冶金自备电厂燃气发电机组机炉协调优化控制方法及系统

本发明涉及发电机组控制，具体为冶金自备电厂燃气发电机组机炉协调优化控制方法及系统。

背景技术：

1、随着冶金行业的快速发展，对电力供应的需求也在不断增加，传统的电网供电往往无法满足高能耗、高负荷的冶金生产需求，自备电厂可以为冶金企业提供可靠的电力保障。同时，自备电厂在冶金生产过程中可以更好地利用废热和余热，实现能源的综合利用和节能减排，符合现代工业的可持续发展理念。目前冶金自备电厂通常使用高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气等工业生产过程中的副产品作为燃气发电机组的燃烧介质，但因冶金自备电厂在工业生产现场属于煤气末端用户，煤气的压力、流量等会受到上端用户的影响而常常产生波动，同时为了满足工业现场的生产要求，发电机组经常在变负荷工况下运行，这就会导致机组需要频繁调节锅炉和汽轮机以满足生产的需求。但对于发电机组来讲，频繁的单方面调节锅炉侧或汽轮机侧会严重影响到机组的运行效率和稳定性。

2、目前发电机组常见的两种控制方式为炉跟机方式(bf)和机跟炉方式(tf)，bf方式，能够快速适应负荷变化，但机前压力存在大幅度的波动，机组稳定性不强；tf方式，可以保持机前压力参数的稳定，但不能快速的响应负荷变化。因此，研究建立发电机组机炉协调优化控制系统对工业生产的安全经济稳定生产具有重大的意义。同时控制方法基本采用传统多变量比例积分微分(pid)控制，pid控制具有实施方便、模型依赖性低、原理简单等优点，但由于燃烧过程具有时变、强耦合、多变量和非线性等复杂特性，传统多变量pid的控制质量不高，导致机组燃烧效率低、磨损严重和工厂用电高等问题，很难适应节能减排以及环境保护的需求。

3、现有技术中，如中国专利申请号为：cn202111074566.5，公开一种机炉协调控制方法及系统；该专利地机炉协调控制方法包括在发电机组触发主蒸汽压力高保护动作后，获取目标负荷指令及主蒸汽压力高保护动作开关量状态信号；将目标负荷指令输入汽轮机主控pid调节器；将主蒸汽压力高保护动作开关量状态信号输入锅炉主控pid调节器。汽轮机主控pid调节器根据发电机组触发主蒸汽压力高保护动作后目标负荷指令，开大汽轮机进汽调节阀进行卸载过压主蒸汽发电做功，避免锅炉安全门打开动作而影响发电机组安全稳定运行。同时把压力高保护动作开关量接入锅炉主控pid调节器，从而闭锁入炉总煤量增大。确保主蒸汽压力高保护动作后协调控制系统调节的入炉总煤量不增大而防止蒸汽压力的进一步恶化升高。以及中国专利申请号为：cn202211665387.3，公开基于供热负荷波动的锅炉汽轮机协调控制优化装置及方法。装置包括：数据采集处理模块，用于采集所有热用户的用汽数据、至少采集锅炉和汽轮机的运行数据，并进行预处理；优化控制求解模块，用于确定机组最佳运行状态，对当前锅炉和汽轮机运行状态进行分析，对下一阶段运行模式和状态预判，给出预操作指令；机组控制模块，用于接收优化控制求解模块的预操作指令；操作执行模块，用于完成机组控制模块的操作指令；信号处理反馈模块，用于将操作执行模块的执行情况反馈给机组控制模块并对其实时运行参数和操作执行模块的执行结果进行跟踪和反馈。中国专利申请号为：cn202310536434.2，公开一种提升超临界火电机组灵活性的机炉协调优化方法。该方法包括汽轮机主控和锅炉主控的控制；所述的锅炉主控，由两部分组成，分别是反馈回路和前馈回路；所述的汽轮机主控，其中汽轮机控制负荷，锅炉控制汽压；锅炉主控自动，汽轮机主控手动，当负荷指令变化时，汽轮机调节器改变调门开度，从而改变进汽量，使发电机输出功率迅速满足外界负荷的要求；汽轮机主控是在外界负荷指令变化时，锅炉蒸汽量迅速变化是从锅炉本体蓄热量获得的，使汽压波动大，使得机组能够快速适应外界负荷的要求。

