一、引言
　　
　　隨著電力行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，許多電企業(yè)采取各種各樣的手段來(lái)適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展。雖然沒(méi)有人能夠預(yù)測(cè)未來(lái)將如何，但zui直接的措施就是降低運(yùn)行和維護(hù)成本，降低煤耗，提高機(jī)組可用率。本文將以MidAmericanEnergy公司GeorgeNeal電站3號(hào)機(jī)組改造項(xiàng)目為例，介紹Smartprocess蒸汽溫度優(yōu)化器在蒸汽溫度控制中的應(yīng)用，以提高汽溫控制品質(zhì)，減少爐管泄漏，zui終實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本的降低。
　　
　　二、用戶(hù)背景
　　
　　GeorgeNeal電站位于IOWA州密蘇里河邊。其3號(hào)機(jī)組容量為515MW，采用Foster-Wheeler對(duì)沖式汽包爐和GE公司汽輪機(jī)，6臺(tái)MPS-89磨煤機(jī)分別為前后爐墻的24個(gè)燃燒器供應(yīng)煤粉。過(guò)熱蒸汽溫度通過(guò)一級(jí)和二噴水控制，再熱蒸汽溫度通過(guò)噴水、過(guò)熱擋板和再熱擋板進(jìn)行控制。鍋爐控制系統(tǒng)采用WDPF系統(tǒng)。
　　
　　控制系統(tǒng)改造前，蒸汽溫度的過(guò)度震蕩過(guò)大，限制了機(jī)組響應(yīng)速度，低負(fù)荷下響應(yīng)速度為1%/min，高負(fù)荷下響應(yīng)速度為0.3%/min。因此，用戶(hù)會(huì)同EPRI和控制系統(tǒng)供應(yīng)商艾默生公司討論，決定利用Smartproce蒸汽溫度優(yōu)化器來(lái)改進(jìn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化情況下的溫度響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷響應(yīng)速度的提高。Smartprocess蒸汽溫度優(yōu)化器是艾默生公司電力優(yōu)化軟件包中有一個(gè)非常重要的前饋?zhàn)饔?，達(dá)到提高汽溫控制品質(zhì)的目的。
　　
　　三、工程規(guī)劃
　　
　　整個(gè)控制系統(tǒng)改造工程要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)；一是改進(jìn)蒸汽溫度控制，提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力；二是對(duì)比常規(guī)PID控制方式，記錄優(yōu)化系統(tǒng)的改進(jìn)效果。整個(gè)工程的主要步驟包括：
　　
　　●記錄現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和性能
　　
　　●優(yōu)化當(dāng)前系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)
　　
　　●設(shè)計(jì)和安裝蒸汽溫度控制系統(tǒng)
　　
　　●測(cè)試和記錄控制系統(tǒng)的性能
　　
　　●準(zhǔn)備測(cè)試報(bào)告
　　
　　四、現(xiàn)有系統(tǒng)評(píng)估
　　
　　現(xiàn)有的控制系統(tǒng)是一套常規(guī)PID控制系統(tǒng)。過(guò)熱器二級(jí)噴水采用串級(jí)控制，一個(gè)外回路控制器，兩個(gè)內(nèi)回路控制器。過(guò)熱器一級(jí)噴水也采用串級(jí)控制，內(nèi)外回路控制器均有兩個(gè)。煙氣擋板由一個(gè)再熱溫度控制器控制在一個(gè)預(yù)先配置的范圍。再熱噴水控制回路為單PID回路。現(xiàn)有控制系統(tǒng)中*特殊的就是蒸汽溫度控制回路中沒(méi)有任何前饋信號(hào)。圖1為二級(jí)噴水控制回路的功能框圖，TTFuzz模塊為優(yōu)化后增加的前饋模塊。　　
　　優(yōu)化工作開(kāi)始前，記錄現(xiàn)有回路中PID控制器和其它的可調(diào)整模塊的整定設(shè)置。然后對(duì)現(xiàn)胡的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以期提高控制響應(yīng)品質(zhì)。過(guò)熱噴水調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行比較大的調(diào)整，負(fù)荷響應(yīng)速度改善非常明顯。進(jìn)一步的試驗(yàn)分析表明當(dāng)前的參數(shù)設(shè)置在某個(gè)工況下非常接近優(yōu)化器給出的設(shè)定值。煙氣擋板調(diào)節(jié)設(shè)置和再熱噴水設(shè)置都做過(guò)很小的改動(dòng)。
