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AECS-2000

“自动控制优化并不能从生产过程上根本的改变能量的传递关系但是它可以帮助我们把机组的运行工况稳定在设计参数上运行。”实践检验证明基于生产过程模型辨识技术的变参数控制运行方式,正是面对复杂变化工况经济运行的最好方法。

北京控软公司致力于火力发电厂自动控制系统运行优化、生产实时过程绩效评估、监测管理和先进控制(APC)系统的研发与推广。先进控制实时优化系统 “AECS-2000”是控软公司通过多年的技术积累,并整合国内发电厂的实际运行情况,逐步研究开发出的先进控制多功能模块。不仅提高了机组的发电效率而且降低了发电煤耗,为发电厂的节能降耗工作带来了可观的经济效益。
 
   现今火电机组的常规协调控制普遍采用负荷指令前馈+PID反馈的调节方法。目前的PID控制方案在机组工况及特性变化时没有相应的模型辨识手段,因此就不能建立合适的自适应变参数策略。同时对于大滞后的被控过程,由于传统的PID控制方案很难协调控制系统快速性和稳定性之间的矛盾,因此从根本上解决上述问题,未来必须将先进的控制技术如:自适应控制、预测控制、多变量解耦控制等技术应用到火电机组的优化控制中去。
   致力于电厂管理的生产技术人员常面对的一个问题就是为什么不在我们的控制系统内部解决这些问题,而依靠先进控制优化系统?原因如下:
1.   基于动态模型辨识技术对复杂工矿的辨识运算需要大量的数据运算,常规的单板机式的控制器远远不能满足这类运算的基本要求.
2.   复杂的先进控制技术应该是传统DCS控制的一个辅助手段而不是替代。我们的DCS应该有能力在是否采用先进控制还是自己控制之间随意切换,从安全性的角度来说就是:有你最优,没你也行。从经济性上说:有你高效,没你低效。
3.   复杂的先进控制技术融入了大量控制工程师研发和创造工作。切实展现了针对相应机组的优化控制思想,这种有针对性的创造成果都是唯一性的,需要加以保护。
4.   机组运行过程中对变化工况的随时校正和改善,需要在相对独立的系统内完成后.经过数据校验和输出观察,再通知运行投入,根本上保证了机组的安全性。
 

1. 对机组控制系统OPC实时数据通讯接口程序开发(基础包)根据DCS系统情况而订。

2. 对机组CCS及AGC系统相关PID控制数学模型的筛选和确定(基础包)。

3. 加装AGC及CC协调控制系统优化(CCP)即机组响应电力调度模块研发,既利用控软专利技术的多变量耦合、协调、预测等等先进控制功能块完成对机组复杂的焓值矫正环节。

4. 加装电厂所有重要子回路控制性能监视(LMP)模块,对协调、气温、再热气温等重要控制回路进行绩效监测和运行效果评估。

5. 加装电厂实时变煤质和坏工况下控制性能实时在线优化(UCD)模块,即重要控制回路的在线自动参数整定、实时优化和仿真模块研发。

6. 加装利用摆脚和烟气挡板联合协调(CC)减温水先进控制解决再热气温先进控(RHC)难题。即利用先进策略控制解决发电过程中的大滞后、大延迟物理过程。解决电厂事故喷水量大,热焓值损失大,再热气温超温现象严重等问题 。

加装利用动态工况模型辨识和PID参数自适应调整功能模块,解决主汽温度一级过热器(串级)和二级过热器(串级)超温超限的问题。

投用AECS-2000系统后,可以使您的机组在如下方面受益:

1. 获得更高的AGC响应速率和调节精度

根据机组实际能力,可达到2.0%/min或更高的AGC运行速率和更好的负荷控制精度,使您在将来的电力市场竞争中处于领先地位。

2. 机组运行更加平稳

AE系统机组运行中主汽压力、主汽温度的波动幅度可被减小至:

稳态工况                  ±0.1MPa/±2℃ 

变负荷工况                ±0.4MPa/±6℃  

3. 使您的机组具有更加稳定、可靠的运行品质

机组运行中的燃料、给水波动大幅减小,系统通过智能预测算法使机组在AGC运行中的燃料、给水,汽温等控制量的波动大幅减少,对于减小机组设备磨损、延长锅炉金属管材寿命、减少爆管极为有利。

