【摘要】針對1025t／h鍋爐燃燒系統(tǒng)多變量、強耦合、大時滯的復(fù)雜特性，提出一種多變量時滯對象的控制方法，以動態(tài)風(fēng)煤比的形式對燃燒過程實施先進控制。所實現(xiàn)的改進多變量Smith預(yù)估算法有效地克服了模型失配對控制的不利影響；多模型智能控制解決了在負荷變化時對象模型的參數(shù)不確定性。對某熱電廠1025t／h鍋爐燃燒過程的控制結(jié)果表明，該方法易于工程實現(xiàn)，適應(yīng)性強，控制效果優(yōu)于原DCS系統(tǒng)的PID控制。
　　【關(guān)鍵詞】1025t／h鍋爐燃燒系統(tǒng)；時滯控制；多模型；動態(tài)風(fēng)煤比；
　　1．引言
　　1025t／h鍋爐系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的復(fù)雜控制對象，根據(jù)功能可分為燃燒系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽過熱系統(tǒng)。三個相對獨立的部分。在實際1025t／h鍋爐控制中，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽過熱系統(tǒng)的控制方法已經(jīng)非常成熟，而燃燒系統(tǒng)因多變量、大時滯、強關(guān)聯(lián)的復(fù)雜特性，控制起來相當(dāng)困難。
　　目前，國內(nèi)電廠大都采用DCS系統(tǒng)來控制生產(chǎn)運行。但是，多數(shù)電廠的1025t／h鍋爐燃燒系統(tǒng)仍采用將多變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)為單變量系統(tǒng)的方法一固定風(fēng)煤比控制方案，這樣的自動控制水平與其擁有的硬件軟件平臺是并不相符的。如何利用目前的DCS系統(tǒng)的軟硬件資源，提高鍋爐燃燒過程的自動控制水平，對當(dāng)前技術(shù)改造和節(jié)能工作具有重要意義。為此，本文提出并實現(xiàn)了基于Smith預(yù)估器的多變量時滯控制算法，以主蒸汽壓力、煙氣氧含量為控制目標(biāo)，以煤量和風(fēng)量為控制量，即以動態(tài)風(fēng)煤比的形式進行燃燒過程控制，同時協(xié)調(diào)處理爐膛負壓，以確保鍋爐燃燒系統(tǒng)經(jīng)濟運行。
　　2．1025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制
　　2．1固定風(fēng)煤比控制方式
　　某熱電廠動力機組是滿負荷為200MW的燃煤機組，以爐跟機協(xié)調(diào)方式運行，采用日立控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的H5000MDCS系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控。該DCS系統(tǒng)將1025t／h鍋爐燃燒過程分為蒸汽壓力和煙氣氧含量兩個單變量控制系統(tǒng)，人為地切斷了燃燒過程中蒸汽壓力和煙氣氧含量之間固有的關(guān)聯(lián)，不能實現(xiàn)風(fēng)煤比的自動調(diào)節(jié)，只能采用前饋方式實現(xiàn)固定的風(fēng)煤比，其做法是將蒸汽壓力控制系統(tǒng)的給煤量信號乘以固定比例系數(shù)，然后加到煙氣氧含量控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)送風(fēng)量。單變量控制方法的固定風(fēng)煤比存在兩個問題。一是在煤質(zhì)發(fā)生較大變化時，使煤燃燒經(jīng)常處于風(fēng)量過剩或供風(fēng)不足兩種狀況，降低了1025t／h鍋爐熱效率，浪費了大量的煤。二是難以保證蒸汽壓力和煙氣氧含量的控制精度。當(dāng)蒸汽壓力波動較大時，煙氣氧含量自動控制和手動控制差別不大，故煙氣氧含量經(jīng)常采用手動調(diào)節(jié)，降低了1025t／h鍋爐自動控制水平。
　　2．2多變量動態(tài)風(fēng)煤比控制方式
