ALSTOM氣化爐的線(xiàn)性自抗擾控制

第42卷第3期華柬電力Vol.42 No.32014年3月East China Electric PowerMar. 2014發(fā)電技術(shù)ALSTOM氣化爐的線(xiàn)性自抗擾控制陳世和',李強,李東海',譚文'(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院熱工所,廣州510080;2. 華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院,北京 102206;3.清華大學(xué)熱能工程系,北京10084)摘要:氣化爐是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)( ICCC)中關(guān)鍵的部分,其運行性能直接影響到整個(gè)ICCC的發(fā)電效率。因此,必須對氣化爐進(jìn)行有效的控制。ALSTOM 氣化爐具有強的非線(xiàn)性及大慣性,常規的控制方法難以滿(mǎn)足運行條件下的各項控制指標。通過(guò)分析ALSTOM氣化爐基準控制問(wèn)題,將-階線(xiàn)性自抗擾控制應用于該系統中,設計了兩種控制方案。通過(guò)測試表明在滿(mǎn)足各種約束條件的前提下,其控制性能指標均達到了基準測試所提出的各項要求,且實(shí)時(shí)解耦能力明顯,結構簡(jiǎn)單,優(yōu)于傳統控制器。關(guān)鍵詞:自抗擾控制;整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);ALSTOM氣化爐;約束;非線(xiàn)性作者簡(jiǎn)介:陳世和( 1965) ,男,碩士,高級工程師,從事電廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制系統開(kāi)發(fā)及技術(shù)管理工作。中圖分類(lèi)號:TK323文獻標志碼:A文章編號 :1001 -9529(2014 )03 0610-06基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(51176086)Linear Active Disturbance Rejection Control for an ALSTOM GasifierCHEN Shi-he' ,L Qiang2 ,U Dong-hai' ,TAN Wen2(1. Electric Power Research Institute, Guangdong Power Gnid Co. , Guangzhou 510080, China;2. School of Control & Computer Engineering, North China Electric Power University, Beiing 102206, China;3. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract:Gasifer is a key part of integrated gasification combined cycle power generation technology (ICCC). Itsperformance directly afects the eficiency of the IGCC. So, it is essential to control the gasifier effectively. Due to itsstrong non-linearity and large inertia characteristics, ALSTOM gasifier is generally dificult to be controlled with con-ventional control schemes under all working conditions. Through analyzing its baseline controller, two control schemesare designed to apply the first-order linear active disturbance rejection controller to the system to improve the baselinecontroller: performance.Simulationresults show that the proposed control system meets the control requirements, andthat it is superior to conventional controller in the real-ime decoupling capability and simple struture.Key words :active disturbance rejection control; IGCC; ALSTOM gasifer; constraint; non-lineanityFoundation items :The National Natural Science Foundation of China (51 176086 )中低熱值的煤氣。