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摘要：針對超臨界機(jī)組汽溫控制過程中的大延遲、大慣性問題，通過一種近似滑動(dòng)窗濾波器（approximate sliding window filter, ASWF）構(gòu)造出高性能PI控制器（high performance proportion integration,HPPI）和超前觀測器（(high performance leading obser ver,HPLO）。將HPPI用于大延遲、大慣性過程控制，能夠更有效地提高跟蹤常值擾動(dòng)的效率，更好地消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差。HPLO能夠提前獲取系統(tǒng)響應(yīng)的信息，極大提高過程控制的性能。動(dòng)靜態(tài)分開作用的微分前饋策略可以解決大幅變負(fù)荷過程中微分前饋的擾動(dòng)問題，優(yōu)化汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。通過仿真試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，有效驗(yàn)證了NFC和微分前饋策略的有效性。

關(guān)鍵詞：超臨界；汽溫控制；近似滑動(dòng)窗濾波器；新型基礎(chǔ)控制器；微分前饋策略

Abstract: In order to solve the large delay and large inertia problem in the supercritical unit steam temperature control process, a high performance proportion integration (HPPI) and high performance
leading observer (HPLO) are constructed by an approximate sliding window filter (ASWF). HPPI is used for large delay and large inertia process control, which can more effectively improve the efficiency of tracking constant value disturbance and better eliminate system steady state deviation. HPLO can obtain the information of the system response in advance and improves the performance of the process control greatly. The differential feedforward strategy of dynamic and static separation can solve the differential feedforward disturbance problem in the large load change process and optimize the dynamic characteristics of the steam temperature regulation system. The NFC and differential feedforward strategy are proved to be effective through the simulation test and practical applications.

Key words: Supercritical; Steam temperature control; Approximate sliding window filter; New basic controller; Differential feedforward strategy

1　引言

隨著我國燃煤火電機(jī)組的不斷發(fā)展，進(jìn)一步降低機(jī)組煤耗率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，已經(jīng)成為新建火電機(jī)組的重要技術(shù)指標(biāo)，其中提高機(jī)組主蒸汽參數(shù)是降低煤耗率的重要手段之一，據(jù)相關(guān)研究表明[1]，在超臨界參數(shù)范圍內(nèi)，機(jī)組主蒸汽壓力每增加1MPa，機(jī)組熱耗率可下降0.13%～0.15%，主蒸汽溫度每升高10℃，熱耗率可降低0.25%～0.30%；再熱蒸汽溫度每升高10℃，熱耗率可降低0.15%～0.20%。但是汽溫過高，容易造成鍋爐過熱器、管壁等超溫，發(fā)生鍋爐爆管，因此需采用有效手段，減少汽溫超溫，維持蒸汽溫度在設(shè)定值附近，使機(jī)組安全、穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行[2]。

2　汽溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前超臨界機(jī)組過熱器系統(tǒng)的換熱方式主要為輻射+對流，以輻射為主。過熱汽溫的控制主要是通過調(diào)節(jié)煤水比為主要手段，加以減溫水輔助。超臨界機(jī)組鍋爐的再熱器系統(tǒng)則主要以對流換熱方式為主，常用的工藝流程有兩種：煙氣擋板調(diào)節(jié)和燃燒器擺角調(diào)節(jié)。當(dāng)采用煙氣擋板調(diào)節(jié)時(shí)，換熱方式為純對流特性；當(dāng)采用燃燒器擺角調(diào)節(jié)時(shí)，換熱形式為輻射+對流，以對流換熱為主。再熱汽溫的自動(dòng)控制雖然也可以像過熱汽溫控制一樣采用噴水減溫的調(diào)節(jié)方式，但該方式會(huì)大大降低機(jī)組運(yùn)行效率，在緊急情況下作為事故噴水使用。

目前過熱汽溫控制主要以串級調(diào)節(jié)為主，主回路的任務(wù)是維持過熱器出口汽溫恒定，但延遲和慣性較大，常采用PID調(diào)節(jié)，副回路任務(wù)是快速消除內(nèi)部擾動(dòng)，要求調(diào)節(jié)過程迅速，但精度要求不高，常采用PI控制器。

再熱汽溫控制系統(tǒng)常采用煙氣擋板+微量噴水調(diào)節(jié)，鍋爐的尾部煙道被分割為兩個(gè)并聯(lián)煙道，分別布置低溫再熱器和低溫過熱器，改變兩個(gè)煙道擋板的開度，就可以分配流經(jīng)再熱器和過熱器的煙氣流量，從而實(shí)現(xiàn)再熱汽溫的精確控制，溫度過高時(shí)，噴入微量減溫水降溫。