4. 完全消除煤种变化对机组控制品质的影响

机组在燃用不同煤种时,系统对工况及特性变化都有相应的模型辨识手段,由于投入了合适的自适应策略,使机组始终具有良好的控制品质。

5. 具有更好的运行效率

通过应用先进控制算法,有效投入再热烟气挡板自动控制,大幅减少再热减温水用量,同时优化机组滑压曲线使其在更加经济的工况点运行,机组运行效率可得到明显提升。协调控制系统作为现代火力发电机组DCS中的核心控制部分,承担着协调机组锅炉、汽机侧的各个闭环控制系统以响应调度负荷指令的重要任务,是连接电网与单元机组之间的桥梁,其控制性能直接影响着机组AGC运行的安全行、稳定性、经济性和电网有功调节水平。

目前国内火电机组的AGC控制策略主要以国外各大DCS厂商提供的组态逻辑为基础做一定程度的改进,其本质上还是属于以常规PID控制。随着智能电网的发展,新能源系统接入,电网对火电机组的调频、调峰能力的要求越来越高;而且近几年超(超)临界机组在我国的大规模投产,其控制对象的复杂性远高于以往的亚临界汽包炉。在此环境下,局限在DCS组态框架内的常规AGC控制策略已越来越表现出控制性能和手段的不足。

AECS-2000系统在整体控制结构上以DCS控制逻辑中的前馈+反馈的控制模式为基础,但通过我们系统内置的多参数PID功能块进行变参数切换同时以预测控制技术判断AGC指令,动态加强锅炉调节作用,从而实现利用锅炉蓄热的同时加强锅炉的燃烧,使锅炉能量快速跟上需求能量,并且大幅提高了机组AGC控制系统的闭环稳定性和抗扰动能力。系统AGC模块内嵌的控制策略主要由一系列的小模块组成,如消震模块、抗积分饱和模块、非线性处理模块等。在AGC优化中机组出现的问题,这些模块都可以一一化解。

为解决上述问题,北京控软的AECS-2000 平台经过大量的现场试验、数学建模、仿真研究,在美国的专利技术之上,与华北电力大学、华东电科院等科研院所展开合作,整合了国内发电厂的实际运行工程情况,共同完成了国内200MW 、300MW、 600MW、 1000MW机组的工程应用,量身订做适合中国发电机组运行模式的先进控制实时优化系统功能模块。

AECS-2000采用OPC通讯实时与机组DCS交换数据,从而突破了DCS无法实现高级控制算法的瓶颈,成功的将预测控制、自适应控制、协调控制多变量、解耦控制等现代技术应用到火电机组AGC控制中,并在现场应用中取得了优秀的控制品质。

下面将逐步介绍AECS-2000系统的技术特点、实施方式和应用情况

 

二、当前火电机组AGC控制过程中存在的问题

单元机组的AGC控制系统,实质上是机组协调控制系统和其它重要闭环控制子系统(主、再热汽温控制、风量及氧量控制、制粉系统控制等)的统称。在机组设备正常条件下,其AGC运行性能几乎完全由这些闭环控制系统的性能决定。

目前国内大型火电机组的AGC控制系统在基建调试及试验中由于在事前准备充分、燃煤品质好、控制参数与机组当前工况匹配的前提下,通常都能达到较好的性能品质;但是经过一段时间的正常运行,随着机组工况和煤种的变化,就会暴露出越来越多的问题,机组运行稳定性大不如前,AGC速率也随之下降。根据现场运行情况的归纳,在运机组的AGC控制问题主要体现在如下方面:

2.1  AGC运行变负荷速率低

部分大型火电机组在正常投用AGC时通常只能以1.0%/min左右的变负荷率运行,易受到电网考核。消除大幅扰动能力差,易出现参数大幅波动及调节振荡情况等是目前正常运行中最普遍出现的情况。机组在大幅度变负荷、启停制粉系统、吹灰等扰动工况下,控制系统常会出现控制不稳定或温度、压力大幅偏离设定值的情况,严重影响运行安全性

2.2  消除大幅扰动能力差,易出现参数大幅波动及调节振荡情况

2.3  煤种变化对控制系统影响大

在燃煤品质变差时,控制系统缺乏自适应手段,控制性能也随之变差。运行人员为保证机组安全,只能采用很低的变负荷率运行。

2.4  正常AGC调节中燃料、给水等控制量波动大

机组正常AGC运行中由于AGC指令的频繁反复变化(平均1~2分钟变化一次),使得机组的燃料、给水、送风等各控制量也大幅来回波动,此时虽然主汽压力、温度等被控参数较为稳定,但对于锅炉水冷壁、过热器管材的热应力、氧化皮脱落方面均会造成很不利的影响,大大增加了锅炉爆管的可能性。

