文摘

火电机组再热蒸汽温度控制系统的控制对象是一个复杂的时变参数和大的延迟。为了实现精确控制再热蒸汽温度、再热温度控制系统的性能分析根据得到的数据基于约束预测控制算法。首先,这个过程和再热蒸汽温度控制系统的数学模型。然后约束预测控制算法的原理进行了分析。最后,控制量的稳态值的再热蒸汽温度控制系统由MATLAB仿真,给出了在不同条件下,通过分析稳态值和稳态系统的输入和输出,参考价值和调节控制量和特定的法律约束范围的系统的控制量,可以提供参考数据和理论依据的字段调整电厂再热蒸汽温度控制系统和提高系统的安全性和有效性。

1。介绍

近年来,中国的电力行业发展迅速。超超临界火电机组的非线性的特点,不确定参数和实时变化,已成为主要的燃煤发电行业的单位。因此更高的要求提出了燃煤电厂的自动控制。与此同时,中国清洁能源产业已经取得了很大的进步,和各种清洁能源已经进入了电力市场,这对传统的燃煤电厂有一定影响。为了提高燃煤电厂的市场竞争力,就必须不断提高部门的效率。增加蒸汽的压力和温度是提高竞争力的有效手段,但是,由于单元的设计要求的基础设施设计和锅炉金属材料的限制,操作参数的单位的升级和转型需要大量的投资资金。因此,它是非常重要的提高蒸汽温度的控制效果在现有的基础上。

在火电机组再热蒸汽温度是一个重要的参数,它影响了单位的经济价值。再热蒸汽温度控制系统是一个复杂的对象大惯性和滞后的特点,和系统的动态特性是不同的在发电机组的负荷变化,使再热蒸汽温度的控制非常困难。如果再热蒸汽温度太高,它可能会增加金属材料的腐蚀管道和锅炉的受热面的蒸汽流,这单元的使用寿命会降低。如果蒸汽温度过低,蒸汽的湿度将会非常高,这不仅使过去的涡轮叶片更容易受到伤害,而且还会降低机组的热效率。大的再热蒸汽温度的变化也会导致单元疲劳和减少装置的使用寿命。因此,了解监管法律的控制量和控制量的约束范围的再热蒸汽温度控制系统不仅能保证热力设备的安全,但也有重要的意义再热蒸汽温度的稳定性。

