EP2715074B1 - Systeme de commande pour regulation multivariable de centrale thermique a flamme - Google Patents

Systeme de commande pour regulation multivariable de centrale thermique a flamme Download PDF

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EP2715074B1
EP2715074B1 EP12725356.5A EP12725356A EP2715074B1 EP 2715074 B1 EP2715074 B1 EP 2715074B1 EP 12725356 A EP12725356 A EP 12725356A EP 2715074 B1 EP2715074 B1 EP 2715074B1
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EP
European Patent Office
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loop
chain
steam pressure
control system
fuel supply
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EP12725356.5A
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English (en)
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EP2715074A1 (fr
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Eve Dufosse
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Electricite de France SA
Original Assignee
Electricite de France SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K15/00—Adaptations of plants for special use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/165—Controlling means specially adapted therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating

Definitions

  • the invention relates to a control system for a thermal flame station for generating electricity from fuel.
  • the invention relates more precisely to a control device of such a power plant for monitoring power while ensuring that certain criteria of the state of the superheated steam are met, and a thermal power plant comprising such system, and a method of controlling a thermal power plant by the implementation of such a control system.
  • the invention can be applied for example to a coal-fired power plant.
  • a thermal power plant whose figure 1 presents a schematic illustration, allows to produce electricity from a heat source fueled.
  • the production of heat is governed by the supply of fuel GC of the heat source, here a boiler 103.
  • This heat is transmitted to a working fluid circulating in a circuit to make it pass from the liquid state to the gaseous state, so that this working fluid is in vapor phase on a part of the circuit.
  • Regulating valves whose state is defined by their opening SR make it possible to regulate the supply of a turbine 114.
  • the state of the vapor is defined by a certain pressure P and a certain temperature T.
  • the vapor allows the rotation of the turbine 114 which is mechanically connected to an alternator 116, the latter thus producing an electric power W.
  • the power station illustrated on the figure 1 will be described in more detail in the following description.
  • a PI regulator is a closed-loop control that allows the regulation of the error between a setpoint and a measurement of a value.
  • the PI regulator exerts on the error a doubled proportional action - it multiplies the error by a fixed factor, the gain, - and integral - it integrates the error over a certain time interval and divides the integrated value by another factor fixed.
  • each system variable controller has an input and an output.
  • An object of the invention is therefore to provide a thermal power plant control system to overcome these disadvantages.
  • An object of the invention is therefore more precisely to provide a control system of thermal power plant providing regulation for good power dynamics, having interesting characteristics of robustness, stability and speed.
  • Another objective of the invention is that this control system can easily be implemented in existing thermal power stations.
  • the invention proposes to fulfill these objectives.
  • a control system for the multivariable regulation of a thermal power plant for the generation of electricity from fuel as defined in appended claim 1.
  • the figure 1 is a simplified and synthetic diagram of a thermal power station with flame 100.
  • the arrows with solid line 107 represent the circulation of the working fluid both in liquid phase and gaseous.
  • This working fluid is a heat transfer fluid which is most often water.
  • the working fluid is water in the present description.
  • the simplified operating principle is as follows.
  • the fuel supply GC causes the fuel to flow to the assembly 102 comprising the boiler 103 and its auxiliaries.
  • the fuel undergoes a treatment, then the combustion proper.
  • the combustion of the fuel releases heat, represented by the white arrows 105, which is in particular transferred to the water circulating in the tubes of an exchanger 104.
  • This water then passes to the vapor state.
  • the balloon 106 separates the liquid water from the steam, the latter leaving in a set of superheaters 108.
  • the superheaters 108 may be subject to additional water injections via the water injection system 110, including one of the actuators allows the control of injection of DHQ superheat desuperheating water .
  • the temperature and the pressure of the water increase sharply.
  • the water then changes to superheated steam.
  • This steam is conveyed to the turbine 114, through regulating valves 112 located upstream of the first body of the turbine and whose opening is defined by the parameter SR. Between the control valves 112 and the turbine 114, the superheated steam has a temperature T and a pressure P.
  • the steam undergoes a relaxation, relaxation that allows the rotation of the turbine wheels.
  • the water then returns to the system 108, through a reheater, before joining the medium pressure body MP, then the LP low pressure body of the turbine.
  • MP and BP bodies a similar phenomenon of relaxation allows also the rotation of the wheels of the turbine 114.
  • the rotation drives the electric alternator 116, thereby producing an electric power W.
  • the expanded steam having passed through the turbine is admitted into the condenser 118, where it is cooled. It then goes into a liquid state and can start a new cycle.
  • the GC fuel supply has oscillations during high power demands, which results in a high load on the boiler 103 and the depollution devices present at the evacuation of the boiler 103.
  • the invention makes it possible to obtain a fuel supply which does not cause stresses on the boiler and too strong depollution devices in order to prolong their service life. Furthermore, the invention makes it possible to circumvent the problems inherent in the presence of a delay resulting from the routing, processing and possible heating of the fuel.
  • a first embodiment of the invention in the case of a control system of a coal-fired power plant is illustrated by the figures 2 and 4 .
  • control system relates to a coal-fired power station whose operation corresponds to the figure 1 described above.
  • the system to be controlled is of multivariable type.
  • each of the control loops 200, 400 a variable of one loop is taken into account as a perturbation in the other loop.
  • each of said loops comprises a control variable whose action can regulate the behavior of the plant.
  • the figure 2 thus represents a regulation loop 200 of superheated steam pressure P corresponding to the first embodiment of the invention described.
  • the regulation loop 200 comprises a disturbance rejection chain 202, a chain of determination of the disturbance-free control variable 204 and a modeling chain 206 of a transfer function H GC-P1 between the fuel supply GC and the contribution P1 to the vapor pressure P of the GC fuel supply.
  • a disturbance rejection string in the present description will be understood to mean a control loop element taking into account, by its input, a variable considered as a disturbance in said regulation loop with the aim of rejecting it, that is to say of to overcome its effect, by taking into account upstream of the determination of the control variable of said control loop.
  • the regulation loop 200 has the reference pressure P REF as input pressure, the value of which is fixed in particular according to the characteristics of the thermal power plant and according to considerations of safety, efficiency and service life. installations.
  • the control loop 200 has the output of superheated steam pressure P and takes into account as disturbance to reject the opening of the control valves SR upstream of the turbine 114.
  • a real channel 208 is shown whose transfer functions H GC-P1 and H SR-P2 represent the actual operation of the installations of the thermal power station 100 as described in FIG. figure 1 .
  • This representation of the actual chain 208 decomposes the superheated vapor pressure P into two components P1 and P2.
  • the first component of the pressure P1 is the component dependent on the GC coal feed which does not take into account the opening of the regulating valves SR. P1 therefore represents the contribution of the fuel supply GC to the vapor pressure P.
  • the second component of the pressure P2 is the component dependent on the opening of the control valves SR.
  • P2 represents the contribution of the opening of the regulating valves SR to the vapor pressure P.
  • the actual channel 208 here is composed of two transfer functions.
  • the transfer function H GC-P1 is the function linking the fuel supply GC to the contribution P1 thereof to the vapor pressure P.
  • the transfer function H SR-P2 is the function linking the opening of the valves SR regulators at the P2 contribution thereof to the vapor pressure P.
  • the modeling chain 206 models the H GC-P1 transfer function between the coal feed GC and the contribution P1 to the steam pressure P of the coal feed GC. This modeling chain 206 does not take into account the opening of the control valves SR which comes from the control loop 400 of power W.
  • the regulation loop 200 of vapor pressure P takes into account a pure delay ⁇ .
  • the pure delay ⁇ between the coal feed GC and the pressure P is taken into account in the modeling chain 206 of the transfer function H GC-P1 between the coal feed GC and the contribution P1 to the vapor pressure P of the GC fuel supply.
  • the modeling of the transfer function H GC-P1 is of the form G 1 (s) • e - ⁇ s , with G 1 (s) a first-order stable function, invertible.
  • the functions having s for variable are Laplace transforms.
  • the output quantity of the modeling chain 206 is subtracted from the vapor pressure P to obtain the input of the disturbance rejection chain 202.
