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1、某电厂超超临界机组控制系统优化技术方案（V5.0）讨论稿华北电力大学2009年11月25日目 录1.版本历史11.1 版本5.011.2 版本4.211.3 版本3.011.4 版本2.011.5 版本1.012.总体方案概述12.1 基本原则22.2 工程实施23.再热汽温控制系统23.1 IMC控制器33.2 燃烧器摆角扰动试验及模型43.3 燃烧器摆角调节和减温水调节联合设计方案53.4 再热汽温断续调节63.4.1 控制器输出指令脉宽调制73.4.2 控制器反馈信号脉宽调制93.4.3控制器设定值与反馈信号的偏差死区非线性123.4.4 结论134.氧量软测量134.1 基本原理134
2、.2 工程实现155.在线性能监视及运行优化165.1 DCS控制器中实现性能计算及监视165.2 在线运行优化系统175.2.1 实现途径175.2.2 在线性能计算及能损分析175.2.3 最佳真空及循环水泵启停优化225.2.4 最优氧量定值及最佳主蒸汽压力定值246.协调控制系统266.1 概述266.2 基于规则的智能控制方法（ICR）286.2.1 机炉控制器安全返回（Controller Runback）296.2.2 基于主蒸汽压力自然特性的滑压曲线修正316.3 锅炉动态前馈补偿回路(DDF)346.4 抗煤质扰动回路366.5 多变量鲁棒控制器386.5.1 鲁棒控制器的设
3、计386.5.2 鲁棒控制器的降阶396.5.3 针对直流炉模型设计控制器40国电谏壁电厂超超临界机组控制系统优化技术方案（V5.0），华北电力大学1. 版本历史 1.1 版本5.0三联会前提交的技术方案版本。针对4.2版本，主要修正如下：(1) 将各分散内容合并在一个文档中；(2) 正式的文档。1.2 版本4.22009年11月18日，在华北电力大学国际交流中心，举行了某电厂超超临界机组控制系统优化方案讨论会。参加讨论会的有北京国电智深控制技术有限公司夏明，陈峰，王中胜等，以及华北电力大学曾德良，刘继伟，谢谢等。会议讨论了控制系统优化方案。该版本技术方案内容根据讨论会的结论做了以下修改：(1
4、) 去除ICR部分燃水比失衡及风煤失衡，修正能量失衡控制策略；(2) 根据直流炉特点修改负荷速率提升回路；1.3 版本3.02009年11月18日讨论会前提交的方案。1.4 版本2.0二联会后，2009年10月27日，华北电力大学内部讨论会，讨论超超临界机组方案。1.5 版本1.0一联会提交的技术方案。2. 总体方案概述根据华北电力大学和北京国电智深控制技术有限公司的协商，确定华北电力大学控制系统优化方案的基本范围，主要包括：(1) 协调控制系统优化；(2) 再热汽温控制系统；(3) 氧量软测量；(4) 在线性能监视及运行优化；2.1 基本原则控制系统优化主要遵循如下几个基本原则：(1) 使用
5、实用化的技术。(2) 新技术的应用在系统调试前在仿真机上首先通过验证。(3) 使用能获得明确效果的技术。(4) 如有可能，尝试一些新新方法，但是必须做好安全措施。2.2 工程实施(1) 三联会提交设计方案，供各位专家讨论可行性。(2) 三联会确定方案后，按照确定的方案进行组态工作。(3) 在仿真机上进行仿真验证。(4) 现场调试，投运。3. 再热汽温控制系统再热汽温控制采用燃烧器摆角和减温水联合控制。燃烧器摆角控制系统设计为单回路控制系统，控制器采用IMC内模控制器，同时引入总风量前馈信号和磨组合前馈信号。减温水控制系统设计为串级控制系统。由于再热喷水减温器后导前区温度容易进入饱和区，因此在副