为了提高蒸汽温度的控制效果,大量的学者采用各种先进的控制策略来研究它。一个新的级联与负载前馈反馈控制系统的再热蒸汽温度提出了(1]。单神经元自适应PSD控制器算法应用于外层循环和双学位PID控制器应用于内部循环,达到良好的控制效果。在[2),根据锅炉的过热蒸汽温度的特点,一个新的设计串级控制系统。主调节器采用multimodel观察者控制和二级控制器采用加权合成比例控制。系统集成的特点multimodel控制与状态变量控制与观察者。结果表明,该控制系统具有较强的鲁棒性。在[3),一种自适应预测控制算法设计的参考模型,介绍了两种补偿器;一个是二阶补偿器的过程;另一个是时间延迟补偿器的参考模型。算法已应用于200 mw峰值调节鼓锅炉再热温度的过程,和较高的控制精度。随着过热蒸汽温度惯性大、时滞、非线性和动态特性变化与操作条件下,基于fuzzy-RBF神经网络自整定PID控制器提出了其控制在4),传统的PID控制的优点,中立网络控制和模糊控制和在线优化PID参数。在[5),提出了一种新的智能控制算法的云模型。变体维云模型智能控制器,其中包含一维云模型控制器来消除稳态误差,设计,用于过热蒸汽温度控制600 mw超临界直流锅炉。在[6),multimodel内部模式提出了控制策略,它已经成功地应用于1024 t / h超临界压力锅炉。性能研究表明,控制策略确保了过热蒸汽温度保持在期望的范围内稳定和不同负载。在[7),动态矩阵控制(DMC)是应用于大规模直流boiler-turbine的蒸汽温度控制系统。在线优化执行DMC使用阶跃响应模型。仿真结果表明了DMC技术令人满意的性能。针对大惯性的特点,大的时间延迟,和再热器温度控制系统的非线性混合优化算法(MPSO-RBF)径向基函数(RBF)神经网络基于改进粒子群优化(MPSO)提出了8]。结果证明,MPSO-RBF方法具有良好的性能指标。在[9),计划结合神经网络识别技术和自适应逆控制技术提出了锅炉过热蒸汽温度控制的燃油电厂。所确定的逆模型预设的控制器与控制对象和连接在系列形成一种自适应逆控制系统。在[10,11),主动扰动抑制控制(ADRC)是应用于过热蒸汽温度的控制。与PID算法相比,该方法实现了优异的性能。在[12),提出了一种非线性控制策略蒸汽发电厂。整个工厂战略分解成三个独立的子系统和应用解耦和死时间补偿每个其中之一。仿真结果表明,该方法具有良好的性能和鲁棒性。当过热蒸汽温度控制通过调整冷却水,阀的非线性特性是由流量造成的。在[13),通过收集阀门输入和输出数据和拟合阀门流量特性曲线,阀门开度补偿器设计基于多项式拟合的方法。仿真结果表明,该方法可以克服阀流动特性引起的非线性问题。在[14),系统自动控制锅炉的过热蒸汽温度与蒸汽冷却系统被认为是三层。调节算法依赖于温度的串级控制方法误差修正基于力信号。力信号是蒸汽冷凝后温度变化的速度注入。仿真结果表明了该方法的有效性。此外,基于鲁棒H∞控制方法,锅炉再热汽温控制系统研究[15]。在[16),再热蒸汽温度的特点,基于Biogeography-Based混合优化方法优化(偏硼酸钡)算法来优化传统的PID控制器。事实证明,优化的PID控制器具有更好的跟踪能力和更好的anti-internal和外部干扰性能再热蒸汽控制系统。

针对再热蒸汽温度控制的难度,模型预测控制是一种有用的控制方法。它可以处理多变量、约束和时滞问题有效且具有良好的动态控制性能。模型预测控制(MPC) (17- - - - - -20.在1980年代提出。它近年来不断改善和发展,已广泛应用于许多工业领域,如机器人(21- - - - - -24]。MPC的控制机制,在每个采样时间,根据当前测量信息,一个开环优化问题在有限时域在线解决和控制序列的第一个元素是在控制对象。在下一个采样时间,重复上面的过程;即优化问题和解决刷新新的测量。此外,在实际的工业控制过程中,系统的物理量只能在一定范围内,这样的开放范围阀阻尼器单元的热电厂只能采取从0%降至100%。执行机构不允许改变太多,以防损坏。因此,在实际控制过程中,控制输入和输出必须根据实际需求约束,这样可以保持它们的值在一定范围内。考虑到上述因素,再热蒸汽温度控制系统在电厂660 MW超超临界直流锅炉作为本文的研究对象。和再热蒸汽温度的控制过程在火力发电厂使用约束预测控制算法研究和分析。通过仿真结果,监管法律和限制范围的系统输入获得的再热汽温系统监管期间,为现场监管提供理论和数据支持。 In this way, we can improve the safety and efficiency of reheat steam temperature control and the quality of reheat steam temperature control of ultra-supercritical coal-fired units.