  • the chain of determination of the undisturbed control variable 204 is constituted by a transfer function taking as input a reference steam pressure reference P REF , a function of the type G 1 -1 (s) • F 1 (s), with F 1 (s) a filter of the type 1 1 + ⁇ 1 ⁇ s not , with ⁇ 1 > 0 and n greater than the order of G 1 -1 (s).
  • the perturbation rejection chain 202 is constituted by a transfer function G 1 -1 (s) • F 2 (s), with F 2 (s) a filter of the type 1 1 + ⁇ 2 ⁇ s m , with ⁇ 2 > 0 and m greater than the order of G 1 -1 (s). Its result is subtracted from that of the chain determining the undisturbed control variable 204 to obtain GC coal feed.
  • a reference pressure set point P REF passes through a transfer function of the type BOY WUT 1 - 1 s ⁇ F 1 s , then is subtracted from the output of this transfer function the output of the disturbance rejection chain 202.
  • the resulting GC fuel supply is then taken as an input of a transfer function H GC-P1 , the output of which is added together with the output of a transfer function H SR-P2 taking as input the opening of the control valves SR .
  • the result of this subtraction is an input for the disturbance rejection transfer function 202 of the type BOY WUT 1 - 1 s ⁇ F 2 s , whose output is subtracted from the output of the transfer function 204 of the type BOY WUT 1 - 1 s ⁇ F 1 s taking as input the reference pressure set P REF , as indicated above
  • the figure 4 represents a control loop 400 of electric power W corresponding to the embodiment described.
  • the electric power control loop 400 comprises an integral proportional regulator 402 and a setpoint tracking disturbance and anticipation rejection channel 404.
  • the control loop 400 takes as input the electrical reference power W REF, whose value is determined in particular according to the load of the plant and the electricity demand, and also depending on the physical characteristics of the plant.
  • the regulation loop 400 outputs the electric power W and takes into account, as a disturbance, the superheated vapor pressure P, which is a variable of the vapor pressure regulation loop 200.
  • the block diagram of the figure 4 is represented a real chain 406 whose functions represent the actual operation of the installations of the thermal power station 100 as described in FIG. figure 1 in the form of a transfer function H SR-W between the opening of the control valves SR and the electric power W.
  • Integral proportional regulator 402 thus takes as input the distance ⁇ between the electric power setpoint W REF and the electric power W produced by the control unit.
  • a setpoint control disturbance and anticipation rejection rejection chain 404 has as input the reference electric power setpoint W REF and the vapor pressure P, the latter variable being taken into account as a perturbation to be rejected.
  • the opening of the regulating valves SR upstream of the turbine 114 is obtained by the output of the integral proportional regulator 402 to which is subtracted the output of the disturbance rejection and anticipation tracking system 404 of the regulation loop 400 of the electric power W.
  • the electric power regulation W represented by the regulation loop 400 is therefore carried out by anticipations on the power setpoint W REF and the superheated vapor pressure P. Indeed, the equation governing the behavior of the electric power shows that there is no dynamic effect.
  • a PI regulator takes as input a reference electric power setpoint W REF to which the electrical power W is subtracted; this regulator makes it possible to reject modeling errors of the electric power W.
  • the reference electric power setpoint W REF to which the vapor pressure P multiplied by b is subtracted, is also divided by the coefficient in a disturbance rejection channel and reference tracking anticipation 404.
  • the opening of the control valves SR is an input for a transfer function H SR-W of the system to be controlled and which outputs the electrical power W.
  • control system described in the invention is based on process models implemented in a thermal power station.
  • the different parameters of these models can be derived from on-site measurements.
  • the transfer function H SR-W of the electrical power W it is possible to use the least squares method.
  • the present invention furthermore has the advantage of allowing the application of adaptive regulation, as illustrated by the figure 5 described below, to the control loop 200 of vapor pressure P.
  • the online estimation of the parameters can be carried out for example by the method ARX (of the English Auto Regressive model with eXternal inputs for autoregressive model with external inputs).
  • the control of the temperature of the superheated steam T is carried out by a regulator of type H ⁇ , because the dynamic modeling of the temperature is unreliable.
  • the intrinsic robustness of the H régulateur controller is therefore interesting in this case.
  • a second embodiment of the present invention corresponds to a system equivalent to that described in the first embodiment, substituting for the regulation loop 200 of vapor pressure P represented on the figure 2 the control loop 300 of vapor pressure P represented on the figure 3 .
  • a superheated vapor pressure regulation loop 300 corresponds to a second embodiment of the invention described below.
  • the regulation loop 300 comprises a disturbance rejection chain 302, a control variable determination chain 304, a modeling chain 306 of a transfer function H GC-P1 between the GC fuel supply and the contribution P1 at the vapor pressure P of the fuel supply GC and a return loop without delay 316.
  • the regulation loop 300 has for input the reference pressure P REF as a set pressure whose value is fixed in particular according to the characteristics of the thermal power plant and according to considerations of safety, efficiency and service life. installations.
  • the regulation loop 300 has the output of superheated steam pressure P and considers disturbance to reject the opening of the control valves SR upstream of the turbine 114.
  • a real chain 308 whose functions H GC-P1 and H SR-P2 represent the actual operation of the installations of the thermal power station 100 as described in FIG. figure 1 .
  • This representation of the actual chain 308 decomposes the superheated vapor pressure P into two components P1 and P2.
  • the first component of the pressure P1 is the component dependent on the GC coal feed which does not take into account the opening of the regulating valves SR.
  • the second component of the pressure P2 is the component dependent on the opening of the regulating valves SR which does not take into account the GC coal feed.
  • the actual chain 308 here is composed of two transfer functions.
  • the transfer function H GC-P1 is the function linking the fuel supply GC to the contribution P1 thereof to the vapor pressure P.
  • the transfer function H SR-P2 is the function linking the opening of the valves SR regulators at the P2 contribution thereof to the vapor pressure P.
  • the modeling chain 306 models a H GC-P1 transfer function between the GC coal feed and the P1 contribution to the steam pressure P of the coal feed GC. This modeling chain 306 does not take into account the SR variable that comes from the power control loop 400.
  • the regulation loop 300 of vapor pressure P takes into account a pure delay ⁇ .
  • the pure delay ⁇ is taken into account in the modeling chain 306, modeling chain of a transfer function H GC-P1 between the fuel supply GC and the contribution P1 to the vapor pressure P of the feed. GC fuel.
  • the modeling of the transfer function H GC-P1 between GC and P1 is of the form G 1 (s) • e - ⁇ s , with G 1 (s) a first-order stable function, invertible. However, it is decomposed into two transfer functions G 1 (s) and e - ⁇ s , G 1 (s) located upstream of e - ⁇ s on the modeling chain 306, G 1 (s) being the independent component of pure delay ⁇ and e - ⁇ s the component corresponding to the pure delay.
  • the output quantity of the modeling chain 306 is subtracted from the vapor pressure P to obtain the input of the disturbance rejection chain 302.
  • the control loop 300 of pressure P comprises a feedback loop without delay 316 taking as input the quantity at the output of the transfer function G 1 (s) of the modeling chain 306 corresponding to the component of the independent modeling of the pure delay ⁇ .
  • This output quantity therefore has a value G 1 (s) • GC (s).
  • This latter value is subtracted by the feedback loop without delay 316 to the superheated steam pressure set point P REF at the determination chain 304 of the control variable.
  • the disturbance rejection chain 302 models a transfer function R 2 (s) applied to the vapor pressure P.
  • the transfer function R 2 (s) defines the response to disturbances.
  • R 2 (s) is of the form 1-M (s) ⁇ e -L ⁇ s .
  • the control variable determination chain 304 takes as input the superheated steam pressure setpoint P REF . At the superheated steam pressure set point P REF are subtracted the result of the chain of disturbance rejection 302 and the result of the feedback loop without delay 316.
  • the GC fuel supply is obtained from the application of a transfer function R 1 (s) to the magnitude resulting from these comparisons.
  • This transfer function R 1 (s) of the control variable determination chain 306 defines the dynamics of the setpoint tracking and can be for example a PID type regulator (proportional integral derivative).
  • This GC fuel supply passes through a transfer function H GC-P1 of the system to be controlled to give the contribution P 1 of the fuel supply GC to the vapor pressure P.
  • the opening of the regulating valves SR passes through a transfer function H SR-P2 of the system to be controlled to give the contribution P 2 of the opening of the regulating valves SR to the vapor pressure P.
