火力发电锅炉主汽温控制系统的动态矩阵控制策略研究

火力发电锅炉主汽温控制系统的动态矩阵控制策略研究

石秀芝

中国电建集团核电工程有限公司

摘要：在火力电厂的发电锅炉利用中，因为动态矩阵控制(DMC)系统能够直接实现对滞后对象的控制，让惯性具有较大的适应跟踪等能力。而且往往主汽温对象与锅炉燃料调节对象都有着较大的延迟复杂性，所以利用常规的控制系统无法有效控制系统，无法取得理想的控制效果。所以只有加强对动态矩阵控制系统的串联，实现单变量 DMC 和串级的结合，才能形成有效的串联控制系统，然后根据串联的控制结构特点，体现控制系统的性能优点。很大程度上这种控制策略的利用，可以实现比较理想的控制效果。而且作为优化控制算法，DMC 的效用可以表现在多种多变量系统中。研究结果显示出:如果主汽温控制中的偏差小于±5℃,其动态性能和稳定性就会实现改善，从而最大限度的满足发电锅炉的系统控制需求。

关键词：火力发电锅炉；主汽温控制系统；动态矩阵；控制策略

主汽温可以作为火力发电锅炉燃烧系统利用中十分关键的参数，其对于系统的利用发挥着关键的作用。如果系统的温度过高，就会导致水冷壁和联通管道等部件出现严重变形等问题，从而使部件的寿命降低，寿命缩短。如果系统运行过程中存在的温度过低，势必会在无形中增加汽轮机的末级叶片湿度,影响系统的有效运行，使系统的利用无法取得经济效益^[1-3]。再加上主汽温的显著特点在于具有时变、非线性,所以其在无形中增加了系统控制的难度，为了保证系统的利用效率提升，就要适当的加大控制难度，做好科学的主汽温系统控制。

一、主汽温控制系统的特殊性能

主汽温控制系统在利用过程中，主要组成部分为汽包、一级过热器、屏式过热器和两级喷水减温器等。而且其对于两级减温器的控制通常需要利用末级出口主汽温,其中一级减温器的位置处于过热器出口与屏式过热器的位置之间，二级减温器的位置处于屏式过热器出口与二级过热器间。其中喷水量最大的就是一级减温器，其作用在于粗调节，而二级减温器的作用在于细调节，这种可以使主气温设备的稳定性更高，系统稳定性更强，能够有效的保证过热器的安全使用^[4-5]。而且两级控制系统的单独控制方式较为合理，需要在利用的时候严格的根据过热蒸汽顺序进行传输，但是使用中需要将喷水减温器作为分界点，然后根据不同的热度分为导前区和滞后区。

二、主汽温DMC控制策略

通常情况下，系统的动态控制主要组成部分为预测模型、滚动优化和反馈校正部分等。本研究中，对于主汽温控制系统的利用，主要就是采取DMC控制策略，通过对主汽温实际输出值和预测模型值之间的差值有效对比，科学的将系统数据反馈出来，对不合理的数据进行矫正。通常也可以对反馈校正后的主汽温和设定值科学比较和优化，从而使其中的温度设置达到规定的值。如果此时将减温水干扰当作一种前馈补偿，就会发现在减温水流量扰动时,两个温水流阀会做出明显的反应，从而消除设备的干扰，使系统可以实现良好的控制效果。

2.1预测模型

在进行DMC控制策略利用的时候，需要科学的建立一种阶跃响应数据模型,然后通过在锅炉现场实施有效的响应式试验，实现科学的样值采取，如果采样值为a,=a(iT),i=1,2,..，N,那么采用的周期就可以利用T进行表示。这个过程中需要严格的利用系统线性叠加原理，实现对数据的变量控制和输出，从而建立完善的系统输出模型。保证在k时刻，在k值情况不变的条件下，可以将未来N个时刻的主汽温输出初始预测值设定为yo(k+i|k),i=l,2..N,N为建模时域,则当k时刻有一控制增量 u(k)时,在其作用下未来时刻的主汽温输出为y₁(k+i|k) = yo(k+i|k) + a_i u(k),