2.5  再热烟气挡板难以投入自动,机组运行经济性差

超(超)临界机组的再热汽温通常采用喷水减温+烟气挡板的调节手段,但由于再热汽温大滞后的特性(控制对象时间常数达十几分钟),采用DCS常规控制方案基本无法投入自动。运行人员只能以再热喷水减温为控制手段手动调节,机组运行经济性明显受到影响。

部分机组为响应电网需求而未采用最佳运行方式,经济性受到影响。部分新型超(超)临界机组的汽轮机设计采用高压调门全开的方式运行,汽机必须参与功率调节,而不得不使高压调门在节流方式运行,对机组的运行经济性影响很大。

2.6  主汽温度超温时间过长, 频繁引起炉管爆管

对于生产运行超过15年的老机组。如果一级过热汽温度控制不好,月平均超温时间在100小时左右,就会大大影响了机组炉管的金属特性,频繁引起炉管爆管。

2.7  部分机组为响应电网需求而未采用最佳运行方式,经济性受到影响

为提高AGC响应速度,牺牲机组的经济性。特别是机组的过载、疲劳。都是致命的。虽然短期内看不到的影响,但使得本来可以运行30年的机组20年就进入报废期称为常事。

2.8  AGC优化工作受DCS在线下装功能限制,调试周期很长

目前的DCS系统的在线组态下装功能均存在一定风险,进行AGC控制优化这样的大规模组态逻辑修改基本需要在停机期间进行,而由于控制对象的复杂性,在调试过程中往往会有新的问题产生,需要再次下载逻辑。这使得一次AGC优化工作的周期变得很长,经常需要半年到一年的时间才能全部完成。

三、AECS-2000实时优化控制系统的控制策略及特点

3.1  采用预测控制技术作为机组闭环控制的核心环节

AECS-2000系统在整体控制结构上仍采用前馈+反馈的控制模式,但与常规DCS控制策略不同的是其在反馈控制部分应用了目前国际上最前沿的解决大滞后对象控制问题的预测控制技术进而取代原有的PID控制。采用这种技术能够提前预测被调量(如主汽压力、汽温等参数)的未来变化及变化趋势,而后根据被调量的未来变化量进行控制,调节过程能提前,从而大幅提高了机组AGC控制系统的闭环稳定性和抗扰动能力。

3.2  对机组运行特性参数进行全工况实时校正

常规DCS的控制回路,其控制参数一经整定结束即不改变,对于日后机组工况的变化无能为力;系统采用预测性学习算法来实时校正机组运行中与控制系统密切相关的各种特性参数使得整个系统始终处于在线自适应状态,控制性能不断向最优目标逼近。 

3.3  针对AGC运行模式进行特别优化

常规DCS控制方案对于机组运行在CCS方式还是AGC是不加区分的,AECS-2000系统中包含AGC运行模式下的特别优化模块:采用智能预测算法,一方面根据机组当前AGC指令、实发功率、电网频率等参数实时预测“调度EMS系统AGC指令”在未来时刻的变化趋势;另一方面根据机组的燃料量、风量、给水流量等参数实时预测表证锅炉做功能力的“锅炉热功率信号”在未来时刻的变化趋势,并依据这两者间的匹配程度来决定锅炉指令的变化量。实际应用表明,增加AGC模式特别优化模块后,可在保证AGC负荷响应的基础上使机组燃料量、风量、给水流量、减温水流量的波动幅度减小60%以上,对于延长锅炉管材寿命,减少爆管极为有利。

3.4  以面向节能的设计思路优化机组AGC控制策略

火电机组热工控制的发展方向应是由过程参数的控制升级为结合机组经济性的控制。系统通过先进控制策略的应用,克服了超(超)临界机组的再热汽温被控对象的大滞后特性,采用烟气挡板作为主调手段、喷水减温仅作为事故处理手段、大幅降低了机组正常运行中的再热减温水量,机组经济性明显提升。

3.5  采用独立的硬件平台,调试效率、安全性和升级能力明显提升

DCS原有控制逻辑完全保留,仅增加少量切换逻辑,运行人员可以方便的在DCS系统和“AE”系统间进行切换。对于该扩展部分控制逻辑调试、修改不影响机组的正常运行,对于调试效率和安全性有极大提高,也为今后新技术的应用升级打下了良好的基础。