本文组织如下。节2、技术原理和再热蒸汽温度控制系统的数学模型。然后约束预测控制算法的原理进行了分析3。节4,我们应用约束预测控制再热蒸汽温度控制系统,进行MATLAB仿真。通过分析仿真结果,输入调制法和适当的约束范围的系统输入。最后,给出了结论部分5。

2。技术原理和再热蒸汽温度控制系统的数学模型

2.1。再热蒸汽温度控制系统的技术原理

目前,为了提高大型火电机组的运行效率,蒸汽已完成了这项工作在高压缸加热。蒸汽加热的过程包括三个步骤。起初,高压缸的蒸汽排放对锅炉取暖。然后再热蒸汽加热到一定的温度。最后,再热蒸汽被发送到中产阶级和低压缸工作。

有很多方法可以调节再热蒸汽温度。常用的方法包括调整烟气挡板打开,摆动燃烧器摆角,和喷水来降低温度。再热蒸汽温度控制系统的流程图如图1。控制过程中蒸汽温度、再热蒸汽管通常分为侧和侧b .燃烧器和再热蒸汽温度的烟气挡板法案双方在同一时间。洒水器,安装在A和B的再热器只能控制再热蒸汽温度的A和B,分别。当再热蒸汽温度是由烟气控制阻尼器,锅炉尾部烟道的分为两个平行的流感。低温再热器安排在主烟道,低温过热器旁路烟道安排,安排和省煤器。温度调节阻尼器安装省煤器。通过改变两个烟道阻尼器,烟气流经低温再热器的比率和低温过热器改变,以便控制再热蒸汽的温度。具体来说,当烟气挡板的增加时,再热蒸汽温度增加;否则,再热蒸汽温度下降。调整燃烧器的旋角的方法是改变上下摆动燃烧器喷嘴倾角,从而调整炉高温火焰中心的位置,从而改变炉的烟气出口温度和控制再热蒸汽温度。 Similar to the flue gas damper, the reheat steam temperature increases with the increase of burner swing angle; otherwise the reheat steam temperature decreases. In case of emergency, sprinklers on both sides of reheater can spray water to cool down.

一般来说,调整烟气挡板打开和燃烧器摆角是主要的控制手段的再热汽温系统的控制过程。燃烧器摆角的性能管理和烟气挡板调节是稳定的,和热休克很小,所以这两种控制方法有更高的热经济。虽然喷雾脱过热快速影响再热蒸汽温度控制,它会降低机组的热效率,所以它不是主要的监管方法。通常只有在机组启动和关闭过程中,或者在意外的情况下,喷雾脱过热是用作辅助应急手段。此外,正常运行的单位,少量的冷却水可以间歇地使用,也可以结合其他温度调节再热蒸汽的方法作为微调方法。

2.2。再热蒸汽温度控制系统的数学模型

从上面的分析,我们可以得知理想的再热蒸汽温度控制方法应使用燃烧器摆角和烟气挡板调节再热蒸汽温度大致和使用喷水降低温度的方法实现微调。作为一项紧急安全措施,洒水器阀应保持尽可能小。同时,燃烧器摆角的方差和烟气挡板打开必须限制在一定范围内。

根据的要求再热温度控制过程中,数学模型(25的再热蒸汽温度控制系统在电厂660 MW超超临界直流锅炉建立: 在哪里 系统的控制量和吗 是系统的输出。应该注意的是,该模型建立了基于输入和输出方差方差的再热蒸汽温度控制系统。例如,在模型(1),再热蒸汽温度的方差在再热器的一面,而不是实际的再热蒸汽温度。如果再热蒸汽的初始温度为580°C和预期的温度为590°C初始温度的变化,也就是说,10°C。同样的,再热蒸汽温度的方差在再热器的B面,烟气挡板开的方差,燃烧器摆角的方差,喷水灭火系统阀门开度的方差在再热器的一边,然后呢喷水灭火系统阀门开度的方差在再热器B的一面。

燃烧器摆动的转移功能angle-reheat蒸汽温度、烟气damper-reheat蒸汽温度和喷desuperheating-reheat蒸汽温度可以被描述为一阶惯性加纯延迟的模式。传递函数的表达式如下: 在哪里是获得,是一阶惯性时间,是延迟时间。的传递函数形式 在模型(1)是由(2)。

3所示。约束预测控制的理论分析26]

