IGCC氣化爐溫度的預測控制

研究與探討IGCC氣化爐溫度的預測控制于沖,目劍虹,邱騰飛(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)摘要:ICCC氣化爐中的溫度控制是保證氣化爐正常運行的重要條件。文中對Shell氣化爐,設計了廣義預測控制器(GPC)對氣化爐溫度進(jìn)行控制,并與傳統的PID控制策略進(jìn)行了比較。仿真結果表明GPC控制器具有良好的設定值跟蹤能力和抗干擾能力。關(guān)鍵詞:氣化爐;溫度;廣義預測控制Abstract: The control for the temperature of ICCC gaisifer is an important condition to ensurethe normal operation of gasifier. In this paper, generalized predictive controller (GPC) was designedfor the Shell gaisifer to control its temperature, and was compared with the traditional PID controlstrategy. Simulation results show that the GPC has good setpoint -tracking ability and the anti -interference ability.Key Words:gaisifer;temperature;generalized predictive control中圖分類(lèi)號:TK175文獻標志碼:A 文章編號 :1001-5523( 2010)01-17-03整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification不甚理想網(wǎng)，因此,對氣化爐控制系統的研究具有重Combined Cycle,ICCC)發(fā)電技術(shù)是將煤氣化技術(shù)和要意義。高效的聯(lián)合循環(huán)相結合的先進(jìn)動(dòng)力系統,以其污染廣義預測控制(Generalized Predictive Control,小效率高等優(yōu)點(diǎn),自產(chǎn)生以來(lái)就備受關(guān)注。IGCC的GPC)是在自適應控制研究的基礎上發(fā)展起來(lái)的一主要工藝過(guò)程如下:煤粉經(jīng)過(guò)氣化成為中低熱值煤類(lèi)預測控制算法,由Clarke 等人在保持最小方差自氣,經(jīng)過(guò)凈化,除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵校正的模型預測、最小方差控制、在線(xiàn)辨識等原理的等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料,然后送入燃氣輪基礎上,汲取了DMC .MAC中的多步預測優(yōu)化策略機燃燒做功，燃氣輪機排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給而提出的明。廣義預測控制以其模型參數少、魯棒性水,產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽驅動(dòng)蒸汽輪機做功。由于采用燃強和穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)過(guò)程中- -種非氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán),大大地提高了能源的綜合利用常重要的控制策略,在冶金、石油、化工、電力等領(lǐng)域率和整個(gè)發(fā)電系統的效率,更重要的是較好地解決得到了廣泛的應用",并取得了良好的控制效果。了污染環(huán)境問(wèn)題。因此,世界各國紛紛建立了ICCC本文以Shell氣化爐為仿真對象,將廣義預測控示范電站。我國已將ICC技術(shù)的研究列人國家高制(GPC)應用于Shell氣化爐的溫度控制。相比傳統技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃),在“十一五”期間完的PID控制器,GPC響應速度快，超調量小,具有良成多個(gè)示范項目。在整個(gè)系統中,燃氣輪機及蒸汽好的控制效果。動(dòng)力系統都已得到廣泛應用.其控制系統已比較完1Shell氣化爐的系統結構用善。