火电厂锅炉主蒸汽压力的阶梯式广义预测控制的分析

火电厂锅炉主蒸汽压力的阶梯式广义预测控制的分析

郭亚奇蒋劲雄李嘉

（国电汉川发电有限公司430034）

摘要：锅炉是火电厂的发电设备之一，其发电原理为将水转化成高温高压蒸汽，将热能转化成动能，使汽轮机能够运动进行做功，再将动能转化成电能，最终间接的实现热能转换成电能。因此，本文先对火电厂锅炉主蒸汽压力的阶梯式广义预测控制方案及策略进行阐述，然后再分析其控制实现过程，最终得出控制结果。

关键词：火电厂；锅炉；蒸汽压力；阶梯式

前言：由于电能难以存储，所以发电设备要跟随外界负荷变化不断进行处理调整。锅炉运行的主要目标是保质保量，同时为汽轮机提供相应的热蒸汽。而衡量蒸汽质量的主要指标为锅炉的主蒸汽压力，因为气压波动会对锅炉及汽轮机的运行造成直接影响，所以为了保障锅炉机能够安全运行，要控制好主蒸汽压力的品质。

一、阶梯式广义预测具体控制阐述

广义预测控制所使用的模型为CARIMA模型，此模型设计十分灵活、方便，具有滚动优化、在线校正及预测模型等多重特征。通过长期预测，能够解决参数与纯滞后的阶次同时变化时控制系统稳定的问题，同时可以抑制受到干扰所产生的稳态偏差状况，呈现出较好的控制性能。此种控制方法主要用于工业控制，具体表现如下：

（一）广义预测控制方案

虽然锅炉的主蒸汽压力在使用串级控制下可以与标准相符，但因电网的负荷不稳、波动较大，所以主蒸汽压力也会存有较大的波动。同时PID控制器中控制量会频繁的变化且幅度较大，这也增加了相关执行机构的负担，减少了寿命。所以为了改善主蒸汽压力的品质，要在原有方案上使用广义预测控制方案进行有效控制。

若想实现对锅炉的主蒸汽压力进行广义预测控制，就要使用GPC控制器来替代原有控制方案的主调节器，前馈依旧使用二次油压。控制器的输出既是热量信号，又可当做副调节器设定值，然后副调节器的输出为给煤机提供动力，控制其转速，以此改变供给煤量[1]。此外，原有串级控制的实现是众多数采模块与控制模块共同组合而成，因为DCS系统不包含GPC模块，而且GPC算法复杂，利用运算模块组合的方式无法实现，其实现是单独的。与此同时，还要解决一些技术难题，像是DSC系统如何与GPC控制器相连，怎样存储FIX32数据等，还要做到PID控制的随时切换。

（二）广义预测控制策略

广义预测控制要使用递推方法进行运算，并且要运算高维矩阵，像是矩阵求逆等，计算步骤较多，而且矩阵的可逆性是不确定的。实际控制系统在运行过程中，要减少相关控制量的波动，加之每次的预测控制所计算出大量控制量，控制系统只能够实现当前时刻产生的值，因此，要利用递推控制策略，进而减少计算步骤。另外，预测控制量的增要遵循比例系数：＄ut+1/＄ut=B，＄ut+1表示t+1时刻的控制增量，＄ut表示t时刻的控制增量，此时控制量是以阶梯形态出现，其变化不仅稳定而且均衡，计算过程也较为简单，不需要进行矩阵求逆。

为了降低因耦合行为产生的回路干扰问题，增加执行设备寿命，在对其进行控制时，不可频繁改变控制量，且控制好变化幅度，切忌过大。在一定时间内，要改变其方向。在一些控制算法中，为了减少输出的噪声量，在控制量中存在众多高频信号，但因执行机构具有惯性，不仅信号无法发挥其效用，还会对执行机构造成磨损。而使用阶梯控制，可以对高频控制分量进行控制，且为单向控制，与工程要求相符。

二、阶梯式广义预测控制的实现

对广义预测控制器进行设计时，要遵循三个原则，一是要保持一定的安全性与可靠性，操作人员较为熟悉手动控制及PID控制，且具有一定经验，但不熟悉预测控制，所以在采用此种控制方式时要请专业人员进行操作，同时保留原有的手动控制与PID控制。因为在预测控制存在问题时，可以进行快速切换，进行其他控制，以此确保锅炉可以正常运行。此外，在进行预测控制时，要确保系统能够安全运行，在进行手动或PID控制切换过程中，要考虑其切换过度是否具有稳定性。并且只有满足一定条件，才可以进行预测控制，并且在运行过程中要对系统运行状态进行判断，在存在问题时要发出警报；当与预测控制条件不符时，要自动解除预测控制，切换至PID控制[2]。

二是要具备友好性，广义预测控制器所设计的界面外观和PID类似，可以显示出控制器的控制量、设定值及测量值等，并且可以快速的对控制器参数进行调整。

三是要具备有效性，使用广义预测控制能够有效的改善锅炉主蒸汽压力的控制效果，可以在一定程度上降低人工干预，还可以自动处理一些不良问题，十分便捷。

三、阶梯式广义预测控制的结果

通过整定相关参数，广义预测控制能够在实际中运行，且控制效果较好，锅炉主蒸汽压力区域稳定，波动起伏小。特别是给煤机的转动变化幅度较以往的小，明显看出调整频率已经降低，这说明了执行结构的动作较为平缓，降低了调整频率，增加了机构的寿命。但利用PID控制器进行控制时，控制量的变化较为频繁。

另外，当GPC被投入使用时，发电机功率趋于平稳，而PID控制器被投入使用时其变化波动较大，当然这是必然发生的现象。因为主蒸汽压力与负荷之间是相互影响的，而且锅炉蒸汽带动汽轮机进行做功，蒸汽的压力越大，发电机功率越大，二者成正比状态。所以主蒸汽压力的变化状况可以依据发电机功率进行判断，通过实际使用可知，利用GPC控制器比PID控制器，发电机功率更平稳，变化频率低。

结束语：综上所述，根据实际应用可知，利用阶梯式广义预测控制对火力发电厂的锅炉主蒸汽压力进行控制，其控制效果较好，主蒸汽压力较为稳定，并且抗干扰能力强，控制量的变化较为平稳，通过一定改造，可以将其用于其他工业锅炉中，应用前景较好。

参考文献：

[1]史冬琳，邵思阳.基于粒子群算法的火电厂锅炉燃烧模糊解耦控制[J].东北电力大学学报，2017，37（01）：60-65.

[2]张欣.基于火电厂锅炉主汽温度控制方法的分析[J].技术与市场，2014，21（10）：69+71.