CN106439786B - 电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法 - Google Patents

电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其包括：步骤1.确定预测控制的采样时间间隔、蒸汽温度预测时域、烟气侧和蒸汽侧控制时域；步骤2.通过再热蒸汽温度系统特性试验，得到锅炉的再热蒸汽温度的数学模型；步骤3.基于烟气侧控制和蒸汽侧控制，采用模型预测控制求解其控制时域向量增量；步骤4.计算烟气侧和蒸汽侧控制时域向量；步骤5.分别计算烟气侧和蒸汽侧的控制时域向量与烟气侧和蒸汽侧控制量的下限约束之差的斐波那契范数；步骤6.根据斐波那契范数和确定当前采样控制时刻的调节手段是采用烟气侧还是采用蒸汽侧控制，并施加相应的控制作用对再热蒸汽温度进行调节。本发明的优点是提高机组的热经济性。

Description

电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法
技术领域
本发明属于锅炉自动控制技术领域，涉及电站锅炉再热蒸汽温度的控制方法，尤其是涉及一种电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，适用于火电机组的再热汽温的自动控制。
背景技术
将电站锅炉再热蒸汽温度控制在允许的设定值范围，是提高发电机组的经济效益、保证机组安全运行的不可缺少的环节，日益受到发电厂家和科研人员的高度重视。
如今几乎所有的大型电站机组都要参与电网调峰，对中调自动发电控制(AGC) 指令的响应速度极大的关系到电厂的经济效益和社会效益。而对AGC指令做出快速响应的前提是机组自身的各参数能够良好的维持在安全范围内，这需要机组具备性能优良的自动控制系统予以保证。
然而由于火力发电生产过程的特殊性和蒸汽管道构造的复杂性，对再热蒸汽温度对象的控制比较困难。其中由于机组负荷的随机性波动，导致扰动频繁且扰动量较大，尤其是对于机组负荷或者等价地说主蒸汽流量的扰动，致使再热汽温经常波动。
在再热汽温的控制手段方面，主要有烟气侧的烟气挡板调节、摆动燃烧器调节、汽-汽换热器调节，以及蒸汽侧的喷水减温调节。不同的机组，一般都设计有上述烟气侧调节方式之中的一种作为主要烟气侧控制调节方式，同时也有蒸汽侧控制的喷水减温调节作为紧急调节方式或称事故喷水，前者是一种经济的调节方式，而后者只是作为紧急情况下的辅助手段，不宜长期使用。二者的使用应该满足表1的经济性配合：
表1.烟气侧和蒸汽侧的运行情形组合
I II III IV
烟气侧控制 ＝0 ≥0 ＝0 >0
蒸汽侧控制 ＝0 ＝0 ≥0 >0
表1中，烟气侧控制>0则表明需要烟气侧控制维持正常的再热汽温(若关闭则温度下降而不足)，蒸汽侧控制>0则表明需要蒸汽侧控制维持正常的再热汽温(若关闭则温度上升而超温)。烟气侧和蒸汽侧运行组合有四种，其中情形I 表明烟气侧和蒸汽侧均不需要控制而汽温就能维持在期望值，这种情况极少出现；情形II表明需要烟气侧控制而不需要蒸汽侧控制来维持汽温在期望值，这种情况是最经济的；情形III表明不需要烟气侧控制而需要蒸汽侧控制来维持汽温在期望值，这种情况若发生了，是需要暂时使用的，但是不经济，相当于锅炉先通过消耗燃料来加热蒸汽，吸热多了，又只好通过喷水来降温；情形IV表明烟气侧和蒸汽侧均需要参与控制而维持汽温在期望值，这种情况相当于我们主观上就是在一边加热一边降温，这显然是需要极力避免的。
由此可见，烟气侧和蒸汽侧共同维持再热汽温是必要的，但是二者不能同时控制，任意时刻，最多只能有一种调节方式被使用。
目前的再热汽温控制主要存在两个方面的问题：
(1)虽然设计有一定的烟气侧和蒸汽侧配合控制逻辑，但是在二者的切换方面经常是拉锯式的来回切换而造成不必要的能量消耗，或者是切换严重滞后而影响汽温调节效果；
(2)常规的基于偏差而消除偏差的PID控制算法，是一种只顾眼前的做法，对于具有很大惯性和迟延的再热汽温系统来说，很难获得满意的调节品质。
由上述分析可见，已有的锅炉再热蒸汽温度控制方法仍存在一定的局限性或缺陷，因此开发本系统。
发明内容
本发明所要解决的问题是：从目前再热蒸汽温度控制存在的问题出发，从切换逻辑设计和控制算法选择两个方面进行改进，提供一种烟气侧和蒸汽侧协调配合的电站锅炉再热蒸汽温度的预测控制方法，大幅度的减少喷水量的使用，提高机组的热经济性，避免了常规设计的控制方法所带来的一系列不良问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案包括步骤如下：
步骤1.确定预测控制的采样时间间隔Ts、蒸汽温度预测时域P、烟气侧控制时域M1和蒸汽侧控制时域M2；
步骤2.通过再热蒸汽温度系统特性试验，分别得到烟气侧控制和蒸汽侧控制作用下锅炉的再热蒸汽温度y的数学模型；
步骤3.分别基于烟气侧控制和蒸汽侧控制作为调节手段，采用模型预测控制分别求解当前采样控制时刻t的未来M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)，和当前采样控制时刻t的未来M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)，其中ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]，ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]，其中Δu1(t)表示烟气侧控制增量在t时刻的值，Δu2(t)表示蒸汽侧控制增量在t时刻的值；
