏变换；F(s)表示炉膛负压；P(s)表示增压风机入口压力；UIDF(s)表示引风机静叶或动叶的实际开度扰动值；UFDF(s)表示送风机动叶的实际开度扰动值；UBF(s)表示增压风机动叶的实际开度扰动值；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FBF(s)表示增压风机动叶对炉膛负压的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数。
在一个实施例中，所述前馈控制器包括：
FFF(IDF-FDF)(s)＝-FFDF(s)/FIDF(s)；
PFF(BF-FDF)(s)＝-PFDF(s)/-PBF(s)；
PFF(BF-IDF)(s)＝-PIDF(s)/-PBF(s)；
其中，FFF(IDF-FDF)(s)表示送风机动叶对引风机静叶或动叶的前馈控制器；PFF(BF-FDF)(s)表示送风机动叶对增压风机动叶的前馈控制器；PFF(BF-IDF)(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机动叶的前馈控制器；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数。
在一个实施例中，在所述DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，包括：在所述DCS系统稳定后，在所述预设负荷段中的每个负荷段下，均进行炉膛负压闭环定值扰动试验、总风量闭环定值扰动试验和增压风机入口压力闭环定值扰动试验。
根据本发明的另一个方面，提供了一种风机解耦控制装置，包括：建模单元，用于对风烟系统进行建模，得到所述风烟系统的第一特性和第二特性，其中，所述风烟系统不具有旁路烟道，所述第一特性是所述风烟系统中的引风机、送风机和增压风机对炉膛负压的特性，所述第二特性是所述引风机、所述送风机和所述增压风机对增压风机入口压力的特性；前馈控制器设计单元，用于基于所述第一特性和所述第二特性，设计所述引风机、所述送风机和所述增压风机之间的前馈控制器；仿真及参数调整单元，用于利用所述第一特性、所述第二特性和所述前馈控制器进行风烟系统的仿真，并根据仿真结果调整所述前馈控制器的参数；试验及调整单元，用于在将所述前馈控制器和调整后的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统，且所述DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，验证所述风烟系统的控制性能，并根据试验结果进一步调整控制策略和所述前馈控制器的参数，以满足机组在不同工况下的运行要求。
在一个实施例中，所述建模单元包括：试验模块，用于在所述引风机的调节机构、所述送风机的调节机构和所述增压风机的调节机构全部置于手动位置之后，在预设负荷段中的每个负荷段下，均进行引风机扰动试验、送风机动叶扰动试验以及增压风机动叶扰动试验，其中，所述引风机扰动试验包括：引风机静叶扰动试验或引风机动叶扰动试验；数据记录模块，用于记录试验数据，其中，所述试验数据包括：负荷、各风机开度、炉膛负压、总风量、增压风机入口压力；建模模块，用于将所述试验数据导入仿真建模软件中，进行最小二乘拟合得到所述风烟系统的所述第一特性和所述第二特性。
在一个实施例中，
所述第一特性为：F(s)＝FIDF(s)·UIDF(s)+FFDF(s)·UFDF(s)+FBF(s)·UBF(s)；
所述第二特性为：P(s)＝PIDF(s)·UIDF(s)+PFDF(s)·UFDF(s)+PBF(s)·UBF(s)；
其中，所述第一特性的表达式和所述第二特性的表达式均为时域过程的拉氏变换；F(s)表示炉膛负压；P(s)表示增压风机入口压力；UIDF(s)表示引风机静叶或动叶的实际开度扰动值；UFDF(s)表示送风机动叶的实际开度扰动值；UBF(s)表示增压风机动叶的实际开度扰动值；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FBF(s)表示增压风机动叶对炉膛负压的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数。
在一个实施例中，所述前馈控制器包括：
