摘要:蒸汽溫度控制是鍋爐控制中一個(gè)重要組成部分,其性能好壞將直接影響負(fù)荷響應(yīng)速度和爐管應(yīng)力變化。本文以George Neal電廠三號(hào)機(jī)組改造為例,采用Smartprocess 蒸汽溫度優(yōu)化軟件對(duì)蒸汽溫度控制回路進(jìn)行改進(jìn),最終試驗(yàn)結(jié)果表明這種高級(jí)控制策略能夠明顯改善蒸汽溫度控制效果,并且有效減少了爐管泄漏次數(shù)。 1. 引言 隨著電力行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇,許多發(fā)電企業(yè)采取各種各樣的手段來適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展。雖然沒有人能夠預(yù)測(cè)未來將如何,但最直接的措施就是降低運(yùn)行和維護(hù)成本、降低煤耗,提高機(jī)組可用率。本文將以MidAmerican Energy 公司的George Neal 電站 3 號(hào)機(jī)組改造項(xiàng)目為例,介紹Smartprocess 蒸汽溫度優(yōu)化器在蒸汽溫度控制中的應(yīng)用,以提高汽溫控制品質(zhì),減少爐管泄漏,最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本的降低。 2. 用戶背景 George Neal電站位于IOWA州密蘇里河邊。其3號(hào)機(jī)組容量為515MW,采用Foster-Wheeler對(duì)沖式汽包爐和GE公司汽輪機(jī),6臺(tái)MPS-89磨煤機(jī)分別為前后爐墻的24個(gè)燃燒器供應(yīng)煤粉。過熱蒸汽溫度通過一級(jí)和二級(jí)噴水控制,再熱蒸汽溫度通過噴水、過熱擋板和再熱擋板進(jìn)行控制。鍋爐控制系統(tǒng)采用WDPF系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)改造前,蒸汽溫度的過度震蕩過大,限制了機(jī)組響應(yīng)速度,低負(fù)荷下響應(yīng)速度為1%/min,高負(fù)荷下響應(yīng)速度為0.3%/min。因此,用戶會(huì)同EPRI和控制系統(tǒng)供應(yīng)商艾默生公司討論,決定利用Smartprocess 蒸汽溫度優(yōu)化器來改進(jìn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化情況下的溫度響應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷響應(yīng)速度的提高。Smartprocess 蒸汽溫度優(yōu)化器是艾默生公司電力優(yōu)化軟件包中一個(gè)非常重要的模塊,它采用預(yù)測(cè)控制和模糊邏輯來增強(qiáng)汽溫控制回路的前饋?zhàn)饔?達(dá)到提高汽溫控制品質(zhì)的目的。 3. 工程規(guī)劃 整個(gè)控制系統(tǒng)改造工程要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù):一是改進(jìn)蒸汽溫度控制,提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力;二是對(duì)比常規(guī)PID控制方式,記錄優(yōu)化系統(tǒng)的改進(jìn)效果。整個(gè)工程的主要步驟包括: > 記錄現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和性能 > 優(yōu)化當(dāng)前系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn) > 設(shè)計(jì)和安裝高級(jí)蒸汽溫度控制系統(tǒng) > 測(cè)試和記錄高級(jí)控制系統(tǒng)的性能 > 準(zhǔn)備測(cè)試報(bào)告 4. 現(xiàn)有系統(tǒng)評(píng)估 現(xiàn)有的控制系統(tǒng)是一套常規(guī)PID控制系統(tǒng)。過熱器二級(jí)噴水采用串級(jí)控制,一個(gè)外回路控制器,兩個(gè)內(nèi)回路控制器。過熱器一級(jí)噴水也采用串級(jí)控制,內(nèi)外回路控制器均有兩個(gè)。煙氣擋板由一個(gè)再熱溫度控制器控制在一個(gè)預(yù)先配置的范圍。再熱噴水控制回路為單PID回路。現(xiàn)有控制系統(tǒng)中唯一特殊的就是蒸汽溫度控制回路中沒有任何前饋信號(hào)。圖1為二級(jí)噴水控制回路的功能框圖,TTFuzz模塊為優(yōu)化后增加的前饋模塊。 優(yōu)化工作開始前,記錄現(xiàn)有回路中PID控制器和其它的可調(diào)整模塊的整定設(shè)置。然后對(duì)現(xiàn)有的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,以期提高控制響應(yīng)品質(zhì)。