先进控制与优化软件的设计及在电站锅炉汽温预测控制中的应用

摘要

工业企业改革和国际化的深入使国内企业面临着前所未有的竞争和挑战，同时节能减排成为“十一五”的重点，这都要求企业采用先进的控制和优化方法，努力在提高生产效率和安全性的同时节能降耗，以提高综合经济效益。 火电占国内电力总装机容量超过四分之三，先进控制与优化的应用在火电领域有着非常重要的意义，这是因为先进控制与优化在火电机组的应用率仍然很低，这有多方面的因素：(1)先进算法很多过于复杂，难于计算机应用，且参数复杂调节难度大，不适合一般的工程人员；(2)大量早期投产的大型火电机组，由于设计和陈旧等原因，缺乏必要的控制手段；(3)缺乏自主研发的先进控制与优化软件系统。而本文则重点对其中两个方面进行了研究，即先进控制与优化软件系统的设计和实现，以及先进控制方法用于电站锅炉的主汽温控制。 一、主蒸汽回路为电站锅炉最主要的回路之一，主汽温度的稳定直接影响锅炉运行的效率和安全性。主汽温平均温度提高1℃，机组效率直接提高1‰左右，同时汽温控制须非常稳定，超温将直接影响锅炉的安全运行，经常的超温会大大影响管路寿命，甚至会产生暴管事故而被迫停机维修，而过低的汽温会大幅影响锅炉效率。但是很多尤其是早期建设的电站锅炉系统，其主汽温自动控制很不理想，甚至无法投用，这是因为主蒸汽回路具有典型的大惯性、大滞后特点和对象模型随负荷变化较大等特点，同时较老机组存在较多的原始设计缺陷并缺乏执行手段，这就大幅增加了自动控制的应用难度。为此，针对此问题存在较为严重的平圩＃1和石横＃2机组主蒸汽回路，提出了一种基于多模型切换的阶梯式广义预测控制方法，并结合考虑风量、主汽压、上层磨煤量、蒸汽流量等影响因素成功应用于主汽温串级控制，在机组正常工作负荷范围内均能达到很好的控制品质，成功解决了两厂建厂以来一直无法解决的主汽温自动控制问题，具有推广应用价值。 二、现有控制系统软件普遍存在的一些问题，如稳定性欠缺，功能单一，可移植、可扩展性弱，无法与大型DCS紧密结合并高速稳定进行数据交换等等。针对这些闷题，提出了几种高效的高速数据交换方法用于不同应用场合，并通过对模块调度方式的分析和仿真，设计了高效的模块调度策略，同时基于工程实践经验，针对性的设计了双向数据缓冲池、统一的数据预处理接口、统一的模块模板用于算法的模块化实现、多线程模块动态挂接和调度、统一的配置文件支持和配置数据库支持、标准化格式的日志系统以及心跳信号等，首次自主研发了基于Solaris操作系统的DCS嵌入式先进控制与优化软件系统，系统具有稳定性高、模块化通用性强、数据处理稳定快速、算法便于应用和扩展并易于移植等特点，软件在石横＃2 机组主汽温控制和燃烧优化项目中的应用，显示了显著的性能和稳定性优势。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2先进控制技术综述

1.2.1先进控制技术的发展

1.2.2过程控制策略的分类

1.2.3工业过程的模型

1.2.4工业生产过程的特殊性

1.3预测控制综述

1.3.1预测控制的发展

1.3.2预测控制的历史地位

1.3.3广义预测算法GPC

1.4电站锅炉汽温控制

1.4.1汽温控制的特点和意义

1.4.2电站锅炉汽温控制的发展现状

1.5先进工业控制软件的发展

1.5.1 DCS系统的发展

1.5.2先进控制与优化软件的必要性

1.5.3开发先进控制与优化软件的意义

1.5.4软件设计中面临的主要问题

1.6本文的主要工作及创新点

1.6.1主要工作

1.6.2文章结构

1.6.3本文主要创新点

第2章阶梯式广义预测算法及其多模型考虑

2.1引言

2.2基本的广义预测算法

2.2.1模型

2.2.2预测

2.2.3递推求解Diophantine方程

2.3广义预测控制

2.3.1柔化设定值轨迹

2.3.2预测分解

2.3.3目标函数与优化控制

2.3.4控制前景

2.3.5阶梯式策略

2.4 GPC的多模型考虑

2.4.1混合逻辑动态模型

2.4.2多模型系统的MLD模型

2.4.3基于MLD的GPC考虑

2.4.4基于MLD的多模型GPC的稳定性

2.5本章小结

第3章锅炉及过热蒸汽系统

3.1锅炉及过热系统简介

3.1.1锅炉、辅机及其汽水过程

3.1.2目标机组简介

3.1.3过热器简介

3.2过热器的动态特征

3.2.1过热回路基本特点

3.2.2锅炉蒸汽负荷变化时过热器的动态特征

3.2.3烟气量扰动下过热汽温的动态特性

3.2.4过热器入口蒸汽温度改变时过热器动态特性

3.3串级汽温控制系统

3.3.1串级汽温控制系统的工作原理

3.3.2串级汽温控制系统的分析和整定

3.4本章小结

第4章主汽温控制及其多模型实现

4.1引言

4.2平圩＃1机组锅炉主汽温控制

4.2.1平圩＃1机组锅炉特点

4.2.2平圩＃1锅炉主汽温控制设计考虑

4.2.3其他影响因素

4.2.4对系统DCS的修改以及切换逻辑

4.2.5主回路模型的确定

4.2.6各影响因素模型

4.3石横＃2机组锅炉主汽温控制

4.3.1石横＃2机组锅炉特点

4.3.2石横＃2锅炉主汽温控制设计考虑

4.3.3多模型实现的考虑

4.3.4切换操作的稳定性考虑

4.3.5其他影响因素

4.3.6控制逻辑的修改

4.3.7多模型的选取

4.4算法内置监督级

4.5 SGPC参数的选择

4.6控制效果

4.6.1平圩＃1炉主汽温控制效果

4.6.2石横＃2炉主汽温控制效果

4.7本章小结

第5章DCS系统及先进控制与优化软件介绍

5.1 DCS分散控制系统综述

5.1.1 DCS系统的发展

5.1.2 DCS系统结构简述

5.1.3 DCS系统详细结构

5.2先进控制与优化软件的设计

5.2.1软件设计运行方式和平台

5.2.2软件需求考虑

5.2.3软件系统体系结构

5.3本章小结

第6章软件设计中的若干关键问题研究

6.1 DCS数据连接的几种实现方案

6.1.1 DCS的数据连接方式

6.1.2可以采用的几种数据连接方案

6.1.3基于Foxboro OM接口的实现

6.1.4基于FoxAPI接口的实现

6.2心跳信号HeartBeat

6.3双向数据缓冲池

6.4规范化的配置信息支持

6.4.1简介

6.4.2统一格式的配置义件支持

6.4.3配置数据库

6.5授权码支持

6.5.1用于提供唯一序列号的设备

6.5.2 Unix/Linux下NIC地址的获得

6.6模块化挂接的实现

6.6.1基本考虑

6.6.2模块线程化

6.6.3与主程序的统一数据接口

6.6.4统一的配置文件支持

6.6.5模块基础类结构及动态挂接问题

6.7主程序任务调度

6.7.1线程库的几种实现模型

6.7.2模块高效运行的方法

6.7.3线程调度的优化

6.7.4调度方法总结

6.8本章小结

第7章软件系统应用实例及本文总结

7.1软件系统应用实例

7.2本文总结

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