FFF(IDF-FDF)(s)＝-FFDF(s)/FIDF(s)；
PFF(BF-FDF)(s)＝-PFDF(s)/-PBF(s)；
PFF(BF-IDF)(s)＝-PIDF(s)/-PBF(s)；
其中，FFF(IDF-FDF)(s)表示送风机动叶对引风机静叶或动叶的前馈控制器；PFF(BF-FDF)(s)表示送风机动叶对增压风机动叶的前馈控制器；PFF(BF-IDF)(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机动叶的前馈控制器；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数。
在一个实施例中，所述试验及调整单元，具体用于在所述DCS系统稳定后，在所述预设负荷段中的每个负荷段下，均进行炉膛负压闭环定值扰动试验、总风量闭环定值扰动试验和增压风机入口压力闭环定值扰动试验。
通过本发明的风机解耦控制方法及装置，风烟系统的脱硫旁路烟道封堵后，在机组整体风烟系统结构和特性均发生了较大变化的情况下，获取整体风烟系统模型，基于模型设计前馈控制器，通过试验调整参数，彻底消除了三大风机(引风机、送风机和增压风机)的耦合，避免了由于风机耦合导致控制失控增加机组安全稳定运行的风险，全力提高了风烟系统的整体控制品质，避免机组非停的产生，确保了优化后的热控系统仍能在正常带负荷工况下和机组风烟系统重大辅机故障的极端工况下保持机组的安全稳定运行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是本发明实施例的风烟系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的风机解耦控制方法的流程图；
图3是本发明实施例的风机解耦控制装置的结构框图；
图4是本发明实施例的370MW增压风机动叶5％开度扰动试验数据及趋势图；
图5是本发明实施例的370MW引风机静叶5％开度扰动试验数据及趋势图；
图6是本发明实施例的530MW增压风机动叶5％开度扰动试验数据及趋势图；
图7是本发明实施例的530MW下引风机静叶8％开度扰动试验数据及趋势图；
图8是本发明实施例的送风量扰动对增压风机入口压力特性试验数据及趋势图；
图9是本发明实施例的风烟系统仿真的部分截图；
图10是本发明实施例的炉膛负压设定值扰动试验数据及趋势图；
图11是本发明实施例的大负荷扰动下风烟系统自动控制性能测试图；
图12是本发明实施例的MATLAB仿真模拟的送引RB试验图；
图13是本发明实施例的机组实际送引RB试验数据及趋势图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种风机解耦控制方法，该方法可以应用于风烟系统中的引风机、送风机和增压风机的解耦。图1是本发明实施例的风烟系统的结构示意图，如图1所示，封堵旁路烟道，即本发明实施例中涉及的风烟系统不具有旁路烟道，送风机A和送风机B的运行决定了机组的总风量，通过调节引风机A和引风机B的挡板可以调节锅炉炉膛负压，通过调节增压风机的挡板可以调节增压风机入口压力。引风机和增压风机串联运行，三种风机的运行存在耦合关系。
图2是本发明实施例的风机解耦控制方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S201，对风烟系统进行建模，得到风烟系统的第一特性和第二特性，其中，风烟系统不具有旁路烟道，第一特性是风烟系统中的引风机、送风机和增压风机对炉膛负压的特性，第二特性是引风机、送风机和增压风机对增压风机入口压力的特性。
步骤S202，基于上述第一特性和第二特性，设计引风机、送风机和增压风机之间的前馈控制器。
步骤S203，利用第一特性、第二特性和前馈控制器进行风烟系统的仿真，并根据仿真结果调整前馈控制器的参数。
步骤S204，在将前馈控制器和调整后的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统，且DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，验证风烟系统的控制性能，并根据试验结果进一步调整控制策略和前馈控制器的参数，以满足机组在不同工况下的运行要求。
