超（超）临界机组再热汽温优化控制策略研究与应用

龚 诚

（南通天生港发电有限公司，江苏 南通226003）

0 引言

某电厂650 MW 超临界机组的再热汽温主要以调节再热烟气挡板来控制，而以事故喷水为辅助调节手段（喷水点在低再的入口）。改造前的再热汽温控制系统基本上都没有投入运行，烟气挡板和事故喷水均依靠手动操作，每天的操作量约占整个机组操作量的80%左右，运行的操作强度大。主要原因：再热汽温被控对象具有很大的滞后和惯性，通过现场测试，在低负荷（350 MW）时，烟气挡板对再热汽温影响的纯滞后时间达190s，整个响应时间达1 487s左右；而对于事故喷水，由于喷水点在低温再热器的入口，在低负荷（350 MW）时，喷水对再热汽温影响的纯滞后时间达330s，整个响应时间达1 820s左右。对于这样的被控对象，在机组升降负荷或吹灰等扰动下，常规的PID 控制系统很难有效抑制再热汽温的大范围变化，应采用基于大滞后控制理论的优化控制策略才能对再热汽温进行有效控制。

本文在再热汽温对象动态特性试验的基础上，先将改进的自适应Smith预估补偿控制与Smith预测平行串级控制有效组合，并应用于再热汽温系统，实现了以烟气挡板调节为主、事故喷水调节为辅的再热汽温优化控制，减轻了运行人员的操作强度，有效减小了在吹灰及变负荷等扰动下再热汽温的波动范围，达到了预期的目标。

1 被控对象

锅炉本体为哈尔滨锅炉厂引进三井巴布科克能源公司技术生产的超临界变压运行螺旋管圈直流、单炉膛、一次中间再热、前后墙对冲旋流燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构、∏型露天布置燃煤锅炉。再热汽温以采用尾部烟气挡板调节为主，锅炉尾部烟道分为两个并列的烟道，分别布置一级过热器和低温再热器。在烟温较低的省煤器下面布置可控制的烟气挡板，再热器烟道挡板和过热器烟道挡板配合动作，改变流经再热器烟道的烟气流量，从而控制再热蒸汽的温度。

为研究新型的再热汽温控制系统，对再热汽温被控对象进行了完整的动态特性试验。在高、中、低负荷点上分别进行了烟气挡板和事故喷水调门的阶跃响应试验，试验结果如表1所示。

对上述试验结果可作如下分析：

（1）负荷降低时，无论是烟气挡板还是事故喷水，其对象的惯性时间和纯滞后时间都会增加。主要原因：当负荷降低时，烟气流速和蒸汽流速相应降低，烟气和蒸汽之间的热交换速度变慢，从而导致过程的纯滞后和惯性增加。

表1 再热汽温被控对象特性试验结果说明

（2）负荷降低时，对于烟气挡板，其对象的静态增益减小。主要原因：当负荷降低时，为保证再热汽温，烟气挡板的位置将开大，使挡板位置的改变对烟气流量的变化变得不敏感，从而使对象的静态增益变小。而对于事故喷水，其过程的静态增益则增加，这是由热力系统的热平衡方程所决定的，在低负荷时，再热蒸汽流量较小，显然相同的喷水流量对再热汽温的影响要大。

由此可见，在机组变负荷时，理论分析与试验结果是一致的。从对象的动态特性中可进一步获得如下结论：

（1）无论是烟气挡板还是事故喷水，都具有很大的纯滞后和很长的惯性时间，应尽可能采用基于大滞后控制理论的优化控制策略来实现对再热汽温的有效控制。

（2）事故喷水的滞后和惯性反而大于烟气挡板，依靠喷水难以快速抑制再热汽温的超温。

（3）在高、中、低负荷点上，再热汽温被控对象的动态特性具有较大的差别，新的控制系统应有较强的自适应能力。

2 再热汽温优化控制策略

2.1 烟气挡板控制策略

烟气挡板控制作为调节再热汽温的主要回路，以A 侧为例（B侧相同），其控制系统结构如图1所示。

在反馈控制回路中，将一种改进的自适应Smith预估控制技术应用于再热汽温系统，在确保控制系统稳定性的前提条件下，加快烟气挡板的调节速度。在系统的前馈通道中，采用了基于操作经验的模糊智能前馈技术，加快了烟气挡板的调节速度，有效地抑制了再热汽温的动态偏差。

2.1.1 改进的自适应Smith预估控制技术

改进的自适应Smith预估控制方案如图1所示，主要目的是补偿被控对象的纯滞后，此外，与传统以及当前改进的Smith预估控制方案比较其还有如下两方面的优点：

图1 新型再热汽温主控系统结构图

（1）从表1中可以看出随着负荷变化，再热汽温动态特性有较大的变化，如果过程模型Gm存在失配，传统Smith预估补偿方案存在控制效果变差甚至失稳的问题［1］。本文所提出的方法为双控制器结构，设定值响应由控制器PI1完成，扰动抑制由控制器PI2完成，如果模型存在失配，则可由PI2按扰动抑制处理。