而對于氣化爐系統,由于涉及到許多復雜的化學(xué)反應過(guò)程,其是-一個(gè)復雜的大系統,對各種擾動(dòng)都在氣化爐中,煤的氣化要經(jīng)歷很多復雜的化學(xué)第非常敏感,與其相關(guān)的控制理論和應用還不成熟,致反應,這些化學(xué)反應都有自己特定的化學(xué)反應溫度，期使其比投資費用和發(fā)電成本還比較高,可利用率還同時(shí),溫度是煤氣化后得到煤氣成分的決定性因素，" 17●于沖等，IGCC氣化爐溫度的預測控制研究與探討而煤氣成分則決定了煤氣的品質(zhì)。從以上兩點(diǎn)不難y(+;)=G; Ou(+j-1)+F* y()+H (rl(-1)+E*"w(t+) (2)看出溫度控制對于煤氣化過(guò)程的重要性,因此,必須式中y()=y()VT(Z ),Au/=Qu(t)/T(2 ),T(Z )為選定的濾將氣化爐溫度控制在- -定范圍內,以確保氣化爐的波器多項式,在很多情況下可直接取為T(mén)(Z )=C(Z")正常運行。=1。多項式C,F,H,E,可通過(guò)如下Diophantine方程氣化爐溫度的PID閉環(huán)控制系統如圖1所獲得:示。圖中R為溫度設定值,r為氣化爐的溫度輸T(Z)=E(Z )'A(Z ')Q+Z'F(Z)出。GrHp為被控對象傳遞函數,GT c和G-q分別E;(Z).B(Z ")=C{Z ). T(Z )+ZH(Z")(3)為電站負荷變化時(shí),煤和氧氣變化量對被控對象的式中,各多項式的最高階次分別為:擾動(dòng)作用。根據文獻[5]中建立的Shell氣化爐機理degE;=j-1,degF;= max{na,nc rj ),degG =j-1,degH;=模型,結合其對氣化爐的相關(guān)參數動(dòng)態(tài)變化趨勢的max{nc- -1,nb-1 },分析可知,氧氣量和煤量對氣化爐溫度的動(dòng)態(tài)影響若性能指標取二次型函數,則基本呈相反的趨勢。在氣化爐溫度控制系統中若保NVy持氧氣量和煤量的配比關(guān)系,即可將其對氣化爐溫卜= Ebvt+)-xy(t +λ E[u(t+j-1)](4)度的影響降低到最小。因此，本文采用水蒸氣對氣式中,N=1,N=N,Au(+)=fjNu**.M,其中N為輸化爐溫度控制,并就氧氣變化量的擾動(dòng)作用進(jìn)行仿出預測步長(cháng),Nu為控制時(shí)域長(cháng)度,λ為權重系數。定真。CGT-O]義向量Y,QU及YR:- 保[Gro+(+),".,y(+M)]"AQU-=Qu),., Qu(t+Nu-1)]"yar(=+(1),.. ,r(+M)]"則指標函數J為:圖1氣化爐的PID閉環(huán)控制系統文獻[7]中對Shell氣化爐的主要動(dòng)態(tài)響應過(guò)程J=(Y-Yw)(Y-Y)+XQUT. 0U(5)進(jìn)行進(jìn)-步分析,得出相關(guān)的傳遞函數:使J值最小的預測控制律為:AU=[G*G+λT]~GTYx-P+Y_ H.0U](6)G+y-=-28300s+1)式中,0U-=[1l(-1)... , Ou(- *[y),-/0.,. -a)],(158s+1)(15s+1)25(164s+ 1)G為由多項式中各系數組成的矩陣。QU向量的第一Gra= (128+1)(503+1)個(gè)元素即為當前時(shí)刻的控制增量Au(),當前時(shí)刻的控制作用u()為:u()=u(t-1)+4u()。2廣義預測控制算法3仿真試驗能設被控對象的CARIMA模型為:A(Z). Ay()=B(Z ). Au(t-1)+C(2 )*w()(1)將以上的廣義預測控制方法(CPC)應用于式中z|為后移算子,0=1-Z1表示差分算子,u ()和Shell 氣化爐的溫度控制，通過(guò)在線(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化對氣化w()分別表示被控對象的輸人和輸出,w(t)為互不相爐模型進(jìn)行優(yōu)化控制。經(jīng)過(guò)在線(xiàn)調整,預測控制器的關(guān)的隨機序列信號。式中A(Z ),B(Z'),C(Z)為:設計參數為:采樣周期取為T(mén)s=0.01s,N=20,Nu=10, .用_A(Z)=1+a+*+..+.Z”"λ=0.3。.B(2)=b+6+*+.+b.Zz*為了對比GPC控制與傳統PID控制的效果，C(2)=+2+.*+cmZ"本文中PID的控制器中的參數設定為:KP=-5,根據(1)式,未來(lái)各步的最優(yōu)輸出預測y(+)j=KI--10,KD=0。首先使溫度設定值R在1 g時(shí)階躍, 18. 