步骤4.分别计算烟气侧控制时域向量U1(t)和蒸汽侧控制时域向量U2(t)，其中 U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)]，U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]，其中u1(t)表示烟气侧控制量在t时刻的值，u2(t)表示蒸汽侧控制量在t时刻的值；
步骤5.计算烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束u1,min之差DU1(t) 的斐波那契范数||DU1(t)||，计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||；
步骤6.根据所述斐波那契范数||DU1(t)||和||DU2(t)||确定当前采样控制时刻t的调节手段是采用烟气侧控制还是采用蒸汽侧控制，并施加相应的控制作用对再热蒸汽温度进行调节。
进一步的，所述烟气侧控制包括烟气挡板调节、摆动燃烧器调节和/或汽-汽换热器调节；所述蒸汽侧控制是指喷水减温调节。
进一步的，所述步骤1中采样时间间隔Ts，根据控制器运算系统的具体情况， Ts的取值范围为Ts＝3～10秒；所述蒸汽温度预测时域P的取值范围为P＝20～50；所述烟气侧控制时域M1的取值范围为M1＝4～10；所述蒸汽侧控制时域M2的取值范围为M2＝4～10。
进一步的，所述步骤2中再热蒸汽温度的数学模型，其包括烟气侧控制量u1-再热蒸汽温度y的模型G1，以及蒸汽侧控制量u2-再热蒸汽温度y的模型G2，具体模型分别如下式(1)和(2)：
其中，t表示当前采样控制时刻；
y(t-i)表示再热蒸汽温度y在(t-i)时刻的值；
u1(t-j)表示烟气侧控制量在(t-j)时刻的值；
u2(t-j)表示蒸汽侧控制量在(t-j)时刻的值；
na、nb、nc、nd表示模型阶次，其取值范围为na＝nb＝3～6、nc＝nd＝3～6；
ai、bj、ci、dj表示模型系数，采用最小二乘法辨识得到。
进一步的，所述步骤3中模型预测控制基于如下目标函数采用广义预测控制算法进行求解，其中求解烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)的目标函数J1(t)如下式(3)：
其中求解蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)的目标函数J2(t)如下式(4)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u1,max、u1,min分别表示烟气侧控制量的上、下限约束；
Δu1,max表示烟气侧控制量的速率约束；
u2,max、u2,min分别表示蒸汽侧控制量的上、下限约束；
Δu2,max表示蒸汽侧控制量的速率约束；
ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M1-1)时刻止的M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量；
ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M2-1)时刻止的M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量。
进一步的，所述步骤4中烟气侧控制时域向量U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)] 和蒸汽侧控制时域向量U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]分别按下式(5)和(6)计算：
U1(t)＝U1(t-1)+ΔU1(t) (5)
U2(t)＝U2(t-1)+ΔU2(t) (6)
进一步的，所述步骤5中烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束u1,min之差DU1(t)的计算公式(7)如下：
DU1(t)＝U1(t)-u1,min＝[u1(t)-u1,min,u1(t+1)-u1,min,…,u1(t+M1-1)-u1,min] (7)
DU1(t)的斐波那契范数||DU1(t)||的计算公式(8)如下：
所述步骤5中蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的计算公式(9)如下：
DU2(t)＝U2(t)-u2,min＝[u2(t)-u2,min,u2(t+1)-u2,min,…,u2(t+M2-1)-u2,min] (9)
DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||的计算公式(10)如下：
进一步的，所述步骤6中根据斐波那契范数||DU1(t)||和||DU2(t)||确定当前时刻t的调节手段是采用烟气侧控制还是采用蒸汽侧控制，是通过如下步骤实现的：
当获得接管再热蒸汽温度的控制权时，首先执行步骤s00：
