【摘要】針對(duì)1025t／h鍋爐燃燒系統(tǒng)多變量、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯的復(fù)雜特性，提出一種多變量時(shí)滯對(duì)象的控制方法，以動(dòng)態(tài)風(fēng)煤比的形式對(duì)燃燒過程實(shí)施先進(jìn)控制。所實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)多變量Smith預(yù)估算法有效地克服了模型失配對(duì)控制的不利影響；多模型智能控制解決了在負(fù)荷變化時(shí)對(duì)象模型的參數(shù)不確定性。對(duì)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(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，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(shí)滯控制；多模型；動(dòng)態(tài)風(fēng)煤比；
　　1．引言
　　1025t／h鍋爐系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的復(fù)雜控制對(duì)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(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。在實(shí)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(shí)滯、強(qiáng)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜特性，控制起來相當(dāng)困難。
　　目前，國(guó)內(nèi)電廠大都采用DCS系統(tǒng)來控制生產(chǎn)運(yùn)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(dòng)控制水平與其擁有的硬件軟件平臺(tái)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(dòng)控制水平，對(duì)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(shí)現(xiàn)了基于Smith預(yù)估器的多變量時(shí)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(dòng)態(tài)風(fēng)煤比的形式進(jìn)行燃燒過程控制，同時(shí)協(xié)調(diào)處理爐膛負(fù)壓，以確保鍋爐燃燒系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(dòng)力機(jī)組是滿負(fù)荷為200MW的燃煤機(jī)組，以爐跟機(jī)協(xié)調(diào)方式運(yùn)行，采用日立控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的H5000MDCS系統(tǒng)實(shí)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?jī)蓚�(gè)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(shí)現(xiàn)風(fēng)煤比的自動(dòng)調(diào)節(jié)，只能采用前饋方式實(shí)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(hào)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(gè)問題。一是在煤質(zhì)發(fā)生較大變化時(shí)，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(fèi)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(dòng)較大時(shí)，煙氣氧含量自動(dòng)控制和手動(dòng)控制差別不大，故煙氣氧含量經(jīng)常采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，降低了1025t／h鍋爐自動(dòng)控制水平。
　　2．2多變量動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。這是因?yàn)樵摽刂品椒ú环�合控制�?duì)象的機(jī)理和特性。采用串級(jí)、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(jī)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(shí)際上是一個(gè)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(shí)滯強(qiáng)耦合系統(tǒng)，針對(duì)這一特性，本文提出了燃燒過程先進(jìn)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采取多變量時(shí)滯控制方法對(duì)時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)整風(fēng)煤比，故不必采取前饋控制實(shí)現(xiàn)固定風(fēng)煤比。通過負(fù)荷變化的前饋控制，實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)中機(jī)組的爐跟機(jī)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(shí)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(yùn)行建立在電廠機(jī)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(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)與軟件平臺(tái)的連接并交換信息，使二者成為統(tǒng)一的整體，軟件平臺(tái)成為DCS系統(tǒng)的先進(jìn)控制站。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，既使用了先進(jìn)控制平臺(tái)的多變量時(shí)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(hù)。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(tái)的工作。DCS系統(tǒng)在爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制方式下運(yùn)行，并實(shí)時(shí)向軟件平臺(tái)發(fā)送蒸汽壓力和氧含量的設(shè)定值。軟件平臺(tái)用多變量時(shí)滯控制方法跟蹤運(yùn)行，當(dāng)接收到DCS投入運(yùn)行的指令后，再將計(jì)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(duì)燃燒過程實(shí)施多變量控制。同時(shí)，通過OPC接口將系統(tǒng)運(yùn)行信息發(fā)送到DCS操作站，進(jìn)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(jì)