通过上述风机解耦控制方法，风烟系统的脱硫旁路烟道封堵后，在机组整体风烟系统结构和特性均发生了较大变化的情况下，获取整体风烟系统模型，基于模型设计前馈控制器，通过试验调整参数，彻底消除了三大风机(引风机、送风机和增压风机)的耦合，避免了由于风机耦合导致控制失控增加机组安全稳定运行的风险，全力提高了风烟系统的整体控制品质，避免机组非停的产生，确保了优化后的热控系统仍能在正常带负荷工况下和机组风烟系统重大辅机故障的极端工况下保持机组的安全稳定运行。
对于不同电厂的机组，均需要根据实际情况进行上述步骤实施。
在一个实施例中，可以通过以下步骤实现对风烟系统的整体建模，得到风烟系统的动态特性模型(或者称为动态特性)：
(1)将引风机的调节机构、送风机的调节机构和增压风机的调节机构全部置于手动位置。
(2)在预设负荷段中的每个负荷段下，均进行引风机扰动试验、送风机动叶扰动试验以及增压风机动叶扰动试验，并记录试验数据。其中，引风机扰动试验可以包括：引风机静叶扰动试验或引风机动叶扰动试验；试验数据可以包括：负荷、各风机开度、炉膛负压、总风量、增压风机入口压力。
需要说明的是，在引风机出口压力不高时，引风机使用静叶；随着引风机出口压力变高，需要使用动叶，因此，在扰动试验中，引风机扰动试验可以是静叶扰动试验，或者是动叶扰动试验。
预设的负荷段可以是多个，例如，300-400MW，500-600MW等。例如，结合图1所示的风烟系统，在每个负荷段下，都依次进行如下扰动试验：
引风机静叶(或动叶)扰动试验：保持送风机、增压风机开度不变，A/B侧引风机静叶(或动叶)开度扰动5％；
送风机动叶扰动试验：保持引风机、增压风机开度不变，A/B侧送风机动叶开度扰动5％；
增压风机动叶扰动试验：保持送风机、引风机开度不变，增压风机动叶开度扰动5％。
(3)将试验数据导入仿真建模软件中，进行最小二乘拟合得到风烟系统的第一特性和第二特性。该仿真建模软件可以是MATLAB，将上述实际试验数据导入到MATLAB中进行最小二乘拟合，得到适用于静态和动态不同工况的风烟系统模型。
在一个实施例中，第一特性可以用式(1)描述：
F(s)＝FIDF(s)·UIDF(s)+FFDF(s)·UFDF(s)+FBF(s)·UBF(s) (1)
第二特性可以用式(2)描述：
P(s)＝PIDF(s)·UIDF(s)+PFDF(s)·UFDF(s)+PBF(s)·UBF(s) (2)
第一特性的表达式和第二特性的表达式均为时域过程的拉氏变换。在式(1)和式(2)中，F(s)表示炉膛负压；P(s)表示增压风机入口压力；UIDF(s)表示引风机静叶或动叶的实际开度扰动值；UFDF(s)表示送风机动叶的实际开度扰动值；UBF(s)表示增压风机动叶的实际开度扰动值；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FBF(s)表示增压风机动叶对炉膛负压的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数。IDF为Induced Draft Fan的缩写，意思为引风机；FDF为Forced Draft Fan的缩写，意思为送风机；BF为Boost Fan的缩写，意思为增压风机。
动态特性模型的结构和参数不仅表征了送风机、引风机、增压风机对于炉膛负压和增压风机入口压力同时存在严重的耦合关系，而且明确区分了不同负荷的工况下特性参数本身的差异。可以通过精确的模型参数对耦合关系进行定量表述，采用经典解耦理论中耦合函数的逆表达，可实现控制上的解耦；可采用在不同负荷下的风机静叶(或动叶)PID(比例积分微分，Proportion Integration Differentiation)的变参数设置消除不同工况下风烟系统动态特性参数变化对控制效果的影响。
根据自动控制理论中的系统不变性原理消除系统的关联，采用前馈补偿原理设计前馈解耦控制器。系统不变性原理指的是实际的控制系统都会受到外部扰动的影响，如果这种扰动能够被测量出来，就可能利用扰动产生控制作用，以消除其对输出的影响。
引风机、送风机和增压风机之间的前馈控制器可以包括：送风机动叶对引风机静叶或动叶的前馈控制器；送风机动叶对增压风机动叶的前馈控制器；引风机静叶或动叶对增压风机动叶的前馈控制器。前馈控制器可以用式(3)至(5)描述，均为时域过程的拉氏变换。