预测控制算法的理论分析通常是基于系统的状态空间方程模型。因此,本文研究对象的传递函数模型需要转化成状态空间模型。转换方法可以很容易地发现在许多数据(27),所以它不再是详细的。

状态空间增量的线性离散时间系统模型被认为是如下: 在哪里

在模型中(3),(3 b)和(3 c)), 是国家增加; 是控制输入的增加; 是可衡量的外部干扰的增加; 控制输出; 是限制输出; 是系统矩阵相应的维度。

控制目标是使控制输出跟踪给定的参考输入 。同时,控制数量,控制增量和输出的系统满足控制约束和输出约束如下:

在时间,状态的测量值 。根据预测控制的基本原理,优化问题的约束MPC描述如下。

问题1 满足系统动力学 和下面的时域约束(8),(8 b)和(8 c)): 在哪里 在上面的优化问题,和给出了加权矩阵,如下: 是一个参考序列的控制输出,给出吗 是一个序列的控制量。作为一个独立变量约束优化问题,它被定义为 p步控制输出基于模型(3),(3 b)和(3 c))预测在时间,它被定义为

具体来说,控制输出 和限制输出 计算了预测控制方程(7一个),(7 b),(7 c),(7 d),(7 e)和(7 f),(7 b),(7 d)和(7 f)表明,测量状态的初始条件是预测未来系统的动力学。如果美国不都是可衡量的,估计状态的初始条件预测未来系统的动力学。

可以通过方程计算 在哪里

约束优化问题是一个二次规划(QP)问题,所以我们把它变成一个QP描述。具体的转换过程详细(15]。

约束MPC优化问题1转换成以下QP问题描述:

((QP问题16一个)和(16 b)解决任何权重矩阵 ,表示为 。很明显,是一个函数相关的测量值吗 ,控制层 ,和预测地平线 。根据预测控制的基本原理,第一步得到的开环控制序列将被应用到控制系统。在下一个采样时间、约束优化问题1,也就是说,QP问题(16一个)和(16 b),将刷新新的测量值,再解决。因此,闭环控制约束MPC的定义是定律

4所示。再热蒸汽温度控制系统的性能分析与可变负荷

4.1。仿真结果

传递函数(25)喷雾脱过热(阀门开度),再热蒸汽温度、燃烧器摆角,再热蒸汽温度和烟气挡板,和再热蒸汽温度的660 mw超超临界直流锅炉在400 mw、500 mw和600 mw负荷如表所示1,2,3。

据表的数学模型1,2和3,我们模拟锅炉再热汽温系统的控制效果基于约束预测控制算法当发电机组的负荷400兆瓦,500兆瓦,600兆瓦,分别。再热蒸汽的初始温度设置为580°C和再热蒸汽的预期输出温度设置为590°C;也就是说,参考输入 。采样周期是10秒。预测地平线是p = 100,控制地平线m = 3。二次性能指标的输出误差加权矩阵ywt = ,和控制量加权矩阵的二次性能指标是uwt = 。

为了进行比较和分析,约束设置为0 ~ 8,0 ~ 10 0 ~ 12,和0 ~ 15日分别在哪里 。请注意,如果我们想再热蒸汽温度上升, 应该大于或等于0 应接近或等于0。因此,约束的应该从0开始。的单位 %。的单位是学位。

当发电机组的负荷400兆瓦, ,再热蒸汽温度控制系统的仿真结果如图2和3。

从数据2和3我们可以看到,稳态值 13.94,5.62,0.26,0,分别和所需的时间,达到稳定状态的输入和输出是大约120个采样周期,也就是1200年代。同样的,我们可以获得稳态的时间和和稳态值在不同负载和不同的输入限制,如表所示4,5,6,7。根据模拟得到的数据,我们可以分析再热蒸汽温度控制系统的控制性能。