（2）当前主流的改进自适应Smith预估控制方案虽然能实现抗模型失配，但存在的共同缺点是扰动抑制能力显著变差［2－3］。本文所提出的控制方案可以通过调节0≤Lx≤Lm，从而实现扰动抑制与系统鲁棒性的折中。

2.1.2 基于模糊控制理论的智能前馈技术

对于像再热汽温这样的大滞后和大惯性过程，设计合理的前馈控制是十分必要的。在新型的再热汽温控制系统中，采用了基于机组负荷指令的前馈及基于再热汽温偏差及偏差变化率的智能前馈。其中，基于机组负荷指令的前馈又分为负荷小范围内变化及大幅变化时的两种前馈信号，该类前馈量与变负荷速率、负荷指令大小以及再热汽温的实际运行情况有关，本文中该部分的前馈量为－30%～30%。

在实际运行过程中，运行人员往往可以根据再热汽温的偏差及偏差变化率来快速调整烟气挡板开度，而这种快速的操作思想完全可以通过智能前馈控制器来实现。

2.2 事故喷水控制系统

以A 侧为例（B侧相同），再热汽温事故喷水的控制方案如图2所示。

常规喷水减温控制系统为串级控制方式，虽可实现控制效果的改善，但对于大滞后的再热汽温系统控制性能提升有限，为此将传统串级与Smith预估控制结合［4］，提出了一种Smith预测平行串级喷水减温控制技术。该控制方案具有以下优点：

（1）该控制结构具有两个控制器，PI2为内回路扰动抑制控制器，可以实现在扰动进入外回路前提前进行控制，PI1为外回路扰动抑制控制器，当内回路消除扰动不完全以及产生单独进入外回路的扰动时进行扰动抑制控制；

（2）为了在快速消除扰动的同时实现设定值跟踪平稳过渡，在设定值后增加设定值滤波器，通过调节滤波器的参数实现设定值跟踪与扰动抑制的折中。

2.3 防止壁温超温的智能控制回路

在控制系统中还设计了防止再热器金属壁温超温的智能控制回路，当壁温接近限值时，能自动调整再热汽温设定值，并快速关小烟气挡板至定值。若这些措施仍无法抑制金属壁温，则自动打开喷水阀，抑制金属壁温的继续上升。

3 再热汽温优化控制系统的应用

3.1 优化前的状态

优化前，再热汽温控制系统主要存在如下问题：

（1）原DCS再热烟气挡板自动和再热减温水自动的控制逻辑及控制参数均存在问题，导致自动无法投入，运行人员只能手动调节再热汽温。

（2）由于再热汽温被控对象的大滞后特性，运行人员不能很好地掌握其调节规律，造成手动调节时再热汽温在大部分时间均处于等幅振荡状态，振荡的幅度达15～20 ℃；并且在大幅升降负荷、启停制粉系统时极易造成超温，同时减温水调节频繁，阀门动作幅度和减温水用量均较大，明显影响了机组安全性和经济性。

3.2 优化后的状态

新型再热汽温控制系统已在某发电有限责任公司650MW超临界机组上连续稳定运行了两年多，机组的再热汽温运行品质有了大幅度提高，主要体现在：

（1）新型再热汽温控制系统已完全避免了控制系统的反复振荡，有效减小了再热汽温的波动范围，完全能满足机组正常运行的需要。图3为机组正常AGC 调节运行中再热汽温的运行曲线，机组运行于AGC 方式（5h运行曲线），负荷在470～530 MW 范围内来回变化，再热汽温最大偏差仅为±5 ℃，且运行非常平稳，汽温最低值为558 ℃。

图3 机组正常AGC调节运行中再热汽温的控制曲线

（2）再热汽温在大幅升降负荷等恶劣工况扰动时，同样具有良好的控制品质。典型的运行曲线如图4所示，机组负荷由470 MW 快速变化至560 MW，优化系统能迅速调节再热汽温至合理范围内，最大动态偏差小于±7 ℃。

图4 机组AGC大幅变负荷时再热汽温的运行曲线

4 结语

本文提出的基于改进的Smith预估控制与Smith预测平行串级先进控制技术的超临界机组新型再热汽温优化控制系统，可以确保再热汽温烟气挡板和事故喷水控制系统长期稳定地投入运行，能有效减小再热汽温的波动范围，减少事故喷水量，且能防止再热器金属壁温的超温。

［1］Meyer C，Seborg D E，Wood R K.A comparison of the Smith predictor and conventional feedback control［J］.Chemical Engineering Science，1976，31（9）：775－778.

［2］Vrečko D，Vranči c＇D，Juriči c＇D－ ，et al.A new modified Smith predictor：the concept，design and tuning［J］.ISA Transactions，2001，40（2）：111－121.

［3］Kaya I.A new Smith predictor and controller for control of processes with long dead time［J］.ISA Transactions，2003，42（1）：101－110.

［4］Kaya I.Improving performance using cascade control and a Smith predictor［J］.ISA Transactions，2001，40（3）：223－234.