机组AGC和锅炉汽温优化控制策略专题报告

1、大唐滨州热电联产（2×350MW）工程检 索 号37-FA10221S-K 大唐滨州热电联产（2×350MW）工程机组AGC和锅炉汽温优化控制策略专题报告二零一四年八月批 准: 审 核：校 核： 编 写: 崇和·尚实·精诚·创想大唐滨州热电联产（2×350MW）工程目 录前言1 国内AGC和锅炉汽温控制的现状及存在的问题 2 实时优化控制系统的控制策略及特点3 实时优化控制系统的主要构成及与机组DCS接口方式4 实时优化控制系统的应用前 言针对现代火力发电机组，尤其是超(超)临界机组存在负荷升降速率低、关键参数波动大、再热汽温调节困难

2、及系统不能很好适应煤种变化等实际问题，本专题通过有机融合预测控制技术、神经网络学习技术及自适应控制技术，提出了基于先进控制策略的超（超）临界机组AGC和锅炉汽温优化控制的解决方案。应用AGC实时优化控制装置，机组性能可得到如下改善和优化：1）将机组AGC的负荷升降速率提高到2.0%/min以上，有效提升机组的调峰、调频能力；2）确保再热烟气挡板投入自动，有效减少再热喷水量；3）在大幅度变负荷等扰动工况下，有效防止参数的反复波动；4）自动适应煤种的变化，控制性能保持不变。 1 国内AGC和汽温控制的现状及存在的问题1.1现状“AGC”控制系统作为现代火力发电厂的核心控制部分，承担着协调锅炉、汽机

3、侧各个闭环控制系统，调整单元发电机组的负荷输出来响应实时调度负荷指令的重要任务，是连接电网与机组之间的桥梁，其控制性能直接影响着机组AGC运行的安全性、稳定性、经济性和电网的有功调节水平。 AGC控制系统实质上包括了机组协调控制系统（CCS）和其它重要闭环控制子系统，主要有：主汽温的控制、再热汽温的控制、风量及氧量的控制、制粉系统控制等，因为在机组设备正常条件下，其AGC运行性能几乎完全由这些闭环控制系统的性能决定。另外，本工程为超临界机组，在技术上具有先进性，在经济上具有良好的效益，可提升环保特性。但锅炉汽温（包括主汽温度、再热汽温）的调节和控制是难点，需要采用多种调温方式的优化耦合以实现再

4、热汽温的调节并满足机组调峰特性。1.2存在的问题目前，国内大型火电机组的AGC控制策略主要采用国外各大DCS厂商提供的组态逻辑，采用了负荷指令前馈+PID反馈的调节方案，其主要思路在于：尽可能的将整个控制系统整定成开环调节的方式，反馈调节仅起小幅度的调节作用。这种方案要求前馈控制回路的参数必须整定得非常精确，对于煤种稳定、机组设备稳定、机组运行方式成熟的国外机组，这种方案是比较有效的，因此一直以来国外DCS厂家均选择此种方案；但是，对于煤种多变、机组控制及测量设备不精确、运行参数经常与设计参数存在较大偏差的国内机组，控制效果则会明显变差。通过对现场运行情况的调研和归纳，在运机组的AGC控制问题

5、主要体现在如下几个方面：（1）消除扰动能力差，易出现参数大幅波动及调节振荡情况。 这是目前机组运行中最普遍出现的情况，机组在大幅度变负荷、启停制粉系统、吹灰等扰动工况下，控制系统常会出现控制不稳定或温度、压力大幅偏离设定值的情况，严重影响运行安全性。（2）机组负荷升降速率低 常规的AGC控制方案，由于对大滞后被控对象无法找到有效的控制方法，机组负荷的升、降速率仅在1%1.5%/min左右，机组的调峰、调频能力差，无法满足电网对机组负荷的响应要求。（3）煤种变化对控制系统影响大 在煤种变化时，控制系统缺乏自适应手段，控制性能也随之变差。运行人员为保证机组安全，只能采用很低的变负荷率运行。（4）正