3　汽溫控制中存在的問題

超臨界機(jī)組各工質(zhì)段的密度、比熱容變化異常劇烈，傳熱特性和流動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜，特別是在變壓運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的大幅變動(dòng)，工質(zhì)壓力會(huì)在超臨界至亞臨界范圍內(nèi)變化，造成工質(zhì)特性急劇變化，使得機(jī)組運(yùn)行具有嚴(yán)重的非線性。例如，工質(zhì)的比熱、密度、焓值與其溫度和壓力的關(guān)系是非線性的，傳熱特性、流量特性也是非線性的，各參數(shù)間存在非相關(guān)的多元函數(shù)關(guān)系，使得被控對象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)在工況不同時(shí)變化較大[3]。

過熱汽溫具有大延遲、大慣性、時(shí)變性強(qiáng)的特點(diǎn)，常規(guī)PID很難兼顧系統(tǒng)汽溫響應(yīng)特性、抗擾動(dòng)特性以及對象參數(shù)攝動(dòng)下的魯棒穩(wěn)定性[4]。再熱蒸汽的比熱容比過熱蒸汽小得多，更容易產(chǎn)生低溫和超溫現(xiàn)象，加之電廠制定了相關(guān)考核制度，使得再熱汽溫的精確控制成為了令運(yùn)行人員頭疼的問題。

反饋控制中，消除系統(tǒng)偏差需要積分作用，一些高性能控制策略之所以沒有大規(guī)模普遍應(yīng)用，例如：SMITH預(yù)估、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等，主要原因在于：在實(shí)際控制過程中難以得到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型[5]。

針對汽溫控制過程中大延遲、大慣性、波動(dòng)大等特點(diǎn)，通過ASWF構(gòu)造出HPPI和HPLO，形成新型基礎(chǔ)控制器（NFC）[6]。在此控制策略的基礎(chǔ)上，加入一種動(dòng)靜態(tài)分開作用的微分前饋策略，在某超臨界機(jī)組汽溫控制中取得了很好的效果。

4　先進(jìn)控制技術(shù)及策略

4.1　構(gòu)造NFC

如圖1（a）所示，通過一種ASWF可構(gòu)造出高性能積分器，仿真試驗(yàn)證明該積分器具有比常規(guī)積分器更高
的效率[6]。

通過超前觀測可以提前獲取系統(tǒng)響應(yīng)的信息，可以極大提高過程控制的性能，常見的超前觀測形式有：微分器、比例微分、相位超前校正等。圖1（b）所示為一種具有較高相位超前效率的 HPLO。通過一種高增益PI（High gain PI,HGPI）控制器，實(shí)現(xiàn)了ASWF的逆變換。對逆變換的輸出進(jìn)行1階濾波，得到HPLO。

（a）積分器構(gòu)造

（b）HPLO構(gòu)造

（c）NFC示意圖

圖1 控制器構(gòu)造示意圖

在HPPI和HPLO的基礎(chǔ)上，構(gòu)造出一種NFC，如圖1（c）所示。

4.2　仿真試驗(yàn)

為了更好地結(jié)合實(shí)際，仿真試驗(yàn)的過程對象采用某火電廠再熱煙氣擋板模型，外擾耦合模型為1階慣性環(huán)節(jié)，外擾為-1，具體表達(dá)式如下：

通過matlab仿真，分別對NFC和PID進(jìn)行參數(shù)整定[7]，得到其階躍響應(yīng)如圖2所示。

圖2 NFC與PID控制特性仿真試驗(yàn)結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，對于大延遲、大慣性的控制對象，NFC的響應(yīng)速度和抗干擾能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)。