6、回路引入导前区温度是不可行的。设计的串级控制系统的副回路引入单侧减温水流量信号。燃烧器摆角控制回路的定值由操作人员给定。两侧喷水减温控制回路的定值在联合调节方式下由燃烧器摆角定值加上适当的偏置获得。两侧喷水减温器可以单独投切手/自动。燃烧器摆角控制回路也可以单独投切手/自动。SAMA图参见附件1。3.1 IMC控制器与采用再热器减温水调节再热蒸汽温度的控制系统相比，采用调整燃烧器摆角来控制再热蒸汽温度存在严重的滞后和惯性，采用普通PID已经无法达到控制目的。项目中燃烧器摆角的自动控制系统采用内模控制（Internal Model Control，简称IMC）。内模控制是一种基于过程数学模型进行
7、控制器设计的新型控制策略。具有设计简单、控制性能好等优点。内模控制在工业过程控制中已获得成功应用，体现出在控制系统稳定性和鲁棒性的优势。内模控制还与许多其他控制算法，诸如动态矩阵控制（DMC）、模型算法控制（MAC）、线性二次型最优控制（LQOC）等之间存在很大的内在关系，尤其是多变量内模控制可以直接调整闭环系统的动态性能，并对模型误差具有良好的鲁棒性。内模控制的基本结构框图如图 1所示。图中，F(s)为滤波器，一般为一阶惯性环节，G(s)为估计模型。图 1 IMC内模控制器结构如果估计模型准确，即G(s)G(s)，且没有外界扰动，则模型的输出与过程的输出相等，此时反馈信号为零。这样，在忽略模
8、型不确定性和无未知输入的条件下，内模控制系统具有开环结构。这就清楚地表明，对开环稳定的过程而言，反馈的目的是克服过程的不确定性。也就是说，如果过程和过程输入都完全清楚，只需要前馈（开环）控制，而不需要反馈（闭环）控制。事实上，在工业过程控制中，克服扰动是控制系统的主要任务，而模型不确定性也是难免的。图1中d(s)反映了过程模型的不确定性和扰动的影响，从而构成了闭环控制结构。内模控制的主要性质：对偶稳定、理想控制和零稳态偏差。IMC系统的这一零稳态偏差特性表明：IMC系统本身具有偏差积分作用，无需在内模控制器设计时引入积分环节。内模控制与传统反馈控制比较其主要优点为：容易获得良好的动态响应，同时
9、也能兼顾稳定性和鲁棒性。在工业过程中，简单的PID控制可以解决约90%的控制问题，然而对于强耦合多变量过程、强非线性过程和大时滞过程，常规PID控制难以得到满意的控制效果。PID控制器的各种优化设计方法和参数整定方法已成为解决上述过程控制问题的一种途径。采用内模控制原理可以提高PID控制器的设计水平。与经典PID控制相比，内模控制仅有一个整定参数，参数调整与系统动态品质和鲁棒性的关系比较明确，而且设计方法简单、调节性能好、鲁棒性强并能消除不可测干扰的影响，较适用于时滞系统的控制。3.2 燃烧器摆角扰动试验及模型选择典型的负荷区间，停吹灰，做燃烧器摆角扰动试验。通常是正向摆动，稳定后负向相同幅度
10、摆动，分析试验数据。为辨识方便，把再热器出口平均温度和燃烧器摆角放在一个曲线中加以比较，可以找到合适的辨识数据。参见下图。图 2 再热器出口温度及燃烧器摆角经辨识，对象模型可以被描述如下：迟延时间：80秒，比例系数K= 0.1863，为2阶模型，时间常数为51S。，则可以描述为传递函数：仿真结果如下图所示。红色曲线为模型的响应曲线，蓝色曲线为实际温度曲线。图 3 再热汽温及模型响应该模型比较好地逼近了实际对象的响应曲线。试验获得的模型用于确定IMC控制器的预估模型。在调试之前，将IMC控制器的滤波器常数设置为大于惯性时间常数和纯迟延时间之和。3.3 燃烧器摆角调节和减温水调节联合设计方案再热汽
