CN111123704A - 一种二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法，所述方法将预测控制、集成节能型指标和变约束条件结合，包含以下步骤：S1：通过现场扰动试验数据，按照线性拟合方法建立精确的再热汽温被控对象的预测模型；S2：根据预测控制算法推导控制指令，并在其中加入使一次、二次烟气挡板开度和最大的节能型最优指标，同时通过烟气挡板的静态上、下限和动态保证一侧挡板全开的约束条件，通过不断的滚动优化计算得出最佳的一次、二次再热烟气挡板的指令序列。本发明针对传统DCS中基于PID的二次再热机组再热汽温控制策略性能不佳的问题，通过预测控制技术来改善对象的大滞后特性，取得了良好的控制品质。

Description

一种二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法

技术领域

本发明针对超超临界二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法，属于热 能动力工程和自动控制领域。

背景技术

近年来，我国超超临界参数等级的发电技术发展迅速。目前，一次再热超超 临界技术较为成熟，二次再热超超临界技术是提高火力发电机组热效率切实可行 的有效手段之一。二次再热超超临界机组锅炉、汽轮机和热力系统的结构更复杂， 各个控制回路如风、煤、给水、汽温及负荷控制之间的非线性耦合关系更强，对 控制系统性能也提出了更高的要求。二次再热超超临界机组的再热烟气挡板用于 调节一次、二次再热汽温之间的温差，是再热汽温的主要调节手段，也是二次再 热机组的重要控制回路。

实现在DCS中的再热烟气挡板控制策略通常基于传统的PID控制进行设计， 再辅以必要的前馈控制。从实际应用效果看，由于再热汽温对象明显的大滞后特 性，基于PID的控制系统很难获得良好的控制品质。另一方面，一次、二次再热 烟气挡板的开度决定了尾部烟道的通流面积，会明显影响通流阻力，并进一步影 响引风机电耗，和机组运行经济性有密切关系。传统的锅炉厂推荐的烟气挡板运 行方式是一次、二次烟气挡板联动，一个开大另一个就关小，同时保持开度和不 变(通常为120％)，这种运行方式的好处是能保证较大的温度调节范围，同时挡 板在调节中能保持较好的线性，但同时缺点也非常明显：

(1)总的烟气挡板开度和较小，长期的烟道节流阻力较大；

(2)实际调节中经常会出现一次、二次烟气挡板均在中间开度的情况，进 一步增加节流损失；

(3)二次再热机组运行在中低负荷阶段时，一次、二次再热汽温均难以达 到额定值，此时再将一次、二次再热汽温调平已无明显意义，而应将烟气挡板尽 可能开大，减少烟道节流损失；

针对目前超超临界二次再热机组再热汽温控制系统的现状和存在问题，本发 明设计了二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法，将预测控制、集成节能 型指标和变约束条件结合，在有效控制再热汽温的前提下尽可能减小炉膛尾部烟 道的通流阻力，从而明显降低引风机电耗，提高机组运行经济性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对二次再热机组再热汽温的大滞后特性以及节 能需求，设计了一种基于预测控制理论并在其中集成节能型指标的再热汽温优化 控制方法。

技术方案：本发明公开了一种二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方 法，将预测控制、集成节能型指标和变约束条件结合，包含如下步骤：

S1：建立精确的再热汽温被控对象的预测模型，包括：

S1.1：进行阶跃扰动试验，得到一次再热烟气挡板、二次再热烟气挡板对一 次、二次再热汽温差变化的动态特性数据；

S1.2：使用步骤S1.1中获得的数据，通过最小二乘系统辨识方法建立再热 汽温被控对象的数学模型，并离散化，得到如下的标准CARIMA模型：

式中T为一次、二次再热汽温差(℃)，

为一次再热指令(GPC输出)(％)，

为二次再热指令(GPC输出)(％)，ξ₁均值为零的白噪声序列。q^-n为时间算 子，A₁(q^-1)、B₁(q^-1)均为q^-n的多项式

S2：根据预测控制算法，结合节能型最优指标和变约束条件，通过不断的滚 动优化计算得出最佳的一次、二次再热烟气挡板的指令序列，包括：

S2.1：根据预测控制算法和被控对象的CARIMA模型，推导出未来各采样 时刻的一次、二次再热汽温差

的估计为：

式中

为权值

S2.2：根据实际情况，一次、二次再热挡板指令存在静态和动态约束关系：

首先烟气挡板的开度要在上、下限范围内，写为表达式时如下：

(1-3)式中U_max、U_min分别为烟气挡板的上、下限。

其次，一次、二次再热烟气挡板采用如下规律联动:当为提高一次再热汽温而 进行调节时，只有在一次挡板调节至全开时，才开始关小二次挡板；同样当为提 高二次再热汽温而进行调节时，只有在二次挡板调节至全开时，才开始关小一次 挡板。写为表达式时如下：