　　蒸汽壓力和煙氣氧含量系統(tǒng)采用單變量控制，致使控制效果差，甚至不能實現(xiàn)自動控制。這是因為該控制方法不符合控制對象的機理和特性。采用串級、前饋控制，控制作用有限，系統(tǒng)調(diào)試也很困難，難以得到良好的控制性能。機理分析表明，蒸汽壓力單變量控制系統(tǒng)和煙氣氧含量單變量控制系統(tǒng)實際上是一個以給煤量和給風(fēng)量為輸入量，以主蒸汽壓力和煙氣氧含量為輸出量的多變量大時滯強耦合系統(tǒng)，針對這一特性，本文提出了燃燒過程先進控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采取多變量時滯控制方法對時滯進行補償，同時又實現(xiàn)了自動調(diào)整風(fēng)煤比，故不必采取前饋控制實現(xiàn)固定風(fēng)煤比。通過負荷變化的前饋控制，實現(xiàn)DCS系統(tǒng)中機組的爐跟機協(xié)調(diào)控制。
　　3．1025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
　　3．11025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　1025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制系統(tǒng)運行建立在電廠機組現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。通過OPC標(biāo)準(zhǔn)通信接口，實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)與軟件平臺的連接并交換信息，使二者成為統(tǒng)一的整體，軟件平臺成為DCS系統(tǒng)的先進控制站。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，既使用了先進控制平臺的多變量時滯控制方法，又充分利用了DCS系統(tǒng)的硬件、軟件和信息資源，便于系統(tǒng)調(diào)試和維護。為了保證系統(tǒng)安全性，由DCS系統(tǒng)操作站控制多變量系統(tǒng)投入或退出，協(xié)調(diào)DCS系統(tǒng)和軟件平臺的工作。DCS系統(tǒng)在爐跟機協(xié)調(diào)控制方式下運行，并實時向軟件平臺發(fā)送蒸汽壓力和氧含量的設(shè)定值。軟件平臺用多變量時滯控制方法跟蹤運行，當(dāng)接收到DCS投入運行的指令后，再將計算的1025t／h鍋爐指令和送風(fēng)指令，通過I／O卡發(fā)送到DCS，對燃燒過程實施多變量控制。同時，通過OPC接口將系統(tǒng)運行信息發(fā)送到DCS操作站，進行監(jiān)督管理。
　　3．21025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制系統(tǒng)設(shè)計
　　3．2．1多變量時滯系統(tǒng)設(shè)計
　　1025t／h鍋爐燃燒過程具有時滯特性，以煤量和風(fēng)量為輸入、以主蒸汽壓力和煙氣氧含量為輸出。時滯對控制系統(tǒng)的性能極為不利，它使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。對時滯加以補償，所設(shè)計的燃燒過程多變量時滯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計中首先采用實驗建模方法建立燃燒系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在DCS平臺選擇爐跟機協(xié)調(diào)運行方式，在相對平穩(wěn)的工況及較合理的風(fēng)煤比的情況下，分別施加煤量擾動和風(fēng)量擾動，測取燃燒過程的動態(tài)信息。然后在軟件建模平臺進行數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)辨識，得到數(shù)學(xué)模型。針對1025t／h鍋爐燃燒過程的非線性和時變特性，考慮兩種建模情況。一是測試同一負荷下、不同煤質(zhì)的多組數(shù)學(xué)模型，然后采用近似模型方法設(shè)計多變量時滯控制系統(tǒng)；二是測試在不同負荷下的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計多個多變量時滯控制回路。