四、“AECS-2000”实时优化控制系统的具体实施方式

4.1  AECS-2000系统的软、硬件平台

AECS-2000先进控制系统软件可以运行在专用服务器上。该服务器配置有Ethernet网卡,可以通过相关的网络适配器(Swith,Hub或Router)与DCS的OPC服务器PC机进行通讯。软件配置方面,PC机的操作系统为Windows XP,同时需要预安装MicroSoft公司的Internet Explorer(Version 6.0或更高版本)。

 

最小配置

推荐配置

RAM Memory

2GB or more

4GB or more

HD Space

2GB or more

4GB or more

Processor

Pentium IV 1GHz or better

Pentium IV 2GHz or better

Operating System

Windows XP

Windows 2008

CD-ROM

Yes

Yes

AECS-2000平台软件包组件 AECS-2000数据库 INTUNE5 MANTRA OPC  

该系统通过OPC服务器与DCS进行相关PID回路的数据交流。系统自带多个用于解决常规PID难以完成的先进控制功能模块,运Window平台基于PC的控制方式,适用于各种品牌的PLC、DCS系统,使用OPC通讯方式。

AECS-2000先进控制系统是开放式控制系统,软件组态采用面向对象(Object-Oriented) 技术的函数模块编程,提供100余种函数模块库供选择,包含了许多复杂的先进控制算法,如:

串级PID(Cascade PID)多变量PID(Multiple Parameter PID)分程控制(Split Range)内模控制IMC(Internal Model Controller)协调控制CC(Coordinated Control)多变量解耦控制MMC(Modular Multivariable Controller)等等

所有的控制模块已被完全配置在AECS-2000系统中,并且提供了实用的自整定、自动-手动无扰切换和自动跟踪等控制功能。这些控制模块使用了两个或更多的控制变量,有效地控制一个或多个过程并使之达到相应的设定值。这些先进控制算法还考虑到了过程之间的相互干扰,用户可以自己定义最优化的控制方案并结合控制输出来抑制干扰。

这些控制模块还带有各自独立的ActiveX技术的用户图形接口(Faceplates),用户可以运用它们快速地配置出画面来,用于开发和调试控制方案。

统采用函数模块化编程工具Windows风格的浏览器,面向对象(Object-Oriented)技术的模块化编程方式,超过90个过程控制和批量控制函数模块,只需点击和拖动即可完成的组态方式可在线修改组态程序,后台自动生成报告文件。

4.2  AECS-2000与DCS通讯

电厂网络拓扑图:(以ABB系统举例)

4.3  AECS-2000系统的软、硬件可靠性

 

AECS-2000系统是以外挂式的形式并行于DCS系统,通过OPC服务器建立与DCS系统的通信与链接。系统主要适用于发电厂模拟量控制系统实时参数在线优化、绩效在线评估等功能。系统投运后,可以在不干扰生产过程的情况下实时监测相关重要选定的控制回路,并在后台进行统计、分析和诊断,自动生成过程的运行报告,并提出合理的整改和优化建议。同时可采用专门的系统进行过程控制参数的在线自动整定和优化,以增强自动控制系统对不同工况的适应能力,提高自动控制系统的调节品质。

硬件方面:通常意义上DCS与PLC相比的优势在于其网络性能的可靠性,系统通过OPC通讯进行数据的在线实时交换数据,因此AECS-2000系统具有与DCS同等的硬件可靠性。系统的安全性和可靠性体现在如下方面

握手协议方面:通过多种技术来保证通讯数据的正常以及系统与DCS系统的协调运作正常,这包括有两种通讯握手程序存在于DCS系统和AECS-2000先进控制系统之间:

1.通用的通讯握手协议,验证DCS系统和AECS-2000先进控制系统之间的通讯:

2.回路的通讯握手协议,验证DCS系统和AECS-2000先进控制系统之间某一特定回路的通讯。

APC与DCS系统的投切与跟踪逻辑。(再热汽温为例)

