CN111045321B - 一种深度调峰下的协调控制带嵌入式内模控制器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深度调峰下的协调控制带嵌入式内模控制器的方法，通过上述方式，本发明能够提高变负荷瞬间发电机组为响应电网调频能力，快速改变发电机组发电功率引起汽机调门变化造成的机组的主蒸汽压力变化，使机组的压力设定值和实际值不会偏差太大；提高发电机组变负荷时发电功率的响应速度的变化造成机组的主蒸汽压力的变化的适应能力，使机组主蒸汽压力紧跟着滑压曲线变化；提高发电机组在不同负荷段的负荷变化能力；提高适应发电机组的燃料热值变化的能力；提高发电机组变负荷结束时快速稳定能力；快速消除发电机组启停磨煤机造成的影响；同种模型时内模控制器比PID控制有更快的调节稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及到一种火电机组协调控制方法，尤其是一种深度调峰下的协调控制带嵌入式内模控制器的方法。在电网容量不断扩大的背景下，越来越多的高参数大容量机组也已经加入了进来，而这样峰谷差的矛盾也就更加的突出了。现阶段，火电仍是我国各大电网的最重要组成结构，那么大容量的火电机组参与调峰调频运行就也是非常重要和必要的。本发明提出火电机组在变负荷时的动态前馈协调控制方法，通过对常规协调控制的改善，提高机组变负荷性能，提高响应电网的调频能力，提高机组运行的稳定性和经济性，减小机组的变负荷成本，更好地协调厂网利益。
背景技术
与本专利最接近的现有技术：
1、[发明专利]《一种火电机组动态前馈协调控制方法》申请号：CN201611158933.9，申请/专利权人：中电华创电力技术研究有限公司，发明/设计人：王亚顺，分类号：F22B35/18;F23N5/00
2、[发明专利]《火电机组智能化的协调控制方法》，申请专利号：CN200910056125.5，申请人：华东电力试验研究院有限公司; 上海明华电力技术工程有限公司，发明人：沈丛奇，主分类号：F22B35/00
现有技术的客观缺点：
1、由于机组处于AGC调频模式，AGC指令的频繁反复变化，造成机组负荷目标值也发生频繁反复变化，使得机组的燃料跟着AGC负荷指令变化而变化，从而使机组的配风、配水等回来也在大幅来回波动。但是机组控制系统反应迟钝、死区大，造成一波未稳定又来一波，从而使机组始终处于不稳定状况运行。运行人员为了保证机组正常运行自然就会牺牲机组AGC各方面的指标，甚至会受到中调的考核。同时机组的不稳定运行，给机组的安全经济运行带来了非常大的危害。
2、常规的前馈无法解决AGC指令的频繁反复变化以及负荷变化率不同引起汽机主蒸汽压力的波动。
3、由于煤质的热值不稳定变化引起的运行工况也不断变化，从而使机组的压力始终与设定值有较大的偏差，需要运行人员不断修改压力设定值辅助机组运行工况，增加了很多不必要的操作。（附图1）
4、煤量的不稳定影响着机组的风煤比和水煤比，同时风煤比和水煤比的不稳定也影响着机组AGC控制。
5、常规PID+前馈的控制策略不能很好的解决AGC频繁反复变化引起的主蒸汽压力的变化，给机组的安全、经济的运行带了很大的困扰，同时也不能够满足电厂热工控制技术监督的各项指标。
6、以前的协调控制逻辑允许AGC投入的条件是需机组负荷大于额定负荷40%才能投入AGC。并且在不同负荷段锅炉水冷壁产生蒸汽速度是不太一样的。因此我们需要一种快速有效的稳定机组安全运行方法来解决目前这种现状，提升电厂在热工新技术方面的管理控制技术手段，对机组控制系统进行优化，解决机组控制系统大延迟、大惯性的问题，从而保证机组能够安全稳定经济的运行并提高机组发电效率。因此我发明了一套利用先进控制算法（内模控制器IMC或CC）+动态前馈的方法来解决这些问题。