s00.计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||，判断||DU2(t)||与零的接近程度：当||DU2(t)||≥δ1时，表示||DU2(t)||没有接近零，则表明蒸汽侧控制正在进行调节，进入步骤s21；当 ||DU2(t)||<δ1时，表示||DU2(t)||接近零，则表明蒸汽侧的控制作用已全关，因而进入烟气侧控制计算，进入步骤s11；其中δ1是用来判断||DU2(t)||是否接近零的阈值，其取值范围0.0001～0.01；
s10.判断再热蒸汽温度测量值与设定值之间的误差E与零的接近程度：当|E|<δe时，表示E接近零，则表明烟气侧和蒸汽侧均无需调节，再热蒸汽温度即可良好的维持在设定值，回到步骤s25；当|E|≥δe时，表示E没有接近零，则表明在蒸汽侧控制的过程中，由于系统运行情况的变化，需要关闭蒸汽侧控制作用，而让烟气侧控制作用加入，进入步骤s11；其中δe是用来判断误差E的绝对值|E|是否接近零的阈值，其取值范围0.01～0.5；
s11.基于烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)的目标函数J1(t)求解ΔU1(t)，然后进入步骤s12，求解ΔU1(t)见下式(3)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u1,max、u1,min分别表示烟气侧控制量的上、下限约束；
Δu1,max表示烟气侧控制量的速率约束；
ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M1-1)时刻止的M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量；
s12.根据烟气侧控制时域向量U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)]和 U1(t)＝U1(t-1)+ΔU1(t)计算U1(t)，然后进入步骤s13；
s13.根据如下公式(7)计算烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束 u1,min之差DU1(t)：
DU1(t)＝U1(t)-u1,min＝[u1(t)-u1,min,u1(t+1)-u1,min,…,u1(t+M1-1)-u1,min] (7)
再根据如下公式(8)计算DU1(t)的斐波那契范数||DU1(t)||：
然后进入步骤s14；
s14.判断斐波那契范数||DU1(t)||与零的接近程度：当||DU1(t)||<δ1时，表示||DU1(t)|| 接近零，进入步骤s20；当||DU1(t)||≥δ1时，表示||DU1(t)||没有接近零，则表明烟气侧控制正在作用，进入步骤s15；其中δ1是用来判断||DU1(t)||是否接近零的阈值，其取值范围0.0001～0.01；
s15.置u2(t)＝u2,min确保蒸汽侧不参与控制，进入步骤s30；
s20.判断再热蒸汽温度测量值与设定值之间的误差E与零的接近程度：当|E|<δe时，表示|E|接近零，则表明烟气侧和蒸汽侧均无需调节，再热蒸汽温度即可良好的维持在设定值，进入步骤s15；当|E|≥δe时，表示|E|没有接近零，则表明在烟气侧控制的过程中，由于系统运行情况的变化，需要关闭烟气侧控制作用，而让蒸汽侧控制作用加入，进入步骤s21；
s21.基于蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)的目标函数J2(t)，求解ΔU2(t)，进入步骤s22；求解ΔU2(t)见下式(4)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u2,max、u2,min分别表示蒸汽侧控制量的上、下限约束；
Δu2,max表示蒸汽侧控制量的速率约束；
ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M2-1)时刻止的M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量；
s22.根据蒸汽侧控制时域向量U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]和 U2(t)＝U2(t-1)+ΔU2(t)计算U2(t)，进入步骤s23；
s23.根据如下公式(9)计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束 u2,min之差DU2(t)：
DU2(t)＝U2(t)-u2,min＝[u2(t)-u2,min,u2(t+1)-u2,min,…,u2(t+M2-1)-u2,min] (9)
再根据如下公式(10)计算DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||：
进入步骤s24；
s24.判断||DU2(t)||与零的接近程度：当||DU2(t)||<δ2时，表示||DU2(t)||接近零，则进入步骤s10；当||DU2(t)||≥δ2时，表示||DU2(t)||没有接近零，则表明蒸汽侧控制正在作用，进入步骤s25；其中δ2是用来判断||DU2(t)||是否接近零的阈值，取值范围0.0001～0.01；
s25.置u1(t)＝u1,min确保烟气侧不参与控制，进入步骤s30；
s30.输出u1(t)、u2(t)到现场执行机构。
