CN108361683A - 一种全负荷段再热气温智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及再热汽温智能控制技术领域，具体涉及一种全负荷段再热气温智能控制系统。一种全负荷段再热气温智能控制系统，其包括智能控制系统、减温水控制系统、烟气挡板控制系统和先进控制策略组成，所述智能控制系统由自主辅助控制系统和串行机组分散控制系统组成，所述自主辅助控制系统通过串口MODBUS通讯协议经由通讯电缆与串行机组分散控制系统实现串行相连联通，将先进控制策略纳入整个机组的再热汽温优化控制优化进行系统中，使得电站锅炉再热汽温调节回路品质能够得到较大幅度的改善与提高。成功地实现了对再热汽温控制系统的智能优化改造。发电机组的整体安全性和经济性都得到了明显提高。

Description

一种全负荷段再热气温智能控制系统

技术领域

本发明涉及再热汽温智能控制技术领域，具体涉及一种全负荷段再热气温智能控制系统。

背景技术

众所周知，电站锅炉再热汽温控制是困扰热工控制界的技术难题之一。在国内发电机组频繁变负荷背景下，称再热汽温优化控制为“世界难题”也不为过。为此，热工控制界对其开展了许多研究与试验工作。

目前，电站锅炉再热汽温控制中，通常采用的控制手段包含：喷水（事故或微量）减温控制、燃烧器摆角控制以及尾部烟道烟气挡板控制等。喷水调节是在再热汽温发生超温现象才采用的控制手段，喷水量的增加对机组热效率下降影响较大，通常机组运行过程有严格的再热喷水量指标考核。燃烧器摆角控制在实际运行过程中，考虑到机组的燃烧稳定与安全性，通常很少参与调节。故而，在现在大型电站锅炉中，通常采用烟气挡板作为控制再热汽温的主要手段。然而，这种控制手段通过改变烟气流经低温再热器的流通量，改变再热器的吸热量，用以克服机组运行过程中烟气侧、工质侧的扰动量，以达到调整再热汽温的控制。在这种调整过程中，实际需经历烟气侧对流换热、金属管壁传热、工质侧对流传热动态变动等环节，是典型的慢动态过程，属于大惯性难控过程。目前，大多数再热烟气挡板仍然采用的传统的PID控制策略，这种事后控制方法对于这种大滞后、纯迟延控制对象来说，控制品质很难满足机组变负荷过程中汽温的平稳控制。为此，控制界和电厂工程技术人员一直在不断研究适用于再热汽温控制策略和控制方案来解决生产实际问题。

再热汽温的变化会影响发电机组的循环热经济性和安全性。第一，当再热汽温升高超过允许范围时，会使再热器、中压缸前几级金属材料的强度，有明显的下降趋势，缩短设备的使用寿命，如果过高时，则会引起再热器管子爆破；第二，当再热汽温降低超过允许范围时，会使汽轮机中压缸末级叶片的应力增大，末级叶片的蒸汽湿度增加，湿汽损失增大热效率降低，若长期在低温下运行，则末级叶片会受到严重的侵蚀而缩短检修周期，更重要的是末级叶片因受到侵蚀通流面积改变，级效率降低导致经济性下降；第三，当再热汽温波动大时，则会引起中压缸金属部件的热应力、热变形大幅度变化，导致机组轴系发生物理变形，机组的动平衡受到破坏，极易诱发机组支撑点轴承、轴瓦振动事故。所以，对再热汽温的监视、调整应等同于主汽温度一样重要，需进行严密的监视和调整。

电站锅炉再热汽温控制中，通常采用的控制手段包含：喷水（事故或微量）减温控制、燃烧器摆角控制以及尾部烟道烟气挡板控制等。喷水调节是在再热汽温发生超温现象才采用的控制手段，喷水量的增加对机组热效率下降影响较大，通常机组运行过程有严格的再热喷水量指标考核。燃烧器摆角控制在实际运行过程中，考虑到机组的燃烧稳定与安全性，通常很少参与调节。故而，在现在大型电站锅炉中，通常采用烟气挡板作为控制再热汽温的主要手段。然而，这种控制手段通过改变烟气流经低温再热器的流通量，改变再热器的吸热量，用以克服机组运行过程中烟气侧、工质侧的扰动量，以达到调整再热汽温的控制。在这种调整过程中，实际需经历烟气侧对流换热、金属管壁传热、工质侧对流传热动态变动等环节，是典型的慢动态过程，属于大惯性难控过程。