FFF(IDF-FDF)(s)＝-FFDF(s)/FIDF(s) (3)
PFF(BF-FDF)(s)＝-PFDF(s)/-PBF(s) (4)
PFF(BF-IDF)(s)＝-PIDF(s)/-PBF(s) (5)
其中，FFF(IDF-FDF)(s)表示送风机动叶对引风机静叶或动叶的前馈控制器；PFF(BF-FDF)(s)表示送风机动叶对增压风机动叶的前馈控制器；PFF(BF-IDF)(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机动叶的前馈控制器；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数。
步骤S203中的仿真和优化参数可以通过MATLAB实现，利用上述所有动态特性和前馈控制器在MATLAB的simulink搭建三种风机的整体风烟系统模型，并进行仿真，根据仿真结果按照实际风烟系统的衰减率、准确性等要求进一步对PID参数和前馈参数进行优化。
采用DCS现有的功能块进行组态，搭建控制逻辑，并设置相关参数，实现在MATLAB中仿真验证和优化后整体控制策略，从而完成上述控制策略的DCS实施工作。DCS组态实施完成后，可投入上述风机的自动控制。由于前期已进行了充分的仿真和优化，一般参数都比较适合，待DCS系统稳定后可进行实际定值扰动试验和变负荷试验：在预设负荷段中的每个负荷段下，均进行炉膛负压闭环定值扰动试验、总风量闭环定值扰动试验和增压风机入口压力闭环定值扰动试验，以验证整体风烟系统解耦设计和控制优化的实际控制效果。本实施例中的预设负荷段与建模使用的负荷段相同，例如，300-400MW，500-600MW等。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种风机解耦控制装置，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例所述。由于风机解耦控制装置解决问题的原理与风机解耦控制方法相似，因此该装置的实施可以参见风机解耦控制方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图3是本发明实施例的风机解耦控制装置的结构框图，如图3所示，该风机解耦控制装置包括：建模单元31、前馈控制器设计单元32、仿真及参数调整单元33和试验及调整单元34。下面对该结构进行具体说明。
建模单元31，用于对风烟系统进行建模，得到风烟系统的第一特性和第二特性，其中，风烟系统不具有旁路烟道，第一特性是风烟系统中的引风机、送风机和增压风机对炉膛负压的特性，第二特性是引风机、送风机和增压风机对增压风机入口压力的特性。
前馈控制器设计单元32，用于基于第一特性和第二特性，设计引风机、送风机和增压风机之间的前馈控制器。
仿真及参数调整单元33，用于利用第一特性、第二特性和前馈控制器进行风烟系统的仿真，并根据仿真结果调整前馈控制器的参数。
试验及调整单元34，用于在将前馈控制器和调整后的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统，且DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，验证风烟系统的控制性能，并根据试验结果进一步调整控制策略和前馈控制器的参数，以满足机组在不同工况下的运行要求。
通过上述风机解耦控制装置，风烟系统的脱硫旁路烟道封堵后，在机组整体风烟系统结构和特性均发生了较大变化的情况下，获取整体风烟系统模型，基于模型设计前馈控制器，通过试验调整参数，彻底消除了三大风机(引风机、送风机和增压风机)的耦合，避免了由于风机耦合导致控制失控增加机组安全稳定运行的风险，全力提高了风烟系统的整体控制品质，避免机组非停的产生，确保了优化后的热控系统仍能在正常带负荷工况下和机组风烟系统重大辅机故障的极端工况下保持机组的安全稳定运行。
在一个实施例中，建模单元31可以包括：试验模块、数据记录模块和建模模块。
试验模块，用于在引风机的调节机构、送风机的调节机构和增压风机的调节机构全部置于手动位置之后，在预设负荷段中的每个负荷段下，均进行引风机扰动试验、送风机动叶扰动试验以及增压风机动叶扰动试验，其中，引风机扰动试验可以包括：引风机静叶扰动试验或引风机动叶扰动试验；
