超临界机组燃烧自适应优化控制系统的设计

张嘉英, 张立, 王秀玲, 武欣梅

(1.内蒙古工业大学 电力学院,内蒙古 呼和浩特　010080; 2.内蒙古巴盟电业局,内蒙古 临河　015000)



超临界机组燃烧自适应优化控制系统的设计

张嘉英1, 张立1, 王秀玲1, 武欣梅2

(1.内蒙古工业大学 电力学院,内蒙古 呼和浩特010080; 2.内蒙古巴盟电业局,内蒙古 临河015000)

自适应控制具有良好的鲁棒性，调节速度快和抗干扰性能优越。超临界机组燃烧系统是复杂非线性时变系统，针对火电厂超临界机组燃烧系统的特点采用自适应控制系统结构实现对锅炉燃烧系统的优化控制，保证系统运行的高效性和稳定性。通过燃烧自适应控制系统的仿真实验，可以证明能够有效地解决系统变量之间的耦合关系。能够根据当前负荷的变化做出相应的控制，做到稳、快、准地实现主蒸汽压力有效的调节，保证燃料的充分燃烧，使炉膛负压在规定的范围内变化。在煤质和设备特性发生变化时能保证稳定工作且大大提高燃烧效率。使复杂生产过程控制在最佳运行状态，降低煤耗，保证系统的安全性与可靠性。

超临界机组；自适应控制；锅炉；燃烧系统；仿真

0　引　言

燃烧系统是火电厂热力系统的关键系统，是强耦合的多变量非线性时变系统，并且存在许多不确定的干扰因素。另一方面由于我国煤资源的日益减少，提高燃烧控制系统的热效率及减少烟气中氮氧化物和硫氧化物的含量也引起国家的高度重视。目前，火电厂燃烧系统的主要问题是保证锅炉燃烧过程的安全性、良好的经济性和对环境的保护，这无疑给设计者提出了难题，因此有必要研究新型的先进控制方法[1-3]。

本文将自适应控制应用于超临界锅炉燃烧系统控制中。通过参数估计、优化目标、控制律设计等部分，在控制过程中对目标函数进行优化设计控制律，用递推最小二乘法直接估计控制器参数，改善控制品质。仿真实验表明，该方法对负荷变化时有良好的适应能力，调节速度快且稳定性好，当系统受到燃料率等方面的干扰时，对炉膛负压的影响非常小，并且经过系统的自动调节后能够很快的消除扰动的影响[4-5]。

1　基于极点配置的自校正算法的基本原理

1.1模型的选取参数估计

自校正控制的模型建立采用系统辨识法，这一模型要最大程度的拟合这个对象的实际输入和输出。由于研究的模型根据受到的扰动进行反馈并进行自校正参数估计，因此，本课题中的模型选用随机模型，其差分方程如下所示:

A(z-1)y(k)=z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)

(1)

其中ξ(k)是白噪声，u(k)，y(k)为系统的输入和输出，d是纯延时。

A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2+…+anaz-na

B(z-1)=b0+b1z-1+b2z-2+…+bnbz-nb

(2)

1.2丢番方程的解法

丢番方程的一般形式如下:

C(z-1)=A(z-1)E(z-1)+z-dG(z-1)

F(z-1)=B(z-1)E(z-1)

(3)

其中A，B，C，E，F，G,均为z-1的实系数多项式。

将上式展开，令等号的两边相同次幂系数相等。求其递推公式：

(4)

其中待定的多项式有R(z-1)，F(z-1)，G(z-1)设计的系统处于自校正状态，就需要在线实时的求解该方程。

1.3递推最小二乘估计

根据最小二乘的标准格式，得到如下数学模型：

yk=a1yk-1+…,anyk-n+b1uk-1+…,bnuk-n+ek

(5)

yk，uk是采集到的输出，输入系列，ek是随机干扰。

令参数向量θ=[a1,a2,…,an,b1,b2,…,bn]T，

1.4针对IN-OUT系统模型的极点配置设计基本方法

采用式(1)所示随机模型,

规定B1(z-1)=z-dB(z-1)可得:

A(z-1)y(k)=B1(z-1)u(k)+C(z-1)ξ(k)

(6)

从参考输入yr到参考输出响应ym，我们用这个动态方程表示：

Amym=Bmyr

(7)

由此得到期望脉冲传递函数：

(8)

采用极点配置控制率:

F(z-1)u(k)=R(z-1)yr(k+d)-G(z-1)y(k)

(9)