4、上述现有技术中在实现机炉协调控制时均为考虑到锅炉与汽轮机间强大的耦合性，同时未应用控制性能更加优越的智能控制策略，个别回路还需要人工进行干预，在实施过程中可能会导致主蒸汽压力和负荷产生较大波动，影响机组运行稳定性，因此亟需一种冶金自备电厂燃气发电机组机炉协调优化控制方法及系统来解决上述问题。

技术实现思路

1、针对冶金自备电厂发电机组煤气管网压力受生产节奏影响大、燃料热值波动大、负荷多变和机炉分散控制的现状与机组燃烧与发电系统的时变、多变量、强耦合、非线性、干扰和影响因素众多等难题，且被控对象要求控制稳定性强、精度高。本发明提高一种冶金自备电厂燃气发电机组机炉协调优化控制方法及系统，实现了锅炉与汽轮机的协同控制，有效缓解了因煤气管网压力受生产节奏影响大、燃料热值波动、负荷多变和机炉分散控制导致的机组效率不高、波动较大的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：冶金自备电厂燃气发电机组机炉协调优化控制方法，定期采集的锅炉侧dcs与汽轮机侧deh历史过程变量数据，构建并更新机炉耦合数学模型；以及

3、基于机炉耦合数学模型设计多变量动态矩阵控制器，与锅炉、汽轮机被控对象构成机炉协调控制系统，所述协调控制系统至少周期性完成如下操作：

4、实时采集机组运行数据，同设定值一起输入，计算得到当前时刻汽轮机调门开度增量和锅炉燃料增量；

5、实时采集调节级压力与机组有功功率对系统进行反馈校正，得到下一时刻汽轮机调门开度量和锅炉燃料量。

6、优选的，设定一时间阈值，当协调控制系统运行超过时间阈值后采集这段时间内的锅炉侧dcs与汽轮机侧deh历史过程变量数据，更新机炉耦合数学模型。

7、优选的，历史过程变量数据包括：锅炉侧dcs与汽轮机侧deh对应时刻下的燃料量、主蒸汽压力与调节阀开度、调节级压力、有功功率历史运行数据。

8、优选的，所述机炉耦合数学模型为：

9、

10、其中，n为有功功率，pt为主蒸汽压力，μ为汽轮机调门开度，b为锅炉燃料量；k1,k2,t1,t2分别为汽轮机调门变化到有功功率变化过程的增益与时间常数；k3,t3,τ1分别为锅炉燃料量变化到有功功率变化过程的增益、时间常数与燃烧系统纯延迟时间常数；k4,k5,t4分别为汽轮机调门开度变化到主蒸汽压力变化过程的增益与时间常数；k6,t5,τ2分别为锅炉燃料量变化到主蒸汽压力变化过程的增益、时间常数与燃烧系统纯延迟时间常数。

11、优选的，运行数据包括燃料输入量、主蒸汽压力、调节级压力、汽轮机阀门开度、机组有功功率，设定值包括有功功率设定值、主蒸汽压力设定值。

12、优选的，计算得到当前时刻汽轮机调门开度增量和锅炉燃料增量具体为：

13、a、对机炉耦合数学模型施加单位阶跃信号，分别得到有功功率与主蒸汽压力在单位阶跃信号作用下的响应在采样时刻jt(j＝1,2,3,…)的采样值aj12与其中t为采样周期；并得到协调控制系统在任意时刻k的模型：

14、

15、其中：为系统k时刻模型输出；δuh(k-j)＝uh(k-j)-uh(k-j-1)为控制增量，其中u1、u2分别表示汽轮机调门开度与锅炉燃料量；为预测模型阶跃响应系数；h＝1时表示汽轮机控制回路，h＝2时表示锅炉控制回路，g＝1时对应汽轮机调门开度响应，g＝2时对应锅炉燃料量响应；