数据记录模块，用于记录试验数据，其中，试验数据可以包括：负荷、各风机开度、炉膛负压、总风量、增压风机入口压力；
建模模块，用于将试验数据导入仿真建模软件中，进行最小二乘拟合得到风烟系统的第一特性和第二特性。
在一个实施例中，第一特性可以为：
F(s)＝FIDF(s)·UIDF(s)+FFDF(s)·UFDF(s)+FBF(s)·UBF(s)；
第二特性可以为：
P(s)＝PIDF(s)·UIDF(s)+PFDF(s)·UFDF(s)+PBF(s)·UBF(s)；
其中，第一特性的表达式和第二特性的表达式均为时域过程的拉氏变换；F(s)表示炉膛负压；P(s)表示增压风机入口压力；UIDF(s)表示引风机静叶或动叶的实际开度扰动值；UFDF(s)表示送风机动叶的实际开度扰动值；UBF(s)表示增压风机动叶的实际开度扰动值；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FBF(s)表示增压风机动叶对炉膛负压的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数。
在一个实施例中，前馈控制器可以包括：
FFF(IDF-FDF)(s)＝-FFDF(s)/FIDF(s)；
PFF(BF-FDF)(s)＝-PFDF(s)/-PBF(s)；
PFF(BF-IDF)(s)＝-PIDF(s)/-PBF(s)；
其中，FFF(IDF-FDF)(s)表示送风机动叶对引风机静叶或动叶的前馈控制器；PFF(BF-FDF)(s)表示送风机动叶对增压风机动叶的前馈控制器；PFF(BF-IDF)(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机动叶的前馈控制器。
在一个实施例中，试验及调整单元34具体用于在DCS系统稳定后，在预设负荷段中的每个负荷段下，均进行炉膛负压闭环定值扰动试验、总风量闭环定值扰动试验和增压风机入口压力闭环定值扰动试验。
当然，上述单元或模块划分只是一种示意划分，本发明并不局限于此。该装置还可以仅包括：建模单元和调整单元，建模单元执行与建模、设计前馈控制器相关的功能，调整单元执行与仿真、试验、参数调整相关的功能。只要能实现本发明的目的的模块划分，均应属于本发明的保护范围。
为了对上述风机解耦控制方法及装置进行更为清楚的解释，下面结合某电厂的实际案例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。
对于一600MW亚临界机组，在300-400MW和500-600MW负荷段，均进行开环引风机静叶(或动叶)扰动试验、送风机动叶扰动试验以及增压风机动叶扰动试验，试验数据及趋势图如图4至图8所示，图4是本发明实施例的370MW增压风机动叶5％开度扰动试验数据及趋势图，图5是本发明实施例的370MW引风机静叶5％开度扰动试验数据及趋势图，图6是本发明实施例的530MW增压风机动叶5％开度扰动试验数据及趋势图，图7是本发明实施例的530MW下引风机静叶8％开度扰动试验数据及趋势图，图8是本发明实施例的送风量扰动对增压风机入口压力特性试验数据及趋势图。图4至图8中的横坐标均为时间，各曲线的纵坐标均有其对应的量纲，例如，动叶开度的量纲为％，炉膛压力的量纲为Kpa，风量的量纲为t/h等。图8中总风量测量值和总风量设定值的曲线几乎重合，炉膛负压测量值和炉膛负压设定值的趋势也基本相同。
将上述DCS实际试验数据导入到MATLAB中进行最小二乘拟合获取动态模型，该动态模型适用于静态和动态不同的工况。
在高负荷530MW状况下，引风机静叶(或动叶)开度、送风机动叶开度、增压风机动叶开度对炉膛负压的动态特性为：
引风机静叶(或动叶)开度、送风机动叶开度、增压风机动叶开度对对增压风机入口压力的动态特性为：
在低负荷370MW时，引风机静叶(或动叶)开度、送风机动叶开度、增压风机动叶开度对炉膛负压的动态特性为：
引风机静叶(或动叶)开度、送风机动叶开度、增压风机动叶开度对对增压风机入口压力的动态特性为：
将获取后的动态模型与机组实际扰动试验中的真实数据进行仿真比对，仿真模型输出的数据和实际数据拟合度达到98.2％，从而验证了模型的准确性。
按照前述式(3)至(5)设计前馈控制器为：