目前，大多数再热烟气挡板仍然采用的传统的PID控制策略，这种事后控制方法对于这种大滞后、纯迟延控制对象来说，控制品质很难满足机组变负荷过程中汽温的平稳控制。实际的运行结果带来了调节不及时、管壁超温、喷水量过多（喷水量每增加1%，机组循环效率降低0.1%-0.2%）、运行操作强度较大等现象。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够有效解决上述现有再热气温系统存在的问题的全负荷段再热气温智能控制系统。

本发明通过以下方式实现：

一种全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：包括智能控制系统、减温水控制系统、烟气挡板控制系统和先进控制策略组成，所述智能控制系统由自主辅助控制系统和串行机组分散控制系统组成，所述自主辅助控制系统通过通讯电缆串行机组分散控制系统实现串行相连联通，所述自主辅助控制系统和串行机组分散控制系统通讯系统内设有信号检测模块、系统投切模块，信息跟踪程序模块，自主辅助控制系统和串行机组分散控制系统之间通讯系统协议采用串口MODBUS通讯协议实现信息互通连接，所述串行机组分散控制系统通过MODBUS通讯协议实现分别与烟气挡板控制系统和减温水控制系统的串行连接，所述烟气挡板控制系统和减温水控制系统之间通过机组协同控制系统实现并联协调控制连接，所述减温水控制系统包括设定值控制回路模块、PID控制模块、喷水降温装置和控制对象，减温水控制系统采用采用串级控制单回路布局，所述烟气挡板控制系统包括所述烟气挡板控制系统104包括输入函数发生器、内反馈控制器、控制对象、正弦跟踪滤波器和外扰模型组成。

所述先进控制策略包栝模型预测控制、状态预估与反馈控制、自抗扰控制、智能控制算法和高级过程控制算法。

进一步的，所述自主辅助控制系统采用Schneider M340 PLC主控器，所述Schneider M340 PLC 采用UnityPro8.0编程。

进一步的，所述自主辅助控制系统电气特性接口采用了RS485接口模块，RS485接口模块集成在主控制器面板上，并采用RJ45接头形式与其他设备串口通讯设备相连。

进一步的，所述串行机组分散控制系统组成包括：数据采集系统、模拟量控制系统、顺序控制系统、锅炉炉膛安全监控系统。

进一步的，所述串行机组分散控制系统中配置一块链路通讯LC连接控制模块。

进一步的，所述先进控制策略由FBD组态与ST语句联合编程。

进一步的，所述内反馈控制器由高增益控制器和内反馈器组成。

进一步的，所述内反馈器、高增益控制器和正弦跟踪滤波器采用并联补偿方式连接。

进一步的，所述烟气挡板控制系统和减温水控制系统的控制对象为再热气温温度。

本发明提供的全负荷段再热气温智能控制系统的优点在于：

1）采用了自主辅助控制系统作为先进控制技术的实施平台。自主辅助控制系统与机组串行机组分散控制系统采用串口通讯实现。在两套控制系统构建了完善的信号检测、系统投切、跟踪的程序模块保证了系统安全。

2）将机组协同控制系统的优化调整作为再热汽温优化的重要组成部分。在优化调整过程中，将再热汽温的波动、机组负荷升降速率、机前压力作为多目标优化的组成元素，对机组协同控制系统进行重新的逻辑优化与参数整定。

3）在设计过程中，把烟气挡板控制与再热汽温喷水控制作为一个整体来考虑，使之相互协同控制。通过在热喷水控制回路设定值与烟气挡板控制回路设定值的联动、互锁确定烟气挡板控制的优先权，并考虑紧急情况下，喷水动作的及时性。另外，在超温紧急情况下，喷水左右参与调节过程中，减缓烟气挡板的调整速度，并使得眼气挡板按照一定规律向温度降低的方向超驰动作，从而避开两个控制回路通过再热汽温的耦合作用。

4）在实际系统设计过程中，将管壁超温现象作为控制系统实施过程中的一个重要约束条件。通过检测再热、过热管壁超温，分区对待，分层管理超温，在控制回路中融入闭锁、超驰等信号，用于防止管壁的超温。真正实现了控制系统的优化与金属管壁温度超温综合治理。