值得说明的是，由于常规控制的不合理可能存在||DU1(t)||和||DU2(t)||同时不为零，而本发明总是保证二者至少有一个为零。上述步骤s00是指的从常规控制或者从运行人员手动操作切换到本发明的控制，是通过计算蒸汽侧控制向量U2(t) 与其下限约束u2,min之差DU2(t)的范数||DU2(t)||，判断||DU2(t)||是否几乎为零，然后根据判断结果选择进入烟气侧调节的预测控制量计算还是进入蒸汽侧调节的预测控制量计算。这里不能通过烟气侧控制向量U1(t)与其下限约束u1,min之差 DU1(t)的范数||DU1(t)||，判断||DU1(t)||是否几乎为零，然后根据判断结果进行分支选择。因为使用||DU2(t)||的可能缺点是暂时性的温度偏低但很快会通过预测控制将温度调节到正常，影响的仅仅 是暂时性的机组效率偏低；而使用||DU1(t)||的可能缺点是暂时性的温度偏高，虽然也会通过预测控制将温度调节到正常，但是超温的结果会影响设备寿命甚至机组安全，其后果比较严重。
本发明的有益效果：在任意时刻只需要一种调节方式，即正常情况下只使用烟气侧调节再热蒸汽温度，在烟气侧无调节能力时才使用喷水减温调节，二者之间的切换具有平滑、无扰、鲁棒的特点，大幅度的减少喷水量的使用，提高机组的热经济性，并且预测控制的使用使得整个控制系统具有更好的调节性能和稳定性，避免常规设计的控制方法所带来的一系列不良问题。
附图说明
图1是锅炉再热蒸汽温度的烟气侧蒸汽侧协调预测控制系统原理图。
具体实施方式
下面将结合附图1和具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。
如图1所示，实施例涉及一种电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其具体采用如下步骤实现：
步骤1.确定预测控制的采样时间间隔Ts、蒸汽温度预测时域P、烟气侧控制时域M1和蒸汽侧控制时域M2；
步骤2.通过再热蒸汽温度系统特性试验，分别得到烟气侧控制和蒸汽侧控制作用下锅炉的再热蒸汽温度y的数学模型；
步骤3.分别基于烟气侧控制和蒸汽侧控制作为调节手段，采用模型预测控制分别求解当前采样控制时刻t的未来M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)，和当前采样控制时刻t的未来M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)，其中ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]，ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]，其中Δu1(t)表示烟气侧控制增量在t时刻的值，Δu2(t)表示蒸汽侧控制增量在t时刻的值；步骤4.分别计算烟气侧控制时域向量U1(t)和蒸汽侧控制时域向量U2(t)，其中 U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)]，U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]，其中u1(t)表示烟气侧控制量在t时刻的值，u2(t)表示蒸汽侧控制量在t时刻的值；
步骤5.计算烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束u1,min之差DU1(t) 的斐波那契范数||DU1(t)||，计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||；
步骤6.根据所述斐波那契范数||DU1(t)||和||DU2(t)||确定当前采样控制时刻t的调节手段是采用烟气侧控制还是采用蒸汽侧控制，并施加相应的控制作用对再热蒸汽温度进行调节。
进一步的，所述烟气侧控制包括烟气挡板调节、摆动燃烧器调节和/或汽-汽换热器调节；所述蒸汽侧控制是指喷水减温调节。
进一步的，所述步骤1中采样时间间隔Ts，根据控制器运算系统的具体情况， Ts的取值范围为Ts＝3～10秒；所述蒸汽温度预测时域P的取值范围为P＝20～50；所述烟气侧控制时域M1的取值范围为M1＝4～10；所述蒸汽侧控制时域M2的取值范围为M2＝4～10。
进一步的，所述步骤2中再热蒸汽温度的数学模型，其包括烟气侧控制量u1-再热蒸汽温度y的模型G1，以及蒸汽侧控制量u2-再热蒸汽温度y的模型G2，具体模型分别如下式(1)和(2)：
其中，t表示当前采样控制时刻；
y(t-i)表示再热蒸汽温度y在(t-i)时刻的值；
u1(t-j)表示烟气侧控制量在(t-j)时刻的值；
u2(t-j)表示蒸汽侧控制量在(t-j)时刻的值；
na、nb、nc、nd表示模型阶次，其取值范围为na＝nb＝3～6、nc＝nd＝3～6；
ai、bj、ci、dj表示模型系数，采用最小二乘法辨识得到。
进一步的，所述步骤3中模型预测控制基于如下目标函数采用广义预测控制算法进行求解，其中求解烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)的目标函数J1(t)如下式(3)：
其中求解蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)的目标函数J2(t)如下式(4)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u1,max、u1,min分别表示烟气侧控制量的上、下限约束；