将上述所有模型、PID参数、前馈模型参数在MATLAB的simulink中进行仿真，图9是本发明实施例的风烟系统仿真的部分截图，其中，包含脱硫或引风机对炉膛负压或增压入口压力的动态特性，例如脱硫对负压动态特性1、引风对增压入口动态特性2等，该仿真截图是本领域技术人员结合本申请的公开以及现有技术的记载能够理解的，此处不做详细介绍。根据仿真结果按照实际风烟系统的衰减率、准确性等要求进一步对参数进行优化，将优化后的参数在DCS中进行设置，并进行如下实际定值扰动试验：
1)分别在300-400MW，500-600MW负荷段，引风机静叶投入自动，送风机动叶自动状态，增压风机动叶手动状态，进行炉膛负压定值变化200Pa扰动试验，根据趋势微调参数。
2)分别在300-400MW，500-600MW负荷段，增压风机动叶投入自动，引风静叶手动状态，进行增压风机入口压力定值变化200Pa扰动试验，根据趋势微调参数。
3)分别在300-400MW，500-600MW负荷段，增压风机动叶投入自动，引风静叶自动状态，送风机动叶自动状态，增压风机入口压力和引风机压力定值分别变化200Pa，根据趋势微调参数。
4)分别在300-400MW，500-600MW负荷段，增压风机动叶投入自动，引风静叶自动状态，送风机动叶自动状态、进行总风量定值扰动250t/h试验，根据趋势微调参数。
通过上述优化和试验要解决该电厂热工控制系统存在的问题，自动控制系统的扰动试验和负荷变动试验按照DL/T 657-2006《火力发电厂模拟量控制系统在线验收测试规程》要求的试验方法和记录进行功能试验，图10是本发明实施例的炉膛负压设定值扰动试验数据及趋势图，图11是本发明实施例的大负荷扰动下(负荷从100％Pe快速下降到50％Pe工况)风烟系统自动控制性能测试图，上述实际试验参数的验收指标高于行业标准《火力发电厂模拟量控制系统在线验收测试规程》中相关条款的规定。图10至图11中的横坐标均为时间，各曲线的纵坐标均有其对应的量纲，例如，动叶开度的量纲为％，炉膛压力的量纲为Kpa，风量的量纲为t/h等。
总体而言，对风烟系统自动控制的整体优化，本发明的方案舍弃了传统的经验法和试凑法，而是通过搭建脱硫旁路封堵后送风机、引风机、增压风机整体大风烟系统的模型，对比现场数据进行拟合，在验证模型有效性后寻求最优控制方案和控制参数，进行仿真测试。将优化后的控制策略和参数在DCS中进行实现，并通过不同工况下大量的大幅定值扰动试验再次验证控制效果的可靠性和稳定性，并根据试验调整参数，使其能满足机组稳态和动态变负荷工况的需要。由于风烟系统RB试验中，对于快速变化的风烟系统而言，从RB触发信号发生到炉膛负压到达峰值的时间一般在15-20秒内，靠人为的控制几乎不能实现，因此RB试验的成功率很大程度也取决于风烟系统整体的自动控制的精度、准确度和快速性。在成功搭建风烟系统整体模型并经现场数据验证模型有效的基础上，可进一步将上述模型运用在RB结果预测中，以期对RB过程的参数进行分析并对试验风险和结果进行预估，以期有针对性的优化方案，并确保试验的成功。
图12是本发明实施例的MATLAB仿真模拟的送引RB试验图，图13是本发明实施例的机组实际送引RB试验数据及趋势图，通过图12、图13及RB试验数据分析可以看出，模型仿真图中重要参数如炉膛负压和增压风机入口压力的变化趋势和实际几乎一致，而且通过模型仿真预测RB中炉膛负压最低为-1260Pa，实际RB试验中炉膛负压最低为-1396Pa，误差率在7.6％。仿真预测RB中增压风机入口压力最低为-1754Pa，实际RB试验中增压风机入口压力最低为-1790Pa，仿真误差在2.0％左右；仿真的炉膛负压最低值出现时间在自RB触发后19s，实际试验中炉膛负压最低值出现时间在自RB触发后14s，建模仿真优化和预测对提高机组控制效果具有极强的现实指导性。图12中的横坐标为仿真时间，图13中的横坐标为试验时间，图13所示的时间段为19点45分44秒至19点47分23秒，每个刻度为20秒。图12至图13中各曲线的纵坐标均有其对应的量纲，例如，动叶开度的量纲为％，炉膛压力的量纲为Kpa，风量的量纲为t/h等。
综上所述，本发明实施例根据风烟系统特性，结合工程建模和解耦算法提出一种新型的送风机、引风机、增压风机的解耦控制方法及装置。开展现场试验获取数据，对旁路封堵后的风烟系统进行建模。基于新的送引增结构风烟系统的整体动态特性选择控制策略，从本质上消除了三大风机之间的耦合，从而获得更可靠、更精确的控制效果。