通过上述措施，成功地实现了对再热汽温控制系统的智能优化改造。烟气挡板控制系统能够长期、安全自动运行。再热汽温控制系统的优化改造，有效地减少了管壁超温的时间，再热喷水统计流量明显减少。机组的整体安全性和经济性都得到了明显提高。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的自主辅助控制系统示意图；

图3是本发明的串行机组分散控制系统示意图；

图4是本发明的减温水控制系统示意图；

图5是本发明的烟气挡板控制系统示意图；

图6是本发明的再热器减温水T-S表示图；

图7是本发明的再热器敏感性分析图。

具体实施方式

为了使审查委员能对本发明之目的、特征及功能有更进一步了解，以下结合附图及实施例对本发明进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-5所示，所述本发明一种全负荷段再热气温智能控制系统，包括智能控制系统、减温水控制系统103、烟气挡板控制系统104和先进控制策略105组成，所述智能控制系统由自主辅助控制系统101和串行机组分散控制系统102组成，自主辅助控制系统101采用Schneider M340 PLC主控器，所述Schneider M340 PLC 采用UnityPro8.0编程，自主辅助控制系统101电气特性接口采用了RS485接口模块，RS485接口模块集成在主控制器面板上，并采用RJ45接头形式与其他设备串口通讯设备相连。

如图3所示，串行机组分散控制系统102组成包括：数据采集系统、模拟量控制系统、顺序控制系统、锅炉炉膛安全监控系统。通过上述系统的配合工作实现数据的实时传输和即时调度无缝衔接的目的。串行机组分散控制系统102组态工作主要包括：通讯卡件的组态、通讯点的组态、各控制回路跟踪与投切组态、通讯点实时监测组态以及操作画面的组态。

其中，通讯点组态是在串行机组分散控制系统102中利用现有的功能模块搭建实现。通过填入相应的MODBUS地址，即可实现与PLC的通讯。实时通讯状态监测是本工程不可缺少的部分，其目的是在通信异常后，系统能够正常切除先控系统，保证控制系统的安全。控制回路的指令跟踪与投切可使得两套控制系统实现无扰的指令切换。

同时自主辅助控制系统101通过通讯电缆与串行机组分散控制系统102实现串行相连联通，所述自主辅助控制系统101和串行机组分散控制系统通讯系统102内设有信号检测模块、系统投切模块、信息跟踪程序模块，自主辅助控制系统101和串行机组分散控制系统102之间通讯系统协议采用串口MODBUS通讯协议实现信息互通连接，所述串行机组分散控制系统102中配置一块链路通讯LC连接控制模块，接线端子上有相应的RS485的端子，实现各设备间快速安全链接通讯。

硬件连接好了之后，两个控制系统之间的信号连接的传输是确保控制系统能正常工作的重要组成部分。通过对再热汽温影响因素的分析与再热汽温指令传输的正确分析、系统的投运、网路完全、无缝连接等诸方面的考虑，确定传输的输入输出信号。

在设计控制系统之前，首要要分析再热汽温波动的影响因素：

在锅炉实际运行过程中，作为对流受热面的再热器，一方面自烟气侧吸收热量，另一方面不断由来自汽轮机高压缸来的再热冷蒸汽带走热量，加热了再热蒸汽。如果我们忽略减温水的影响，我们可以用下面的式子近似描述再热汽温的温升：

其中，为再热汽温的温升；分别是流经再热侧烟气流速、烟气温度、再热蒸汽流量、再热入口温度、金属管壁厚度与热传导系数；t为时间，代表温度的动态变化过程。

显然，再热蒸汽流量、入口温度、烟气流量、管壁传热系数（包括沾污系数），烟气温度水平、再热减温水流量是影响上述传热的直接因素，最终势必影响再热器出口温度。作为控制系统设计，特别面对于再热汽温大滞后控制对象，仅仅分析研究这些直接的影响因素还不足以认识事物的本源，将陷入信息孤岛，难以设计出较为优良的控制系统。所以，还需从源头上需求更快，提前量更大的影响因素。除了管壁特有的传热参数外，其他的直接影响因素均会挖掘出对控制系统设计更加有用的间接影响参量。