  • the fuel supply GC passes through a transfer function G 1 (s), the output of which is on the one hand returned by the loop without delay 316 as evoked above, and on the other hand is an input for a transfer function e - ⁇ ⁇ s whose output is subtracted from the superheated vapor pressure P.
  • the result of this subtraction passes through a transfer function R 2 (s) of the disturbance rejection chain 302 whose output is subtracted to the reference pressure reference point P REF , as indicated above.
  • the figure 5 illustrates the possibility of implementing an adaptive regulation known to those skilled in the art in the context of the first embodiment. It thus presents, in a nonlimiting manner, a possible application of an adaptive regulation to the control loop 200 of vapor pressure P.
  • the figure 5 thus presents an adaptive regulation taking as input variables of the system, possibly present in the regulation loop 200 of vapor pressure P, such as the GC fuel supply, the opening of the regulating valves SR, and the vapor pressure P.
  • the adaptive regulation can make an online estimation of parameters of the vapor pressure regulation loop 200, for example those present in the transfer functions of the disturbance rejection chain 202, of the chain of determination of the control variable without disturbance 204, and of the modeling chain 206 of a transfer function H GC-P1 between the fuel supply GC and the contribution P1 to the vapor pressure P of the GC fuel supply.
  • the measurement of input variables carried out regularly, makes it possible to update the values taken by the parameters estimated online by the adaptive regulation.
  • the online estimation of the parameters can be done for example by the method ARX (of the English Auto Regressive model with eXternal inputs for autoregressive model with external inputs).
  • Equivalent adaptive regulation is possible for the second embodiment of the invention, the particularities of which are presented figure 3 .
  • FIGS. 6A and 6B show a comparison between the responses of a coal-fired power plant controlled by means of the control system according to the first embodiment of the invention and a control system according to type H régul regulators.
  • the Figure 6A presents the comparison of the regulations according to the invention in solid lines and with the type H ⁇ regulations in dashed lines in terms of the electric power produced W and the vapor pressure P, in response to the electric power setpoint steps W.
  • system according to the invention allows a better power monitoring W, especially faster, while limiting oscillations.
  • the vapor pressure P is better regulated as it oscillates less with respect to a target of 155 bar.
  • the Figure 6B presents the comparison of the regulations according to the invention in solid lines and with the type H ⁇ regulations in broken lines in terms of GC fuel supply and opening of the regulating valves SR in response to the same electric power levels as in the FIG. Figure 6A .
  • the third aspect of the invention relates to any implementation of a control system according to the first aspect in a central unit. thermal flame, and any method of controlling a flame thermal power plant implemented by the control method according to the first aspect.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
  • L'invention concerne un système de commande de centrale thermique à flamme pour la génération d'électricité à partir de combustible.
  • L'invention concerne plus précisément un dispositif de commande d'une telle centrale permettant de faire du suivi de puissance tout en s'assurant que certains critères de l'état de la vapeur surchauffée sont respectés, ainsi qu'une centrale thermique comportant un tel système, et un procédé de commande d'une centrale thermique par la mise en oeuvre d'un tel système de commande.
  • L'invention pourra s'appliquer par exemple à une centrale thermique à charbon.
    • ETAT DE L'ART
  • La commande d'une centrale thermique à flamme doit prendre en compte plusieurs variables du système physique.
  • Une centrale thermique, dont la figure 1 présente une illustration schématique, permet de produire de l'électricité à partir d'une source de chaleur alimentée en combustible. La production de chaleur est régie par l'alimentation en combustible GC de la source de chaleur, ici une chaudière 103. Cette chaleur est transmise à un fluide de travail circulant dans un circuit afin de le faire passer de l'état liquide à l'état gazeux, de sorte que ce fluide de travail est en phase vapeur sur une partie du circuit. Des soupapes réglantes dont l'état est défini par leur ouverture SR permettent de régler l'alimentation d'une turbine 114. A son entrée, l'état de la vapeur est défini par une certaine pression P et une certaine température T. La vapeur permet la rotation de la turbine 114 qui est mécaniquement reliée à un alternateur 116, ce dernier produisant ainsi une puissance électrique W.
  • La centrale illustrée sur la figure 1 sera décrite plus en détail dans la suite de la description.
  • L'approche la plus traditionnelle pour réaliser la commande d'une telle centrale thermique consiste à utiliser différents régulateurs monovariables de type PI (proportionnel intégral) coordonnés. Un régulateur PI est une régulation en boucle fermée qui permet la régulation de l'erreur entre une consigne et une mesure d'une valeur. Le régulateur PI exerce sur l'erreur une doucle action proportionnelle - il multiplie l'erreur par un facteur fixé, le gain, - et intégrale - il intègre l'erreur sur un certain intervalle de temps et divise la valeur intégrée par un autre facteur fixé. Ainsi chaque régulateur de variable du système a une entrée et une sortie.
  • Or le système considéré est de nature multivariable - c'est-à-dire qu'au moins une entrée exerce une influence sur plusieurs sorties. Des systèmes multivariables avec de tels régulateurs monovariables voient leur stabilité fortement affectée dans le temps. Ce même caractère multivariable rend le paramétrage difficile. Par ailleurs, le comportement des centrales thermiques varie entre haute et basse charge. Les réglages doivent donc répondre à des critères de robustesse que ces régulateurs monovariables ne permettent pas.
  • Il est également possible d'utiliser des régulateurs multivariables de type H∞. Cette méthode permet la conception de commandes optimales selon une norme mathématique pour des systèmes linéaires. Cependant, le comportement d'une centrale thermique à flamme commandée par un tel système ne donne pas entièrement satisfaction.
  • Une autre approche présente dans l'état de l'art consiste à mettre en oeuvre une commande prédictive. Or une telle commande nécessite le calcul en temps réel du minimum d'une fonction quadratique de coût. La capacité de calcul et la mémoire nécessaires ne sont souvent pas disponibles sur les installations existantes. De plus, cette approche nécessite de lourds moyens pour être mise en place.
  • Le document Radmilovic : « One Solution of main controller in thermal power plants » Journal of Automatic control vol 18, n°1, 1 janvier 2008 page 5-8 divulge un système de commande pour la régulation multivariable d'une centrale à flamme. Le système décrit dans ce document comprend une boucle de régulation d'une pression de vapeur et une boucle de régulation de puissance électrique (figure 1), telles que
    • la boucle de régulation de pression comprend une équation de la valeur calorifique du charbon µ = E/q (figure 1 et p. 6 colonne de droite).
    • la boucle de régulation de puissance électrique impose un retard τ (p. 7 colonne de droite) à une consigne Eref,
    • pour chacune des boucles de régulation, une variable d'une boucle est prise en compte en tant que perturbation dans l'autre boucle.
  • Les documents CAI W-J ET AL : « A New Coordinated Control Strategy for Boiler-Turbine System of Coal-Fired Power Plant » (IEEE SERVICE CENTER) vol 3 n°6, 1 nov 2005 et EP 0 098 037 décrivent chacun un système de commande pour la régulation multivariable d'une centrale thermique à flamme pour la génération de combustible.
  • Un objectif de l'invention est donc de proposer un système de commande de centrale thermique permettant de pallier ces inconvénients.
  • Un objectif de l'invention est donc plus précisément de proposer un système de commande de centrale thermique offrant une régulation permettant une bonne dynamique en puissance, présentant des caractéristiques intéressantes de robustesse, de stabilité et de rapidité.
  • Un autre objectif de l'invention est que ce système de commande puisse être facilement mis en place dans les centrales thermiques à flamme existantes.
    • DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • L'invention propose de remplir ces objectifs.
  • A cet effet, on propose selon un premier aspect un système de commande pour la régulation multivariable d'une centrale thermique à flamme pour la génération d'électricité à partir de combustible tel que défini en revendication 1 annexée.
