电站优化控制剖析

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1、电站最新优化控制技术 及节能减排措施,前几年国内电站机组应用优化控制软件的 几乎没有！ 原因： 1.前几年国家对节能减排还没现在这么重视； 2.没有成熟、效果明显的电站优化控制软件产品； 3.国内没有成功应用的样板机组； 4.个别优化控制软件在电站实施结果不理想：失败或效果 不明显； 5.电站技术人员对优化控制软件的内容不了解，持排斥态度。,现在国内已经有几台机组 应用了优化控制软件！ 原因： 1.这几年国家对节能减排高度重视，各行各业都在寻求节能减排新技术； 2.电站发电成本随着燃料成本的大幅度提高而急剧上升，采取节能措施成为势在必行； 3.国家对企业污染物排放的限制更严格，电站必须采取新的

2、减排技术降低污染物的排放才能满足国家的环保要求，以维持企业的正常运行； 4.国外电力设备生产厂家为提高在中国市场竞争力率先开发出电站优化控制软件产品；,5.国内已有电站优化控制软件成功应用的样板机组； 6.已有成熟的优化控制软件在电站应用显现效果； 7.电站普遍采用的PID控制方法在优化方面存在很大局限，实现节能减排只能依靠先进的智能控制技术，电站技术人员的目光开始转到各种优化控制软件，开始持接受态度。,国内电站应用优化控制软件实例(部分）,1.西门子公司的PROFI优化控制软件 应用电厂：国华公司下属多个600MW电站 主要控制范围：协调控制系统、主蒸汽温度控制系统 2.霍尼韦尔公司的UES

3、优化控制软件 应用电厂：上海金山石化热电厂循环流化床锅炉 主要控制范围：主压力控制、锅炉负荷优化分配控制、燃烧系统控制、 汽轮机负荷经济分配、主蒸汽温度控制。 3. GE公司的KN3优化控制软件 应用电厂：上海闵行电厂 主要控制范围：主蒸汽压力、主蒸汽温度、氧量、一次风和二次风等。 4.清华大学电厂优化控制软件,优化软件实际应用效果(1)：,设定的蒸汽母管压力的“通道”宽度为0.2MPa，床温控制的“通道”宽度为15，控制的床温标准差1，蒸汽温度“通道”宽度为2 ，控制的蒸汽温度标准差0.5 ，烟气含氧量的标准差0.1%，二氧化硫的标准差25mg/m3。,优化软件实际应用效果(2)：,先进燃烧

4、控制的策略和实施，使循环流化床锅炉控制变量的变化幅度显著减小，图显示了床温控制七天记录曲线：前六天锅炉的燃烧控制处于常规的PID控制下，床温变化幅度为15，第七天为投入先进燃烧控制后的床温记录曲线，其变化幅度减少为4，大大地提高了燃烧系统的稳定性。,优化软件实际应用效果（3）：,外加10%的负荷扰动后，对蒸汽母管压力、蒸汽流量、蒸汽温度和烟气含氧量调节过程的记录曲线。其中：蒸汽母管压力变化幅度0.07MPa、蒸汽温度变化幅度1，床温变化幅度4，烟气含氧量变化幅度0.4%。,优化控制软件应用成功的基础之一,采用先进的智能控制技术！ 普通的PID控制算法已难以适应电站生产过程控制的要求，更无法满足

5、电站优化控制的需求。要实现节能减排，必须对控制系统进行优化，而只有采用先进的智能控制技术才能达到控制系统优化的目的。 电站生产过程被控对象的特点： 时变、非线性、强耦合、干扰多、大迟延,有足够精度的、足够丰富的测量信号作为先进智能控制的依据。 以原来传统的PID控制系统采用的一些控制信号来进行优化已不够用，需要引入更多的信号实现优化目的，甚至需要借助软测量技术来计算某些生产过程中无法测量的但又必须的重要参数。,优化控制软件应用成功的基础之二,例如：以循环流化床锅炉燃烧控制系统中：,在一次风减小的阶跃扰动下，床温先下降，接着上升穿过初始值的位置，最终上升到其正的稳态值。这是在复平面的右半平面存在