1流经再热器烟气流量越大，再热汽温升越大。该流量值与进入炉膛的给煤量、风量、煤种以及再热烟气挡板开度等有关。

2烟气温度越高，平均换热温差越大，再热汽吸收热量越大，汽温越高。烟气温度水平与燃烧状况、配风、炉膛的吸热量、进入炉膛的给煤量、风量、煤种等有关。

3再热蒸汽流量越大，通常单位工质吸收的热量越少，致使再热汽温温度下降。再热蒸汽流量与汽轮机负荷、高压缸的抽汽流量有直接关系。如果考虑动态，实际与锅炉给水流量也是有关系的。后面章节将专题论述。

4再热蒸汽入口温度与机组负荷、汽轮机变工况特性有直接的关系。

然而，上述列出的众多影响因素，有许多是无法在线实时测量的（锅炉燃烧状况、煤种），有些因素并非独立，可用其他因素替代。譬如，汽轮机变工况的特性，对于再热汽温的控制设计无需太多关注，设计系统时最多只需考虑再热器入口蒸汽温度即可。燃烧状况与配风无法全盘考虑，但是影响燃烧与配风的动态特性的磨煤机启停却是我们需要关注与考虑的。

所述串行级组分散控制102系统通过MODBUS通讯协议实现分别与烟气挡板控制系统104和减温水控制系统103的串行连接。实现数据的实时快速有效传输，确保不会出现延时丢包的现象。

通过再热控制回路与机组性能的关系分析

所述烟气挡板控制系统104和减温水控制系统103之间通过机组协同控制系统301实现并联协调控制连接，当机组变负荷时，机组的风、煤、水立即变化。如果是考虑协调系统的特性，汽轮机在指令变化的初期不会立即改变调门开度。轮机入口蒸汽流量Do不变。然而，锅炉的给水流量Dfw是需立刻变化的，根据 1、2级抽汽量的热平衡公式，高压缸的抽汽量份额将增加。同时再热蒸汽的流量份额将减少。这种短期的动态工况将在汽轮机逐渐进汽增多后，再热蒸汽的流量份额将会维持不变，接近于设计的份额。其对再热汽温的影响将渐渐消除。这种动态现象持续的时间与机组协同控制系统301、给水控制回路中的指令惯性由直接的关系。如果在已BF为基础的机组协同控制系统中，一般汽轮机的开度在指令变化后经过多阶惯性后才会开启调门，这样会使得再热蒸汽流量份额偏离设计值会长些时间。同时，当给水指令的惯性延时时间较长时，就会削弱再热蒸汽份额偏离设计值的影响。

机组协同控制系统301优化本先进控制系统实施的一个重要组成部分。该机组协同控制系统301逻辑及优化均在串行机组分散控制系统102中实现的。通过测定控制对象模型、重新优化前馈回路、控制系统仿真、设定值扰动及机组升降负荷试验等步骤完成。为了加快机组动静态的响应过程，同时兼顾再热汽温的波动幅度，开展了风煤水特性修正；为了使机组协同控制系统能适应各种燃煤品质的变化，还设计和投运了基于机组负荷为基准的燃料热值校正回路。

再热汽温系统辨识方法建模

通过对再热烟气挡板的阶跃变化，观察动态过程，得出相关的特性参数，用传递函数近似描述对象的动态特性。试验过程数据表如下：

开始值

终值

变化量

开始变化时刻

最大稳定时刻

特征时间tao

特征时间TC

增益

烟气挡板

70

88.7

-18.7

15:37:07

再热汽温

599

579

20

15:39:48

15:48:18

0:02:41

0:08:30

-1.06952

再热蒸汽流量对汽温变化是有着直接影响。当其他条件不变时，再热汽流量的增减会导致再热汽出口温度下降或上升。因此研究机组稳态及机组变负荷期间再热蒸汽流量变化对再热汽温控制显得意义重大。

如图4，其中减温水控制系统103包括设定值控制回路模块、PID控制模块、喷水降温装置和控制对象，减温水控制系统103采用串级控制单回路布局，

PID控制模块采用新型PID控制算法，PID控制算法中包含的比例计算部分、积分计算部分与微分计算部分，其中比例作用属于直接的偏差响应；积分作用是记忆到目前为此的偏差累积，有较大的滞后性；微分作用是通过检测偏差的变化方向，具备一定的预判性，对于提高控制系统调节品质是有利的。