  • L'invention selon le premier aspect est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possible :
    • la boucle de régulation de pression de vapeur comporte une chaîne de rejet de perturbation pour prendre en compte une variable de la boucle de régulation de puissance électrique en tant que perturbation ;
    • la variable de la boucle de régulation de puissance électrique prise en compte en tant que perturbation dans ladite boucle de régulation de pression de vapeur est l'ouverture des soupapes réglantes en amont de la turbine ;
    • la boucle de régulation de pression de vapeur comporte une chaîne de modélisation d'une fonction de transfert entre l'alimentation en combustible et la contribution à la pression de vapeur de l'alimentation en combustible, ladite chaine de modélisation ne prenant pas en compte la variable de la boucle de régulation de puissance électrique prise en compte dans ladite boucle de régulation de pression de vapeur en tant que perturbation ;
    • le retard pur τ est pris en compte dans la boucle de régulation de pression de vapeur dans la chaîne de modélisation de la fonction de transfert entre l'alimentation en combustible et la contribution à la pression de vapeur de l'alimentation en combustible ;
    • la chaîne de modélisation d'une fonction de transfert entre l'alimentation en combustible et la contribution à la pression de vapeur de l'alimentation en combustible est de la forme G1(s) • e-τ s, avec G1(s) une fonction stable du premier ordre ;
    • la boucle de régulation de pression de vapeur comporte une chaîne de détermination d'une variable de commande sans perturbation pour déterminer une variable de commande sans perturbation à partir d'une consigne de pression de vapeur.
    • la variable de commande de la boucle de régulation de pression de vapeur est l'alimentation en combustible obtenue par la sortie de la chaîne de détermination de la variable de commande sans perturbation à laquelle est soustraite la sortie de la chaîne de rejet de perturbation ;
    • le système comporte une chaîne de détermination de la variable de commande sans perturbation, une chaîne de rejet de perturbation et une chaîne de modélisation d'une fonction de transfert entre l'alimentation en combustible et la contribution à la pression de vapeur de l'alimentation en combustible de la forme G1(s) • e-τ s, avec G1(s) une fonction stable du premier ordre et dans lequel:
      • ∘ la chaîne de détermination de la variable de commande sans perturbation est constituée par une fonction de transfert prenant en entrée une consigne de pression de vapeur, fonction du type G1 -1(s) • F1(s), avec F1(s) un filtre d'ordre supérieur ou égal à l'ordre de G1(s), et
      • ∘ la chaîne de rejet de perturbation est constituée par une fonction de transfert G1 -1(s) • F2(s), avec F2(s) un filtre d'ordre supérieur ou égal à l'ordre de G1(s);
    • la boucle de régulation de pression de vapeur comporte une boucle de retour sans retard, pour prendre en compte, dans la détermination de l'alimentation en combustible, la partie de ladite chaîne de modélisation d'une fonction de transfert entre l'alimentation en combustible et la contribution à la pression de vapeur de l'alimentation en combustible qui est indépendante du retard pur τ ;
    • la variable de la boucle de régulation de pression prise en compte dans ladite boucle de régulation de puissance électrique en tant que perturbation est la pression de vapeur ;
    • la boucle de régulation de puissance électrique comporte un régulateur proportionnel intégral et une chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne pour prendre en compte une variable de la boucle de régulation de pression de vapeur en tant que perturbation ;
    • l'ouverture des soupapes réglantes en amont de la turbine est obtenue par la sortie du régulateur proportionnel intégral à laquelle est soustraite la sortie de la chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne de la boucle de régulation de la puissance électrique ;
    • des paramètres de la boucle de régulation basée sur une commande de type modèle interne sont estimés en ligne par une méthode de régulation adaptative, ladite régulation adaptative prenant en entrée des variables du système de commande.
  • Selon un second aspect, l'invention propose une centrale thermique à flamme comportant
    • un ensemble comprenant une chaudière et ses auxiliaires faisant l'objet d'une alimentation en combustible pour servir de source de chaleur à un circuit de fluide de travail de sorte que celui-ci soit en phase vapeur sur une partie dudit circuit,
    • une turbine alimentée par ladite vapeur à une pression de vapeur et à une température, ladite turbine étant mécaniquement reliée à un alternateur électrique produisant une puissance électrique, l'alimentation en vapeur de ladite turbine étant déterminée par l'ouverture de soupapes réglantes situées en amont de ladite turbine,
    • un système de commande selon le premier aspect.
    Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé de commande d'une centrale thermique à flamme selon le second aspect, dans lequel :
    • la pression de vapeur est régulée par une boucle de régulation d'une pression de vapeur, et
    • la puissance électrique est régulée par une boucle de régulation de puissance électrique,
    au moins une des boucles de régulation étant basée sur une commande de type modèle interne prenant en compte un retard pur τ d'un des paramètres du modèle interne de la centrale, et pour chacune des boucles de régulation, une variable d'une boucle étant prise en compte en tant que perturbation dans l'autre boucle. PRESENTATION DES FIGURES
  • D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. L'invention sera aussi mieux comprise en référence à cette description considérée conjointement avec les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
    • la figure 1 est un schéma synthétique d'une centrale thermique à flamme connue de l'homme du métier,
    • la figure 2 représente un schéma de régulation de pression de vapeur surchauffée P selon un premier mode de réalisation du système selon l'invention,
    • la figure 3 représente un schéma de régulation de pression de vapeur surchauffée P selon un deuxième mode de réalisation du système selon l'invention,
    • la figure 4 est un schéma de régulation de puissance électrique produite W correspondant aux deux modes de réalisation du système selon l'invention,
    • la figure 5 est un schéma de régulation adaptative correspondant au premier mode de réalisation du système selon l'invention,
    • les figures 6A et 6B sont des courbes d'évolution temporelle de plusieurs grandeurs en réponse à un échelon de production de puissance électrique à titre de comparatif entre un système de commande selon le premier mode de réalisation de l'invention et un système de type H∞.
  • La présente invention est décrite de manière détaillée ci-dessous dans le cadre particulier mais non limitatif d'un système de commande d'une centrale thermique à charbon.
    • DESCRIPTION DETAILLEE
  • La figure 1 est un schéma synthétique et simplifié d'une centrale thermique à flamme 100. Les flèches à trait plein 107 représentent la circulation du fluide de travail tant en phase liquide que gazeuse. Ce fluide de travail est un fluide caloporteur qui est le plus souvent de l'eau. Ainsi, dans un souci de simplification, le fluide de travail est de l'eau dans la présente description. Le principe de fonctionnement simplifié est le suivant.
  • L'alimentation en combustible GC provoque l'acheminement du combustible vers l'ensemble 102 comprenant la chaudière 103 et ses auxiliaires. Le combustible subit un traitement, puis la combustion proprement dite. La combustion du combustible dégage de la chaleur, représentée par les flèches blanches 105, qui est notamment transférée à l'eau qui circule dans les tubes d'un échangeur 104. Cette eau passe alors à l'état vapeur. Le ballon 106 sépare l'eau liquide de la vapeur, cette dernière partant dans un ensemble de surchauffeurs 108. Les surchauffeurs 108 peuvent être sujets à des injections supplémentaires d'eau via le système d'injection d'eau 110, dont un des actionneurs permet la commande d'injection d'eau de désurchauffe de surchauffe QDSHT.
  • Dans les surchauffeurs de l'ensemble 108, la température et la pression de l'eau augmentent fortement. L'eau passe alors à l'état de vapeur surchauffée. Cette vapeur est acheminée vers la turbine 114, en passant par des soupapes réglantes 112 situées en amont du premier corps de la turbine et dont l'ouverture est définie par le paramètre SR. Entre les soupapes réglantes 112 et la turbine 114, la vapeur surchauffée a une température T et une pression P.
  • Une fois dans le corps haute pression HP de la turbine, la vapeur subit une détente, détente qui permet la rotation des roues de la turbine. L'eau repasse ensuite dans le système 108, à travers un resurchauffeur, avant de rejoindre le corps moyenne pression MP, puis le corps basse pression BP de la turbine. Dans les corps MP et BP un phénomène similaire de détente permet également la rotation des roues de la turbine 114. La rotation entraîne l'alternateur électrique 116, produisant ainsi une puissance électrique W. La vapeur détendue ayant traversé la turbine est admise dans le condenseur 118, où elle est refroidie. Elle passe alors à l'état liquide et pourra commencer un nouveau cycle.
  • La demanderesse a constaté que les centrales thermiques à flamme sont régies par des équations non linéaires dont des systèmes de commande de l'état de la technique font une approximation linéaire qui n'est pas satisfaisante. Cette non-linéarité résulte notamment du retard pur qui affecte l'effet de l'alimentation en combustible GC sur les grandeurs à contrôler.