　　
　　五、模型辯識(shí)與測(cè)試
　　
　　要設(shè)計(jì)多變量控制器，必須先建立過(guò)程模型。建立過(guò)程模型的方法有很多種，*的是模型辯識(shí)。模型辯識(shí)（或者系統(tǒng)辯識(shí)）需要采集機(jī)組特定運(yùn)行工況試驗(yàn)下的控制器輸入輸出以及振動(dòng)變量數(shù)據(jù)。這些試驗(yàn)用于激勵(lì)出建模所需要的所有過(guò)程模型特征。典型的試驗(yàn)包括：開(kāi)環(huán)階躍試驗(yàn)、偽隨機(jī)二元序列試驗(yàn)和頻率響應(yīng)試驗(yàn)。如果需要，還可進(jìn)行閉環(huán)設(shè)定值階躍試驗(yàn)。如果已知擾動(dòng)量對(duì)過(guò)程對(duì)象有很大的影響，則必須進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)。
　　
　　就本工程而言，所有的蒸汽溫度控制回路都進(jìn)行開(kāi)環(huán)階躍試驗(yàn)和閉環(huán)設(shè)定值響應(yīng)試驗(yàn)。此外，還進(jìn)行了反映擾動(dòng)效果的負(fù)荷的負(fù)荷變化和磨煤機(jī)起停試驗(yàn)。所有測(cè)試耗時(shí)5天完成。DCS的歷史站用于記錄所有的測(cè)試數(shù)據(jù)。整套試驗(yàn)采集150個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；并且試驗(yàn)期間，這些點(diǎn)在歷史站上的采集死區(qū)配置為接近0。如果采集數(shù)據(jù)的死區(qū)過(guò)大，模型辯識(shí)軟件將無(wú)法產(chǎn)生好的效果。高保真度數(shù)據(jù)對(duì)辯識(shí)模型的度是至關(guān)重要的。
　　
　　六、控制器設(shè)計(jì)
　　
　　本工程所采用的Smartprocess蒸汽溫度優(yōu)化器包含兩種獨(dú)立的技術(shù)。模型預(yù)測(cè)控制用于調(diào)整外回路控制器的設(shè)定值，而動(dòng)態(tài)前饋系統(tǒng)則用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償內(nèi)回路的設(shè)定值。圖1給出了控制系統(tǒng)如何和常規(guī)控制系統(tǒng)接口。其它回路也采用類(lèi)似的方案實(shí)現(xiàn)。
　　
　　模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)采用AspenTarget控制器，而動(dòng)態(tài)前饋采用TTFuzz控制器。Target控制器有6個(gè)前饋輸出和大約40個(gè)擾動(dòng)輸入變量。
　　
　　AspenTarget控制器采用帶非線(xiàn)性校正系數(shù)（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的線(xiàn)性zui小二乘模型（PLS：PartialLeastSquares），具體的組合方式可以參考混合模型。這種合成模型克服了純神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的外推泛化問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有兩種學(xué)習(xí)規(guī)則，Kalman和可變矩陣。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)都是可調(diào)的。
　　
　　TTFuzz前饋控制器屬于Takagi-Sugeno模型，用于補(bǔ)償影響過(guò)程對(duì)象的可測(cè)量擾動(dòng)。基于這些擾動(dòng)變量，前饋控制器將產(chǎn)生前饋補(bǔ)償信號(hào)以補(bǔ)償PID回路的擾動(dòng)。的補(bǔ)償計(jì)算需要的過(guò)程模型和擾動(dòng)影響模型。前饋概念可以這樣理解：從控制變量到被控制變量的模型（傳遞函數(shù)）可以通過(guò)各種試驗(yàn)獲得，如同擾動(dòng)變量到被控變量的建模過(guò)程。由于擾動(dòng)的當(dāng)前值是可測(cè)量的，那么它對(duì)被控變量的影響也是能夠確定的，從而可以得出控制變量的修正值，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)對(duì)被控變量影響的zui小化。