4.3　動(dòng)靜態(tài)分開作用的微分前饋策略

傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)通過對偏差進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，但是在快速變負(fù)荷過程中（2%～3%ECR／min），風(fēng)、煤、水快速變化，汽溫也隨之波動(dòng)，因此需要引入前饋快速調(diào)節(jié)，消除這種波動(dòng)。采用總?cè)剂狭课⒎值那梆伈呗裕蓽p少汽溫波動(dòng)，快速返回到設(shè)定值，但又衍生出一些其它問題。機(jī)組在升負(fù)荷時(shí)，由于前饋?zhàn)饔玫奶崆皠?dòng)作，過熱汽溫被控制在設(shè)定值附近，取得了滿意的控制效果。但升負(fù)荷結(jié)束后，產(chǎn)生了一系列更大的升溫過程（如曲線4所示），經(jīng)仔細(xì)分析，該過程是由于控制系統(tǒng)的微分前饋引起的[8]。如圖3所示：機(jī)組在升負(fù)荷時(shí)（如曲線1所示），總?cè)剂狭康奈⒎智梆佔(zhàn)饔檬箿p溫水門開度（如曲線5 I段所示）提前增大，主汽溫（曲線4a段）未出現(xiàn)大的變化，控制效果良好；在升負(fù)荷過程結(jié)束以后，總?cè)剂狭恳糙呌谄椒€(wěn)（如曲線2所示），主汽
溫也向設(shè)定值靠攏，但此時(shí)總?cè)剂狭康奈⒎肿饔猛蝗幌В沟脺p溫水閥門迅速關(guān)小（如曲線5 II段所示），在
總?cè)剂狭亢徒o水流量都保持不變的情況下，減溫水的突然減少勢必對系統(tǒng)造成一種擾動(dòng)，打破原有的煤水比平
衡，導(dǎo)致主汽溫出現(xiàn)超溫（如曲線4 b段所示）。同理，降負(fù)荷過程也存在同樣的問題（在此不再贅述）。綜上
所述，在負(fù)荷變化過程中，前半部分的微分前饋取得了較滿意的控制效果，但微分作用后半部分的釋放階段，
造成了系統(tǒng)的擾動(dòng)，在筆者看來這明顯是多余的。

圖3 機(jī)組升負(fù)荷過程中過熱氣溫控制系統(tǒng)的主要參數(shù)曲線

針對微分釋放過程的擾動(dòng)，可通過一種動(dòng)靜態(tài)分開作用的微分策略來解決，邏輯如圖4所示。

圖4 動(dòng)靜態(tài)分開作用的微分前饋回路

微分作用輸入采用負(fù)荷設(shè)定，負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，前饋輸出為0，控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器設(shè)置合理的參數(shù)后系統(tǒng)易穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)時(shí)能快速反應(yīng)，克服汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的大延遲特性。前饋回路主要分為2個(gè)階段：

（1）第一階段為：設(shè)定是否到位的狀態(tài)判斷。負(fù)荷設(shè)定到位后（負(fù)荷設(shè)定變化率的絕對值由90%減小到50%），RS觸發(fā)器置位，前饋信號(hào)輸出保持；

（2）第二階段為：前饋信號(hào)的復(fù)位判斷。負(fù)荷到位后，前饋信號(hào)的輸出一直處于保持狀態(tài)，在微分前饋消失后需及時(shí)釋放，以便在下次負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，汽溫前饋能夠重新動(dòng)作。復(fù)位條件有兩個(gè)，一是微分前饋輸出值減少至小于0.15，二是負(fù)荷設(shè)定變化率的絕對值大于90%。

4.4　實(shí)際應(yīng)用

將本文中的NFC和動(dòng)靜態(tài)分開的微分策略運(yùn)用于某1000MW超超臨界燃煤機(jī)組的過熱汽溫和再熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。機(jī)組負(fù)荷從920MW降到430MW的變負(fù)荷過程中，過熱汽溫最大波動(dòng)幅度為597～605℃（SP=602℃），再熱汽溫最大波動(dòng)幅度為588～597℃（SP=592℃）。過熱汽溫和再熱汽溫的波動(dòng)被控制在±5℃以內(nèi)，本文所述控制策略取得了較好的控制效果。

圖5 優(yōu)化后機(jī)組汽溫調(diào)節(jié)情況示意圖

5　結(jié)束語

通過ASWF實(shí)現(xiàn)了HPPI，該控制器能夠更有效地提高跟蹤常值擾動(dòng)的效率，更好地消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差。HPLO能夠提前獲取系統(tǒng)響應(yīng)的信息，可以極大提高過程控制的性能。動(dòng)靜態(tài)分開作用的微分前饋策略可以解決大幅變負(fù)荷過程中微分前饋的擾動(dòng)問題，優(yōu)化汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。通過仿真試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，有效驗(yàn)證了NFC和微分前饋策略的有效性。

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作者簡介：

劉昌一（1993-），男，四川成都人，熱控工程師，工學(xué)碩士，現(xiàn)就職于廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，主要從事火電廠熱工控制方面的試驗(yàn)和研究工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年1月刊