1. APC同意投入条件:APC与DCS通用通讯正常

回路手操器在必要的模式(摆角控制器在手动,减温水控制器在自动)DCS发出APC投入请求。

2. APC跟踪逻辑:当APC与DCS系统通讯正常,且APC处于退出状态时,实时跟踪手操器输出。

在DCS控制系统侧设置必要的先进控制投切安全保护策略。

在DCS控制系统侧设置监视AECS-2000先进过程控制系统运行的HMI画面和先进控制策略投切的操作面板。

在DCS的HMI画面上增加每一控制回路的APC请求及APC退出按钮。当APC与DCS控制回路的通讯正常且DCS侧回路无异常时,方可按下APC请求按钮,此时APC请求按钮闪烁。

开发相应的AECS-2000先进过程控制策略。(以再热气温控制为例)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CC(协调控制Coordinated Control)控制模块通过操控两个不同的控制器输出加一个前馈信号来控制一个过程变量。使用CC控制模块主要有三个目的:抑制过程干扰;在达到控制要求的情况下最大限度地使用摆角控制器来调节再热温度;在稳态控制的情况下优化两个控制器的输出。CC控制模块使用两个独立的参数表“Active”和“Target”来实现以上三个目标。

Active参数表定义了CC控制模块中哪个控制器输出设备的期望控制作用最强、最有效。当过程量测值偏离设定值后,控制作用最强(也是最有效)的控制器输出首先起作用。当控制作用最强的控制器输出饱和后,使用期望控制作用较弱的控制器。本例中,可以使用摆角控制器作为首选的期望控制作用最强的控制器,减温水调节阀作为第二选择的控制器。这样,如果再热汽温PV值严重偏离了SP值,我们可以通过控制减温水调节阀迅速使过程稳定。

CC控制模块使用Target参数表定义了在长期稳态操作状态下用户所期望的各个控制器输出的目标值。当过程量测值达到目标设定值后,CC控制模块就开始在不影响过程的情况下驱动每一个控制器输出到他们的目标值。在本例中,我们可以设定减温水调节阀输出为比较小的值(例如10%),摆角控制器为比较大的值(例如100%)。这样,在保证过程稳定的条件下,我们就可以尽可能多地使用摆角控制器来调节再热温度。                    

 
 
 
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2.回路的通讯握手协议,验证DCS系统和AECS-2000先进控制系统之间某一特定回路的通讯。

APC与DCS系统的投切与跟踪逻辑。(再热汽温为例)

1. APC同意投入条件:APC与DCS通用通讯正常

回路手操器在必要的模式(摆角控制器在手动,减温水控制器在自动)DCS发出APC投入请求。

2. APC跟踪逻辑:当APC与DCS系统通讯正常,且APC处于退出状态时,实时跟踪手操器输出。

在DCS控制系统侧设置必要的先进控制投切安全保护策略。

在DCS控制系统侧设置监视AECS-2000先进过程控制系统运行的HMI画面和先进控制策略投切的操作面板。

在DCS的HMI画面上增加每一控制回路的APC请求及APC退出按钮。当APC与DCS控制回路的通讯正常且DCS侧回路无异常时,方可按下APC请求按钮,此时APC请求按钮闪烁。

开发相应的AECS-2000先进过程控制策略。(以再热气温控制为例)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CC(协调控制Coordinated Control)控制模块通过操控两个不同的控制器输出加一个前馈信号来控制一个过程变量。使用CC控制模块主要有三个目的:抑制过程干扰;在达到控制要求的情况下最大限度地使用摆角控制器来调节再热温度;在稳态控制的情况下优化两个控制器的输出。CC控制模块使用两个独立的参数表“Active”和“Target”来实现以上三个目标。

Active参数表定义了CC控制模块中哪个控制器输出设备的期望控制作用最强、最有效。当过程量测值偏离设定值后,控制作用最强(也是最有效)的控制器输出首先起作用。当控制作用最强的控制器输出饱和后,使用期望控制作用较弱的控制器。本例中,可以使用摆角控制器作为首选的期望控制作用最强的控制器,减温水调节阀作为第二选择的控制器。这样,如果再热汽温PV值严重偏离了SP值,我们可以通过控制减温水调节阀迅速使过程稳定。

CC控制模块使用Target参数表定义了在长期稳态操作状态下用户所期望的各个控制器输出的目标值。当过程量测值达到目标设定值后,CC控制模块就开始在不影响过程的情况下驱动每一个控制器输出到他们的目标值。在本例中,我们可以设定减温水调节阀输出为比较小的值(例如10%),摆角控制器为比较大的值(例如100%)。这样,在保证过程稳定的条件下,我们就可以尽可能多地使用摆角控制器来调节再热温度。