6、常AGC调节中，燃料、给水等控制量波动大 机组正常AGC运行中，由于AGC指令的频繁反复变化（平均12分钟变化一次），使得机组的燃料、给水、送风等各控制量也大幅来回波动，此时虽然主汽压力、温度等被控参数较为稳定，但会造成锅炉水冷壁和过热器管材热应力的反复变化，容易导致氧化皮脱落，大大增加了锅炉爆管的可能性。（5）再热烟气挡板难以投入自动，机组运行经济性差 超(超)临界机组的再热汽温通常采用喷水减温+烟气挡板的调节手段，但出于烟气挡板对再热汽温的滞后很大（控制对象时间常数达十几分钟），采用DCS常规控制方案基本无法投入烟气挡板的自动控制。运行人员只能以再热喷水减温为控制手段来调节，机组运行经济性

7、明显受到影响。综合上述问题，其主要原因是，随着机组工况和煤种的变化，机组被控对象的动态特性已变得越来越差，过程的滞后和惯性已变得越来越大，对象非线性和时变性的特征也越来越明显，在这种情况下，采用常规的负荷指令前馈+PID反馈的AGC调节方案，已很难协调好控制系统快速性和稳定性之间的矛盾，同时，常规PID控制亦无法实现烟气挡板投入自动控制。1.3要从根本上解决上述问题，应将先进的控制技术如：预测控制、神经网络控制、自适应控制、模糊控制等技术应用到火电机组的优化控制中来。2 实时优化控制系统的控制策略及特点基于先进控制策略的超(超)临界机组AGC优化控制系统，将有机融合预测控制技术、神经网络的学习

8、技术及自适应控制技术，根据锅炉的非线性模型（神经网络模型）及预测控制技术，对锅炉的“热能”进行预测，从而提前动作给煤量，有效补偿锅炉的惯性，确保机组具有快速的负荷响应和平稳的压力变化；研究AGC控制的先进解决方案，研制AGC及汽温调节实时优化控制装置，确保机组安全、稳定及高效运行。 先进的AGC和汽温优化控制策略请参见下图：2.1新型AGC协调控制策略2.2新型再热汽温烟气挡板控制策略2.3实时优化控制系统特点（1） 采用预测控制技术作为机组闭环控制的核心环节本系统在整体控制结构上仍采用前馈+反馈的控制模式，但与常规DCS控制策略不同的是在其在反馈控制部分应用了目前国际上最前沿的解决大滞后对象

9、控制问题的预测控制技术，取代了原有的PID控制。采用这种技术能够提前预测被调量（如主汽压力、汽温等参数）的未来变化趋势，而后根据被调量的未来变化量进行控制，有效提前调节过程，从而大幅提高了机组AGC控制系统的闭环稳定性和抗扰动能力。（2） 对机组运行特性参数进行全工况实时校正常规DCS的控制回路，其控制参数一经整定结束就不会改变，对于日后机组工况的变化无能为力；本系统采用竞争型的神经网络学习算法来实时校正机组运行中与控制系统密切相关的各种特性参数（包括燃料热值、汽耗率、机组滑压曲线、中间点温度设定曲线、制粉系统惯性时间等），并根据这些特性参数实时计算AGC控制系统的前馈和反馈回路中的各项控制参

10、数，使得整个系统始终处于在线学习的状态，控制性能不断向最优目标逼近。（3） 对AGC运行模式进行了特别优化常规DCS控制方案对于机组运行在CCS方式还是AGC是不加区分的，本系统中包含AGC运行模式下的特别优化模块：采用智能预测算法，一方面根据机组当前AGC指令、实发功率、电网频率等参数实时预测“调度EMS系统AGC指令”在未来时刻的变化趋势；另一方面根据机组的燃料量、风量、给水流量等参数实时预测表征锅炉做功能力的“锅炉热功率信号”在未来时刻的变化值，并依据这两者间的匹配程度来修正锅炉指令的变化量。实际应用表明，增加AGC模式特别优化模块后，可在保证AGC负荷响应的基础上使机组燃料量、风量、给