并經(jīng)凈化過(guò)程,除去其中的硫1引言化物、氮化物、粉塵等污染物，成為潔凈的可燃氣整體煤氣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)(IGCC)是最有發(fā)展體。然后送人燃氣輪機燃燒做功發(fā)電，其排氣經(jīng)前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)之一。投資少、安裝費用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽驅動(dòng)蒸汽輪機發(fā)電。相對于普低,環(huán)境污染小、建設周期短、占地小、可用效率高通燃煤機組,IGCC提高了發(fā)電系統的效率。并且等優(yōu)點(diǎn)使其日益受到人們的青睞”。其主要由由于煤氣的凈化部分,大大降低了環(huán)境污染問(wèn)題。兩部分組成:煤氣制取部分、發(fā)電部分。煤氣制取由于這些優(yōu)點(diǎn),世界各國都已對IGCC技術(shù)進(jìn)行過(guò)程包括氣化系統、空分裝置、煤氣凈化設備等煤了深人的研究,并建立了IGCC示范電站。的氣化和凈化部分。發(fā)電部分包括燃氣輪機發(fā)電中國煤化工電站運行過(guò)系統、余熱鍋爐蒸汽輪機的系統設備。整個(gè)工藝程中的關(guān)鍵空制問(wèn)題,很THCNMHG過(guò)程如下:首先,通過(guò)氣化爐系統,將煤粉氣化為大程度上決走了金1機組時(shí)運1認態(tài),因此受到陳世和,等ALSTOM 氣化爐的線(xiàn)性自抗擾控制0611了全世界很多科研機構和企業(yè)的關(guān)注。1994 年，燃氣熱值(CVgas)ALSTOM能源技術(shù)中心根據噴流床氣化爐提供的氣化爐系統壓力擾動(dòng)歷史數據進(jìn)行了氣化爐系統的建模。并且在.(Psink),-必的口批1997年發(fā)布了氣化爐控制的基準問(wèn)題,提供了. 壓力(Pgas)100%負荷、50%負荷、0%負荷三個(gè)工況下的氣化溫度(Tgas)進(jìn)口蒸汽流量氣化爐爐線(xiàn)性模型2]。2002年ALSTOM能源技術(shù)中心-質(zhì)量(Mass)又向外界發(fā)布了關(guān)于氣化爐控制的第二輪挑煤和吸附劑流量(Wcoal & Wis)戰”。提供了三個(gè)工況下的Simulink非線(xiàn)性模進(jìn)口空中型,并且包括了相關(guān)的擾動(dòng)因素。對于此基準問(wèn)(Wair)( Wchar)題,全球各國學(xué)者都提出了不同的控制方案。一些學(xué)者利用多目標優(yōu)化算法優(yōu)化基準控制中的參圖1氣化爐系統原理圖數集(4.5] ,獲得的結果均能滿(mǎn)足性能測試要求。ALSTOM能源技術(shù)中心發(fā)布的基準控制問(wèn)題可另外PID控制0.7]1、預測控制(81、PIP控制[0]、基于以簡(jiǎn)化為如圖2所示。其中吸附劑的作用是吸附煤觀(guān)測器的控制[10]和部分分散控制"]等都在該模中的硫份,因此應當與煤量保持固定的比例,一般取型上得到了應用。Wls: Wcoal為1: 10,壓力擾動(dòng)Psink 和煤質(zhì)變化均為本文在研究ALSTOM氣化爐控制基準問(wèn)題擾動(dòng)量,各工況點(diǎn)下的設定值由負荷確定。的基礎上,將-階線(xiàn)性自抗擾控制器應用于該問(wèn)題,并設計了兩種控制方案,仿真結果表明:在滿(mǎn)限幅和限速(Psink)排出煤焦量(Wchr;足各種約束條件的前提下,其控制性能指標均達嫩氣熱值(Cvgas)進(jìn)口空氣流量(Wair)到了基準測試所提出的各項要求,從而為氣化爐料床質(zhì)量(Mass)煤粉流量(Wcoal的全局優(yōu)化控制提供了一種可以選擇的方法。燃氣壓力(Pgas).進(jìn)口蒸汽流量(Wstm)!2 ALSTOM 氣化爐控制過(guò)程及控制要求的吸附劑流量(Wa)i燃氣溫度(Tas),2.1 ALSTOM 氣化爐控制模型日2 ALSTOM氣化爐基準問(wèn)題示意圖ALSTOM能源技術(shù)中心基于英國潔凈煤發(fā)電集團ABGC示范電站中的增壓噴流床氣化爐,建2.2控制要求立了該氣化爐在全工況范圍內的非線(xiàn)性模型,并氣化爐系統的控制要求為:根據100%負荷發(fā)布了氣化爐控制的基準問(wèn)題(12)。