Δu1,max表示烟气侧控制量的速率约束；
u2,max、u2,min分别表示蒸汽侧控制量的上、下限约束；
Δu2,max表示蒸汽侧控制量的速率约束；
ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M1-1)时刻止的M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量；
ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M2-1)时刻止的M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量。
进一步的，所述步骤4中烟气侧控制时域向量U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)] 和蒸汽侧控制时域向量U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]分别按下式(5)和(6)计算：
U1(t)＝U1(t-1)+ΔU1(t) (5)
U2(t)＝U2(t-1)+ΔU2(t) (6)
进一步的，所述步骤5中烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束u1,min之差DU1(t)的计算公式(7)如下：
DU1(t)＝U1(t)-u1,min＝[u1(t)-u1,min,u1(t+1)-u1,min,…,u1(t+M1-1)-u1,min] (7)
DU1(t)的斐波那契范数||DU1(t)||的计算公式(8)如下：
所述步骤5中蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的计算公式(9)如下：
DU2(t)＝U2(t)-u2,min＝[u2(t)-u2,min,u2(t+1)-u2,min,…,u2(t+M2-1)-u2,min] (9)
DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||的计算公式(10)如下：
进一步的，所述步骤6中根据斐波那契范数||DU1(t)||和||DU2(t)||确定当前时刻t的调节手段是采用烟气侧控制还是采用蒸汽侧控制，是通过如下步骤实现的：
当获得接管再热蒸汽温度的控制权时，首先执行步骤s00：
s00.计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||，判断||DU2(t)||与零的接近程度：当||DU2(t)||≥δ1时，表示||DU2(t)||没有接近零，则表明蒸汽侧控制正在进行调节，进入步骤s21；当 ||DU2(t)||<δ1时，表示||DU2(t)||接近零，则表明蒸汽侧的控制作用已全关，因而进入烟气侧控制计算，进入步骤s11；其中δ1是用来判断||DU2(t)||是否接近零的阈值，其取值范围0.0001～0.01；
s10.判断再热蒸汽温度测量值与设定值之间的误差E与零的接近程度：当|E|<δe时，表示E接近零，则表明烟气侧和蒸汽侧均无需调节，再热蒸汽温度即可良好的维持在设定值，回到步骤s25；当|E|≥δe时，表示E没有接近零，则表明在蒸汽侧控制的过程中，由于系统运行情况的变化，需要关闭蒸汽侧控制作用，而让烟气侧控制作用加入，进入步骤s11；其中δe是用来判断误差E的绝对值|E|是否接近零的阈值，其取值范围0.01～0.5；
s11.基于烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)的目标函数J1(t)求解ΔU1(t)，然后进入步骤s12，求解ΔU1(t)见下式(3)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u1,max、u1,min分别表示烟气侧控制量的上、下限约束；
Δu1,max表示烟气侧控制量的速率约束；
ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M1-1)时刻止的M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量；
s12.根据烟气侧控制时域向量U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)]和 U1(t)＝U1(t-1)+ΔU1(t)计算U1(t)，然后进入步骤s13；
s13.根据如下公式(7)计算烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束 u1,min之差DU1(t)：
DU1(t)＝U1(t)-u1,min＝[u1(t)-u1,min,u1(t+1)-u1,min,…,u1(t+M1-1)-u1,min] (7)
再根据如下公式(8)计算DU1(t)的斐波那契范数||DU1(t)||：
然后进入步骤s14；
s14.判断斐波那契范数||DU1(t)||与零的接近程度：当||DU1(t)||<δ1时，表示||DU1(t)|| 接近零，进入步骤s20；当||DU1(t)||≥δ1时，表示||DU1(t)||没有接近零，则表明烟气侧控制正在作用，进入步骤s15；其中δ1是用来判断||DU1(t)||是否接近零的阈值，其取值范围0.0001～0.01；
s15.置u2(t)＝u2,min确保蒸汽侧不参与控制，进入步骤s30；