過熱噴水調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行比較大的調(diào)整,負(fù)荷響應(yīng)速度改善非常明顯。進(jìn)一步的試驗(yàn)分析表明當(dāng)前的參數(shù)設(shè)置在某個(gè)工況下非常接近優(yōu)化器給出的設(shè)定值。煙氣擋板調(diào)節(jié)設(shè)置和再熱噴水設(shè)置都做過很小的改動(dòng)。 5. 模型辨識(shí)與測(cè)試 要設(shè)計(jì)高級(jí)多變量控制器,必須先建立過程模型。建立過程模型的方法有很多種,最實(shí)用的是模型辨識(shí)。模型辨識(shí)（或者系統(tǒng)辨識(shí)）需要采集機(jī)組特定運(yùn)行工況試驗(yàn)下的控制器輸入輸出以及擾動(dòng)變量數(shù)據(jù)。這些試驗(yàn)用于激勵(lì)出建模所需的所有過程模型特征。典型的試驗(yàn)包括:開環(huán)階躍試驗(yàn)、偽隨機(jī)二元序列試驗(yàn)和頻率響應(yīng)試驗(yàn)。如果需要,還可進(jìn)行閉環(huán)設(shè)定值階躍試驗(yàn)。如果已知擾動(dòng)量對(duì)過程對(duì)象有很大的影響,則必須進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)。 就本工程而言,所有的蒸汽溫度控制回路都進(jìn)行開環(huán)階躍試驗(yàn)和閉環(huán)設(shè)定值響應(yīng)試驗(yàn)。此外,還進(jìn)行了反映擾動(dòng)效果的負(fù)荷變化和磨煤機(jī)起停試驗(yàn)。所有測(cè)試耗時(shí)5天完成。DCS的歷史站用于記錄所有的測(cè)試數(shù)據(jù)。整套試驗(yàn)采集150個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);并且試驗(yàn)期間,這些點(diǎn)在歷史站上的采集死區(qū)配置為接近0。如果采集數(shù)據(jù)的死區(qū)過大,模型辨識(shí)軟件將無法產(chǎn)生好的效果。高保真度數(shù)據(jù)對(duì)辨識(shí)模型的精確度是至關(guān)重要的。 試驗(yàn)結(jié)束后,數(shù)據(jù)將從歷史站中提取出來,然后開始模型辨識(shí)階段。由于本項(xiàng)目采用了兩種不同的控制技術(shù),所以需要兩種不同的模型。 6. 控制器設(shè)計(jì) 本工程所采用的Smartprocess 蒸汽溫度優(yōu)化器包含兩種獨(dú)立的技術(shù)。模型預(yù)測(cè)控制用于調(diào)整外回路控制器的設(shè)定值,而動(dòng)態(tài)前饋系統(tǒng)則用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償內(nèi)回路的設(shè)定值。圖1給出了高級(jí)控制系統(tǒng)如何和常規(guī)控制系統(tǒng)接口。其它回路也采用類似的方案實(shí)現(xiàn)。 模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)采用Aspen Target控制器,而動(dòng)態(tài)前饋采用TTFuzz控制器。Target控制器有5個(gè)控制變量、5個(gè)被控變量和許多擾動(dòng)變量。TTFuzz控制器有6個(gè)前饋輸出和大約40個(gè)擾動(dòng)輸入變量。 Aspen Target控制器采用帶非線性校正系數(shù)（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的線性最小二乘模型（PLS: Partial Least Squares）,具體的組合方式可以參考混合模型。這種合成模型克服了純神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的外推泛化問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有兩種學(xué)習(xí)規(guī)則,Kalman和可變矩陣。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)都是可調(diào)的。 TTFuzz前饋控制器屬于Takagi-Sugeno模型,用于補(bǔ)償影響過程對(duì)象的可測(cè)量擾動(dòng)。基于這些擾動(dòng)變量,前饋控制器將產(chǎn)生前饋補(bǔ)償信號(hào)以補(bǔ)償PID回路的擾動(dòng)。精確的補(bǔ)償計(jì)算需要精確的過程模型和擾動(dòng)影響模型。前饋概念可以這樣理解:從控制變量到被控變量的模型（傳遞函數(shù)）可以通過各種試驗(yàn)獲得,如同擾動(dòng)變量到被控變量的建模過程。