该风机解耦控制方法及装置，具有以下优点：
1、解耦设计规范化，从解析风烟系统本身特性建模出发，改变由人为经验试凑的思路和方法，获取关键因素合理设计前馈控制器结构和参数，使控制方案和参数完全符合机组特性，控制结果稳定。
2、工作方式流程化，从建模、设计控制器、仿真优化参数、实际DCS应用、现场试验验证一整套流程支撑对风烟系统控制性能的可靠性。
3、大大缩短工期，更安全，控制效果明显，电厂安全性和经济性大幅提高。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种风机解耦控制方法，其特征在于，包括：
对风烟系统进行建模，得到所述风烟系统的第一特性和第二特性，其中，所述风烟系统不具有旁路烟道，所述第一特性是所述风烟系统中的引风机、送风机和增压风机对炉膛负压的特性，所述第二特性是所述引风机、所述送风机和所述增压风机对增压风机入口压力的特性；
基于所述第一特性和所述第二特性，设计所述引风机、所述送风机和所述增压风机之间的前馈控制器；
利用所述第一特性、所述第二特性和所述前馈控制器进行风烟系统的仿真，并根据仿真结果调整所述前馈控制器的参数；
在将所述前馈控制器和调整后的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统，且所述DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，验证所述风烟系统的控制性能，并根据试验结果进一步调整控制策略和所述前馈控制器的参数，以满足机组在不同工况下的运行要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对风烟系统进行建模，得到所述风烟系统的第一特性和第二特性，包括：
将所述引风机的调节机构、所述送风机的调节机构和所述增压风机的调节机构全部置于手动位置；
在预设负荷段中的每个负荷段下，均进行引风机扰动试验、送风机动叶扰动试验以及增压风机动叶扰动试验，并记录试验数据；其中，所述引风机扰动试验包括：引风机静叶扰动试验或引风机动叶扰动试验；所述试验数据包括：负荷、各风机开度、炉膛负压、总风量、增压风机入口压力；
将所述试验数据导入仿真建模软件中，进行最小二乘拟合得到所述风烟系统的所述第一特性和所述第二特性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述第一特性为：F(s)＝FIDF(s)·UIDF(s)+FFDF(s)·UFDF(s)+FBF(s)·UBF(s)；
所述第二特性为：P(s)＝PIDF(s)·UIDF(s)+PFDF(s)·UFDF(s)+PBF(s)·UBF(s)；
其中，所述第一特性的表达式和所述第二特性的表达式均为时域过程的拉氏变换；F(s)表示炉膛负压；P(s)表示增压风机入口压力；UIDF(s)表示引风机静叶或动叶的实际开度扰动值；UFDF(s)表示送风机动叶的实际开度扰动值；UBF(s)表示增压风机动叶的实际开度扰动值；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FBF(s)表示增压风机动叶对炉膛负压的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前馈控制器包括：
FFF(IDF-FDF)(s)＝-FFDF(s)/FIDF(s)；
PFF(BF-FDF)(s)＝-PFDF(s)/-PBF(s)；
PFF(BF-IDF)(s)＝-PIDF(s)/-PBF(s)；
其中，FFF(IDF-FDF)(s)表示送风机动叶对引风机静叶或动叶的前馈控制器；PFF(BF-FDF)(s)表示送风机动叶对增压风机动叶的前馈控制器；PFF(BF-IDF)(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机动叶的前馈控制器；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，包括：
在所述DCS系统稳定后，在所述预设负荷段中的每个负荷段下，均进行炉膛负压闭环定值扰动试验、总风量闭环定值扰动试验和增压风机入口压力闭环定值扰动试验。