s20.判断再热蒸汽温度测量值与设定值之间的误差E与零的接近程度：当|E|<δe时，表示|E|接近零，则表明烟气侧和蒸汽侧均无需调节，再热蒸汽温度即可良好的维持在设定值，进入步骤s15；当|E|≥δe时，表示|E|没有接近零，则表明在烟气侧控制的过程中，由于系统运行情况的变化，需要关闭烟气侧控制作用，而让蒸汽侧控制作用加入，进入步骤s21；
s21.基于蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)的目标函数J2(t)，求解ΔU2(t)，进入步骤s22；求解ΔU2(t)见下式(4)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u2,max、u2,min分别表示蒸汽侧控制量的上、下限约束；
Δu2,max表示蒸汽侧控制量的速率约束；
ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M2-1)时刻止的M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量；
s22.根据蒸汽侧控制时域向量U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]和 U2(t)＝U2(t-1)+ΔU2(t)计算U2(t)，进入步骤s23；
s23.根据如下公式(9)计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束 u2,min之差DU2(t)：
DU2(t)＝U2(t)-u2,min＝[u2(t)-u2,min,u2(t+1)-u2,min,…,u2(t+M2-1)-u2,min] (9)
再根据如下公式(10)计算DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||：
进入步骤s24；
s24.判断||DU2(t)||与零的接近程度：当||DU2(t)||<δ2时，表示||DU2(t)||接近零，则进入步骤s10；当||DU2(t)||≥δ2时，表示||DU2(t)||没有接近零，则表明蒸汽侧控制正在作用，进入步骤s25；其中δ2是用来判断||DU2(t)||是否接近零的阈值，取值范围0.0001～0.01；
s25.置u1(t)＝u1,min确保烟气侧不参与控制，进入步骤s30；
s30.输出u1(t)、u2(t)到现场执行机构。
值得说明的是，由于常规控制的不合理可能存在||DU1(t)||和||DU2(t)||同时不为零，而本发明总是保证二者至少有一个为零。上述步骤s00是指的从常规控制或者从运行人员手动操作切换到本发明的控制，是通过计算蒸汽侧控制向量U2(t) 与其下限约束u2,min之差DU2(t)的范数||DU2(t)||，判断||DU2(t)||是否几乎为零，然后根据判断结果选择进入烟气侧调节的预测控制量计算还是进入蒸汽侧调节的预测控制量计算。这里不能通过烟气侧控制向量U1(t)与其下限约束u1,min之差 DU1(t)的范数||DU1(t)||，判断||DU1(t)||是否几乎为零，然后根据判断结果进行分支选择。因为使用||DU2(t)||的可能缺点是暂时性的温度偏低但很快会通过预测控制将温度调节到正常，影响的仅仅 是暂时性的机组效率偏低；而使用||DU1(t)||的可能缺点是暂时性的温度偏高，虽然也会通过预测控制将温度调节到正常，但是超温的结果会影响设备寿命甚至机组安全，其后果比较严重。
上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本案的保护范围中。

Claims (8)

1.一种电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1.确定预测控制的采样时间间隔Ts、蒸汽温度预测时域P、烟气侧控制时域M1和蒸汽侧控制时域M2；
步骤2.通过再热蒸汽温度系统特性试验，分别得到烟气侧控制和蒸汽侧控制作用下锅炉的再热蒸汽温度y的数学模型；
步骤3.分别基于烟气侧控制和蒸汽侧控制作为调节手段，采用模型预测控制分别求解当前采样控制时刻t的未来M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)，和当前采样控制时刻t的未来M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)，其中ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]，ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]，其中Δu1(t)表示烟气侧控制增量在t时刻的值，Δu2(t)表示蒸汽侧控制增量在t时刻的值；
步骤4.分别计算烟气侧控制时域向量U1(t)和蒸汽侧控制时域向量U2(t)，其中U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)]，U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]，其中u1(t)表示烟气侧控制量在t时刻的值，u2(t)表示蒸汽侧控制量在t时刻的值；