其中G(z-1)y(k)=v(k)，其中待定的多项式有R(z-1)，F(z-1)，G(z-1)[6-8]。

2　超临界锅炉燃烧自适应控制方案

2.1超临界锅炉燃烧系统的动态特性

燃料量、送风量、炉膛负压控制子系统共同构成锅炉燃烧控制系统，这三个部分密切联系、相互影响。负荷指令有变动时，燃料量控制子系统能及时改变给煤量，使主蒸汽压力的变换适应负荷要求，使锅炉的过热蒸汽压力在规定的范围内变化；空气燃料比通过送风量子系统进行调节，使其总是工作在最佳值附近，使锅炉燃烧系统运行在最高效率的状态；通过调节引风量来控制炉膛压力，使炉膛负压保持稳定，确保设备的安全运行[9-10]。

本文以某电厂660 MW超临界锅炉燃烧系统为研究对象，锅炉燃烧系统被控对象动态特性可用下式表示：

(10)

式(10)中Pm为主汽压力(MPa),O2为烟气含氧(%),Ps为炉膛负压(Pa),n为给煤机转速(r/min),vg为送风机挡板开度(%),vs为引风机挡板开度(%)。

2.2超临界锅炉燃烧系统的自适应控制结构

建立三输入三输出超临界锅炉燃烧控制系统,其结构原理如图1所示[11-14]。

图1　锅炉燃烧系统的自适应控制结构图

2.3系统仿真研究

图2　主蒸汽压力自适应控制仿真曲线

图3　烟气含氧量自适应控制仿真曲线

图4　炉膛负压自适应控制仿真曲线%

对超临界锅炉燃烧自适应控制系统在MATLAB环境下进行实验，仿真结果如图2、图3和图4所示。由实验结果，可以看出，自适应控制应用于超临界锅炉燃烧控制系统，系统响应速度快、超调量小、在燃料等的扰动下能够较快地恢复平衡状态，鲁棒性好，性能优越。所设计的系统能够根据当前负荷变化的做出相应的控制，做到稳、快、准地实现主蒸汽压力有效的调节，保证燃料的充分燃烧，使炉膛负压在规定的范围内变化，为超临界锅炉燃烧复杂过程系统提供了一种有效的控制方法。

3　结束语

超临界锅炉燃烧系统是典型的多输入多输出、参数时变的复杂系统，被控对象具有非线性、强耦合等特点。为了充分发挥超临界锅炉燃烧系统的特点，有效的提高燃烧的经济性,减小NOX的排放，本文详细阐述了超临界锅炉燃烧系统的自适应优化控制。通过所设计的自适应控制的仿真实验，可以看出该方法对负荷变化时有良好的适应能力，调节速度快且稳定性好，当系统受到燃料率等方面的干扰时，对炉膛负压的影响非常小，并且经过系统的自动调节后能够很快地消除扰动的影响。所设计的优化自适应控制方案非常适用于超临界锅炉燃烧系统，使复杂生产过程运行在良好的工作状态，保证燃烧的经济性，减少环境污染，具有很好的应用价值。

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The Design of an Optimal Self-adaptive Control System for the Combustion of the Supercritical Unit

ZHANG Jia-ying1, ZHANG Li1, WANG Xiu-ling1, WU Xin-mei2

(1. Electric Power College, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot Inner Mongolia 010080, China;2. Inner MongoliaBameng Electric Power Bureau, Linhe Inner Mongolia 015000, China)

Self-adaptive control has good robustness, high regulating speed and excellent anti-interference. The combustion system of the supercritical unit is a complex nonlinear time-varying system. Considering the characteristics of the combustion system of the supercritical unit in the thermal power plant, the self-adaptive control system is adopted to realize optimal control over the boiler combustion system to ensure high efficiency and stability of system operation. The simulation results show that this method can effectively handle the coupling between system variables. Control can be realized according to current load variation so that effective regulation of the main steam pressure can be made quickly in a steady and accurate way to ensure sufficient combustion of fuels to maintain furnace draft within the specified range. In the case of changes of coal quality and equipment characters, the system can operate steadily and the combustion efficiency is increased greatly. This method can maintain the complex production process in optimal operation, reduce coal consumption and ensure system security and reliability.

supercritical unit; self-adaptive control; boiler; combustion system; simulation

内蒙古自然科学基金项目(2013MS0919)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.004

TP13

A

1000-3886(2016)01-0010-02

张嘉英(1976-),女，内蒙古呼和浩特人，硕士生，副教授，从事计算机控制在热工过程中的应用和预测控制方面的研究。张立(1992-),男，河南周口人，硕士生，从事火电厂系统建模和热工过程控制方面的研究。王秀玲(1973-),女，内蒙古呼和浩特人，硕士，副教授，从事热工自动控制和预测控制方面的研究。武欣玫(1968-),女，内蒙古巴盟临河人，硕士，高级工程师，从事电力系统等方面的研究。

定稿日期: 2015-06-11