11、水流量、减温水流量的波动幅度减小60%以上，对于延长锅炉管材寿命，减少爆管极为有利。（4） 用大滞后控制技术对再热汽温控制系统进行优化本系统先将自适应SMITH控制技术、状态变量控制技术及相位补偿技术融于一体，对再热汽温被控对象的大滞后特性进行动态补偿，有效减小补偿后再热汽温广义被控对象的滞后和惯性，而后以广义预测控制器作为反馈调节器、以模糊智能控制作为控制系统的前馈，通过对多种大滞后控制策略的有效组合，成功地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自动控制，有效减少了再热汽温的喷水流量，取得了明显的经济效益。（5） 采用独立的硬件平台，调试效率、安全性和升级能力明显提升本系统一般

12、选用Siemens S7系列控制系统为硬件平台，通过modbus通讯方式作为一个扩展DPU融入到DCS系统中。DCS原有控制逻辑完全保留，仅增加少量切换逻辑，运行人员可以方便地在DCS系统和本系统间进行无扰切换。对于该扩展部分控制逻辑的调试、修改不影响机组的正常运行，极大地提高了优化控制系统的调试效率和机组运行的安全性。2.4预期达到的调控目标（1）获得更高的AGC响应速率和调节精度根据机组实际能力，可达到2.0%/min或更高的AGC运行速率和更好的负荷控制精度，有效提升机组的调峰、调频能力。 （2）机组运行更加平稳在大幅度变负荷、启停制粉系统及吹灰等扰动工况下，能有效消除主汽压力、各级汽温

13、等参数与定值之间的偏差，有效防止参数的反复波动。机组运行中主汽压力、主汽温度的波动幅度可被减小至：稳态工况 ±0.1MPa/±2.0变负荷工况 ±0.4MPa/±6.0使机组具有更加稳定、可靠的运行品质。（3）机组运行中的燃料、给水波动大幅减小通过智能预测算法使机组在AGC运行中的燃料、给水等控制量的波动幅度减小60%以上，从而减少锅炉水冷壁和过热器管材的热应力变化，对于减小机组设备磨损、减少氧化皮脱落、延长锅炉金属管材寿命、减少爆管极为有利。（4）消除煤种变化对机组控制品质的影响采用神经网络技术实时校正煤种的热值、制粉延迟的变化，使机组在燃用不同煤种时

14、始终具有良好的控制品质。（5）具有更好的运行效率通过先进控制算法的应用有效投入再热烟气挡板自动，大幅减少再热减温水量，同时优化机组滑压曲线使其在更加经济的工况点运行，机组运行效率可得到明显提升。3 实时优化控制系统的主要构成及与机组DCS接口方式31实时优化控制系统的软、硬件平台（1）硬件方面：实时优化控制系统可选用Siemens S7系列控制系统为硬件平台，系统采用“双冗余电源+CPU模块+modbus通讯模块”的硬件配置。（2）软件方面：在Siemens Step7编程环境中采用SCL、STL语言开发了所有的高级算法模块，并通过面向对象的封装技术，建立了类似一般DCS系统的组态函数库（但功

15、能更为强大），之后可通过函数调用以类似DCS组态的方式完成具体机组AGC优化工程的建立。（3）实时优化控制系统与DCS接口方式下图是实时优化控制系统与机组DCS间的接口示意图，可看出优化控制装置可通过modbus通信与DCS融为一体，相当于为火电机组原有的DCS扩展了一套AGC控制优化系统，取代原系统中的AGC控制功能，以提高控制品质.DCS中的传统AGC控制系统基于先进控制策略的新型AGC实时优化控制系统MODIBUS通信投入/切除给水流量指令给煤量指令汽机阀门开度指令汽机阀门开度指令给煤量指令给水流量指令INFITDCS给水流量指令给煤量指令汽机阀门开度指令互相跟踪（4）实时优化控制系统的安装方式该装置可以方便地安装在DCS机柜的空余空间中，由DCS系统提供220VAC供电电源即可。4. 实时优化控制系