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预测控制在600MW机组锅炉过热气温控制系统上的应用

发布时间：2011/3/7 阅读次数：1962 字体大小: 【小】【中】【大】

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陈涛纪更昭

（安徽淮南平圩发电有限责任公司 232089）

摘要：本文针对平电公司#1机组锅炉过热器纯滞后和惯性大的特点，采用传统PID控制和现代广义预测控制相结合的控制策略,解决2008t/h锅炉过热汽温自动控制系统投入的问题。

关键词：先进控制广义预测控制（GPC）过热汽温 CARIMA模型(Controlled Auto-Regressive Integral Moving-Average Model 即受控自回归积分滑动平均模型) 差动控制约束控制。

0 概述

过热汽温是影响机组安全运行及经济运行的重要参数之一，锅炉过热汽温较高时，机组热效率相对较高，但过高的过热汽温是汽轮机金属材料所不允许的。由于过热器处于高温区且承受着高压，尽管它的材料采用的是昂贵的耐高温高压的合金钢，但主汽温的设计值已接近钢材允许的极限温度；强度方面的安全系数也较小，所以过热器金属超温是不允许的。

过热汽温控制的任务是维持过热器出口汽温即主汽温在允许的范围内，并对过热器实现保护，使管壁金属温度不超过允许的工作范围。正常运行时，一般过热器温度与额定值偏差不超过±5℃。

而平电公司#1锅炉由于炉膛空间及温度场分布不均匀等诸多因素的影响，存在着系统纯滞后和惯性大的特点，同时还存在有过热器温度偏差大的问题，曾采用分段控制和串级控制相结合的方案，虽经多次试验和整定依然不能解决自动调节品质差和过热器温度偏差大等诸多问题。后利用机组DCS改造的有利条件，采用差动控制和广义预测控制相结合的控制策略对控制系统进行了改造，成功的解决了该系统存在的诸多问题。

1 设备现状

平电公司的#1机组的锅炉为哈尔滨锅炉厂引进美国CE公司技术生产的2008t/h四角切圆燃烧锅炉，由于炉膛空间大，导致炉膛内温度场分布不均，导致前屏过热器至末级过热器温度偏差都大，同时由于只设计了一套减温喷水装置，安装在前屏过热器进口联箱母管上，使得高温过热器出口温度偏差较大，虽然在甲支路过热器上添加了二级减温喷水装置，但控制效果并不理想，同时，由于过热器管路较长，主蒸汽出口温度迟延大，直到改造前，过热汽温的自动调节品质都很差，实际上过热汽温控制长期运行在手动控制状态。

＃1锅炉原来的过热汽温采用分段控制,一、二级减温喷水均采用PID串级控制方案。

一级减温喷水的主控制回路的设定值为二级过热器进口过热汽温的设计值,该设计值随机组的负荷变化变化，测量信号为二级过热器进口温度，采用负荷信号作为前馈信号，输出为一级过热器减温器出口温度预测值，输入到副控制回路作为其设定值；副控制回路测量为一级过热器减温器出口温度，输出控制一级减温器阀门。

二级减温喷水的主控制回路设定值为过热器出口过热汽温设计值,该设计值随机组的负荷变化而变化，测量信号为过热器出口温度；输出为二级过热器减温器出口温度预测值，输入到副控制回路作为其设定值,副控制回路的测量信号为二级喷水减温器喷嘴后温度，控制二级喷水减温器阀门开度。

这种方案对于系统固有的大时延和大时间常数，从运行的实践看控制效果并不好。因为时延常数和惯性时间常数的比值已经达到310/530≈0.58，这表明该系统已经不是常规PID控制能够处理的了，这就要求我们必须使用先进控制算法来控制过热汽温。

2 改造技术方案

我们采用预测控制和差动控制相结合的方法。

采用差动控制，实际是两路平衡控制，用来解决过热汽温的左右偏差大的问题，它的输入是甲、乙两路末级过热器进口温度、过热器出口温度偏差，其输出用来调节甲路上的二级喷水减温器阀门开度，以调节甲路末级减温器出口温度，使甲、乙两路末级过热器出口温度偏差在一定的范围内（最佳效果就是保证两路汽温相同）。

对于过热器出口总管的过热汽温，由于一级喷水减温器的纯滞后和惯性均很大——根据实验的数据表明分别达到310s和530s，所以采用预测控制方法来消除大时延对控制系统的影响，其输入为过热器出口的过热汽温值，输出量用来控制一级减温喷水阀门开度。

同时左右两路过热器温度偏差较大，前屏过热器和后屏过热器管壁温度易于超出温度上限而报警，所以我们采用带有约束的广义预测控制方案，以保证在整个过热器阶段，所有温度测点不会发生温度超过高限的情况。

图1差动控制和预测控制原理图

下面将对差动控制和预测控制进行简要说明。

2.1 差动控制

图2 差动控制原理图

在原理中可以看出，我们将甲、乙两路末级过热器出口温度偏差信号作为差动PID的输入信号，计算出的输出信号用来控制A路二级喷水减温器的阀门开度，从而调节A路末级过热器出口温度，使得两路末级过热器出口温度偏差趋向于设定值（最佳情况下设定值为0，即左右两路温度无偏差，实际设定为±2℃，以防止调阀动作频繁）。

由于这里的差动控制器任务简单，只需要调节A路过热器出口温度，所以我们使用了单回路控制的控制方案。

2.2 带有约束的广义预测控制

预测控制是在工业实践过程中逐步发展起来的，自上世纪

70年代提出以来，就在石油、电力、航空等工业中得到十分成功的应用。预测控制是基于模型的优化、闭环控制算法，所用的模型称作预测模型，它根据对象的历史信息和未来输入预测未来输出。它通过使某一性能指标最优来确定未来的控制作用，性能指标中涉及的系统未来的行为，是预测模型根据未来的控制测略给出的。在通过优化确定了未来一端时间的控制作用后，预测控制并不把这些控制作用逐一全部实施，而只是实施本时刻的控制作用。到下一个使采样时刻，控制系统首先检测对象的实际输出，并利用它对模型的预测进行校正，然后再进行新的优化，由此预测控制的优化利用了反馈信息，从而使预测建立在系统实际的基础上。预测控制分为基于参流数模型的预测控制和基于非参数模型的预测控制两种。

预测控制算法具有以下几个优点：使用参考模型，用来描述过程动态行为的模型可以通过计算得到，不需要深入了解过程的内部机理；采用滚动优化策略，使优化过程不是一次完成，而是在线反复进行优化计算、滚动实施，从而使模型失配、时变、干扰等因素引起的不确定性能够得到及时弥补，提高控制效果；反馈校正策略，由于实际系统中存在非线性、时变等等因素引起的预测输出，与实际输出不能完全一致，于是采用检测实际输出与模型输出之间的误差进行反馈校正，从而克服系统中存在的不确定性、提高控制精度和系统的鲁棒性；采用大时域的多步预测输出，可以克服系统中存在的大时延问题。

针对平电公司#1机组锅炉过热汽温控制回路的现有问题，图3 预测控制流程图

由于存在温度场极度不均匀、系统时延大等特点，我们采用了广义预测控制算法（GPC算法），该算法自从1987年由Clarke提出以来，已经取得了长足的进展，到目前为止该算法有了大量的应用实例，包括在工业锅炉中的应用。

在实施中采用了带有约束的阶梯式GPC控制，该控制方法中，预测控制使用CARIMA模型(Controlled Auto-Regressive Integral Moving-Average Model，即受控自回归积分滑动平均模型)，该控制方案的原理图如下图所示。可以看出在该算法中，我们使用了预测控制和常规PID控制串级控制的形式，并引入了负荷信号作为前馈信号，过热汽温作为反馈信号，前馈信号还包括其他信号，反馈信号也把前、后屏过热器管壁温度考虑进去。

图5 预测控制原理图

上述原理图中，GPC控制器需要采集的信号有：前屏-后屏导气管温度，后屏-末过导气管温度，前屏管壁温度高选混成点，后屏管壁温度高选混成点，末过管壁温度高选混成点，过热汽温，E磨煤量，F磨煤量，总煤量，主蒸汽流量信号以及负荷信号等十多个变量；进入PID控制器的信号有一级喷水流量信号，减温器前温度和减温器后温度信号。

对GPC输出，考虑到各种约束后，得到如图6的输出框图，其中约束I、II和III的优先级为I最高，III最低，即首先保证管壁不超温，最后考虑温度的稳定范围。这样，就可以使控制系统满足要求。

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