所采用的氣模型設計控制系統,然后分別在三個(gè)工況下進(jìn)行化爐是87 MW ABGC整體示范電廠(chǎng)的- -部分,采性能測試如下[12]:用噴動(dòng)流化床氣化概念設計。煤粉和吸附劑由增(1)壓力擾動(dòng)測試:壓空氣和蒸汽運送,噴入氣化爐內。在氣化爐里，1)從30s開(kāi)始Psink發(fā)生-0.2 bar的階躍空氣和蒸汽對固體進(jìn)行流化,同時(shí)與煤中的碳和擾動(dòng),仿真300s并計算燃氣熱值和壓力的IAE揮發(fā)份發(fā)生化學(xué)反應,產(chǎn)生低熱值燃氣(相當于指標;輸入量和輸出量應當滿(mǎn)足指定的要求。天然氣熱值的12% ) ,經(jīng)凈化后進(jìn)入燃氣輪機,余2)從30 s開(kāi)始Psink發(fā)生幅值為0.2 bar,頻下的灰份、石灰和未完全反應的碳從氣化爐的底率為0.04Hz的正弦波擾動(dòng),仿真300s并計算燃部或頂部排出。氣熱值和壓力的IAE指標;輸人量和輸出最應當該氣化爐系統具有5個(gè)控制輸人量和4個(gè)輸滿(mǎn)足指定的要求。出量,見(jiàn)圖1?？刂戚斎肆堪ㄟM(jìn)口空氣流量3)針對50%和0%負荷進(jìn)行同樣的測試,并Wair.、進(jìn)口蒸汽流量Wstm、煤粉流量Wcoal、吸附劑計算相應的IAE指標。流量Wls和排出煤焦量Wchar,輸出量為料床質(zhì)量(2)負荷跟蹤測試:Mass燃料氣的熱值CVgas、溫度Tgas和壓力Pgas。從50%中國煤化工; 5%的速率另外下游燃氣透平進(jìn)氣閥門(mén)的調節,會(huì )對氣化爐的將負荷增至YHCNMHG際輸出的負壓力產(chǎn)生擾動(dòng),帶來(lái)擾動(dòng)輸入量Psink。荷盡可能接近要求,在升負荷結束時(shí)超調最小,且0612阜柬電力2014 ,42(3)控制輸人在允許的約束范圍內。Disturbance Response: Outputs(3)模型誤差測試:由于煤種的不同，煤的成分和熱值會(huì )發(fā)生很......大的變化。令煤的品質(zhì)在土18%的范圍內變化，100 200 300100200 300記錄觀(guān)察到的性能變化(比如跟蹤性能，穩定性.0F等)。輸人量的限幅和限速要求見(jiàn)表1,輸出量的限制為:100 200 3001)燃氣熱值CVgas的變化量在土10 kJ/kgDisturbance Response: Inputs and Limits范圍內,且偏差盡可能小。2)燃氣壓力Pgas的變化量在+0. 1 bar 范圍ww.ww內,且偏差盡可能小。0 100 200 3003)床料質(zhì)量Mass的變化量在標稱(chēng)值的5%范圍內。suwwwm4)燃氣溫度Tgas的變化量在土1C范圍內,30100200300且偏差盡可能小。表1輸入量的限幅和限速( 絕對值)kg/s .輸人限制(絕對值) MAX MIN_RATE/kg.s-1圖3 0%負荷下正弦擾動(dòng)測試輸出排焦量Wahm3.500.2空氣流量W.r20o1.0煤粉流量Woa4Q恒-φ畫(huà)+場(chǎng)(01片石灰量w。0.02蒸汽流量W.6.042L互t LESO t2.3基準控制器與該基準問(wèn)題- - 起發(fā)布的PI控制策略,采用系統的輸出和參考輸人;G,(s)一 被控對象;kp,k---了Asmar等[4]給出的控制結構,令100%負荷下線(xiàn)性狀態(tài)誤差控制器參數;b。-控制器中對系統輸人增益 b的壓力Psink發(fā)生階躍擾動(dòng),利用Matlab環(huán)境下的估計;d---系統的外擾fmins函數對PI控制參數進(jìn)行優(yōu)化,獲得3個(gè)PI圖4二階線(xiàn)性 自抗擾控制結構圖控制器參數、1個(gè)P控制器參數和1個(gè)前饋參數。b-輸入增益。其中一、二、四回路為PI控制器,三回路為P控制或器并對一回路有前饋作用。獲得的控制系統在y =f+bou0%負荷下壓力Psink發(fā)生正弦擾動(dòng)時(shí),煤氣壓力f=g+ (b-b.)u回路的響應范園超出了規定值,見(jiàn)圖3。.式中f一系統總擾動(dòng)。此時(shí)將b。對b的估計誤差也看成擾動(dòng)的一3 線(xiàn)性自抗擾控制LADRC包括線(xiàn)性擴張狀態(tài)觀(guān)測器(LESO)、部分。令x=y、xz=j,并且將f定義為系統的一擾動(dòng)補償、線(xiàn)性反饋控制律等結構。