  • Par ailleurs l'alimentation en combustible GC présente des oscillations lors de fortes demandes de puissance, ce qui entraîne une forte sollicitation de la chaudière 103 et des organes de dépollution présents au niveau de l'évacuation de la chaudière 103.
  • La demanderesse a constaté que l'invention permet d'obtenir une alimentation en combustible qui n'entraîne pas des sollicitations de la chaudière et des organes de dépollution trop fortes afin de prolonger leur durée de vie. Par ailleurs, l'invention permet de circonvenir aux problèmes inhérents à la présence d'un retard résultant de l'acheminement, du traitement et du chauffage éventuel du combustible.
  • Un premier mode de réalisation de l'invention dans le cas d'un système de commande d'une centrale thermique à charbon est illustré par les figures 2 et 4.
  • Selon ce mode de réalisation, le système de commande concerne une centrale thermique à charbon dont le fonctionnement correspond à la figure 1 décrite ci-dessus. Le système à contrôler est de type multivariable.
  • Les entrées de ce système sont :
    • l'ouverture des soupapes réglantes en amont de la turbine SR(t),
    • l'alimentation en charbon GC(t),
    • l'injection d'eau de désurchauffe de surchauffe QDSHT(t).
  • Les sorties de ce système sont :
    • la puissance électrique produite W(t),
    • la pression de vapeur surchauffée P(t),
    • la température de vapeur surchauffée T(t).
  • L'identification du comportement dynamique du système découle d'équations linéarisées issues de lois physiques :
    • Pour la puissance électrique W : W t = a . SR t + b . P t
      Figure imgb0001
       W dépend donc linéairement de l'ouverture des soupapes réglantes SR et de la pression de vapeur P, pression de vapeur surchauffée dans ce mode de réalisation. Les coefficients a et b sont des coefficients définis d'après des considérations expérimentales, les caractéristiques de la centrale thermique et selon des considérations de sécurité, d'efficacité et de durée de vie des installations. Par exemple, a et b peuvent respectivement avoir comme valeurs possibles 0,77 et 3,4.
    • Pour la pression de vapeur surchauffée P, T 1 ⋅ P ˙ 1 t + P 1 t = K 1 ⋅ GC t − τ
      Figure imgb0002
       T 2 ⋅ P ˙ 2 t + P 2 t = K 2 ⋅ SR t
      Figure imgb0003
       P t = P 1 t + P 2 t
      Figure imgb0004
       T1, K1, T2 et K2 et le retard pur τ sont des constantes. Elles sont définies d'après des considérations expérimentales, les caractéristiques de la centrale thermique et selon des considérations de sécurité, d'efficacité et de durée de vie des installations. Par exemple, des valeurs possibles de ces constantes sont respectivement T1 = 190 ; K1 = 1,8 ; T2 = 193 ; K2 = -0,326 et τ = 100. P1(t) et P2(t) représentent respectivement la contribution de l'alimentation en combustible GC et de l'ouverture des soupapes réglantes SR à la pression de vapeur P.
    • Pour la température de vapeur surchauffée (T) : a 2 ⋅ T ¨ t + a 1 ⋅ T ˙ t + T t = K 3 ⋅ Q DSHT t + K 4 GC t − τ + K 5 ⋅ SR t + K 6 ⋅ P t
      Figure imgb0005
  • Selon ce mode de réalisation de l'invention, il s'agit d'adapter la méthode de commande de modèle interne à la centrale, qui est définie en ce que le système de commande de la centrale doit comprendre une représentation du processus physique à contrôler.
  • Le présent mode de réalisation de l'invention comprend :
    • une boucle de régulation 200 de pression de vapeur surchauffée P, représentée sur la figure 2,
    • une boucle de régulation 400 de puissance électrique W, représentée sur la figure 4.
  • Pour chacune des boucles de régulation 200, 400, une variable d'une boucle est prise en compte en tant que perturbation dans l'autre boucle. En outre, chacune desdites boucles comporte une variable de commande dont l'action permet de réguler le comportement de la centrale.
  • La figure 2 représente ainsi une boucle de régulation 200 de pression de vapeur surchauffée P correspondant au premier mode de réalisation de l'invention décrit. La boucle de régulation 200 comporte une chaîne de rejet de perturbation 202, une chaîne de détermination de la variable de commande sans perturbation 204 et une chaîne de modélisation 206 d'une fonction de transfert HGC-P1 entre l'alimentation en combustible GC et la contribution P1 à la pression de vapeur P de l'alimentation en combustible GC.
  • On entendra par chaîne de rejet de perturbation dans la présente description un élément de boucle de régulation prenant en compte par son entrée une variable considérée comme une perturbation dans ladite boucle de régulation dans le but de la rejeter, c'est-à-dire de s'affranchir de son effet, par sa prise en compte en amont de la détermination de la variable de commande de ladite boucle de régulation.
  • La boucle de régulation 200 a pour entrée la pression de référence PREF en tant que pression de consigne dont la valeur est notamment fixée d'après les caractéristiques de la centrale thermique et selon des considérations de sécurité, d'efficacité et de durée de vie des installations. La boucle de régulation 200 a pour sortie la pression de vapeur surchauffée P et prend en compte en tant que perturbation à rejeter l'ouverture des soupapes réglantes SR en amont de la turbine114.
  • Sur le schéma fonctionnel de la figure 2 est représentée une chaîne réelle 208 dont les fonctions de transfert HGC-P1 et HSR-P2 représentent le fonctionnement réel des installations de la centrale thermique 100 telles que décrites sur la figure 1. Cette représentation de la chaîne réelle 208 décompose la pression de vapeur surchauffée P en deux composantes P1 et P2. La première composante de la pression P1 est la composante dépendante de l'alimentation en charbon GC qui ne prend pas en compte l'ouverture des soupapes réglantes SR. P1 représente donc la contribution de l'alimentation en combustible GC à la pression de vapeur P. La seconde composante de la pression P2 est la composante dépendante de l'ouverture des soupapes réglantes SR. P2 représente donc la contribution de l'ouverture des soupapes réglantes SR à la pression de vapeur P.
  • La chaîne réelle 208 est ici composée de deux fonctions de transfert. La fonction de transfert HGC-P1 est la fonction liant l'alimentation en combustible GC à la contribution P1 de celle-ci à la pression de vapeur P. La fonction de transfert HSR-P2 est la fonction liant l'ouverture des soupapes réglantes SR à la contribution P2 de celle-ci à la pression de vapeur P.
  • La chaîne de modélisation 206 modélise la fonction de transfert HGC-P1 entre l'alimentation en charbon GC et la contribution P1 à la pression de vapeur P de l'alimentation en charbon GC. Cette chaîne de modélisation 206 ne prend pas en compte l'ouverture des soupapes réglantes SR qui provient de la boucle de régulation 400 de puissance W.
  • La boucle de régulation 200 de pression de vapeur P prend en compte un retard pur τ. Le retard pur τ entre l'alimentation en charbon GC et la pression P est pris en compte dans la chaîne de modélisation 206 de la fonction de transfert HGC-P1 entre l'alimentation en charbon GC et la contribution P1 à la pression de vapeur P de l'alimentation en combustible GC. La modélisation de la fonction de transfert HGC-P1 est de la forme G1(s) • e-τ s, avec G1(s) une fonction stable du premier ordre, inversible. De façon courante pour l'homme du métier et pour la présente description, les fonctions ayant s pour variable sont des transformées de Laplace.
  • La grandeur en sortie de la chaîne de modélisation 206 est soustraite à la pression de vapeur P pour obtenir l'entrée de la chaîne de rejet de perturbation 202.
  • La chaîne de détermination de la variable de commande sans perturbation 204 est constituée par une fonction de transfert prenant en entrée une consigne de pression de vapeur de référence PREF, fonction du type G1 -1(s) • F1(s), avec F1(s) un filtre du type 1 1 + λ 1 ⋅ s n ,
    Figure imgb0006
     avec λ1 > 0 et n supérieur à l'ordre de G1 -1(s).
  • La chaîne de rejet de perturbation 202 est constituée par une fonction de transfert G1 -1(s) • F2(s), avec F2(s) un filtre du type 1 1 + λ 2 ⋅ s m ,
    Figure imgb0007
     avec λ2 > 0 et m supérieur à l'ordre de G1 -1(s). Son résultat est soustrait à celui de la chaîne de détermination de la variable de commande sans perturbation 204 pour obtenir l'alimentation en charbon GC.