发明内容
鉴于机组控制系统反应迟钝、死区大，结合机组负荷和机组主蒸汽压力以及其他控制参数的耦合性，响应AGC的频繁反复的变化和适应不同负荷段以及不同负荷变化率的要求，通过AECS-2000建立过程参数实时模型和利用内模控制和先进的解耦控制算法+动态前馈的方法，预测和跟踪控制系统各回路参数变化情况，既能响应AGC频繁变化的要求，又能使机组各参数满足控制在一定范围内，使机组能够快速的稳定下来，提高机组节能自动化控制水平的技术效果。完全区别于常规控制方式，具有简单易用，成熟可靠，改造成本低的优势，提高机组自动化水平和实现节能降耗的意义，从而使机组安全、经济的运行生产。
本发明是一种深度调峰下的协调控制带嵌入式内模控制器的方法，它的优点在于：
提高变负荷瞬间发电机组为响应电网调频能力，快速改变发电机组发电功率引起汽机调门变化造成的机组的主蒸汽压力变化，使机组的压力设定值和实际值不会偏差太大。
提高发电机组变负荷时发电功率的响应速度的变化造成机组的主蒸汽压力的变化的适应能力，使机组主蒸汽压力紧跟着滑压曲线变化。
提高发电机组在不同负荷段的负荷变化能力。
提高适应发电机组的燃料热值变化的能力。
提高发电机组变负荷结束时快速稳定能力。
快速消除发电机组启停磨煤机造成的影响。
同种模型时内模控制器比PID控制有更快的调节稳定性。（附图10）
附图说明
图1、2018年8月份电厂煤量热值（kJ/kg）与日期的关系图
图2、APC与DCS网络通讯框架图
图3、项目实施流程图
图4、切换逻辑示意图
图5、实际运行系统协调控制系统切换画面
图6、锅炉主控组成示意图
图7、协调控制系统实际运行控制逻辑
图8、机组负荷由135mw→120mw→135→70mw变化的曲线（额定负荷330MW）
图9、机组负荷由280mw→110mw变化的曲线（额定负荷330MW）
图10、同种模型下PID和内模控制器的调节曲线（上半图为PID调节曲线，下半图为内模控制器的曲线）。
具体实施方式
本发明在于一种深度调峰下的协调控制带嵌入式内模控制器的方法，针对电厂因常规PID+前馈控制方式，控制系统常常无法解决AGC频繁反复变化以及机组本身的大滞后、大延迟的特性，无法达到机组各参数安全经济快速稳定的优化目标，经过系统调研、方案设计、逻辑修改、开环试验、闭环试验、模型验证及相关运行测试等阶段工作。在机组协调控制回路中，实现先进控制算法和控制策略的功能，达到机组控制既能满足AGC的调度要求又能使机组安全经济运行的优化的目标。
实施流程包含几个主要阶段：
1、实现方法和步骤：
(1)通讯建立
AECS-2000（APC）系统通过成熟可靠OPC的通讯方式与DCS建立通讯。APC系统属于DCS的外挂服务系统，这样可以确保DCS的逻辑保持不变同时实现APC系统上的先进功能运算适时反馈给DCS。APC和DCS在通讯逻辑上搭建无扰切换的握手策略，在一定情况下APC和DCS可以实现互相切换，确保机组安全稳定运行。（附图2）
（2）参数建模
一定机组条件下通过特定的模型试验，学习和收集机组控制回路各参数变化特性，计算和整理模型特性参数，建立初步过程模型；在投入优化系统，改变实际给煤量，观察机组实际主蒸汽压力和负荷的变化，初步校验开环模型拟合程度。
（3）模型校验
投入控制系统优化系统，通过一定条件下的参数扰动试验，改变主蒸汽压力设定参数，分析主蒸汽压力实际变化情况，根据参数变化情况调整模型特征参数，确保参数模型满足实际运行要求，实现优化目标。
（4）先进控制算法
通过参数建模和模型校验的步骤，建立机组运行参数可靠模型；根据参数模型实时主蒸汽压力变化量以及负荷变化量，通过锅炉主控自动按需投入给煤量，在响应AGC要求下控制出口主蒸汽压力与压力设定值在一定的范围之内，实现给煤量按需投入的闭环控制；解决被控参数大滞后反应，提高参数调节品质，节能降耗。