　　
　　七、工程實(shí)施
　　
　　這兩種控制都在直接連接WDPF數(shù)據(jù)高速公路的SunUltra工作站上實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)接口軟件用于實(shí)現(xiàn)控制器和常規(guī)DCS邏輯的數(shù)據(jù)交換。另外，繪制了新的操作界面，用于切換選擇控制模式和常規(guī)控制模式，并允許操作人員根據(jù)需要起動(dòng)和停止控制策略?，F(xiàn)有的蒸汽控制界面也經(jīng)過(guò)一定的修改，可以顯示出當(dāng)前的控制模式。
　　
　　由于再熱汽溫有兩個(gè)控制變量，所以TTFuzz控制器必須協(xié)調(diào)控制檔板和再熱噴水閥。再熱噴水對(duì)機(jī)組熱效率有負(fù)面影響，因而從控制策略上講，要盡可能減小噴水量。綜合考慮以上因素，整個(gè)控制策略如下：
　　
　　●如果噴水修正值為負(fù)而且噴水閥門(mén)尚未全關(guān)，則僅采用噴水修正值。
　　
　　●如果噴水修正值為負(fù)而且噴水閥門(mén)已經(jīng)關(guān)閉，則繼續(xù)保持噴水閥門(mén)關(guān)閉，剩余修正由擋板回路完成。
　　
　　●如果噴水修正值為正（閥門(mén)開(kāi)啟），則會(huì)首先調(diào)整擋板直至飽和后，才使用噴水控制。
　　
　　八、驗(yàn)收
　　
　　驗(yàn)收過(guò)程包括了非常詳細(xì)的測(cè)試方案，以確保整個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)的所有組成部分都能夠滿(mǎn)足要求。測(cè)試包括三種運(yùn)行類(lèi)型和四種不同的控制器組合，總共12項(xiàng)測(cè)試。運(yùn)行類(lèi)型包括：
　　
　　●從全負(fù)荷（約500MW）降至400MW，然后回升到全負(fù)荷。
　　
　　●從380MW降至280MW，然后返回380MW
　　
　　●一臺(tái)磨煤機(jī)停運(yùn)
　　
　　控制器配置方案有：
　　
　　●全部采用原來(lái)的PID控制器整定設(shè)置
　　
　　●采用新的PID控制器整定設(shè)置
　　
　　●采用新的PID控制器整定設(shè)置和TTFuzz控制器
　　
　　●采用新的PID控制器整定設(shè)置和TTFuzz、AspenTarget控制器
　　
　　在Neal3號(hào)機(jī)組，吹灰是連續(xù)進(jìn)行的，這是蒸汽溫度控制的一個(gè)主要擾動(dòng)。為了減小因吹灰所導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果差異，在每次測(cè)試期間，都進(jìn)行同樣的吹灰步驟。也就是說(shuō)，每次測(cè)試中的吹灰過(guò)程是相同的，以使其對(duì)蒸汽溫度的影響相似。　　
　　九、優(yōu)化結(jié)果
　　
　　WDPF的歷史存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)（即歷史站）用于記錄這些測(cè)試結(jié)果。圖2顯示了在三種不同控制配置下高負(fù)荷段的過(guò)熱汽溫響應(yīng)曲線(xiàn)。為了能夠量化分析回路特性，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)都進(jìn)行平均誤差、zui大誤差和標(biāo)準(zhǔn)差分析。測(cè)試結(jié)果表明：與舊的PID整定參數(shù)相比，新的PID整定參數(shù)非常好地改進(jìn)了的回路性能；帶TTFuzz的PID比不帶TTFuzz的PID的控制效果也有明顯提高；增加AspenTarget控制后，回路性能有了一定的邊際改善。
　　
　　圖3顯示了四種控制配置下低負(fù)荷試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差分析。由于機(jī)組在多數(shù)運(yùn)行工況下都達(dá)不到再熱蒸汽設(shè)計(jì)溫度，所以再熱溫度的控制結(jié)果可能容易令人誤解。圖4顯示了磨F停運(yùn)后的測(cè)試結(jié)果。
　　
　　十、總結(jié)
　　
　　本項(xiàng)目表明Smartprocess蒸汽溫度優(yōu)化器所具備的控制技術(shù)能夠顯著提高蒸汽溫度控制性能，雖然試驗(yàn)結(jié)果有一定差異，但總體而言，混合使用兩種控制器的控制效果*。此外，蒸汽溫度優(yōu)化器自1999年5月末投運(yùn)以來(lái)，機(jī)組在整個(gè)夏天未出現(xiàn)過(guò)爐管泄漏。廠(chǎng)方的運(yùn)行主管人員確信蒸汽溫度控制性能的改善，是減少爐管泄漏的主要原因。