　　Smith預(yù)估器模型失配改進算法在上述系統(tǒng)設(shè)計中，采用了多變量Smith預(yù)估器對純滯后進行補償，其補償效果依賴對象動態(tài)模型的精度。由于1025t／h鍋爐燃燒過程具有明顯的參數(shù)不確定性，模型失配或運行條件的改變都將影響Smith預(yù)估器的補償效果。針對這一問題，本文提出一種改進的多變量Smith預(yù)估算法，為便于計算機實時在線計算，在多變量系統(tǒng)中定義向量的乘法和除法為對應(yīng)元素的乘除運算。
　　該算法將被控對象和模型之間的所有差別都視為增益的誤差進行處理，用除法器比較每一控制周期的被控對象和模型的輸出信號，得到各校正值，然后用乘法器即時對模型的輸出幅值進行自調(diào)整。校正后的反饋信號l，是一個無時滯信號，它將被延遲了的輸出量超前反饋到控制器，使執(zhí)行機構(gòu)提前動作，有效地改善了控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。該控制方案大大提高了在模型失配下Smith預(yù)估器的魯棒性。
　　3．2．2多模型智能控制
　　由于火電廠燃煤機組的負荷變化范圍很大(100～200MW)，導(dǎo)致1025t／h鍋爐燃燒過程不可能用單一的數(shù)學(xué)模型精確描述，因此，對單一模型的多變量時滯控制系統(tǒng)的設(shè)計，難以使系統(tǒng)在所有工況下都保持穩(wěn)定并具有良好的性能。為處理負荷變化對系統(tǒng)性能的影響，本系統(tǒng)采用了不同負荷下的多模型控制方法。通過建模測試，將負荷按150MW，170MW和200MW區(qū)間進行劃分，在多個工作點建立多個模型，并設(shè)計相應(yīng)的控制回路。本文用VBScript腳本實現(xiàn)順序控制，提供一種可以實現(xiàn)控制邏輯的機制，實時辨識負荷變化，選擇相應(yīng)的控制回路。系統(tǒng)運行時選擇該順序控制腳本，系統(tǒng)的腳本解釋器就會在線工作，解釋執(zhí)行順序控制腳本，從而實現(xiàn)多模型多回路的智能調(diào)度。
　　4．1025t／h鍋爐燃燒多變量系統(tǒng)運行
　　某熱電廠單元機組是滿負荷為200MW的燃煤機組，其1025t／h鍋爐燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力單變量控制系統(tǒng)、煙氣氧含量單變量控制系統(tǒng)和爐膛負壓單變量控制系統(tǒng)三個單變量回路組成。由于采用固定風(fēng)煤比控制，導(dǎo)致煤燃燒經(jīng)常處于風(fēng)量過剩或供風(fēng)不足的狀況，降低了1025t／h鍋爐熱效率。
　　實施的新方案，在原DCS系統(tǒng)爐跟機協(xié)調(diào)控制運行方式下，將燃燒過程改造為手動、單變量控制及多變量時滯控制三種方式，爐膛負壓采用原DCS系統(tǒng)的單變量控制。采用多變量時滯控制，當(dāng)機組負荷為160MW時，主蒸汽壓力設(shè)定值為12．70MPA，煙氣氧含量設(shè)定值為3．8％，系統(tǒng)控制蒸汽壓力在12．50～12．90MPA安全范圍內(nèi)，煙氣氧含量大部分時間保持在3．4％～4．2％經(jīng)濟范圍內(nèi)，取得了良好的控制效果。
　　5．結(jié)語
　　本文針對1025t／h鍋爐燃燒系統(tǒng)多變量、強關(guān)聯(lián)、大時滯的復(fù)雜特性，使用多變量時滯控制算法，采用動態(tài)風(fēng)煤比控制，有效地解決了在煤質(zhì)發(fā)生較大變化時，煤燃燒經(jīng)常處于風(fēng)量過剩或供風(fēng)不足的問題，提高了1025t／h鍋爐熱效率，節(jié)約了用煤。文中提出的解決模型失配的多變量Smith預(yù)估器改進算法和多模型智能控制，易于工程實現(xiàn)，適用于一類復(fù)雜工業(yè)對象的控制。
　　通過采用燃燒器重新優(yōu)化組合、衛(wèi)燃帶重新布置以及送風(fēng)機提高出力等綜合改造技術(shù)措施，1025t／h鍋爐的效率、燃燒穩(wěn)定性、防結(jié)焦等都得到改善和提高。結(jié)果表明，該技術(shù)對解決燃用劣質(zhì)貧煤1025t／h鍋爐普遍存在的穩(wěn)燃性差及飛灰可燃物偏高的問題效果明顯，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，可為受國內(nèi)煤炭市場影響而燃用劣質(zhì)貧煤鍋爐的改造提供參考。
　　
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