2 、具体实施方式
本发明在于一种深度调峰下的协调控制带嵌入式内模控制器的方法，针对电厂因常规PID+前馈控制方式，控制系统常常无法解决AGC频繁反复变化以及机组本身的大滞后、大延迟的特性，无法达到机组各参数安全经济快速稳定的优化目标，经过系统调研、方案设计、逻辑修改、开环试验、闭环试验、模型验证及相关运行测试等阶段工作。在机组协调控制回路中，实现先进控制算法和控制策略的功能，达到机组控制既能满足AGC的调度要求又能使机组安全经济运行的优化的目标。
项目实施流程包含几个主要阶段
项目可研：了解机组情况和实际运行问题，确定优化目标
系统通讯: 同DCS建立数据通讯，读取协调控制系统回路各参数，将优化运算结果反馈给DCS
逻辑搭建：实现无扰切换和握手策略和协调控制系统的先进控制功能
数据建模：通过特定试验，计算和识别模型特征参数，建立可靠的运行参数模型，预测协调控制系统的各参数变化。
3、详细项目实施流程（附图3）
4、优化系统配置
控制器数量：1台装有优化系统软件包控制器
控制器型号：DELL
控制器系统：WINDOWS SERVER，
其他：交换机、液晶显示器、键盘、鼠标，网线
5、切换逻辑示意图（附图4）
DCS仍然作为先进控制系统运行的基础。在先进控制系统外，DCS始终保持在健康的运行状态，并且始终跟踪先进控制系统的输出，随时可以进行无扰切换。DCS侧和先进控制侧我们做有非常严谨的先进控制握手、保护、跟踪策略，用于安全投切。
6、优化控制系统实际运行
优化运行模式选择按钮（按钮在图5的左下角）：点击“APC投入”按钮就代表此系统的先进控制系统的外挂已投入，协调控制逻辑由DCS侧切换到APC侧控制；点击“APC退出”按钮代表此系统的先进控制系统的外挂已退出，协调控制逻辑由APC侧切换到DCS侧控制。
为了克服锅炉系统固有燃烧惯性，设计了基于内模控制器IMC+动态前馈的协调控制策略，其基本控制原则是以负荷对应煤量或者是煤量的百分比，以主汽压力调节作为修正。静态过程中，主汽压力偏差靠PID调节器；动态过程中控制品质主要依靠各种前馈控制，锅炉主控组成示意图如图6所示。
（附图7）
(1)机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈
当机组变负荷时，首先通过静态前馈是实现燃料的粗调，f（x）1是对应于机组负荷指令的燃料指令分段线性函数，这是维持机炉能量平衡的基准燃料，并由热值校正回路增加其准确性。保证控制系统从这个稳态变化到另一个稳态时机组负荷和主蒸汽压力不会偏差太大，从而保证能够快速机组控制系统能够快速稳定。
(2)机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈
根据机组负荷指令大小和负荷变化率以及压力变化率计算出锅炉指令动态预给煤分量，实现对锅炉燃料的超前控制，快速消除因为机组负荷响应AGC的负荷指令引起汽机调门快速变化造成的主蒸汽压力变化；同时增加对负荷给定指令的超前滞后环节，为发电机组持续增减负荷提供动力，同时也可以削弱预给煤分量的大小，防止变负荷瞬间由于预给煤分量太大造成机组的主蒸汽温度、炉膛负压等等变化太大，是机组各参数都在可控范围之内。
锅炉燃料热值不同引起的动态前馈：
根据锅炉燃料热值以及其相关的滞后性不同，增加了压力回路的动态前馈，用于提前抵消以为锅炉燃料热值和控制系统的原因引起锅炉主蒸汽压力的变化，为先进控制器内模算法调节快速稳定赢起各多调节的时间，同时也可以快速消除启停制粉系统造成机组各参数的影响。
由于考虑到高低负荷段锅炉水冷壁热交换能力不太一样，并且低负荷时锅炉属于逸氧运行，因此锅炉水冷壁在单位时间内产生蒸汽量就不太相同，锅炉起压的速度就不一样，因此增加了在不同负荷段用负荷指令来修正锅炉动态指令。