11、温采用燃烧器摆角和减温水联合调节，尽可能降低减温水流量，以提高锅炉燃烧经济性。燃烧器摆角控制根据再热汽温和再热汽温设定值，采用IMC控制器进行控制，同时，将磨组合作为前馈信号。当任一侧再热器减温水流量大于5吨、燃烧器摆角上摆至70、再热汽温偏差超过3，则燃烧器摆角控制器闭锁增。当燃烧器摆角下摆至20、再热汽温偏差超过3，则燃烧器摆角控制器闭锁减。再热器减温水的设定值根据再热汽温的变化率和燃烧器摆角的位置设定，当再热汽温变化率小，燃烧器摆角未为处于上下限时，减温水流量设定值较小，此时，燃烧器摆角作为再热汽温的主要控制手段。当再热汽温快速变化，或者燃烧器已处于最高或者最低处时，减温水流量增加，减温
12、水对再热汽温的控制能力增强，以辅助燃烧器摆角进行控制。当燃烧器摆角处于自动控制时，控制站采用IMC控制器的输出作为控制量，当任一侧再热汽温、热汽温平均值测点出现品质坏或失去任一火检，燃烧器摆角控制切为手动，IMC控制器设定值跟踪再热汽温平均值。当出现MFT时，燃烧器摆角强制摆动到一固定位置。当燃烧器摆角控制处于自动状态且再热减温水控制也处于自动状态时，PID控制器的设定值采用减温水手操站给出的设定值，当再热减温水处于手动状态，PID控制器的设定值跟踪再热汽温度。当出现MFT时，减温水强制为一常数。3.4 再热汽温断续调节根据盘山电厂的经验，再热汽温控制处于自动状态时，燃烧器摆角大部分时间处于其
13、允许的最高位置或者最低位置，出现类似于积分饱和的现象。究其根源，是因为再热汽温的大延迟，大滞后的对象特性引起的。针对这一类对象，我们认为，采用断续调节手段，可以达到降低燃烧器摆动频率、改善控制品质的目的。再热汽温断续调节的方式有以下三种：1.IMC控制器输出指令脉宽调制，即输出指令的变化未达到某一阈值时，保持指令不变，直到其超出阈值后将指令送出；2.IMC控制器反馈信号脉宽调制，即控制器反馈信号的变化未达到某一阈值时，控制器的反馈信号保持不变，直到其超过阈值后将反馈送入控制器；3.IMC控制器设定值与反馈信号的偏差死区非线性，即控制器的设定值与反馈信号的偏差处于死区时，控制器不动作，直到其偏差
14、超出死区阈值，控制器方发出控制信号。为了比较三者的控制效果，采用Simulink进行仿真，其中，再热汽温的传递函数采用：0.186350s+12e-80s，内模控制器中，对象的传递函数采用：0.186345s+1160s+1e-70s，仿真步长0.1s。首先，需要对控制器参数进行整定，IMC控制器需要设置滤波器参数，如图所示，根据ITAE的变化规律，滤波参数采用125可以达到最好的控制效果。图 4 不同滤波器参数下ITAE指标图 5 滤波器参数为125对象响应断续调节方式仿真实现：图 6 断续调节实现方式 3.4.1 控制器输出指令脉宽调制控制器输出指令脉宽调制，即输出指令的变化未达到某一阈值
15、时，保持指令不变，直到其超出阈值后将指令送出。此时相当于在系统中引入一滞环，有可能引起系统的震荡。此外，由于阈值的存在，燃烧器摆角不能精确调整，同样也会对再热汽温的控制品质产生影响。通过下图可以看出，随着摆角阈值逐渐增加，再热汽温稳态偏差增加。而阈值较小的时候，稳态偏差较小。 从控制器输出看，阈值越大，燃烧器摆角动作频率越低，同时，控制器输出往复震荡的次数也越少。图 7 燃烧器摆角不同阈值下再热汽温响应图 8燃烧器摆角不同阈值下控制器输出此外，由于采用了断续控制，可以认为这间接改变了对象的实际物理特性，需要重新整定IMC控制器。图 9滤波器参数为125（上）、135（下）时控制器输出图 10不同滤波器参数下再热汽温响应如图所示，当燃烧器摆角阈值为5o时，IMC控制器的滤波参数从125增加到135，燃烧器摆角动作频率降低，且再热汽温超调降低，而调节时间延长。因此，采用控制器输出侧断续控制，需要较低的燃烧器摆角阈值，在此模型下，阈值不能超过