出于簡(jiǎn)單考個(gè)擴張狀態(tài),使x=f。假設f可微,定義h=x，慮,本文以二階線(xiàn)性自抗擾控制器為例5]。則式(2)可以用狀態(tài)空間表示為:[x1 =x2二階線(xiàn)性自抗擾控制器控制系統框圖如圖42 =xz +b。u所示[161。(3)的=h假設G,(s)可被近似為-一個(gè)二階模型,即中國煤化工y = g(t,y,jy,w) + bu(1)式中.系統不可測擾動(dòng);根據現信YHCNMHG值可通過(guò)g-一系統自身攝動(dòng)和外部擾動(dòng)的總影響;LESO得到:陳世和,等ALSTOM 氣化爐的線(xiàn)性自抗擾控制0613pz =z +β.(y-z)析發(fā)現:系統未知的內部模型以及性能測試中強{江=z +βr(y-z) + bou(4)的外界擾動(dòng)成為設計該模型控制方案的兩大障礙。因此,一種能同時(shí)估計并消除系統內部和外i =β,(y-z|)式中么為巧一-y、jy f的估計值;B,B2,B.-一需要確界擾動(dòng)的控制方法可能是一種很好的選擇。所以,本文選擇線(xiàn)性自抗擾控制器,將ALSTOM氣定的LESO參數,控制估計值的準確性?；癄t系統的總擾動(dòng)看作系統的擴張狀態(tài),利用自由圖4知,擾動(dòng)補償環(huán)節為:抗擾中的擴張狀態(tài)觀(guān)測器進(jìn)行實(shí)時(shí)地估計,提出4o一到.(5)了兩種ALSTOM氣化爐系統的一階線(xiàn)性自抗擾bo當LESO能夠實(shí)現f=z;時(shí),將式(5)代人式控制方案。(2),可得y≈uo,即控制系統被轉換為兩個(gè)積分4.1 - 路線(xiàn)性自抗擾控制方案考慮到基準控制方案只有在0%負荷下的正串聯(lián)環(huán)節。線(xiàn)性反饋控制律為:uo =k,(r-z) -hgz .(6)弦擾動(dòng)測試中,燃氣壓力超出了限幅。本文吸取.基準控制的經(jīng)驗,采用與基準控制一樣的配對方將此式代人y≈u?？傻孟到y的閉環(huán)方程:案,即利用空氣流量控制燃氣熱值、蒸汽流量控制y+kjy +h,y = h,r(7)燃氣壓力、煤焦量控制溫度以及進(jìn)煤量控制床料。參數整定方面,本文采用文獻[ 16]的方法:只用一階線(xiàn)性自抗擾控制器代替蒸汽流量- -燃氣可以證明, LESO和控制器的性能與其各自壓力回路中的PI控制器,其他回路不變,具體控帶寬有重要關(guān)系。為了方便參數整定,假設w。為.制框圖見(jiàn)圖5。LESO帶寬,w。為控制器帶寬。令式(4)和式(7)的特征多項式分別表示為w。和o。的形式:煤焦s' +βis2 +β2s+β,= (s+w。)'(8)◆溫度ALSTOM山床料s +hys +k, = (s +o.)2(9)PI]V"氣化爐-+燃氣熱值+壓力此時(shí)整個(gè)控制系統僅剩下w。、w。和b。三個(gè)fo +LADRC 蒸汽、參數,整定規則為:正弦1)確定被控對象所需調節時(shí)間t,(假定已階躍知)。2)令w?！?0/t, ,根據式( 10)計算參數k,、hs。.圖5 ALSTOM氣化爐自抗擾控制方案一3)令w. =4w.、h =4,由式(11)計算參數B、其中,LADRC有四個(gè)參數需要整定,分別為β2 β;。4)逐漸增大bo,直到系統動(dòng)態(tài)性能指標滿(mǎn)足Pg_ b0\、Pg_ β Pg. β2、Pg_ k。其他控制器采用原基準問(wèn)題控制器參數。采用文[16]的參數整定方系統要求。法,得控制器參數見(jiàn)表2。kp = w。,ks = 2w.(10)表2 LADRC 控制器參數β = 3w。,B2 = 3w。,B3 = kB2(11)Pg_ b0Pg_β、PgB2Pg_kp式(11)中是依據被控對象的特性來(lái)確定的。一49598010100000.14般情況下,當t,>1 s時(shí),令k=4。和基準控制方案相比,蒸汽流量-燃氣壓力回路采用一階線(xiàn)性自抗擾控制器后,0%負荷工況4氣化爐的線(xiàn) 性自抗擾控制正弦擾動(dòng)下的燃氣壓力超限已經(jīng)不存在,但是幾通過(guò)以上文章分析,可以看到在規定的AL-乎已經(jīng)達到限幅的上界,見(jiàn)圖6和圖7。并且,在SOTM氣化爐的性能測試中,需要驗證系統對燃此工況階躍擾動(dòng)下的燃氣熱值也幾乎達到了限幅氣透平閥門(mén)引起的壓力擾動(dòng)、變負荷跟蹤以及煤的上界。這說(shuō)明蒸汽流量-燃氣壓力和空氣流量質(zhì)量變化三個(gè)方面的擾動(dòng)測試，其本質(zhì)就是需要-燃氣熱值中國煤化工,若兩路都驗證設計的控制方案的抗擾動(dòng)能力強弱。