  • En synthèse, dans le système représenté sur la figure 2, une consigne de pression de référence PREF passe par une fonction de transfert du type G 1 − 1 s ⋅ F 1 s ,
    Figure imgb0008
     puis est soustrait, de la sortie de cette fonction de transfert, la sortie de la chaîne de rejet de perturbation 202.
  • L'alimentation en combustible GC résultante est alors prise comme entrée d'une fonction de transfert HGC-P1 dont la sortie est additionnée avec la sortie d'une fonction de transfert HSR-P2 prenant en entrée l'ouverture des soupapes réglantes SR.
  • L'addition de ces sorties, qui représentent les contributions respectives P1 et P2 de l'alimentation en combustible GC et de l'ouverture des soupapes réglantes SR à la pression P, est donc cette même pression P, puisque P=P1+P2. A la pression P est alors soustraite la sortie d'une fonction de transfert de modélisation 206 du type G1(s)·e -τ·s prenant comme entrée l'alimentation en combustible GC.
  • Le résultat de cette soustraction est une entrée pour la fonction de transfert de rejet de perturbation 202 du type G 1 − 1 s ⋅ F 2 s ,
    Figure imgb0009
     dont la sortie est soustraite à la sortie de la fonction de transfert 204 du type G 1 − 1 s ⋅ F 1 s
    Figure imgb0010
     prenant en entrée la consigne de pression de référence PREF, ainsi qu'indiqué plus haut
  • La figure 4 représente une boucle de régulation 400 de puissance électrique W correspondant au mode de réalisation décrit. La boucle de régulation 400 de puissance électrique comporte un régulateur proportionnel intégral 402 et une chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne 404.
  • La boucle de régulation 400 prend en entrée la consigne de puissance électrique WREF, dont la valeur est fixée notamment en fonction de la charge de la centrale et de la demande en électricité, et également en fonction des caractéristiques physiques de la centrale.
  • La boucle de régulation 400 a pour sortie la puissance électrique W et prend en compte en tant que perturbation la pression de vapeur surchauffée P, qui est une variable de la boucle de régulation 200 de pression de vapeur P. Sur le schéma fonctionnel de la figure 4 est représentée une chaîne réelle 406 dont les fonctions représentent le fonctionnement réel des installations de la centrale thermique 100 telles que décrites sur la figure 1 sous la forme d'une fonction de transfert HSR-W entre l'ouverture des soupapes réglantes SR et la puissance électrique W.
  • Le régulateur proportionnel intégral 402 prend ainsi en entrée l'écart ε entre la consigne de puissance électrique WREF et la puissance électrique W produite par la centrale.
  • Une chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne 404 a en entrée la consigne de puissance électrique de référence WREF et la pression de vapeur P, cette dernière variable étant prise en compte en tant que perturbation à rejeter. La pression de vapeur P est mulipliée par le coefficient b du modèle interne de la centrale qui relie la pression de vapeur P à la puissance électrique W dans l'équation W(t)=a.SR(t) + b.P(t). Le résulat est soustrait à la consigne de puissance électrique de référence WREF.
  • Le résultat de cette soustraction est ensuite divisé par le coefficient a du modèle interne de la centrale qui relie l'ouverture des soupapes réglantes SR à la puissance électrique W dans l'équation W(t)=a.SR(t) + b.P(t).
  • L'ouverture des soupapes réglantes SR en amont de la turbine 114 est obtenue par la sortie du régulateur proportionnel intégral 402 à laquelle est soustraite la sortie de la chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne 404 de la boucle de régulation 400 de la puissance électrique W.
  • La régulation de puissance électrique W représentée par la boucle de régulation 400 s'effectue donc par des anticipations sur la consigne de puissance WREF et la pression de vapeur surchauffée P. En effet, l'équation régissant le comportement de la puissance électrique montre qu'il n'y a pas d'effet de dynamique.
  • En synthèse, dans le système illustré par la figure 4, un régulateur PI prend en entrée une consigne de puissance électrique de référence WREF à laquelle est soustraite la puissance électrique W ; ce régulateur permet de rejeter les erreurs de modélisation de la puissance électrique W.
  • La consigne de puissance électrique de référence WREF, à laquelle est soustraite la pression de vapeur P multipliée par b, est également divisée par le coefficient a dans une chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne 404.
  • Le résultat de cette chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne 404 est soustrait à la sortie du régulateur PI pour donner l'ouverture des soupapes réglantes SR.
  • L'ouverture des soupapes réglantes SR est une entrée pour une fonction de transfert HSR-W du système à commander et qui a pour sortie la puissance électrique W.
  • Comme décrit plus haut, le système de commande que décrit l'invention repose sur des modèles du processus mis en oeuvre dans une centrale thermique à flamme. Les différents paramètres de ces modèles peuvent découler de mesures sur site. Pour identifier les fonctions de transfert HGC-P1 et HSR-P1 de la boucle de régulation 200 de la pression de vapeur P, on pourra par exemple appliquer la méthode de Strejc. Pour la fonction de transfert HSR-W de la puissance électrique produite W, il est possible d'utiliser la méthode des moindres carrés.
  • La présente invention possède en outre comme avantage de permettre l'application de la régulation adaptative, ainsi qu'illustrée par la figure 5 décrite ci-après, à la boucle de régulation 200 de pression de vapeur P. L'estimation en ligne des paramètres peut être effectuée par exemple par la méthode ARX (de l'anglais Auto Régressive model with eXternal inputs pour modèle auto-régressif avec entrées externes).
  • Le contrôle de la température de la vapeur surchauffée T est effectué par un régulateur de type H∞, car la modélisation dynamique de la température est peu fiable. La robustesse intrinsèque du régulateur H∞ est donc intéressante dans ce cas précis.
  • Les différentes lois de régulation sont ensuite associées de manière à aboutir à un pilotage multivariable coordonné des grandeurs à contrôler.
  • Un second mode de réalisation de la présente invention correspond à un système équivalent à celui décrit dans le premier mode de réalisation, en substituant à la boucle de régulation 200 de pression de vapeur P réprésentée sur la figure 2 la boucle de régulation 300 de pression de vapeur P représentée sur la figure 3.
  • La figure 3 représente ainsi une boucle de régulation 300 de pression de vapeur surchauffée P correspondant à un second mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessous. La boucle de régulation 300 comporte une chaîne de rejet de perturbation 302, une chaîne de détermination de la variable de commande 304, une chaîne de modélisation 306 d'une fonction de transfert HGC-P1 entre l'alimentation en combustible GC et la contribution P1 à la pression de vapeur P de l'alimentation en combustible GC et une boucle de retour sans retard 316.
  • La boucle de régulation 300 a pour entrée la pression de référence PREF en tant que pression de consigne dont la valeur est fixée notamment d'après les caractéristiques de la centrale thermique et selon des considérations de sécurité, d'efficacité et de durée de vie des installations.
  • La boucle de régulation 300 a pour sortie la pression de vapeur surchauffée P et considère en perturbation à rejeter l'ouverture des soupapes réglantes SR en amont de la turbine 114. Sur le schéma fonctionnel de la figure 3 est représentée une chaîne réelle 308 dont les fonctions HGC-P1 et HSR-P2 représentent le fonctionnement réel des installations de la centrale thermique 100 telles que décrites sur la figure 1. Cette représentation de la chaîne réelle 308 décompose la pression de vapeur surchauffée P en deux composantes P1 et P2. La première composante de la pression P1 est la composante dépendante de l'alimentation en charbon GC qui ne prend pas en compte l'ouverture des soupapes réglantes SR. La seconde composante de la pression P2 est la composante dépendante de l'ouverture des soupapes réglantes SR qui ne prend pas en compte l'alimentation en charbon GC.
  • La chaîne réelle 308 est ici composée de deux fonctions de transfert. La fonction de transfert HGC-P1 est la fonction liant l'alimentation en combustible GC à la contribution P1 de celle-ci à la pression de vapeur P. La fonction de transfert HSR-P2 est la fonction liant l'ouverture des soupapes réglantes SR à la contribution P2 de celle-ci à la pression de vapeur P.