减温水控制量对机组性能的影响

附图6是再热器喷水减温的T-S表示方法图。再热器喷水的热力过程是沿再热压力（Pz）线定压吸热蒸发，过热后进入汽轮机中、低压缸膨胀做功，它所完成的循环如图中虚线所示，是一个非再热的中间参数或者比中间参数还低的循环，与主循环（高参数或超高参数的再热循环）相比，其热经济性要低很多。显然，由于参数不高、热经济性较低的非再热循环的加入，必然导致整个再热循环热经济性的降低。应当指出，再热器喷水将造成设备热经济性很大的降低。一般再热器喷水每增加锅炉额定负荷的1%，热经济性将降低0.2%。因此，应加强再热器事故喷水的维护与管理，不宜将再热器事故喷水作为主要调温手段使用。除此以外，对不合理的调温方式及系统进行改造，也将收到显著的节能效果。

另外，再热器喷水引起热经济性的降低，随喷水分离地点不同而有差异。投入再热器减温水时，机组吸热量变化值dQ为：

式中分别是有减温水及无减温水一级抽汽流量；分别是有减温水及无减温水二级抽汽流量；分别是再热器热段冷段焓值。

利用热平衡法计算第一、二级抽汽流量：

减温水加入给机组带来煤耗变化率的影响

分别为一号二号三号高压加热器进口给水焓值；分别为一号二号高压加热器疏水焓值；为锅炉效率，其随着负荷变化而变化，上述各参数亦随着负荷变化而变化。

通过对该再热器减温水模型进行热力计算，可得不同负荷下，再热喷水对机组性能的影响。表3-1为再热器减温水量--煤耗变化率定量分析。可以看到，再热器减温水流量大幅度增加，机组的热经济性会降低的更多。由图2-5可知，负荷越高，单位再热器减温水对煤耗率的影响越小，这是因为功率越高，锅炉效率越高，汽轮机效率亦越高，越接近机组设计工况，则减温水对机组的经济性影响越小。因此，在实际运行时应尽量减少或避免对再热蒸汽采用喷水减节的方式来调节蒸汽温度，以确保机组的经济运行。

表3-1再热器减温水对机组性能的影响

工况	装置效率改变大小%/t/h	对煤耗率的影响（g/(kW·h)/t/h）
			100%额定工况	0.0392%	0.1041
90%额定工况	0.0441%	0.1167
			75%额定工况	0.0530%	0.1420
60%额定工况	0.0662%	0.1800
			50%额定工况	0.0783%	0.2181

综上所述结合参照附图7再热器敏感性分析，再热喷水流量的增多以及再热出口汽温的偏低均会是机组的经济性下降。而这两项的改善通常需要依赖控制系统调节品质方可实现，如果再热汽温控制好了，管壁与蒸汽超温的现象势必下降，喷水流量使用也势必减少。与此同时，随着控制品质的提升，调节精度越高，运行中可以保证再热汽温压红线运行，相应的出口温度也会提高，机组的经济性也相应会得到较大的改善。

烟气挡板控制再热汽温是通过改变流过低温再热器的烟气流量，达到调整再热器出口温度。烟气传热至再热汽温的变化是一个多阶惯性环节。这种调整方法形成的控制系统实际是一个大滞后的控制系统，需要采用先进控制策略105配合控制。

如图5，所述烟气挡板控制系统104包括所述输入函数发生器IFG、内反馈控制器IFC、控制对象NM、正弦跟踪滤波器STF和外扰模型EDM组成。所述内反馈控制器由高增益控制器HGPI和内反馈器IFD组成。

进一步的，所述所述内反馈器、高增益控制器和正弦跟踪滤波器采用并联补偿方式连接。在控制系统中采用并联补偿方式，同时配备设定值的轨迹规划模块、高增益控制器、IFC补偿回路等模块，为了提高系统的调节品质在还增设了相应的滤波器。

进一步的，所述烟气挡板控制系统104和减温水控制系统103的控制对象为再热气温温度。

输入函数发生器是为了缓解IFC内含理想微分器对输入阶跃的变化幅度。在输入阶跃变化时的输出幅度较大，需要通过输入函数发生器IFG限制IFC输入变化的速率。可将IFG看成是一种简单的过程轨迹控制器。IFG采用一阶惯性环节，为下式:

式中，WIFG(s)为IFG的传递函数.GIFG为惯性常数，s.