從對使用自抗擾MHCN MH G制效果。ALSTOM氣化爐已有的控制方案以及其結構的分.2 兩路線(xiàn)性自抗擾控制方案06142014 ,42(3)Disturbance Response: Outputs and Limits0.01.5F煤焦>溫度ALSTOM床料; -0.01值+O+LADRC1|氣化爐-燃氣熱值1002003000100200 300Ht壓力+Q LADRC2- 熱氣.5|-0.5階躍) 100 200 3000 100 200 300Disturbance Response: Inputs and Linits圖8 ALSTOM 氣化爐自抗擾控制方案二10r躍、正弦擾動(dòng)下,各輸出量都沒(méi)有超限并且距輸出限幅有足夠的裕度。說(shuō)明兩路線(xiàn)性自抗擾控制方0100200300100 200 300案能夠滿(mǎn)足ALSTOM氣化爐控制基準問(wèn)題的要分10求,并有很好的控制效果。0100 2003005結論ts本文將線(xiàn)性自抗擾控制器應用于A(yíng)LSTOM圖6 0% 負荷階躍擾動(dòng)測試氣化爐控制基準問(wèn)題中。仿真結果表明,兩路線(xiàn)Disturbance Response: Outputs and Limis性自抗擾控制方案有著(zhù)比基準控制方案更好的抗宏0.5擾能力,更適合應用于此系統中,這是由LADRC0-s -0.01-獨特的結構決定的。首先,LADRC有著(zhù)獨特的抵制擾動(dòng)的結構。能夠將ALSTOM氣化爐中的擾動(dòng)看作一個(gè)總的擾動(dòng)變量實(shí)時(shí)估計并補償。其次, LADRC可以將系統間的耦合看成擾動(dòng)來(lái)處理,所以具有更好的0 100200300Disturbance Response: Inputs and Limits0一0.5? 0.0100- -Wwwww已-0.000 200 300100200 300。10gooslwMww!-0.051°0100 200 300”0100200 300一1002003001圖70% 負荷正弦擾動(dòng)測試根據上節分析，將空氣流量- -燃氣熱值回路的PI控制器也換成--階線(xiàn)性自抗擾控制器,控制) 100200300%6”100200 300框圖見(jiàn)圖8 ,控制器參數見(jiàn)表3。表3 LADRC 控制器參數控制器. Pg_60PgβiPgPrPg_冒。200 300LADRC1- 82078025000. 261中國煤化工LADRC2495980100000. 24TYHCNMHG從測試曲線(xiàn)如圖9和圖10。0%負荷工況階陳世和,等ALSTOM 氣化爐的線(xiàn)性自抗擾控制Disturbance Response: Outputs and Limits[J]. Control Theary and Applications, IEE Proceedings,i 0.010.206, 153(3): 286-292.0 MMMM.M.Mo一[5XUe Yali, LI Dong-hai , SHAN Wen-xiao,et al. Muli-cbjo~tive Robust Optimization Using Probabilisie Indices[M]. 200.已-0.01蘭-0.5[6]FARAG A, WERNER H. Stnucture selection and tuning of100 200 300multi-variable PID controllers for an industrial benchmarkproblem[J]. Control Theory and Applications, IEE Proceed-ings, 2006, 153(3): 262-267. .-0.5[7]魏靜,劉曉玲,張 力,等. IGCC氣化爐控制方案的仿0 10020030015真研究[J].熱能動(dòng)力工程, 2012. 27(002): 170-175.WEI Jing, LIU Xiao-ling, ZHANG Li, et al. SimulationDisturbance Response: Inputs and Limitsstudy of ICCC gasifer control verions[J]. Jourmal of Engi-ncering for Thermal Energy and Power, 2012 ,27(2):170-175 ,261 ,262.lwwwwww[8]SEYAB RK A, CAO Y, YANGS H. 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