在(1-3)、(1-4)的约束条件下，

的取值范围为 [U_min+U_max,U_max+U_max]，在绝大多数情况下，一次、二次再热烟气挡板的开度 和均大于最小开度和，可以在保证调节范围的条件下尽可能减小炉膛尾部烟道的 通流阻力。

S2.3：考虑到在实际的调节过程中应在满足再热汽温控制的条件下使烟气挡 板尽可能开大，从而减少烟道阻力。由此构造最优控制的目标函数为：

式中T₀为一次、二次汽温偏差的设定值。

γ₁、γ₂为权值，是汽温偏差函数

式中

分别是一次、二次再热额定温 度，T¹、T²是一次、二次再热实际温度，设计思路是当一次、二次再热汽温均 低于额定温度较多时，应减弱对温差的调节作用，而增强开大烟气挡板的调节作 用。

S2.4：将式(1-5)、(1-4)、(1-3)带入式(1-2)，根据最小二乘法则， 可得出预测控制算法下

从第1到第k步的最优解。

附图说明

图1是本发明的控制方案原理框图。

具体实施方式

下面结合实施实例和附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

S1：建立精确的再热汽温被控对象的预测模型，包括：

S1.1：机组在稳定负荷下，进行烟气挡板的阶跃扰动试验，具体为：

1)机组协调控制系统运行于BASE方式(机、炉手动)，燃料、给水、送风 均保持手动状态，尽可能减少试验过程中的外扰因素影响，一次、二次再热烟气 挡板保持在60％～80％的初始状态；

2)待机组主要参数平稳时，阶跃关小一次再热烟气挡板20％～30％，稳定 30min，再将一次再热烟气挡板开回至原先位置；

3)以同样方法进行二次再热烟气挡板试验；

4)记录试验过程中的烟气挡板开度，一次、二次再热汽温数据；

S1.2：使用步骤S1.1中获得的数据，通过最小二乘系统辨识方法建立再热 汽温被控对象的数学模型，并离散化，得到如下的标准CARIMA模型：

式中T为一次、二次再热汽温差(℃)，

为一次再热指令(GPC输出)(％)，

为二次再热指令(GPC输出)(％)，ξ₁均值为零的白噪声序列。q^-n为时间算 子，A₁(q^-1)、B₁(q^-1)均为q^-n的多项式

S2：根据预测控制算法，结合节能型最优指标和变约束条件，通过不断的滚 动优化计算得出最佳的一次、二次再热烟气挡板的指令序列，包括：

S2.1：令

和

构成以下Diophantine方程：

式1-1两边同乘

同时将上式代入，并移项得：

则未来各采样时刻的一次、二次再热汽温差

的估计为：

式中

为权值

S2.2：根据实际情况，一次、二次再热挡板指令存在静态和动态约束关系：

首先烟气挡板的开度要在上、下限范围内，写为表达式时如下：

(1-3)式中U_max、U_min分别为烟气挡板的上、下限。

其次，一次、二次再热烟气挡板采用如下规律联动:当为提高一次再热汽温而 进行调节时，只有在一次挡板调节至全开时，才开始关小二次挡板；同样当为提 高二次再热汽温而进行调节时，只有在二次挡板调节至全开时，才开始关小一次 挡板。写为表达式时如下：

由(1-3)、(1-4)可以看出，一次、二次再热烟气挡板的开度和不在是固定 数值，而是根据调节需求的动态数值，

的取值范围为 [U_min+U_max,U_max+U_max]，可看出，在绝大多数情况下，一次、二次再热烟气挡 板的开度和均大于最小开度和，可以在保证调节范围的条件下尽可能减小炉膛尾 部烟道的通流阻力。

S2.3：考虑到机组风烟通道的流通阻力直接决定于一次、二次再热烟气挡板 的开度，在实际运行中应在满足再热汽温控制的条件下使烟气挡板尽可能开大， 从而减少烟道阻力，降低引风机电耗，提高机组的节能指标。由此构造最优控制 的目标函数为：