内反馈控制器IFC是一种由HGPI和IFD构造的负反馈结构.IFC的实质是通过HGPI实现IFD的逆变换。简单理解， IFC是IFD的逆模型。高增益PI控制器是基于运算放大器(Operational amplifier， OA)[22]在众多领域有广泛的应用经验而设置当运放有足够高的开环增益 (例如高达106或120dB)和闭环稳定(已不成问题)的特性，使相应闭环运算足以对抗OA自身的各种不确定因素的影响。相应的HGPI表达为：

式中，WHGPI(s)为HGPI的传递函数，KHGPI为HGPI的比例增益，无量纲. THGPI为HGPI的积分常数，s。

IFD由FOD，FOI(包括FOI-1、FOI-2、．．．．、FOI-n，其中FOD内含FOI-1)，比例环节(Proportion Link， PL)等所组成.n为IFD的阶数.IFD传递函数，可用下式表示:

式中，WIFD(s)为IFD的传递函数.KIFD为PL的增益，无量纲。TIFD为统一的时间常数，s。式中，在n=2，IFD不含FOI-3之后的FOI环节。

内反馈控制系统频域稳定裕度直接影响到系统的稳定性。在参数设置原则上，要求IFD参数与NM参数对等.但在实际的运用中，完全可以用高阶的IFC去控制低阶的NM，可获得较好的鲁棒性.例如，根据一个四阶NM设计的四阶IFC不一定用于四阶NM的控制，而是用于二阶NM或三阶NM的控制.这也是IFC区别于其他类型控制器的显著优势所在。

正弦跟踪滤波器由于内反馈控制器IFC传递函数的分子比分母多1个s项阶次，需要通过低通滤波器进行降阶.较好的降阶方法是采用二阶低通滤波器，例如二阶惯性滤波器(Second-order inertial filter， SOIF).但SOIF滤波的滞后较大，反过来对IFC的控制特性产生了明显不利的负面影响。

通过实验得出STF对白噪声干扰具有显著的抑制作用。通过高增益PI控制器HGPI进行内反馈器IFD的逆变换，实现了内反馈控制器IFC.IFC带来了诸多的好处，再不用关心对象的阶数和降价问题，类似PID参数整定的问题等.正弦跟踪滤波器STF较好解决了白噪声干扰滤波和滤波滞后的矛盾，较好保证了IFC的控制特性.文中给出了IFC参数设置的简单原则。IFD还是一种对象的并联降阶器，IFC具有简单的结构，整定参数较少，较好的工程适应性，较好的鲁棒性和较强的抗扰性。

所述先进控制策略105包栝模型预测控制DMC、状态预估与反馈控制、自抗扰控制ADRC、智能控制算法和高级过程控制算法，所述先进控制策略105由FBD组态与ST语句联合编程。

模型预测控制DMC是一种基于阶跃响应的预测控制算法，适用于渐进稳定的线性装置。对于不稳定装置可先用常规PID使其稳定，然后再使用DMC算法。

单入、单出对象的阶跃响应预测模型的采样值为ai=a(iT)，i=1，2，…。其中，T为采样周期。对于渐进稳定的对象，阶跃响应在某一时刻TN=NT以后将趋于稳定，以致ai(i>N)与aN的偏差及与设定值的偏差和测量误差有相同的数量级。aN近似于阶跃响应的稳态值。装置的动态信息就可以近似地用有限集合{a1，a2，…，aN}描述，这个集合构成了DMC的模型参数，向量a=[a1，a2，…，aN]T称为模型向量，N则称为建模时域。

利用线性系统具有比例和叠加的性质，可以利用模型参数{ai}预测装置未来的输出值。在k时刻，假定控制作用保持不变时，对未来N个时刻输出的初始预测值为，i=1，2，…，N。[例如，在稳态启动时应该取]，则当k时刻控制作用有一增量时，即可算出其作用下未来时刻的输出值。

同样，在M个连续的控制量：k时刻的，k+1时刻的，….，时刻的，未来各时刻的输出值为

其中，y的下标表示控制作用的变化次数，k+i|k表示k时刻对k+i时刻的预测，那么任意时刻k，只要知道了对象的输出初始值，就可以根据上式的预测模型计算出未来装置的输出。