16、b、从k时刻开始机炉协调控制系统共n步的预测输出为：

17、

18、其中，n＜p，n为最大预测长度，p为截断长度；将δuh组成的向量减少为m维，m为控制长度，m＜n，以矩阵形式表示为：

19、

20、其中：

21、δuh＝[δuh(k),δuh(k+1),…,δuh(k+m-1)]t；

22、

23、c、建立机炉协调控制的目标函数：

24、

25、其中：λh(i)为控制加权系数；为柔化后产生的参考轨线，为给定值；yh(k)为输出值；为柔化系数并将目标函数以矩阵形式表示为：

26、

27、wh＝[wh(k+1),wh(k+2),…,wh(k+n)]t；

28、

29、δuh＝[δuh(k),δuh(k+1),…,δuh(k+m-1)]t；

30、对目标函数求取控制量增量的极小值求解出当前时刻的控制增量为：

31、

32、其中：δu1(k)为k时刻汽轮机调门开度增量，δu2(k)为k时刻锅炉燃料量增量；

33、ct＝[1,0,0,…,0]；

34、优选的，对系统进行反馈校正，得到下一时刻汽轮机调门开度量和锅炉燃料量具体为：

35、a、基于当前时刻控制增量，获得未来时刻的预测输出为：

36、

37、其中：表示在t＝kt时刻预测的有δuh(k)作用时的未来p个时刻的机炉协调控制系统有功功率与主蒸汽压力输出；表示在t＝kt时刻预测的无δuh(k)作用时的未来p个时刻的有功功率与主蒸汽压力输出；表示有功功率与主蒸汽压力系统单位阶跃响应在采样时刻的值；

38、b、根据k+1时刻的实际输出yh(k+1)与预测输出的误差进行加权处理后修正未来其他时刻的预测值：

39、

40、其中：为在k+1时刻经加权误差修正后预测的系统输出；r＝[r1,r2,…,rp]t为误差校正矢量，其中r1＝1；为k+1时刻的实际输出与预测输出的误差值。

41、经校正后的作为下一时刻的预测初值，k+1时刻的初始预测值通过校正后的预测向量移位得到：

42、

43、其中，为移位矩阵；

44、c、由校正后的预测输出矩阵计算得到下一时刻系统的预测初值为：

45、

46、计算得到下一时刻的汽轮机阀门开度控制量与锅炉燃料输入量：

47、

48、本发明还公开一种冶金自备电厂燃气发电机组机炉协调优化控制系统，包括：

49、数据交互子系统，以opc/modbus通信协议与dcs系统、deh系统建立双向通讯渠道，用于采集机组锅炉侧dcs与汽轮机侧deh历史过程变量数据，并实时采集调节级压力与机组有功功率等运行数据对系统进行反馈校正；以及下发下一时刻汽轮机调门开度量和锅炉燃料量到机组执行单元；

50、模型创建子系统，定期构建并更新机炉耦合数学模型；

51、动态矩阵控制子系统，针对当前模型创建子系统所建立的机组耦合数学模型设计多变量动态矩阵控制策略，依据数据交互子系统实时采集到的机组运行数据实时计算、校正机组当前与未来时刻汽轮机阀门开度控制量与锅炉燃料输入量。

52、有益效果：本发明将锅炉和汽轮机看作一个整体对其设计机炉协调控制系统，燃料输入量与汽轮机阀门开度由多变量动态矩阵控制器计算并下发到dcs与deh系统中，其中锅炉控制器的计算在考虑主蒸汽压力设定与调节级压力的差值外同时接收负荷侧的反馈，相同的，汽轮机控制器也接收主蒸汽压力侧的反馈，以此达到锅炉、汽轮机的协同控制；

53、另外，设定一时间阈值，当系统运行超过这一阈值后采集这段时间锅炉侧dcs与汽轮机侧deh历史过程变量数据，重新建立机炉耦合数学模型，同时针对新得到的数学模型对控制器相关参数进行更新；实现了锅炉与汽轮机的协同控制，有效缓解了因煤气管网波动、燃料热值波动、负荷多变和机炉分散控制导致的机组效率不高、波动较大的问题。