7、 实施案例
以华能营口发电厂存在的协调控制参数波动大为分析案例，针对电厂采用常规PID控制器+前馈无法很好的解决深度调峰调频下的协调控制，机组运行参数频繁波动并且较快的稳定的优化目标，通过实施了以协调控制系统优化控制改造项目很好地解决了次问题。项目经过实际运行观察和考验，既能快速响应AGC指令频繁变化，又能快速响应机组的各参数变化，同时能控制机组的功率和主蒸汽压力、主蒸汽温度等等在指定范围内，避免了给煤量和减温水频繁变化，提高机组自动化水平，实现节能降耗，达到机组安全经济运行的效果。
优化运行效果：
如附图8、9所示，当AGC指令频繁变化时，给煤总量能自动快速跟随调整，机组负荷能紧跟着负荷指令曲线运行，同时主蒸汽压力也紧跟着滑压曲线运行，并且各参数都控制在一定范围之内并最终能快速稳定，实现节能降耗，减少运行人员工作量，具有非常重要的实际意义。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (1)
1.一种深度调峰下的协调控制带嵌入式内模控制器的方法，其特征在于基于嵌入式内模控制器的协调控制系统,包括以下步骤：
步骤一：建立通讯，APC控制系统通过OPC的通讯方式与DCS建立通讯，在通讯逻辑上搭建无扰切换的握手策略，实现在一定情况下控制系统和DCS可以实现互相切换，确保机组安全稳定运行；
步骤二：参数建模，通过特定的模型试验，学习和收集机组控制回路各参数变化特性，计算和整理模型特性参数，建立初步过程模型；
步骤三：模型校验，投入APC控制系统优化，通过一定条件下的参数扰动试验，改变主蒸汽压力设定参数，分析主蒸汽压力实际变化情况，根据参数变化情况调整模型特征参数，确保参数模型满足实际运行要求，实现优化目标；
步骤四：增加控制前馈，通过参数建模和模型校验的步骤，建立机组运行参数可靠模型；根据参数模型实时主蒸汽压力变化量以及负荷变化量，通过锅炉主控自动按需投入给煤量，在响应AGC要求下控制出口主蒸汽压力与压力设定值在一定的范围之内，实现给煤量按需投入的闭环控制；设计了基于内模控制器IMC+动态前馈的协调控制策略，其基本控制原则是以负荷对应煤量或者是煤量的百分比，以主汽压力调节作为修正：
（1）机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈
当机组变负荷时，首先通过静态前馈是实现燃料的粗调，f（x）1是对应于机组负荷指令的燃料指令分段线性函数，这是维持机炉能量平衡的基准燃料，并由热值校正回路增加其准确性；保证控制系统从这个稳态变化到另一个稳态时机组负荷和主蒸汽压力不会偏差太大，从而保证能够快速机组控制系统能够快速稳定；
（2）机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈
根据机组负荷指令大小和负荷变化率以及压力变化率计算出锅炉指令动态预给煤分量，实现对锅炉燃料的超前控制，快速消除因为机组负荷响应AGC的负荷指令引起汽机调门快速变化造成的主蒸汽压力变化；同时增加对负荷给定指令的超前滞后环节，为发电机组持续增减负荷提供动力，同时也可以削弱预给煤分量的大小，防止变负荷瞬间由于预给煤分量太大造成机组的主蒸汽温度、炉膛负压变化太大，使机组各参数都在可控范围之内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Quan Inventor after: Li Yanhuang Inventor after: Zhu Tingjin Inventor before: Li Quan Inventor before: Li Yanhuang |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |