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电厂工程1025t/h锅炉燃烧系统调整及主要改进意见
发布时间:2011/4/22  阅读次数:1968  字体大小: 【】 【】【
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【摘要】针对1025t/h锅炉燃烧系统多变量、强耦合、大时滞的复杂特性,提出一种多变量时滞对象的控制方法,以动态风煤比的形式对燃烧过程实施先进控制。所实现的改进多变量Smith预估算法有效地克服了模型失配对控制的不利影响;多模型智能控制解决了在负荷变化时对象模型的参数不确定性。对某热电厂1025t/h锅炉燃烧过程的控制结果表明,该方法易于工程实现,适应性强,控制效果优于原DCS系统的PID控制。
  【关键词】1025t/h锅炉燃烧系统;时滞控制;多模型;动态风煤比;
  1.引言
  1025t/h锅炉系统是一个多输入多输出的复杂控制对象,根据功能可分为燃烧系统、蒸汽发生系统和蒸汽过热系统。三个相对独立的部分。在实际1025t/h锅炉控制中,蒸汽发生系统和蒸汽过热系统的控制方法已经非常成熟,而燃烧系统因多变量、大时滞、强关联的复杂特性,控制起来相当困难。
  目前,国内电厂大都采用DCS系统来控制生产运行。但是,多数电厂的1025t/h锅炉燃烧系统仍采用将多变量系统转为单变量系统的方法一固定风煤比控制方案,这样的自动控制水平与其拥有的硬件软件平台是并不相符的。如何利用目前的DCS系统的软硬件资源,提高锅炉燃烧过程的自动控制水平,对当前技术改造和节能工作具有重要意义。为此,本文提出并实现了基于Smith预估器的多变量时滞控制算法,以主蒸汽压力、烟气氧含量为控制目标,以煤量和风量为控制量,即以动态风煤比的形式进行燃烧过程控制,同时协调处理炉膛负压,以确保锅炉燃烧系统经济运行。
  2.1025t/h锅炉燃烧过程多变量控制
  2.1固定风煤比控制方式
  某热电厂动力机组是满负荷为200MW的燃煤机组,以炉跟机协调方式运行,采用日立控制系统有限公司生产的H5000MDCS系统实现生产过程的监控。该DCS系统将1025t/h锅炉燃烧过程分为蒸汽压力和烟气氧含量两个单变量控制系统,人为地切断了燃烧过程中蒸汽压力和烟气氧含量之间固有的关联,不能实现风煤比的自动调节,只能采用前馈方式实现固定的风煤比,其做法是将蒸汽压力控制系统的给煤量信号乘以固定比例系数,然后加到烟气氧含量控制系统,调节送风量。单变量控制方法的固定风煤比存在两个问题。一是在煤质发生较大变化时,使煤燃烧经常处于风量过剩或供风不足两种状况,降低了1025t/h锅炉热效率,浪费了大量的煤。二是难以保证蒸汽压力和烟气氧含量的控制精度。当蒸汽压力波动较大时,烟气氧含量自动控制和手动控制差别不大,故烟气氧含量经常采用手动调节,降低了1025t/h锅炉自动控制水平。
  2.2多变量动态风煤比控制方式
  蒸汽压力和烟气氧含量系统采用单变量控制,致使控制效果差,甚至不能实现自动控制。这是因为该控制方法不符合控制对象的机理和特性。采用串级、前馈控制,控制作用有限,系统调试也很困难,难以得到良好的控制性能。机理分析表明,蒸汽压力单变量控制系统和烟气氧含量单变量控制系统实际上是一个以给煤量和给风量为输入量,以主蒸汽压力和烟气氧含量为输出量的多变量大时滞强耦合系统,针对这一特性,本文提出了燃烧过程先进控制系统。该系统采取多变量时滞控制方法对时滞进行补偿,同时又实现了自动调整风煤比,故不必采取前馈控制实现固定风煤比。通过负荷变化的前馈控制,实现DCS系统中机组的炉跟机协调控制。
  3.1025t/h锅炉燃烧过程多变量控制系统的实现
  3.11025t/h锅炉燃烧过程多变量控制系统结构
  1025t/h锅炉燃烧过程多变量控制系统运行建立在电厂机组现有的DCS系统的基础上。通过OPC标准通信接口,实现了DCS系统与软件平台的连接并交换信息,使二者成为统一的整体,软件平台成为DCS系统的先进控制站。该结构的优点是,既使用了先进控制平台的多变量时滞控制方法,又充分利用了DCS系统的硬件、软件和信息资源,便于系统调试和维护。为了保证系统安全性,由DCS系统操作站控制多变量系统投入或退出,协调DCS系统和软件平台的工作。DCS系统在炉跟机协调控制方式下运行,并实时向软件平台发送蒸汽压力和氧含量的设定值。软件平台用多变量时滞控制方法跟踪运行,当接收到DCS投入运行的指令后,再将计算的1025t/h锅炉指令和送风指令,通过I/O卡发送到DCS,对燃烧过程实施多变量控制。同时,通过OPC接口将系统运行信息发送到DCS操作站,进行监督管理。
  3.21025t/h锅炉燃烧过程多变量控制系统设计
  3.2.1多变量时滞系统设计