式中T₀为一次、二次汽温偏差的设定值。

γ₁、γ₂为权值，是汽温偏差函数

式中

分别是一次、二次再热额定温度，T¹、T²是一次、二次再热实际温度，设计思路是当一次、二次再热汽温均低于 额定温度较多时，应减弱对温差的调节作用，而增强开大烟气挡板的调节作用。

S2.4：将式(1-5)、(1-4)、(1-3)带入式(1-2)，根据最小二乘法则， 可得出预测控制算法下

从第1到第k步的最优解。

实施实例

某电厂1000MW二次再热机组采用本专利的控制方案，相关模型及参数设 置为：

根据现场扰动试验数据拟合出烟气挡板开度对一次、二次再热汽温温差 的传递函数关系为

以5s为采用周期，离散化上述模型；选择最大预测步数N＝200；约束条 件中，烟气挡板的上、下限分别为100％、20％；最优控制的目标函数中的γ₁、 γ₂权值系数参照下表来设置。由上述参数可构造出最终的预测控制器。

该机组原控制策略采用基于传统PID，一次、二次烟气挡板开度和固定为 120％的控制方式，采用本发明所设计的多目标再热汽温控制策略进行优化后， 机组长期的运行性能改善如下：

可看出采用本发明所设计的节能型再热汽温预测控制方案良好的兼顾了 汽温控制品质和烟道流通阻力，在提高平均汽温的和减小汽温波动幅度的前 提下大幅降低了引风机的平均电流，对机组控制性能和节能指标的改善非常 明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下， 还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超超临界二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法，其特征在于：

S1：采用广义预测控制GPC作为超超临界二次再热机组再热汽温反馈回路控制器；

S2：一次、二次再热烟气挡板的联动方式不采用固定开度和，通过在预测控制中增加静态和动态约束条件，使一次、二次再热烟气挡板在调节中至少有一侧始终全开，并有可能达到两侧均全开的调节状态，炉膛尾部烟道节流损失降至最低；

S3：在预测控制中加入含有烟气挡板开度指令的最优控制目标函数，满足汽温调节需求的前提下使烟气挡板尽可能开大，进一步降低炉膛尾部烟道节流损失。

2.根据权利要求1所述的超超临界二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法，其特征在于所述特征S1中的具体步骤为：

根据阶跃扰动试验的结果，得到一次再热烟气挡板、二次再热烟气挡板对一次、二次再热汽温差变化的动态特性数据的标准CARIMA模型：

式中T为一次、二次再热汽温差(℃)，

为一次再热指令(GPC输出)(％)，

为二次再热指令(GPC输出)(％)，ξ₁均值为零的白噪声序列；q^-n为时间算子，A₁(q^-1)、B₁(q^-1)均为q^-n的多项式；

并根据预测控制算法推导出未来各采样时刻的一次、二次再热汽温差

的估计为：

式中

为权值。

3.根据权利要求1所述的超超临界二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法，其特征在于：

所述步骤S2中的对烟气挡板的开度指令进行静态和动态约束具体为：

烟气挡板的开度要在上、下限范围内，写为表达式时如下：

(1-3)式中U_max、U_min分别为烟气挡板的上、下限。

其次，一次、二次再热烟气挡板采用如下规律联动:当为提高一次再热汽温而进行调节时，只有在一次挡板调节至全开时，才开始关小二次挡板；同样当为提高二次再热汽温而进行调节时，只有在二次挡板调节至全开时，才开始关小一次挡板，写为表达式时如下：

在(1-3)、(1-4)的约束条件下，

的取值范围为[U_min+U_max,U_max+U_max]，在绝大多数情况下，一次、二次再热烟气挡板的开度和均大于最小开度和，可以在保证调节范围的条件下尽可能减小炉膛尾部烟道的通流阻力。

4.根据权利要求1所述的超超临界二次再热机组再热汽温的节能型预测控制方法，其特征在于：

所述特征S3中在预测控制中加入烟气挡板开度指令的最优目标函数：

式中T₀为一次、二次汽温偏差的设定值；γ₁、γ₂为权值，是汽温偏差函数

式中

分别是一次、二次再热额定温度，T¹、T²是一次、二次再热实际温度，设计思路是当一次、二次再热汽温均低于额定温度较多时，应减弱对温差的调节作用，而增强开大烟气挡板的调节作用。

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