　　3．2．1多變量時(shí)滯系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　1025t／h鍋爐燃燒過程具有時(shí)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(shí)滯對(duì)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(duì)時(shí)滯加以補(bǔ)償，所設(shè)計(jì)的燃燒過程多變量時(shí)滯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先采用實(shí)驗(yàn)建模方法建立燃燒系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在DCS平臺(tái)選擇爐跟機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行方式，在相對(duì)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(dòng)和風(fēng)量擾動(dòng)，測(cè)取燃燒過程的動(dòng)態(tài)信息。然后在軟件建模平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)辨識(shí)，得到數(shù)學(xué)模型。針對(duì)1025t／h鍋爐燃燒過程的非線性和時(shí)變特性，考慮兩種建模情況。一是測(cè)試同一負(fù)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(jì)多變量時(shí)滯控制系統(tǒng)；二是測(cè)試在不同負(fù)荷下的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)多個(gè)多變量時(shí)滯控制回路。
　　Smith預(yù)估器模型失配改進(jìn)算法在上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了多變量Smith預(yù)估器對(duì)純滯后進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償效果依賴對(duì)象動(dòng)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(yùn)行條件的改變都將影響Smith預(yù)估器的補(bǔ)償效果。針對(duì)這一問題，本文提出一種改進(jìn)的多變量Smith預(yù)估算法，為便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線計(jì)算，在多變量系統(tǒng)中定義向量的乘法和除法為對(duì)應(yīng)元素的乘除運(yùn)算。
　　該算法將被控對(duì)象和模型之間的所有差別都視為增益的誤差進(jìn)行處理，用除法器比較每一控制周期的被控對(duì)象和模型的輸出信號(hào)，得到各校正值，然后用乘法器即時(shí)對(duì)模型的輸出幅值進(jìn)行自調(diào)整。校正后的反饋信號(hào)l，是一個(gè)無時(shí)滯信號(hào)，它將被延遲了的輸出量超前反饋到控制器，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)提前動(dòng)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(jī)組的負(fù)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(duì)單一模型的多變量時(shí)滯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(fù)荷變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，本系統(tǒng)采用了不同負(fù)荷下的多模型控制方法。通過建模測(cè)試，將負(fù)荷按150MW，170MW和200MW區(qū)間進(jìn)行劃分，在多個(gè)工作點(diǎn)建立多個(gè)模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制回路。本文用VBScript腳本實(shí)現(xiàn)順序控制，提供一種可以實(shí)現(xiàn)控制邏輯的機(jī)制，實(shí)時(shí)辨識(shí)負(fù)荷變化，選擇相應(yīng)的控制回路。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)選擇該順序控制腳本，系統(tǒng)的腳本解釋器就會(huì)在線工作，解釋執(zhí)行順序控制腳本，從而實(shí)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(yùn)行
　　某熱電廠單元機(jī)組是滿負(fù)荷為200MW的燃煤機(jī)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(fù)壓?jiǎn)巫兞靠刂葡到y(tǒng)三個(gè)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(shí)施的新方案，在原DCS系統(tǒng)爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制運(yùn)行方式下，將燃燒過程改造為手動(dòng)、單變量控制及多變量時(shí)滯控制三種方式，爐膛負(fù)壓采用原DCS系統(tǒng)的單變量控制。采用多變量時(shí)滯控制，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為160MW時(shí)，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(shí)間保持在3．4％～4．2％經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，取得了良好的控制效果。
　　5．結(jié)語
　　本文針對(duì)1025t／h鍋爐燃燒系統(tǒng)多變量、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、大時(shí)滯的復(fù)雜特性，使用多變量時(shí)滯控制算法，采用動(dòng)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(shí)，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(jìn)算法和多模型智能控制，易于工程實(shí)現(xiàn)，適用于一類復(fù)雜工業(yè)對(duì)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(jī)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(duì)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(jì)效益和社會(huì)效益，可為受國(guó)內(nèi)煤炭市場(chǎng)影響而燃用劣質(zhì)貧煤鍋爐的改造提供參考。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]金以慧．過程控制[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004（7）
　　[2]薛福珍，唐琰．基于1025t／h鍋爐燃燒系統(tǒng)的多變量動(dòng)態(tài)預(yù)補(bǔ)償陣的設(shè)計(jì)[J]．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2002(5)：68
　　[3]王慧．鍋爐燃燒控制系統(tǒng)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000（6）
　　[4]林海雪．1025t／h鍋爐燃燒系統(tǒng)綜合改造[J]．中國(guó)電力．2005（9）：87