i = 1,2,..,N

2.2滚动优化

矩阵控制策略的利用就是为了保证在主汽温控制作用下 ，在未来的某一个时刻可以输出预测值，y_M(k+i|k)能够最大限度的趋近于锅炉主汽温期望值w(k+i),i=1,..P,P表示的就是优化时域。为了让y_M(k+i|k)和w(k+i)可以逐渐接近，就要将两者之间的偏差变为最小，尤其是对主汽温控制的时候，还是不希望 u(k+i)的变化太激烈，避免引发不必要的问题。

三、工程应用

整个控制系统利用中，为了保证动态控制策略的有效性,就要将某钢铁公司自备电厂42MW发电机组在高温高压状态下的燃气锅炉作为研究对象，然后将其有效的利用在工程实施中。在本文中所利用的控制系统为浙大中控，该系统利用需要在保证基本条件不变的情况下，保证系统的原有结构和配置，然后就是额外的增加一套一整套优化控制器，通过计算机的控制来优化锅炉主汽温控制系统。监控计算机和控制器优化的时候，往往需要通过工业OPC协议来保证数据通讯的有效传输，其中控制器的优化就是和现有的DCS系统操作员站综合利用来保证OPC协议之间的有效联接和信息传输的

^[6]。一般情况下，现场的DCS系统组成部分包括I/O 设备和检测元件、驱动放大器、传动设备等，这些设备的主要功效就是负责信号的采集和调节阀的控制。其中承担监控任务的计算机主要任务就是负责数据库建立，对得到的数据模型进行计算，对数据进行科学有效的分析，保证局部操作的有效性，完成对数据参数的有效修改等。优化控制器保证在进行数据传输和数据优化后，可以根据指令的下载来完成特定的输出任务，保证系统之间各种架构的建立。

本文工作中就是通过主汽温DMC控制策略的利用，实现对投入现场的运行控制,从而加强对系统对接部分的反复调试，保证其可以实现良好的系统控制效果。通过对连续曲线的分析，分析PID、 Smith和DMC控制策略的主汽温实时曲线,保证其作用时间控制在8h。这就可以看出，在主汽温控制系统在工作中利用DMC控制策略的时候，其实际的温度控制幅度会波动在士5℃范围以内，如果此时利用的是常规PID和Smith控制策略，就会看出其温度的波动范围比较大，由此可见，本研究所使用的DMC控制策略利用能够达到理想的控制效果。

四、结论

综上所述，在火力发电锅炉主汽温控制系统利用中，因为现在的特点就是惯性大、纯滞后等,而且在工作的时候极易受到来自外界的各种干扰，所以这就导致外部的模型参数发生了较大的变化。针对这种情况，如果利用常规策略无法实现对问题的解决，就可以利用动态矩阵式控制测量，保证其在Matlab软件的支持下，可以对策略的利用情况进行模拟，研究结果体现出，动态矩阵控制策略的利用可以有效的实现对温度的超量控制，保证温度控制性能，调节时间，防止外界因素对控制效果的干扰，如果将控制策略应用于某钢厂150 t火力发电锅炉中,合理的温度控制可以有效地提高主汽温控制系统利用的稳定性和安全性，保证机组的使用效能。

参考文献：

[1] 章家岩,高锦,冯旭刚. 火力发电锅炉主汽温控制系统的动态矩阵控制策略[J]. 西安交通大学学报,2019,53(10):96-102,174.

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[3] 左为恒,祝维靖,刘百成. 一种改进的锅炉主蒸汽温度多级智能控制系统的应用研究[J]. 化工自动化及仪表,2017,44(7):662-666.

[4] 徐亚健,杨益群,周美刚. 锅炉主蒸汽温度控制系统二次优化控制研究[J]. 计算机测量与控制,2015,23(6):1997-2000.

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[6] 朱明泽. 基于Elman神经网络的火电厂锅炉主汽温自动控制方法研究[J]. 科学技术创新,2020(36):187-188.