6.一种风机解耦控制装置，其特征在于，包括：
建模单元，用于对风烟系统进行建模，得到所述风烟系统的第一特性和第二特性，其中，所述风烟系统不具有旁路烟道，所述第一特性是所述风烟系统中的引风机、送风机和增压风机对炉膛负压的特性，所述第二特性是所述引风机、所述送风机和所述增压风机对增压风机入口压力的特性；
前馈控制器设计单元，用于基于所述第一特性和所述第二特性，设计所述引风机、所述送风机和所述增压风机之间的前馈控制器；
仿真及参数调整单元，用于利用所述第一特性、所述第二特性和所述前馈控制器进行风烟系统的仿真，并根据仿真结果调整所述前馈控制器的参数；
试验及调整单元，用于在将所述前馈控制器和调整后的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统，且所述DCS系统稳定后，进行实际定值扰动试验和变负荷试验，验证所述风烟系统的控制性能，并根据试验结果进一步调整控制策略和所述前馈控制器的参数，以满足机组在不同工况下的运行要求。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述建模单元包括：
试验模块，用于在所述引风机的调节机构、所述送风机的调节机构和所述增压风机的调节机构全部置于手动位置之后，在预设负荷段中的每个负荷段下，均进行引风机扰动试验、送风机动叶扰动试验以及增压风机动叶扰动试验，其中，所述引风机扰动试验包括：引风机静叶扰动试验或引风机动叶扰动试验；
数据记录模块，用于记录试验数据，其中，所述试验数据包括：负荷、各风机开度、炉膛负压、总风量、增压风机入口压力；
建模模块，用于将所述试验数据导入仿真建模软件中，进行最小二乘拟合得到所述风烟系统的所述第一特性和所述第二特性。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，
所述第一特性为：F(s)＝FIDF(s)·UIDF(s)+FFDF(s)·UFDF(s)+FBF(s)·UBF(s)；
所述第二特性为：P(s)＝PIDF(s)·UIDF(s)+PFDF(s)·UFDF(s)+PBF(s)·UBF(s)；
其中，所述第一特性的表达式和所述第二特性的表达式均为时域过程的拉氏变换；F(s)表示炉膛负压；P(s)表示增压风机入口压力；UIDF(s)表示引风机静叶或动叶的实际开度扰动值；UFDF(s)表示送风机动叶的实际开度扰动值；UBF(s)表示增压风机动叶的实际开度扰动值；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FBF(s)表示增压风机动叶对炉膛负压的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述前馈控制器包括：
FFF(IDF-FDF)(s)＝-FFDF(s)/FIDF(s)；
PFF(BF-FDF)(s)＝-PFDF(s)/-PBF(s)；
PFF(BF-IDF)(s)＝-PIDF(s)/-PBF(s)；
其中，FFF(IDF-FDF)(s)表示送风机动叶对引风机静叶或动叶的前馈控制器；PFF(BF-FDF)(s)表示送风机动叶对增压风机动叶的前馈控制器；PFF(BF-IDF)(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机动叶的前馈控制器；FFDF(s)表示送风机动叶对炉膛负压的传递函数；FIDF(s)表示引风机静叶或动叶对炉膛负压的传递函数；PFDF(s)表示送风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PBF(s)表示增压风机动叶对增压风机入口压力的传递函数；PIDF(s)表示引风机静叶或动叶对增压风机入口压力的传递函数。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述试验及调整单元，具体用于在所述DCS系统稳定后，在所述预设负荷段中的每个负荷段下，均进行炉膛负压闭环定值扰动试验、总风量闭环定值扰动试验和增压风机入口压力闭环定值扰动试验。
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