由于再热蒸汽温度控制系统的动态特性是不同的在发电机负载的变化,也就是说,再热蒸汽温度控制系统的模型参数变化与发电机负荷的变化,所以再热蒸汽温度控制系统的模型在一个或多个负载的情况下只能提供一个或多个负载下的系统输入,他们不能提供现场调整控制系统的基础下其他负载。因此,我们需要分析系统的输入和输出基于现有模型下三个加载和监管法律的控制量,可以提供一个理论依据实际的现场调整。

4.2。分析控制大量的再热蒸汽温度控制系统

稳态值的表4,5,6,7,我们可以看到这一点和相对较大,他们扮演主要角色在再热汽温的调节。和接近为0,这意味着开放两个喷水阀仍然几乎不变。它符合控制要求喷雾脱过热不是为主要调节再热汽温的调节方法。

控制数量和不扮演重要角色在再热蒸汽温度的控制过程,所以我们主要分析和 。首先,的变化进行了分析。从表4- - - - - -7可以看出,当等于约束的控制量是不变的,三个稳态值的吗在这三个负载下不会改变太多。也就是说,当再热蒸汽温度上升从580°C到590°C和400 mw发电机组的负荷,烟气挡板开的方差基本上是一样的,在500 mw和600 mw负荷。此外,较小的约束范围是,三稳态值越接近在三次衣服。因此,尽管再热蒸汽温度控制系统的模型参数变化与发电机负荷的变化,调整烟气挡板开在不同的负载下几乎没有改变。把表7作为一个例子,当 和 ,这三个的稳态值 ,7.57、7.91和7.67,分别是最近的三次衣服。的变化范围在7.57和7.91之间,变化不明显。因此,在任何其他负载,控制数量可以把值从7.57到7.91。

接下来,我们分析的变化根据表4- - - - - -7。可以看出,当等于约束的控制量是不变的,在这三种负载下变化很大。和更高的发电机负荷越小是多少。把表5作为一个例子,当 ,在400 mw、500 mw和600 mw负荷、稳态值的分别是6.48,2.00和1.26,这意味着如果再热蒸汽温度上升从580°C到590°C,燃烧器的旋角需要增加6.48 400 MW负荷下,虽然燃烧器摆角的开放需要增加了2.00和1.26,分别在500 MW和600 MW负荷。这表明,过程中调节再热汽温控制系统,与发电机组的负载的增加,燃烧器摆角的调整范围应逐渐减少。因此,在实际的现场调整,发电机负荷越高,燃烧器摆角的调整幅度越小,以避免损坏热设备再热蒸汽温度过高造成的。

以上分析的正确性也可以仿真软件仿真验证了。把表6作为一个例子,在不同的负载下,我们采取的稳态值 ,分别在 ,作为系统输入和设置的增量4仿真软件仿真。通过这种方式,我们可以再热蒸汽温度的影响当燃烧器摆角的调整范围太大。仿真结果如图4,5,6。

从图4,我们可以看到,当发电机组的负荷400兆瓦的增量是4, ,再热蒸汽温度上升了约14°C。这是4°C高于所需的输出,但它仍然满足系统输出的最大偏差,这是5°C。500千瓦发电机组的负载时,我们可以看到,再热蒸汽温度上升了14.8°C从图5,这是接近输出的最大偏差。从图6,我们可以看到,再热蒸汽温度上升了15.4°C 600 mw负荷下,它超过了系统输出的最大偏差。因此,为了确保热的安全设备,发电机组的负荷越高,调整范围的燃烧器摆角越小。

4.3。控制量的约束范围的分析

在这篇文章中,控制量系统输入的方差。以作为一个例子,它不是实际烟气挡板的开放,但开放烟气挡板的方差。如果原始的烟气挡板是50 ,那么实际的烟气挡板是60。在实际的过程中,控制量的最大值,所以有必要限制的范围控制数量的系统,以确保控制量不超过其最大价值。接下来,我们分析的约束控制数量和给一个适当的约束范围参考在现场调整再热温度控制系统。