反馈校正

当k时刻把控制施加于对象时，相当于在输入端加上了的阶跃，利用预测模型（7-5）可以算出在其作用下未来时刻的输出预测值

其中N维向量和的含义与前述相似。由于的元素是未加入，…，时的输出预测值，故经移位后他们可以作为时刻的初值进行新的优化计算。由于实际过程中存在模型失配、环境干扰等因素。由式（7-8）给出的预测值有可能偏离实际值。因此，若不及时利用实时信息进行反馈校正，进一步的优化信息会建立在虚假的初值基础上。为此，在DMC中，到下一采样时刻，首先要检测装置的实际输出，要把它与模型的预测输出相比较，构成输出误差

这一误差信息反映了模型中未包括的不确定因素对输出的影响，可以用来预测未来的输出误差，以补充基于模型的预测。由于误差的产生缺乏因果性的描述，故误差预测只能采用时间序列方法，例如，采用加权的方式修正对未来的输出预测

以作为该时刻的初值

该向量为校正后的输出预测向量，有加权系数组成的N维向量称为校正向量。

在k+1时刻，由于时间基点发生变动，k时刻对k+1时刻的预测变成了已知，预测的未来时间点也将由移动至。因此，需要移位置才能成为k+1时刻的初始预测值

根据模型的截断，k时刻预测的k+N时刻及以后时刻的输出应该相同，因此可以用近似。这一时刻的初始值的设置可以用向量型式表示：

其中，S称为移位矩阵。有了，就可以像进行k+1时刻的优化计算，求出。整个控制就是以这种结合反馈校正的滚动画画方式反复的在线进行。

参数整定

控制系统设计好后，需对参数进行整定。本次的反馈控制参数主要是在仿真过程中确定基本的参量。前馈参量主要依据现场实际数据与运行人员经验来确定，前馈量主要包括机组负荷微分前馈、防壁温超温的超驰控制信号、磨煤机启停信号产生的前馈量等。注意前馈量不包含负荷指令的静态前馈，这与传统控制设计完全不一样，因为整个控制过程，烟气挡板的位置与机组负荷指令没有明显的直接相关关系。

反馈参量主要是基于对象模型，IFC中的参数均是从测试的模型参数与阶数转换而来。IFC的增益需在实际调整参数过程进行微调。

通过设计优化后，机组负荷响应速度加快，主汽压力偏差减少。机组稳定工况下，主汽压力与设定值偏差小于0.3MPa，机组负荷与设定值偏差小于5MW。在主汽压力偏差缩小的同时，机组燃料量、风量、给水流量的波动幅度较优化前也有较大减少，同时提高了主汽温、再热汽温的性能指标。

采用了自主辅助控制系统实现再热汽温烟气挡板控制，自主辅助控制系统和串行机组分散控制系统采用RS485串口结合MODBUS通讯协议的通讯方式。两个控制装置系统之间避免繁琐的硬接线IO连接。

将机组协同控制系统的优化调整作为再热汽温优化的重要组成部分。在优化调整过程中，将再热汽温的波动、机组负荷升降速率、机前压力作为多目标优化的组成元素，对CCS进行重新的逻辑优化与参数整定。

在设计过程中，把烟气挡板控制与再热汽温喷水控制作为一个整体来考虑，使之相互协同控制。通过在热喷水控制回路设定值与烟气挡板控制回路设定值的联动、互锁确定烟气挡板控制的优先权，并考虑紧急情况下，喷水动作的及时性。另外，在超温紧急情况下，喷水左右参与调节过程中，减缓烟气挡板的调整速度，并使得眼气挡板按照一定规律向温度降低的方向超驰动作，从而避开两个控制回路通过再热汽温的耦合作用。同时将管壁超温现象作为控制系统实施过程中的一个重要约束条件。通过检测再热、过热管壁超温，分区对待，分层管理超温，在控制回路中融入闭锁、超驰等信号，用于防止管壁的超温。真正实现了控制系统的优化与金属管壁温度超温综合治理。

综合考虑“负荷响应速率、机前压力”偏差大小以及变负荷时锅炉再热汽温波动幅度作为多个优化目标对机组协同控制系统进行优化设计与参数整定。

重新设计先进控制策略。设计过程还需考虑运行人员的专家经验、前馈方法、参数与对象特性的自适应调整机制等，结合实际生产得出的数据。

通过上述措施，成功地实现了再热汽温控制系统的优化改造。烟气挡板控制系统能够长期、安全自动运行。再热汽温控制系统的优化改造，有效地减少了管壁超温的时间，再热喷水统计流量明显减少。