  1025t/h锅炉燃烧过程具有时滞特性,以煤量和风量为输入、以主蒸汽压力和烟气氧含量为输出。时滞对控制系统的性能极为不利,它使系统的稳定性降低,过渡过程特性变坏,甚至导致系统的不稳定。对时滞加以补偿,所设计的燃烧过程多变量时滞控制系统的结构。系统设计中首先采用实验建模方法建立燃烧系统的数学模型。在DCS平台选择炉跟机协调运行方式,在相对平稳的工况及较合理的风煤比的情况下,分别施加煤量扰动和风量扰动,测取燃烧过程的动态信息。然后在软件建模平台进行数据处理和系统辨识,得到数学模型。针对1025t/h锅炉燃烧过程的非线性和时变特性,考虑两种建模情况。一是测试同一负荷下、不同煤质的多组数学模型,然后采用近似模型方法设计多变量时滞控制系统;二是测试在不同负荷下的数学模型,设计多个多变量时滞控制回路。
  Smith预估器模型失配改进算法在上述系统设计中,采用了多变量Smith预估器对纯滞后进行补偿,其补偿效果依赖对象动态模型的精度。由于1025t/h锅炉燃烧过程具有明显的参数不确定性,模型失配或运行条件的改变都将影响Smith预估器的补偿效果。针对这一问题,本文提出一种改进的多变量Smith预估算法,为便于计算机实时在线计算,在多变量系统中定义向量的乘法和除法为对应元素的乘除运算。
  该算法将被控对象和模型之间的所有差别都视为增益的误差进行处理,用除法器比较每一控制周期的被控对象和模型的输出信号,得到各校正值,然后用乘法器即时对模型的输出幅值进行自调整。校正后的反馈信号l,是一个无时滞信号,它将被延迟了的输出量超前反馈到控制器,使执行机构提前动作,有效地改善了控制系统的控制质量。该控制方案大大提高了在模型失配下Smith预估器的鲁棒性。
  3.2.2多模型智能控制
  由于火电厂燃煤机组的负荷变化范围很大(100~200MW),导致1025t/h锅炉燃烧过程不可能用单一的数学模型精确描述,因此,对单一模型的多变量时滞控制系统的设计,难以使系统在所有工况下都保持稳定并具有良好的性能。为处理负荷变化对系统性能的影响,本系统采用了不同负荷下的多模型控制方法。通过建模测试,将负荷按150MW,170MW和200MW区间进行划分,在多个工作点建立多个模型,并设计相应的控制回路。本文用VBScript脚本实现顺序控制,提供一种可以实现控制逻辑的机制,实时辨识负荷变化,选择相应的控制回路。系统运行时选择该顺序控制脚本,系统的脚本解释器就会在线工作,解释执行顺序控制脚本,从而实现多模型多回路的智能调度。
  4.1025t/h锅炉燃烧多变量系统运行
  某热电厂单元机组是满负荷为200MW的燃煤机组,其1025t/h锅炉燃烧控制系统由主蒸汽压力单变量控制系统、烟气氧含量单变量控制系统和炉膛负压单变量控制系统三个单变量回路组成。由于采用固定风煤比控制,导致煤燃烧经常处于风量过剩或供风不足的状况,降低了1025t/h锅炉热效率。
  实施的新方案,在原DCS系统炉跟机协调控制运行方式下,将燃烧过程改造为手动、单变量控制及多变量时滞控制三种方式,炉膛负压采用原DCS系统的单变量控制。采用多变量时滞控制,当机组负荷为160MW时,主蒸汽压力设定值为12.70MPA,烟气氧含量设定值为3.8%,系统控制蒸汽压力在12.50~12.90MPA安全范围内,烟气氧含量大部分时间保持在3.4%~4.2%经济范围内,取得了良好的控制效果。
  5.结语
  本文针对1025t/h锅炉燃烧系统多变量、强关联、大时滞的复杂特性,使用多变量时滞控制算法,采用动态风煤比控制,有效地解决了在煤质发生较大变化时,煤燃烧经常处于风量过剩或供风不足的问题,提高了1025t/h锅炉热效率,节约了用煤。文中提出的解决模型失配的多变量Smith预估器改进算法和多模型智能控制,易于工程实现,适用于一类复杂工业对象的控制。
  通过采用燃烧器重新优化组合、卫燃带重新布置以及送风机提高出力等综合改造技术措施,1025t/h锅炉的效率、燃烧稳定性、防结焦等都得到改善和提高。结果表明,该技术对解决燃用劣质贫煤1025t/h锅炉普遍存在的稳燃性差及飞灰可燃物偏高的问题效果明显,具有显著的经济效益和社会效益,可为受国内煤炭市场影响而燃用劣质贫煤锅炉的改造提供参考。
  
  参考文献
  [1]金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社,2004(7)
  [2]薛福珍,唐琰.基于1025t/h锅炉燃烧系统的多变量动态预补偿阵的设计[J].工业仪表与自动化装置,2002(5):68
  [3]王慧.锅炉燃烧控制系统[M].北京:化学工业出版社,2000(6)
  [4]林海雪.1025t/h锅炉燃烧系统综合改造[J].中国电力.2005(9):87
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