6、零点的逆向响应的系统。,被控对象的逆向特性导致PID算法的控制结果的发散！ PID算法不可能实现循环流化床燃烧系统的自动控制！,解决办法： 1.采用智能算法代替PID算法； 2.采用软测量技术估算循环流化床床上的燃料存量等参数参与控制，克服循环流化床的迟延性； 保证采用软测量技术进行估算的精度的前提是： 对生产过程机理的深入研究和掌握。,优化控制软件应用成功的基础之三,拥有特性良好的执行器（包括执行机构和阀门或挡板） 只有聪明的大脑，手脚不灵活是干不好活的! 值得引起重视的是：电站控制系统品质不佳，原 因之一就是执行器特性太差！,例：人工汽压调节系统,人工汽压调节系统方框图：,自动汽压调节系统

7、：,自动汽压调节系统方框图：,优化控制软件应用成功的基础之四,需要一个有一定技术水平、认真严谨的调试维护团队！,先进的智能控制技术简介,一、先进的智能控制技术有： 1.现代控制理论 2.模糊控制技术 3.神经网络技术 4.预测控制 5.遗传算法 等等,通常是一种基于模型的控制策略，根据输入/输出有关信 息建立系统数学模型； 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题； 先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持。,二、先进智能控制的特点,三、先进控制和实时优化带来的效益,提高生产能力； 降低能源消耗，保护环境； 更接近约束的平稳操作； 更稳定、响应更快的生产操作； 有效地控制长滞后和强关联的系

8、统。,四、电厂生产过程被控对象的特点及其对先进 智能控制技术的要求,被控对象特性随工况的变化而变化 智能控制算法必须有自适应功能！ 多变量强耦合 智能控制算法必须有解耦功能！ 非线性 智能控制算法必须能适应非线性被控对象！ 迟延大 智能控制算法必须必须具有预测功能！,五、先进的智能控制技术简介,1.模糊控制技术 本质：模拟熟练操作员手动操作的经验 实现：通过IF语句判断当前工况，用THEN语句实施控制作用 优点：简化后的模糊控制现场实施非常方便 缺点：带自适应功能的模糊控制系统实现比较难 应用情况：有业绩，但效果不明显,五、先进的智能控制技术简介,2.神经网络技术 本质：模拟人脑神经元的活动，

9、根据被控对象输入输出对应 数据拟合出被控对象数学模型 实现：通过现场设备或装置的输入输出数据自动训练神经 元，建立此设备或装置的数学模型 优点：具有自适应和优化功能 缺点：运算比较复杂 应用情况：已有业绩，而且有一定效果,五、先进的智能控制技术简介,3.预测控制技术 本质：采用模型辨识技术通过试验数据获得过程模型，再根 据过程模型预测过程未来的运动轨迹 实现：通过现场数据建立过程的数学模型，并通过模型上的 输出和过程实际输出的偏差修正模型 优点：具有自适应和预测功能 缺点：运算和建模比较复杂 应用情况：已有业绩，而且效果显著,五、先进的智能控制技术简介,4.遗传算法 本质：模拟生物适者生存、优

10、胜劣汰的进化机制进行优化 实现：模拟生物杂交、变异过程，保留优胜个体，淘汰劣质 个体，直至获得最佳个体 优点：容易获得全局最优 缺点：运算比较复杂 应用情况：已有业绩，有一定效果,六、先进控制在企业集成模型中的位置,三层企业集成模型： 计划层（ERP） 执行层（MES） 控制层（Control）,根据生产的计划和安排，协调各控制层之间的关系，提供相应的设定值。在满足技术和环境的约束下，使工厂取得最大的效益。,先进的智能控制技术 在电站节能减排方面的应用 （以预测控制为例）,模型预测控制,预测控制是一种基于模型的先进控制技术，亦称为模型预测控制（Model Predictive Control

11、简称MPC）。 动态矩阵控制(DMC- dynamic matrix control) 模型算法控制(MAC- model algorithmic control) 广义预测控制(GPC- generalized predictive control) 内模控制(IMC- internal model control),模型预测控制,尽管预测控制算式形式多种多样，但都建立在下述三项基本原理基础上: 预测模型； 有限时域滚动优化； 反馈校正。,预测模型,模型预测控制需要使用过程模型来预测过程的将来行为。 被控过程的输入由控制量和干扰构成，输出量由可测输出和不可测输出构成，统称为被控量。干扰可进一