综上所述，该再热气温智能控制装置的研究对大型火电机组的优化运行与控制将带来极为深远的意义。一方面通过有效控制再热汽温，减少机组喷水流量，可提高机组的运行经济性（通常，1t/h减温水量的增加，约可以增加热耗11.76kJ/kWh）。再者，该项目可有效提升再热汽温控制回路的调节品质，可直接改善锅炉管壁超温现象的发生，从而提高机组运行的安全性。可以预见，该项目的研究成果可以推广至全国的火力发电机组再热汽温的控制回路优化中，能有效改善目前我国目前火电机组再热汽温控制回路调节品质低下之现状，对发电机组的经济、安全方面的提升大有裨益。

在实际系统设计过程中，将管壁超温现象作为控制系统实施过程中的一个重要约束条件。通过检测再热、过热管壁超温，分区对待，分层管理超温，在控制回路中融入闭锁、超驰等信号，用于防止管壁的超温。真正实现了控制系统的优化与金属管壁温度超温综合治理。

1. 典型案例单位：华能国际电力股份有限公司海门电厂

2. 案例实施情况及投资收益：

表1全负荷段再热汽温智能控制效益

从上表可以看出，海门电厂2号机组通过再热器全负荷智能控制，在降低运行人员操作强度时，还提高了再热汽温调整的及时性、有效性，有效提高机组再热汽温1.9℃，同时还达到进一步减少再热器降温水量0.8T/H，总计降低机组煤耗0.2g/KWH。按照机组年发电量45亿度，标煤价950元/吨计算：

4500000000*0.2/1000000*950=855000 元

年每台机组实施再热器烟气挡板自动控制可为电厂增加效益约85.5万元。

当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的适用范围，故，凡在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：包括智能控制系统、减温水控制系统（103）、烟气挡板控制系统（104）和先进控制策略（105）组成，

所述智能控制系统由自主辅助控制系统（101）和串行机组分散控制系统（102）组成，所述自主辅助控制系统（101）通过通讯电缆与串行机组分散控制系统（102）实现串行相连联通，所述自主辅助控制系统（101）和串行机组分散控制系统通讯系统（102）内设有信号检测模块、系统投切模块、信息跟踪程序模块，自主辅助控制系统（101）和串行机组分散控制系统（102）之间通讯系统协议采用串口MODBUS通讯协议实现信息互通连接，

所述串行级组分散控制（102）系统通过MODBUS通讯协议实现分别与烟气挡板控制系统（104和减温水控制系统（103）的串行连接，

所述烟气挡板控制系统（104）和减温水控制系统（103）之间通过机组协同控制系统（301）实现并联协调控制连接，

所述减温水控制系统（103）包括设定值控制回路模块、PID控制模块、喷水降温装置和控制对象，减温水控制系统（103）采用串级控制单回路布局，

所述烟气挡板控制系统（104）包括输入函数发生器、内反馈控制器、控制对象、正弦跟踪滤波器和外扰模型组成，

所述先进控制策略（105）包栝模型预测控制、状态预估与反馈控制、自抗扰控制、智能控制算法和高级过程控制算法。

2.根据权利要求1所述的全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：所述自主辅助控制系统（101）采用Schneider M340 PLC主控器，所述Schneider M340 PLC 采用UnityPro8.0编程。

3.根据权利要求1或2所述的全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：所述自主辅助控制系统（101）电气特性接口采用了RS485接口模块，RS485接口模块集成在主控制器面板上，并采用RJ45接头形式与其他设备串口通讯设备相连。

4.根据权利要求1所述的全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：所述串行机组分散控制系统（102）组成包括：数据采集系统、模拟量控制系统、顺序控制系统、锅炉炉膛安全监控系统。

5.根据权利要求1所述的全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：所述串行机组分散控制系统（102）中配置一块链路通讯LC连接控制模块。

6.根据权利要求1所述的全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：所述先进控制策略（105）由FBD组态与ST语句联合编程。

7.根据权利要求1所述的全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：所述内反馈控制器由高增益控制器和内反馈器组成。

8.根据权利要求1或7所述的全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：所述内反馈器、高增益控制器和正弦跟踪滤波器采用并联补偿方式连接。

9.根据权利要求1所述的全负荷段再热气温智能控制系统，其特征在于：所述烟气挡板控制系统（104）和减温水控制系统（103）的控制对象为再热气温温度。