超临界机组主汽温模型预测控制研究

李 泉，尹 峰，陈 波

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

超临界机组主汽温模型预测控制研究

李 泉，尹 峰，陈 波

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

针对超临界机组汽温控制中的波动大、经常超温等问题，采用先进预测控制技术，建立汽温数学模型，采用模型预测控制算法，使其快速响应目标要求，有效处理了汽温控制中的执行机构非线性、串级控制系统的积分饱和等问题。将模型预测算法应用于汽温控制系统中，通过具体实例说明该方法的应用步骤，现场应用证明了该方法的有效性。

预测；汽温模型；非线性；串级；控制

主汽温控制系统具有非线性、大迟延、分布参数和扰动因素多等特点，实际运行中经常出现波动大、超温等情况，为保证汽轮机的安全经济运行，对过热蒸汽温度提出了较高的要求，采用模型预测控制算法，能有效提高汽温系统的控制品质。

1 过热蒸汽温度控制中的问题

一般中、高压锅炉主汽温的暂时偏差不允许超过±10℃，长期偏差不允许超过±5℃。这个要求对汽温控制系统来说是非常高的，在调峰机组中要达到这个标准就更加困难，一般在调试过程中由经验整定的控制器参数不能满足运行的要求，需要针对控制对象的特性获得优化的控制器参数，这样才能有效提高控制系统的品质。在实际的过热蒸汽温度控制系统中，采用喷水减温控制，减温水调节阀的特性是影响控制品质的一个重要因素，减温水调节阀门存在着漏流量和饱和区，因此如何获得线性的阀门调节特性是喷水减温控制中的一个重要问题。上述2个方面对喷水减温控制的品质起着重要作用，另外，串级控制系统本身也有需要完善的地方，比如积分饱和问题等，它对于提高控制品质同样重要，如果没有抗积分饱和等措施，串级控制系统的调节品质会大打折扣。

2 模型预测控制算法

模型预测控制算法由预测模型、滚动优化和反馈校正组成，其中预测模型输出由模型自由响应输出和模型函数输出组成，自由响应输出仅依赖于过去时刻的控制量和输出量，与当前时刻及将来的控制量无关，模型函数输出是当前时刻起加入控制作用后新增加的模型响应，可以表示为ym（k）=y1（k）+yf（k），其中yf（k）可以用基函数的形式表示；滚动优化是有限时段的优化，利用未来控制作用通过迭代、优化及约束等方法来实现，一般采用使参考轨迹和过程预测输出之间误差的平方和在有限时域内最小化的方法；反馈校正是预测模型输出与过程输出之间存在误差时，对未来优化时域中的误差进行预测加入校正系统中。

3 汽温模型

首先需要建立汽温控制系统数学模型，针对某厂600 MW超临界机组汽温控制系统具体建模方法如下。

3.1 减温水量→导前汽温的数学模型

减温水对导前汽温具有明显的作用，当减温水量增大时，汽温降低；当减温水量减小时汽温上升。由于导前汽温变化灵敏，因此可以将导前汽温作为提前量用于控制系统中。

通过试验获得一级减温器导前汽温对象模型为：

二级减温器的导前汽温对象模型为：

3.2 导前汽温→出口汽温的数学模型

当导前汽温变化后，出口汽温会随之变化，但是需经历较长的滞后时间，同时出口汽温按照一定的惯性变化到相应值。因此导前汽温对出口汽温的模型是一个大滞后大惯性对象。该模型相对比较稳定，在各个负荷段模型参数变化较小，基本在一定范围内。

通过试验获得一级减温器惰性区汽温对象模型为：

二级减温器的惰性区汽温对象模型为：

3.3 磨组启停对出口汽温的数学模型

磨组启停对出口汽温影响较大，尤其当上层磨组启动时，汽温很容易超温，因此建立磨组启停对汽温的模型是抑制超温的重要手段。一般根据不同层磨组的情况在扰动通道的前馈控制量上加入加权系数，上层磨组对汽温的模型权重较大。

3.4 减温水阀门流量特性

汽温一般采用流量变化对温度变化的数学模型比较准确。当阀门开度变化后，如果流量变化量不是线性的，就会改变模型特性，因此需要进行减温水阀门流量特性试验，获得流量特性曲线后，对阀门特性进行校正，从而减弱其对控制系统的影响。