  • La chaîne de modélisation 306 modélise une fonction de transfert HGC-P1 entre l'alimentation en charbon GC et la contribution P1 à la pression de vapeur P de l'alimentation en charbon GC. Cette chaîne de modélisation 306 ne prend pas en compte la variable SR qui provient de la boucle de régulation 400 de puissance W.
  • La boucle de régulation 300 de pression de vapeur P prend en compte un retard pur τ. Le retard pur τ est pris en compte dans la chaîne de modélisation 306, chaîne de modélisation d'une fonction de transfert HGC-P1 entre l'alimentation en combustible GC et la contribution P1 à la pression de vapeur P de l'alimentation en combustible GC.
  • La modélisation de la fonction de transfert HGC-P1 entre GC et P1 est de la forme G1(s) • e- τ s, avec G1(s) une fonction stable du premier ordre, inversible. Elle est cependant décomposée en deux fonctions de transfert G1(s) et e- τ s, G1(s) située en amont de e- τ s sur la chaîne de modélisation 306, G1(s) étant la composante indépendante du retard pur τ et e- τ s la composante correspondant au retard pur. La grandeur en sortie de la chaîne de modélisation 306 est soustraite à la pression de vapeur P pour obtenir l'entrée de la chaîne de rejet de perturbation 302.
  • La boucle de régulation 300 de pression P comporte une boucle de retour sans retard 316 prenant en entrée la grandeur en sortie de la fonction de transfert G1(s) de la chaîne de modélisation 306 correspondant à la composante de la modélisation indépendante du retard pur τ. Cette grandeur en sortie à donc pour valeur G1(s) • GC(s). Cette dernière valeur est soustraite par la boucle de retour sans retard 316 à la consigne de pression de vapeur surchauffée PREF au niveau de la chaîne de détermination 304 de la variable de commande. La chaîne de rejet de perturbation 302 modélise une fonction de transfert R2(s) appliquée à la pression de vapeur P. La fonction de transfert R2(s) définit la réponse à des perturbations. R2(s) est de la forme 1-M(s)·e-L·s.
  • Elle vérifie les conditions suivantes :
    • les zéros de la fonction 1 - M(s) · e-L s doivent compenser les pôles les plus lents de G1(s),
    • M(0) = 1,
    • Les pôles de M(s) sont placés de manière à obtenir la dynamique souhaitée.
  • Son résultat est soustrait à la consigne de pression de vapeur surchauffée PREF.
  • La chaîne de détermination de la variable de commande 304 prend en entrée la consigne de pression de vapeur surchauffée PREF. A la consigne de pression de vapeur surchauffée PREF sont soustraits le résultat de la chaîne de rejet de perturbation 302 et le résultat de la boucle de retour sans retard 316. L'alimentation en combustible GC est obtenue à partir de l'application d'une fonction de transfert R1(s) à la grandeur résultant de ces comparaisons. Cette fonction de transfert R1(s) de la chaîne de détermination de la variable de commande 306 définit la dynamique du suivi de consigne et peut être par exemple un régulateur de type PID (proportionnel intégral dérivé).
  • En synthèse, dans le système représenté sur la figure 3, à une consigne de pression de référence PREF est soustrait la sortie d'une chaîne de rejet de perturbation 302, puis est soustrait la sortie d'une boucle sans retard 316. Le résultat à l'issue de ces deux soustractions passe par une fonction de transfert R1(s) pour donner l'alimentation en combustible GC.
  • Cette alimentation en combustible GC passe par une fonction de transfert HGC-P1 du système à commander pour donner la contribution P1 de l'alimentation en combustible GC à la pression de vapeur P.
  • L'ouverture des soupapes réglantes SR passe par une fonction de transfert HSR-P2 du système à commander pour donner la contribution P2 de l'ouverture des soupapes réglantes SR à la pression de vapeur P.
  • La somme des contributions respectives P1 et P2 de l'alimentation en combustible GC et de l'ouverture des soupapes réglantes SR donne la pression de vapeur P.
  • L'alimentation en combustible GC passe par une fonction de transfert G1(s), dont la sortie est d'une part retournée par la boucle sans retard 316 ainsi qu'évoqué plus haut, et d'autre part est une entrée pour une fontion de transfert e-τ·s dont la sortie est soustraite à la pression de vapeur surchauffée P. Le résultat de cette soustraction passe par une fonction de transfert R2(s) de la chaîne de rejet de perturbation 302 dont la sortie est soustraite à la consigne de pression de référence PREF, ainsi qu'indiqué plus haut.
  • La figure 5 illustre la possibilité de mise en oeuvre d'une régulation adaptative connue de l'homme du métier dans le cadre du premier mode de réalisation. Elle présente ainsi de manière non limitative une possible application d'une régulation adaptative à la boucle de régulation 200 de pression de vapeur P.
  • La figure 5 présente ainsi une régulation adaptative prenant en entrée des variables du système, possiblement présentes dans la boucle de régulation 200 de pression de vapeur P, telles que l'alimentation en combustible GC, l'ouverture des soupapes réglantes SR, et la pression de vapeur P.
  • A partir de la mesure de ces variables, la régulation adaptative peut réaliser une estimation en ligne de paramètres de la boucle de régulation 200 de pression de vapeur P, par exemple ceux présents dans les fonctions de transfert de la chaîne de rejet de perturbation 202, de la chaîne de détermination de la variable de commande sans perturbation 204, et de la chaîne de modélisation 206 d'une fonction de transfert HGC-P1 entre l'alimentation en combustible GC et la contribution P1 à la pression de vapeur P de l'alimentation en combustible GC. La mesure des variables d'entrées, réalisée régulièrement, permet d'actualiser les valeurs prises par les paramètres estimés en ligne par la régulation adaptative.
  • L'estimation en ligne des paramètres peut être effectuée par exemple par la méthode ARX (de l'anglais Auto Régressive model with eXternal inputs pour modèle auto-régressif avec entrées externes). Une régulation adaptative équivalente est possible pour le second mode de réalisation de l'invention dont les particularités sont présentées figure 3.
  • Les figures 6A et 6B présentent un comparatif entre les réponses d'une centrale à charbon commandée au moyen du système de commande selon le premier mode de réalisation de l'invention et d'un système de commande suivant des régulateurs de type H∞.
  • La figure 6A présente la comparaison des régulations selon l'invention en trait continu et avec les régulations de type H∞ en trait discontinu en termes de puissance électrique produite W et de pression de vapeur P, en réponse à des échelons de consigne de puissance électrique W. Le système selon l'invention permet un meilleur suivi de puissance W, notamment plus rapide, tout en limitant les oscillations. La pression de vapeur P est mieux régulée dans la mesure où elle oscille moins par rapport à une consigne de 155 bar.
  • La figure 6B présente la comparaison des régulations selon l'invention en trait continu et avec les régulations de type H∞ en trait discontinu en termes d'alimentation en combustible GC et d'ouverture des soupapes réglantes SR en réponse aux mêmes échelons de puissance électrique que dans la figure 6A.
  • Le système selon l'invention permet une réduction notable des oscillations de l'alimentation en combustible GC. Cette qualité de commande réduit les sollicitations de l'ensemble 102 comprenant la chaudière 103 et ses auxiliaires et permet une exploitation optimale des organes de dépollution. La régulation de la centrale thermique 100 par le système selon l'invention est ainsi plus dynamique tout en assurant une plus faible sollicitation de la chaudière 103.
    Selon un second aspect, l'invention propose une centrale thermique à flamme comportant
    • un ensemble 102 comprenant une chaudière 103 et ses auxiliaires faisant l'objet d'une alimentation en combustible GC pour servir de source de chaleur à un circuit de fluide de travail de sorte que celui-ci soit en phase vapeur sur une partie dudit circuit,
    • une turbine 114 alimentée par ladite vapeur à une pression P de vapeur et à une température T, ladite turbine 114 étant mécaniquement reliée à un alternateur électrique 116 produisant une puissance électrique W, l'alimentation en vapeur de ladite turbine 114 étant déterminée par l'ouverture SR de soupapes réglantes situées en amont de ladite turbine 114,
    • un système de commande selon le premier aspect.
    Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé de commande d'une centrale thermique à flamme selon le second aspect, dans lequel
    • la pression de vapeur P est régulée par une boucle de régulation d'une pression de vapeur P, et
    • la puissance électrique est régulée par une boucle de régulation de puissance électrique W,
    les boucles de régulation étant basées sur une commande de modèle interne de la centrale, l'une des boucles de régulation prenant en compte un retard pur τ d'un des paramètres du modèle interne de la centrale, et pour chacune des boucles de régulation, une variable d'une boucle étant prise en compte en tant que perturbation dans l'autre boucle.
  • Plus généralement, le troisième aspect de l'invention concerne toute mise en oeuvre d'un système de commande selon le premier aspect dans une centrale thermique à flamme, et tout procédé de commande d'une centrale thermique à flamme mis en oeuvre par le procédé de commande selon le premier aspect.

Claims (16)

  1. Système de commande pour la régulation multivariable d'une centrale thermique à flamme pour la génération d'électricité à partir de combustible, ladite centrale thermique à flamme comportant :
    - un ensemble (102) comprenant une chaudière (103) et ses auxiliaires faisant l'objet d'une alimentation en combustible (GC) pour servir de source de chaleur à un circuit de fluide de travail de sorte que celui-ci soit en phase vapeur sur une partie dudit circuit,
    - une turbine (114) alimentée par ladite vapeur à une pression (P) de vapeur et à une température (T), ladite turbine (114) étant mécaniquement reliée à un alternateur électrique (116) produisant une puissance électrique (W), l'alimentation en vapeur de ladite turbine (114) étant déterminée par l'ouverture (SR) de soupapes réglantes situées en amont de ladite turbine (114),
    ledit système de commande comprenant :
    - une boucle de régulation (200, 300) d'une pression de vapeur (P) ayant une variable de commande et une consigne (PREF),
    - une boucle de régulation (400) de puissance électrique (W) ayant une variable de commande et une consigne (WREF), telles que pour chacune des boucles de régulation (200, 300, 400), une variable d'une boucle est prise en compte en tant que perturbation dans l'autre boucle,
    caractérisé en ce qu'au moins une des boucles de régulation (200, 300, 400) est basée sur une commande de type modèle interne, définie en ce qu'elle comporte une représentation d'un processus physique à contrôler, prenant en compte un retard pur τ d'un des paramètres du modèle interne de la centrale.
  2. Système de commande selon la revendication 1, dans lequel la boucle de régulation (200, 300) de pression de vapeur (P) comporte une chaîne de rejet de perturbation (202, 302) pour prendre en compte une variable de la boucle de régulation de puissance électrique (W) en tant que perturbation.
  3. Système de commande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la variable de la boucle de régulation (400) de puissance électrique (W) prise en compte en tant que perturbation dans ladite boucle de régulation de pression de vapeur (P) est l'ouverture des soupapes réglantes (SR) en amont de la turbine (114).
  4. Système de commande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la boucle de régulation (200, 300) de pression de vapeur (P) comporte une chaîne de modélisation (206, 306) d'une fonction de transfert (HGC-P1) entre l'alimentation en combustible (GC) et la contribution (P1) à la pression de vapeur (P) de l'alimentation en combustible (GC), ladite chaine de modélisation (206, 306) ne prenant pas en compte la variable de la boucle de régulation (400) de puissance électrique (W) prise en compte dans ladite boucle de régulation (200, 300) de pression de vapeur (P) en tant que perturbation.
  5. Système de commande selon la revendication 4, dans lequel le retard pur τ est pris en compte dans la boucle de régulation (200, 300) de pression de vapeur (P) dans la chaîne de modélisation (206, 306) de la fonction de transfert (HGC-P1) entre l'alimentation en combustible (GC) et la contribution (P1) à la pression de vapeur (P) de l'alimentation en combustible (GC).
  6. Système de commande selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel la chaîne de modélisation (206) d'une fonction de transfert (HGC-P1) entre l'alimentation en combustible (GC) et la contribution (P1) à la pression de vapeur (P) de l'alimentation en combustible (GC) est de la forme G1(s) • e-τ s, avec G1(s) une fonction stable du premier ordre.
  7. Système de commande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la boucle de régulation (200) de pression de vapeur (P) comporte une chaîne de détermination (204) d'une variable de commande sans perturbation pour déterminer une variable de commande sans perturbation à partir d'une consigne de pression de vapeur (PREF).
  8. Système de commande selon les revendications 2 et 7 en combinaison, dans lequel la variable de commande de la boucle de régulation (200) de pression de vapeur (P) est l'alimentation en combustible (GC) obtenue par la sortie de la chaîne de détermination (204) de la variable de commande sans perturbation à laquelle est soustraite la sortie de la chaîne de rejet de perturbation (202).
  9. Système de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système comporte une chaîne de détermination (204) de la variable de commande sans perturbation, une chaîne de rejet de perturbation (202) et une chaîne de modélisation (206) d'une fonction de transfert (HGC-P1) entre l'alimentation en combustible (GC) et la contribution (P1) à la pression de vapeur (P) de l'alimentation en combustible (GC) de la forme G1(s) • e-τ s, avec G1(s) une fonction stable du premier ordre et dans lequel :
    - la chaîne de détermination (204) de la variable de commande sans perturbation est constituée par une fonction de transfert prenant en entrée une consigne de pression de vapeur (PREF), fonction du type G1 -1(s) • F1(s), avec F1(s) un filtre d'ordre supérieur ou égal à l'ordre de G1 (s), et
    - la chaîne de rejet de perturbation (202) est constituée par une fonction de transfert G1 -1(s) • F2(s), avec F2(s) un filtre d'ordre supérieur ou égal à l'ordre de G1(s).
  10. Système de commande selon la revendication 5, dans lequel la boucle de régulation (300) de pression de vapeur (P) comporte une boucle de retour sans retard (316), pour prendre en compte, dans la détermination de l'alimentation en combustible (GC), la partie de ladite chaîne de modélisation (306) d'une fonction de transfert entre l'alimentation en combustible (GC) et la contribution (P1) à la pression de vapeur (P) de l'alimentation en combustible (GC) qui est indépendante du retard pur τ.
  11. Système de commande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la variable de la boucle de régulation (200, 300) de pression (P) prise en compte dans ladite boucle de régulation (400) de puissance électrique (W) en tant que perturbation est la pression de vapeur (P).
  12. Système de commande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la boucle de régulation (400) de puissance électrique (W) comporte un régulateur proportionnel intégral (402) et une chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne (404) pour prendre en compte une variable de la boucle de régulation (200) de pression de vapeur (P) en tant que perturbation.
  13. Système de commande selon la revendication 12, dans lequel l'ouverture des soupapes réglantes (SR) en amont de la turbine (114) est obtenue par la sortie du régulateur proportionnel intégral (402) à laquelle est soustraite la sortie de la chaîne de rejet de perturbation et d'anticipation de suivi de consigne (404) de la boucle de régulation (400) de la puissance électrique (W).
  14. Système de commande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des paramètres de la boucle de régulation (200, 300) basée sur une commande de type modèle interne sont estimés en ligne par une méthode de régulation adaptative, ladite régulation adaptative prenant en entrée des variables (GC, SR, P) du système de commande.
  15. Centrale thermique à flamme comportant :
    - un ensemble comprenant une chaudière et ses auxiliaires faisant l'objet d'une alimentation en combustible pour servir de source de chaleur à un circuit de fluide de travail de sorte que celui-ci soit en phase vapeur sur une partie du circuit,
    - une turbine alimentée par ladite vapeur à une pression (P) de vapeur et à une température (T), ladite turbine étant mécaniquement reliée à un alternateur électrique produisant une puissance électrique (W), l'alimentation en vapeur de ladite turbine étant déterminée par l'ouverture de soupapes réglantes situées en amont de ladite turbine, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  16. Procédé de commande d'une centrale thermique à flamme selon la revendication 15, caractérisé en ce que
    - la pression de vapeur (P) est régulée par une boucle de régulation d'une pression de vapeur (P),
    - la puissance électrique est régulée par une boucle de régulation de puissance électrique (W),
    - au moins une des boucles de régulation étant basée sur une commande de type modèle interne prenant en compte un retard pur T d'un des paramètres du modèle interne de la centrale, et pour chacune des boucles de régulation, une variable d'une boucle étant prise en compte en tant que perturbation dans l'autre boucle.
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