步骤5.计算烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束u1,min之差DU1(t)的斐波那契范数||DU1(t)||，计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||；
步骤6.根据所述斐波那契范数||DU1(t)||和||DU2(t)||确定当前采样控制时刻t的调节手段是采用烟气侧控制还是采用蒸汽侧控制，并施加相应的控制作用对再热蒸汽温度进行调节。
2.根据权利要求1所述的电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其特征在于：所述烟气侧控制包括烟气挡板调节、摆动燃烧器调节和/或汽-汽换热器调节；所述蒸汽侧控制是指喷水减温调节。
3.根据权利要求1所述的电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其特征在于：所述步骤1中采样时间间隔Ts，根据控制器运算系统的具体情况，Ts的取值范围为Ts＝3～10秒；所述蒸汽温度预测时域P的取值范围为P＝20～50；所述烟气侧控制时域M1的取值范围为M1＝4～10；所述蒸汽侧控制时域M2的取值范围为M2＝4～10。
4.根据权利要求1所述的电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其特征在于：所述步骤2中再热蒸汽温度的数学模型，其包括烟气侧控制量u1-再热蒸汽温度y的模型G1，以及蒸汽侧控制量u2-再热蒸汽温度y的模型G2，具体模型分别如下式(1)和(2)：
其中，t表示当前采样控制时刻；
y(t-i)表示再热蒸汽温度y在(t-i)时刻的值；
u1(t-j)表示烟气侧控制量在(t-j)时刻的值；
u2(t-j)表示蒸汽侧控制量在(t-j)时刻的值；
na、nb、nc、nd表示模型阶次，其取值范围为na＝nb＝3～6、nc＝nd＝3～6；
ai、bj、ci、dj表示模型系数，采用最小二乘法辨识得到。
5.根据权利要求1所述的电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其特征在于：所述步骤3中模型预测控制基于如下目标函数采用广义预测控制算法进行求解，其中求解烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)的目标函数J1(t)如下式(3)：
其中求解蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)的目标函数J2(t)如下式(4)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u1,max、u1,min分别表示烟气侧控制量的上、下限约束；
Δu1,max表示烟气侧控制量的速率约束；
u2,max、u2,min分别表示蒸汽侧控制量的上、下限约束；
Δu2,max表示蒸汽侧控制量的速率约束；
ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M1-1)时刻止的M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量；
ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M2-1)时刻止的M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量。
6.根据权利要求1所述的电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其特征在于：所述步骤4中烟气侧控制时域向量U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)]和蒸汽侧控制时域向量U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]分别按下式(5)和(6)计算：
U1(t)＝U1(t-1)+ΔU1(t) (5)
U2(t)＝U2(t-1)+ΔU2(t) (6) 。
7.根据权利要求1所述的电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其特征在于：所述步骤5中烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束u1,min之差DU1(t)的计算公式(7)如下：
DU1(t)＝U1(t)-u1,min＝[u1(t)-u1,min,u1(t+1)-u1,min,…,u1(t+M1-1)-u1,min] (7)
DU1(t)的斐波那契范数||DU1(t)||的计算公式(8)如下：
所述步骤5中蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的计算公式(9)如下：
DU2(t)＝U2(t)-u2,min＝[u2(t)-u2,min,u2(t+1)-u2,min,…,u2(t+M2-1)-u2,min] (9)
DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||的计算公式(10)如下：
。
8.根据权利要求1所述的电站锅炉再热蒸汽温度的烟气侧和蒸汽侧协调预测控制方法，其特征在于：所述步骤6中根据斐波那契范数||DU1(t)||和||DU2(t)||确定当前时刻t的调节手段是采用烟气侧控制还是采用蒸汽侧控制，是通过如下步骤实现的：