1,2.,.,為:上升,仿真時(shí)間為10 8,系統仿真曲線(xiàn)如圖2所示。于沖等.IGCC氣化爐溫度的預測控制研究與探討1使得溫度恢復到設定值,具有良好的控制品質(zhì)。.... PID1.24結論0.8本文采用廣義預測控制算法(GPC)對Shell氣0.6-化爐的溫度進(jìn)行了控制,并與傳統的PID控制策略進(jìn)行了比較。仿真結果表明GPC控制器可以取得更好的控制效果,滿(mǎn)足了系統調節的快速性穩定性、準確性以及抗干擾性要求，從而為氣化爐的溫度控立145678910制提供了- -種較好的策略。圈2系統仿真曲線(xiàn)對比由圖中的仿真曲線(xiàn)可以看出,GPC控制器使得參考文獻: .系統在過(guò)度時(shí)間、超調量等指標上均優(yōu)于傳統的[1]李瑋琦，張俊臣.淺析ICCC技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J]電力PID控制，具有較好的控制效果。另外,為了檢驗學(xué)報,2007 ,22 (2):32- -36.GPC控制系統的抗干擾性,在系統中加入了氧氣量[2] Zhengmao Ye, Mohamadian H P, Yongmao Ye. Integrationof IGCC plants and reachable muli -objective thermo變化的擾動(dòng)。在10 s時(shí),氧氣量階躍增加5%,仿真economic optimization [C]. In:IEEE Intemational Conference20 8,系統的仿真曲線(xiàn)如圖3所示。on Computational Cybermetics. Tallinn， Estonia,August,2006:1-3.[3] Clarke DW ,Mohadi C,Tuffe PS. Ceneralized predictive12control []. Automatica, 1987 ,23(2):137-148.[4]席裕庚廣義預測控制系統的閉環(huán)分析[].控制理論與應用,1991,8 (4) :419 -424.[5]劉尚明,王陪勇,韋思亮,等. ICCC氣化站動(dòng)態(tài)模型U.燃0.氣輪機技術(shù), 2001,14(2): 27-31.[6]韋思亮，劉尚明，倪維斗. ICCC協(xié)調控制系統研究初步[n.燃氣輪機技術(shù),2000.13 (3) :19- 22.[7] 韋思亮,劉尚明,倪維斗. ICCC電站中氣化爐控制系統研02468012146820究[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2002, 11 (6) :551 -554.圈3氧氣擾動(dòng)晌應曲線(xiàn)收稿日期:2009-11-30由仿真曲線(xiàn)可以看出,氧氣量階躍上升后,GPC基金項目:國家863高技術(shù)基金資助項目(2006AA05A107);控制器能很快地對系統進(jìn)行調節,消除擾動(dòng)的影響，江蘇省科技成果轉化專(zhuān)項資金資助項目(BA2007008)國際能源環(huán)保匯展信息2010年英國風(fēng)能協(xié)會(huì )波浪能和潮汐能學(xué)術(shù)討論會(huì )電話(huà):+44 (0)20 7901 3014會(huì )議時(shí)間:2010.3.4網(wǎng)址:t://www.bwa.com/marinelconference2010.htmnl會(huì )議地點(diǎn):英國倫敦展覽聯(lián)系人:Veronika Sucha第11屆歐洲燃料學(xué)術(shù)交流年會(huì )電子郵箱: v.sucha@hwea.com會(huì )議時(shí)間:2010.3.9- -11用電話(huà): +44 (0)20 7901 3015會(huì )議地點(diǎn):法國巴黎會(huì )議聯(lián)系人:Oliver Wragg聯(lián)系人:Gustavo Favarn電子郵箱: o.wragg@bwea.com電話(huà): +44 (0)207 0671800年第電話(huà):+44 (0)20 7901 3000電子郵箱: g_favaron@theenergyexchange.co.uk贊助聯(lián)系人:Helen Jones網(wǎng)::/wwwacorerene.como/2/ricle/6.php電子郵箱: h.jons@bwea.com(王效華), 19.