12、步分为可测量干扰和不可测干扰。,有限时域滚动优化,模型预测控制的核心：模型已知的情况下求解受限最优化问题从而计算出不违反各种约束条件，能够驱动受控过程至期望的稳定状态并维持稳定状态的控制量。,反馈校正,收敛性 可由输出校正 保证来自输出估计误差；系统状态估计的收敛速率可由输出反馈增益矩阵L 调节。,主压力控制（MPC） 锅炉负荷经济分配（ELA_B） 先进燃烧控制（ACC） 汽轮机负荷经济分配（ELA_T） 先进温度控制（ATC）,主压力控制,主压力控制的目标是稳定蒸汽母管的压力； 蒸汽母管压力作为一个被控量（CV）要求被控制在一个给定范围内。 蒸汽消耗量作为干扰量（DV）加以考虑。,锅炉负荷

13、经济分配,在主压力控制器对母管蒸汽压力进行控制的同时，ELA_B提供最优的锅炉单元的负荷分配方案。 采用负荷经济分配模块能够更加有效地控制锅炉的负荷。 考虑的因素： 1.锅炉负荷的动态特性； 2.母管蒸汽的动态需求量； 3.锅炉的操作经济性分析。,锅炉负荷经济分配,在锅炉负荷处于优化分配的条件下，对应于总蒸汽负荷需求，各锅炉的增量成本是相等的，它与绝对的成本无关。,先进燃烧控制,先进燃烧控制（ACC）是对燃烧过程进行优化的新型技术解决方案。ACC能够紧密地协调进入燃烧室中的燃料，空气和其它进料的配比量。它采用模型预测控制技术来计算最优的空气/燃料比和石灰石/燃料比，并将这些比值在线地输出到燃料

14、和空气控制回路，以获取最好的燃烧效率和SO2、CO及NOx排放量。,先进燃烧控制,先进燃烧控制的目标是获取最好的燃烧效率和满足排放标准的CO、SO2及NOx排放量。,先进燃烧控制,先进燃烧控制系统包括了： (1).燃烧优化器； (2).先进燃烧控制协调器； (3).软测量传感器。,燃烧优化器,动态计算最小的空气/燃料比可以满足CO的排放标准，小的空气-燃料比可以减少NOx排放以及提高燃烧效率。,先进燃烧控制协调器,先进燃烧控制协调器接受由燃烧优化器来的最优空气-燃料和石灰石-燃料比，用以调节各个操作变量：燃烧空气量、石灰石量和燃料流量。 采用多变量高级控制引擎（MACE）实现锅炉燃烧控制和优化

15、。,软测量传感器,床料中的燃料量； 炉床石灰石量； 瞬时石灰石的消耗率； 在炉床上释放的瞬时产生的热量。,汽轮机负荷经济分配（ELA_T）,在压力控制模式 优化背压汽轮机的运行，在满足各种参数的蒸汽总需要量时，最大化发电量。 发电控制模式 凝汽式汽轮机运行的最优化，在满足总发电量和各种参数蒸汽供应量的要求时，使发电消耗的蒸汽最少。,先进蒸汽温度控制,汽温被控对象具有大时延和大惯性； 采用先进控制后，可以减小蒸汽温度的波动幅度，提高调节品质，蒸汽温度的设定点可以设定在相对较高的数值。,先进蒸汽温度控制,ATC以多变量速率最优预测控制器(MACE)为基础，使用了采用了模型的预测控制技术的计算引擎和范围控制的概念。 ATC改善锅炉过热蒸汽温度的稳定性。,优化软件应用产生的经济效益：,在 2310t/h100MW 循环流化床机组投运后，经实施前后的数据对照和测试表明： ACC（先进燃烧控制）的投运，单台锅炉可提高效率0.48%左右，降低排放，全年可节原煤513吨和节焦1622吨 ； ATC（先进温度控制）的投用，主蒸汽温度对比提高了2.11 ，每年可多发电693万度电,全年收益：215万元。,