4 控制策略

图1 汽温串级预测控制系统

建立数学模型后，采用串级预测控制算法对汽温系统进行优化控制，控制原理如图1所示。

图1给出了串级预测控制系统策略：在导前汽温控制内回路中，加入阀门校正环节，使阀门在开关全行程范围内对汽温模型影响减至最小；主通道模型（汽温参考模型）和扰动模型（磨组启停对汽温模型）加入预测控制系统后，系统根据各种模型预测出被控对象出口汽温未来时刻的变化情况，再对未来有限时域的控制偏差进行滚动优化获得最优的控制量，同时将预测模型偏差送入控制系统来实时校正，保证了系统的鲁棒性。

在上述控制策略中存在积分饱和问题，当调节阀门开度达到上、下限值后需要对预测控制器进行约束优化，具体方法是将阀门开度值和导前汽温值进行叠加，作为预测控制器上下限的约束条件，在此范围内产生优化控制量以防止积分饱和问题。

图2 汽温串级预测控制响应曲线

5 TOP优化平台

上述优化策略在电站TOP（热工优化控制平台）上实施，TOP系统从原DCS（分散控制系统）获取生产数据，经过多种优化算法的加载，完成控制功能，并将优化算法的控制结果送回原DCS。其中上位软件需要完成组态、监控、通信、数据管理、数据优化、数据记录等六大功能。

根据上述六大模块的功能，按照数据的流向建立上位机应用软件的总体框架，上位机应用软件包括：控制逻辑组态软件、画面监控软件、数据库组态软件、趋势组态监控软件、历史数据记录软件、报警和操作记录软件、报表软件、OPC软件、虚拟DPU软件、系统管理软件等10个主要软件，共同实现了上位机六大模块的功能。上位软件之间相互独立，数据互通，相辅相成。

采用上述控制算法前，汽温控制在变负荷的过程中一般需要进行人工干预；应用优化系统后，汽温系统响应平稳，完全处于自动状态，不需运行人工干预。图2是在机组AGC（自动发电控制）变负荷工况下的主汽温响应曲线。从图中可以看出：机组负荷由400 MW变化到500 MW，再由550 MW变化到450 MW，出口主汽温响应比较平稳，动态偏差在±2℃以内，满足现场运行工况的要求。整个过程处于自动调整状态，未出现人工干预的情况。

6 结论

在目前运行的火电机组上，应用上述研究方案，只需对分散控制系统组态做少量修改，即可明显改善过热蒸汽温度的控制品质，提高锅炉运行的安全性和经济性，具有较大的借鉴意义。

[1]李遵基．热工自动控制系统[M]．北京：中国电力出版社，1997.

[2]范永胜，徐治皋．基于动态特性机理分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统[J]．中国电机工程学报，1997，17（1）∶23.

[3]吕剑虹，陈来九．模糊PID控制器及在汽温控制系统中的应用研究[J]．中国电机工程学报，1995，15（1）∶16-21．

[4]张晓华．控制系统数字仿真CAD[M]．北京：机械工业出版社，1999．

[5]陈波，孙耘，李泉，等.电站热工优化控制平台汽温优化组件的开发应用[J].浙江电力，2013，32（3）∶50-53.

[6]李泉，朱北恒，孙耘，等.火电机组主汽温控制优化策略的研究[J].浙江电力，2013，29（3）∶26-29.

（本文编辑：张 彩）

Research on Predictive Control of Main Steam Temperature for Supercritical Unit

LI Quan，YIN Feng，CHEN Bo

（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

To eliminate big fluctuation and frequent temperature excursion in steam temperature control of supercritical unit，an advanced predictive control technology is adopted to establish a mathematical model of steam temperature.According to the model，the model predictive control algorithm is adopted to make the model quickly respond to the demand of the target，effectively dealing with nonlinearity of the mechanism，integral saturation of cascade control system and other issues.The effectiveness of the method is proved by field application.

prediction；steam temperature model；nonlinear；cascade；control

TK323

B

1007-1881（2016）10-0040-03

2016-05-31

李 泉（1979），男，高级工程师，主要研究方向为先进控制及其在热工系统中的应用。