当获得接管再热蒸汽温度的控制权时，首先执行步骤s00：
s00.计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||，判断||DU2(t)||与零的接近程度：当||DU2(t)||≥δ1时，表示||DU2(t)||没有接近零，则表明蒸汽侧控制正在进行调节，进入步骤s21；当||DU2(t)||<δ1时，表示||DU2(t)||接近零，则表明蒸汽侧的控制作用已全关，因而进入烟气侧控制计算，进入步骤s11；其中δ1是用来判断||DU2(t)||是否接近零的阈值，其取值范围0.0001～0.01；
s10.判断再热蒸汽温度测量值与设定值之间的误差E与零的接近程度：当|E|<δe时，表示E接近零，则表明烟气侧和蒸汽侧均无需调节，再热蒸汽温度即可良好的维持在设定值，回到步骤s25；当|E|≥δe时，表示E没有接近零，则表明在蒸汽侧控制的过程中，由于系统运行情况的变化，需要关闭蒸汽侧控制作用，而让烟气侧控制作用加入，进入步骤s11；其中δe是用来判断误差E的绝对值|E|是否接近零的阈值，其取值范围0.01～0.5；
s11.基于烟气侧控制时域向量增量ΔU1(t)的目标函数J1(t)求解ΔU1(t)，然后进入步骤s12，求解ΔU1(t)见下式(3)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u1,max、u1,min分别表示烟气侧控制量的上、下限约束；
Δu1,max表示烟气侧控制量的速率约束；
ΔU1(t)＝[Δu1(t),Δu1(t+1),…,Δu1(t+M1-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M1-1)时刻止的M1个时刻的烟气侧控制时域向量增量；
s12.根据烟气侧控制时域向量U1(t)＝[u1(t),u1(t+1),…,u1(t+M1-1)]和U1(t)＝U1(t-1)+ΔU1(t)计算U1(t)，然后进入步骤s13；
s13.根据如下公式(7)计算烟气侧控制时域向量U1(t)与烟气侧控制量的下限约束u1,min之差DU1(t)：
DU1(t)＝U1(t)-u1,min＝[u1(t)-u1,min,u1(t+1)-u1,min,…,u1(t+M1-1)-u1,min] (7)
再根据如下公式(8)计算DU1(t)的斐波那契范数||DU1(t)||：
然后进入步骤s14；
s14.判断斐波那契范数||DU1(t)||与零的接近程度：当||DU1(t)||<δ1时，表示||DU1(t)||接近零，进入步骤s20；当||DU1(t)||≥δ1时，表示||DU1(t)||没有接近零，则表明烟气侧控制正在作用，进入步骤s15；其中δ1是用来判断||DU1(t)||是否接近零的阈值，其取值范围0.0001～0.01；
s15.置u2(t)＝u2,min确保蒸汽侧不参与控制，进入步骤s30；
s20.判断再热蒸汽温度测量值与设定值之间的误差E与零的接近程度：当|E|<δe时，表示|E|接近零，则表明烟气侧和蒸汽侧均无需调节，再热蒸汽温度即可良好的维持在设定值，进入步骤s15；当|E|≥δe时，表示|E|没有接近零，则表明在烟气侧控制的过程中，由于系统运行情况的变化，需要关闭烟气侧控制作用，而让蒸汽侧控制作用加入，进入步骤s21；
s21.基于蒸汽侧控制时域向量增量ΔU2(t)的目标函数J2(t)，求解ΔU2(t)，进入步骤s22；求解ΔU2(t)见下式(4)：
其中，s.t.表示约束条件；
yr(t+i)表示未来P个时刻期望的设定值序列(i＝1,2,…,P)；
u2,max、u2,min分别表示蒸汽侧控制量的上、下限约束；
Δu2,max表示蒸汽侧控制量的速率约束；
ΔU2(t)＝[Δu2(t),Δu2(t+1),…,Δu2(t+M2-1)]表示当前采样控制时刻t求解的从当前采样控制时刻t起到未来(t+M2-1)时刻止的M2个时刻的蒸汽侧控制时域向量增量；
s22.根据蒸汽侧控制时域向量U2(t)＝[u2(t),u2(t+1),…,u2(t+M2-1)]和U2(t)＝U2(t-1)+ΔU2(t)计算U2(t)，进入步骤s23；
s23.根据如下公式(9)计算蒸汽侧控制时域向量U2(t)与蒸汽侧控制量的下限约束u2,min之差DU2(t)：
DU2(t)＝U2(t)-u2,min＝[u2(t)-u2,min,u2(t+1)-u2,min,…,u2(t+M2-1)-u2,min] (9)
再根据如下公式(10)计算DU2(t)的斐波那契范数||DU2(t)||：
进入步骤s24；
s24.判断||DU2(t)||与零的接近程度：当||DU2(t)||<δ2时，表示||DU2(t)||接近零，则进入步骤s10；当||DU2(t)||≥δ2时，表示||DU2(t)||没有接近零，则表明蒸汽侧控制正在作用，进入步骤s25；其中δ2是用来判断||DU2(t)||是否接近零的阈值，取值范围0.0001～0.01；
s25.置u1(t)＝u1,min确保烟气侧不参与控制，进入步骤s30；
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Granted publication date: 20180518

Termination date: 20191121

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