由于擾動(dòng)的當(dāng)前值是可測(cè)量的,那么它對(duì)被控變量的影響也是能夠確定的,從而可以得出控制變量的修正值,實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)對(duì)被控變量影響的最小化。 7. 工程實(shí)施 這兩種高級(jí)控制器都在直接連接WDPF數(shù)據(jù)高速公路的Sun Ultra工作站上實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)接口軟件用于實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制器和常規(guī)DCS邏輯的數(shù)據(jù)交換。另外,繪制了新的操作界面,用于切換選擇高級(jí)控制模式和常規(guī)控制模式,并允許操作人員根據(jù)需要起動(dòng)和停止高級(jí)控制策略。現(xiàn)有的蒸汽控制界面也經(jīng)過一定的修改,可以顯示出當(dāng)前的控制模式。 由于再熱汽溫有兩個(gè)控制變量,所以TTFuzz控制器必須協(xié)調(diào)控制檔板和再熱噴水閥。再熱噴水對(duì)機(jī)組熱效率有負(fù)面影響,因而從控制策略上講,要盡可能減小噴水量。綜合考慮以上因素,整個(gè)控制策略如下: > 如果噴水修正值為負(fù)而且噴水閥門尚未全關(guān),則僅采用噴水修正值。 > 如果噴水修正值為負(fù)而且噴水閥門已經(jīng)關(guān)閉,則繼續(xù)保持噴水閥門關(guān)閉,剩余修正由擋板回路完成。 > 如果噴水修正值為正（閥門開啟）,則會(huì)首先調(diào)整擋板直至飽和后,才使用噴水控制。 8. 驗(yàn)收 驗(yàn)收過程包括了非常詳細(xì)的測(cè)試方案,以確保整個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)的所有組成部分都能夠滿足要求。測(cè)試包括三種運(yùn)行類型和四種不同的控制器組合,總共12項(xiàng)測(cè)試。運(yùn)行類型包括: > 從全負(fù)荷（約500MW）降至400MW,然后回升到全負(fù)荷。 > 從380MW降至280MW,然后返回380MW > 一臺(tái)磨煤機(jī)停運(yùn) 控制器配置方案有: > 全部采用原來的PID控制器整定設(shè)置 > 采用新的PID控制器整定設(shè)置 > 采用新的PID控制器整定設(shè)置和TTFuzz控制器 > 采用新的PID控制器整定設(shè)置和TTFuzz、Aspen Target控制器在 Neal 3號(hào)機(jī)組,吹灰是連續(xù)進(jìn)行的,這是蒸汽溫度控制的一個(gè)主要擾動(dòng)。為了減小因吹灰所導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果差異,在每次測(cè)試期間,都進(jìn)行同樣的吹灰步驟。也就是說,每次測(cè)試中的吹灰過程是相同的,以使其對(duì)蒸汽溫度的影響相似。 9. 優(yōu)化結(jié)果 WDPF的歷史存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)（即歷史站）用于記錄這些測(cè)試結(jié)果。圖2顯示了在三種不同控制器配置下高負(fù)荷段的過熱汽溫響應(yīng)曲線。為了能夠量化分析回路特性,所有的測(cè)試數(shù)據(jù)都進(jìn)行平均誤差、最大誤差和標(biāo)準(zhǔn)差分析。測(cè)試結(jié)果表明:與舊的PID整定參數(shù)相比,新的PID整定參數(shù)非常好地改進(jìn)了的回路性能;帶TTFuzz的PID比不帶TTFuzz的PID的控制效果也有明顯提高;增加Aspen Target控制后,回路性能有了一定的邊際改善。 圖3顯示了四種控制配置下低負(fù)荷試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差分析。由于機(jī)組在多數(shù)運(yùn)行工況下都達(dá)不到再熱蒸汽設(shè)計(jì)溫度,所以再熱溫度的控制結(jié)果可能容易令人誤解。圖4顯示了磨F停運(yùn)后的測(cè)試結(jié)果。 [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 10. 總結(jié) 本項(xiàng)目表明Smartprocess 蒸汽溫度優(yōu)化器所具備的高級(jí)控制技術(shù)能夠顯著提高蒸汽溫度控制性能,雖然試驗(yàn)結(jié)果有一定差異,但總體而言,混合使用兩種高級(jí)控制器的控制效果最佳。此外,蒸汽溫度優(yōu)化器自1999年5月末投運(yùn)以來,機(jī)組在整個(gè)夏天未出現(xiàn)過爐管泄漏。廠方的運(yùn)行主管人員確信蒸汽溫度控制性能的改善,是減少爐管泄漏的主要原因。