FR2975797A1 - 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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Abstract

Système de commande pour régulation multivariable de centrale thermique à flamme comportant : - un ensemble (102) chaudière (103) et auxiliaires, avec une alimentation en combustible (GC), source de chaleur d'un circuit d'un fluide en phase vapeur sur une partie dudit circuit, ladite vapeur alimentant - une turbine (114) à une pression (P) et une température (T), reliée à un alternateur produisant une puissance électrique (W), l'alimentation en vapeur étant déterminée par l'ouverture (SR) de soupapes réglantes en amont de ladite turbine (114), système comprenant : - une boucle de régulation de pression de vapeur (P), - une boucle de régulation de puissance électrique (W), avec au moins une boucle basée sur une commande de modèle interne de la centrale, l'une considérant un retard pur τ d'un paramètre du modèle interne, une variable de chaque boucle servant de perturbation dans l'autre.

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 Ho.. 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.
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 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, ledit système comprenant : o une boucle de régulation d'une pression de vapeur ayant une variable de commande et une consigne, o une boucle de régulation de puissance électrique ayant une variable de commande et une consigne, et au moins une des boucles de régulation est basée sur une commande de type modèle interne prenant en compte un retard pur r 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.
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 ; 3 - 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 r 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-1 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-1 s, avec G1 (s) une fonction stable du premier ordre et dans lequel: o 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 F,(s) un filtre d'ordre supérieur ou égal à l'ordre de G1(s), et o 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 r ; - 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 25 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, 30 - 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. 35 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 r 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 20 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 25 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, 30 - 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 35 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(f) 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, -P,(t)+P,(t)=K, -GC(t-t) Tz -Pz(t)+P2(t)=K2 .SR(t) P(f) = P1(t)+P2(t) T,, K,, T2 et K2 et le retard pur r 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 T, = 190 ; K, = 1,8 ; T2 = 193 ; K2 = -0,326 et r = 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) : -T(t)+a, -T(t)+T(t)=K3 -QDsHT(t)+K4GC(t-i)+K5 .SR(t)+K6 -P(t) 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_pI 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_pI 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 T. Le retard pur r 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_pI 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_pI est de la forme G,(s) - e 5, avec G,(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) - F,(s), avec F,(s) un filtre du type 1 , avec > 0 et n supérieur à (1+X1 's)n 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 , avec X2 > 0 (1 + X2 - s) m 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 G1' (s) - F, (s) , 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_pI dont la sortie est additionnée avec la sortie d'une fonction de transfert HSR4,2 prenant en entrée l'ouverture des soupapes réglantes SR. L'addition de ces sorties, qui représentent les contributions respectives P, 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 G, (s) - e'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 G1'(s) - F2(s) , dont la sortie est soustraite à la sortie de la fonction de transfert 204 du type G1' (s) - F, (s) 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 E 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_pI 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 Regressive 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 Ho., car la modélisation dynamique de la température est peu fiable. La robustesse intrinsèque du régulateur Ho. 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 Hic_ P, 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_pI 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_pI 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_pI 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 T. Le retard pur r 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- 5, avec G1(s) une fonction stable du premier ordre, inversible. Elle est cependant décomposée en deux fonctions de transfert G1(s) et e- i 5, G1(s) située en amont de e- i 5 sur la chaîne de modélisation 306, G1(s) étant la composante indépendante du retard pur r et e- i 5 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 T. 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' Elle vérifie les conditions suivantes : - les zéros de la fonction 1 - M(s) e- L 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 R,(s) à la grandeur résultant de ces comparaisons. Cette fonction de transfert R,(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 R,(s) pour donner l'alimentation en combustible GC. Cette alimentation en combustible GC passe par une fonction de transfert HGc_pI du système à commander pour donner la contribution P, de l'alimentation en combustible GC à la pression de vapeur P.
L'ouverture des soupapes réglantes SR passe par une fonction de transfert HSR4,2 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 P, 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 G,(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-t.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 Regressive 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 Ho.. La figure 6A présente la comparaison des régulations selon l'invention en trait continu et avec les régulations de type Ho. 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 Ho. 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 r 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. REVENDICATIONS1. Système de commande pour la régulation multivariable d'une centrale thermique à flamme pour la génération d'électricité à partir de combustible 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 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), caractérisé en ce qu'au moins une des boucles de régulation (200, 300, 400) est basée sur une commande de type modèle interne prenant en compte un retard pur r d'un des paramètres du modèle interne de la centrale, et pour chacune des boucles de régulation (200, 300, 400), une variable d'une boucle étant prise en compte en tant que perturbation dans l'autre boucle.
  2. 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. 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. 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. 5. Système de commande selon la revendication 4, dans lequel le retard pur r 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. 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-1 s, avec G1 (s) une fonction stable du premier ordre.
  7. 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. 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).35
  9. 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_pi) 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-1 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 F,(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. 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 20 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 T. 25
  11. 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). 30
  12. 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 15variable de la boucle de régulation (200) de pression de vapeur (P) en tant que perturbation.
  13. 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. 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. 15. 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) caractérisée en ce qu'elle comporte un système de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  16. 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 (200, 300) d'une pression de vapeur (P), et - la puissance électrique est régulée par une boucle de régulation (400) de puissance électrique (W), 25 au moins une des boucles de régulation (200, 300, 400) étant basée sur une commande de type modèle interne prenant en compte un retard pur r d'un des paramètres du modèle interne de la centrale, et pour chacune des boucles de régulation (200, 300, 400), une variable d'une boucle étant prise en compte en tant que perturbation dans l'autre boucle.
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