首先,控制量的约束范围不应过小;否则,再热蒸汽温度无法达到所需的温度。数据7和8仿真结果的再热汽温系统的输入和输出400 mw发电机负载时, 。再热蒸汽的初始温度为580°C和所需的温度为590°C。

它可以很容易地看到从图7,当仅限于0 ~ ,再热蒸汽温度的稳态值大约是588.0和587.9,不达到所需的温度。从图8,我们可以看到的稳态值 已达到输入约束范围的最大值,这是6,和稳态值的 几乎达到输入约束范围的最小值,这是0。这表明在再热蒸汽温度控制系统中,如果控制量的约束范围太小,即使 达到上限的约束范围和 接近下限,最后再热蒸汽温度无法达到所需的温度。因此,必须有一个最小上界约束范围的控制量。接下来,我们试图找出最小上界约束范围的控制量在400 mw、500 mw、600 mw负荷,分别通过仿真。

当发电机组的负荷400兆瓦 ,系统的输入和输出数据所示9和10。从图10,我们可以看到的稳态值 已达到输入约束范围的上限,这是7.5,和稳态值的 分别为0.03和0,,几乎达到输入约束范围的下限。从图可以看出9的稳态值 分别是590和589.9,基本上达到所需的温度。它可以认为输入约束的最小上界约7.5 400 mw负荷。同样,我们可以输入的最小上界约束在500 mw和600 mw负荷,分别约为5.3和4.5,。从输入的最小上界约束范围在三个负载的情况下,我们可以看到,发电机负荷越高,越小的输入的最小上界约束范围。这也表明,在实际操作过程中,与发电机负荷的增加,系统输入的调整范围应逐渐减少。

接下来,我们还做一个简单分析输入的最大上限约束范围内。我们可以观察到的变化时,仿真系统输入系统输入的约束范围太大。当发电机组的负荷400兆瓦, ,系统的输入和输出的变化曲线如图11和12。从这两个数字,我们可以看到,尽管系统输出可以达到所需的值,稳态值已经达到了29.0,这意味着如果最初打开的大于71,最后的价值已超过最大可以达到。这显然是不合理的。因此,控制量约束范围的上限价值不应太大;否则它可能超过最大范围的控制量。的最大上界是什么控制量约束范围?如果我们想要得到一个精确值,我们需要大量的数据。因为我们现有的数据是有限的,我们只能根据现有的数据分析,得到一个粗略的分析结果。相比之下,的稳态值 在其他的约束范围,当系统输入的约束范围是0 ~ ,的稳态值 最大的波动。因此,在现有的数据,我们可以大致认为约束的最大上界值范围的控制量是15。

从分析部分4所示。3再热蒸汽温度控制系统的控制量,我们可以知道,随着负载的增加的发电机组,燃烧器摆角的调整范围应逐渐减少,和大调整控制量可能会导致再热蒸汽温度过高和设备受损,也就是说,在不同的负载下,波动越小是,系统的稳定性和鲁棒性越好。通过观察和分析表中的数据4- - - - - -7,我们可以看到,当约束的范围是0 ~和 ,稳态值的波动是最小的在不同负载下的价格相比其他约束范围。为了提供参考价值和输入约束调整的再热蒸汽温度系统在发电厂,最合适的输入值和输入约束的现有数据表8。

5。结论

针对问题的再热蒸汽温度控制、再热蒸汽温度控制系统的研究了660 mw火力发电机组基于约束预测控制算法。输入约束的条件下,稳态值的控制数量和系统达到稳态的时间在不同的约束范围以表格的形式列出。通过分析表中的数据,系统输入和输入约束的参考价值。这些数据和分析提供参考现场调节再热汽温系统的发电厂。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是支持由中国国家自然科学基金资助下61873006,61473034,61673053和部分国家重点研究和开发项目2018 yfc1602704和2018 yfb1702704和北京科技重大特殊项目批准号下Z181100003118012。