[发明专利]一种基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法

说明书

技术领域

本发明属于锅炉汽水系统汽包水位的优化控制领域，涉及一种基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法，用于大范围变负荷情况下汽包水位的有效控制。

背景技术

锅炉是火电机组中最重要的组成部分之一，其运行状况将直接关系到整个火电机组的正常运行。汽包水位是锅炉汽水系统中的一个关键参数，它的正常与否将直接关系到锅炉能否安全运行，所以汽包水位的控制是整个锅炉系统中非常关键的一个环节。如果汽包水位超过安全上界，将会导致蒸汽中带着大量的水进入过热器或者是汽轮机，潜在地增大维修费用，甚至是大大降低锅炉的使用寿命，给企业和蒸汽用户造成不必要的损失；如果汽包水位低于安全下界，水冷壁管将会被过度加热，严重时可能会导致水冷壁的破裂和干锅现象，从而引起锅炉爆炸和汽包烧损。

锅炉系统中汽水流程为：首先具有一定压力的水进入省煤器，吸收来自烟道里烟气释放的热量，变成具有一定温度的水，然后进入汽包，在汽包内保持一定的水位。汽包内的水再沿着下降管进入布置在锅炉炉膛四周的上升管，水吸收燃烧室内的燃料燃烧放出的热量，达到饱和并部分气化成蒸汽，形成汽水混合物。汽水混合物由于密度较小，所以会自然上升回到汽包，汽包将水和汽分离，分离出的蒸汽进入过热器，进一步加热使其温度升高，最后进入汽轮机做功，分离出的水则再次从下降管返回到上升管中吸热气化。

在实际工业生产中，锅炉在运行过程中容易受到各种因素的干扰，很少或几乎不可能完全处于稳态运行，负荷需求量容易发生大幅度变化，而蒸发量要随时适应负荷设备的需求量。当负荷发生大幅度变化时，汽包液位下气泡的“收缩与膨胀”特性会引发严重的虚假液位现象，导致变送器的测量信号不能真实地反应汽包液位的实际变化，而且虚假液位的变化速度非常快，在这种情况下还要将汽包液位保持在安全范围内，就对控制系统提出了很高的要求。而且锅炉朝着蒸发量增大，汽包容积相对减小的方向发展，这使得汽包水位对于负荷的变化更加敏感，它将具有更大的变化幅度和更快的变化速度。

本发明是对大范围变负荷情况下汽包水位的控制问题进行研究。由于锅炉汽水系统具有复杂非线性特性，而且虚假液位幅度与负荷变化量成正比，这使得在负荷大范围变化情况下，大工业现场中广泛使用的三冲量控制无法保证在每一个操作点处都具有良好的控制效果，特别是负荷变化幅度较大的情况下。而且三冲量控制系统是根据系统输出与设定值的偏差情况确定调节行为，是一种被动调节方式，它无法避免调节滞后等缺陷。

三冲量控制系统虽然引入了蒸汽流量信号构成前馈回路，但是它也只能在蒸汽流量发生变化时开始动作，不能在负荷变化之前就有所动作为即将发生的液位变化进行准备，也就是说不能有效地利用进行负荷预测得到的负荷未来变化信息。为了利用从知道负荷将要在某个时间点发生变化到负荷发生变化这段时间，并在这段时间内做一些准备，比如说负荷变化将引起液位上升，于是在负荷变化前先使液位下降一定幅度，减小液位最后上升到的最大值，避免超过安全上界，本发明提出一种基于负荷预知信息的动态优化方法，能够充分利用提前知道的负荷未来变化信息，在负荷发生变化之前操作量q_f进行动作，为负荷变化引起液位变化提供超前的液位准备，使汽包液位在正负方向上的波动更加平缓，既不超过上界，也不低于下界。具体来说，就是根据蒸汽负荷变化信息，允许操作量q_f在负荷变化之前有所动作，提前储备一定的液位量，如果负荷发生变化将引起汽包水位上升(下降)，那么在负荷变化之前，先让液位下降(上升)一定幅度，改变液位在负荷变化时发生超调的起始点，避免液位超过安全上界(下界)。

由于动态优化是基于模型的，如果模型参数存在失配，则动态优化的效果会受到影响，所以在采用动态优化策略进行汽包水位优化控制的基础上，为了克服模型失配的干扰，通过最小化模型输出与实际输出之间的残差来进行参数估计，获得模型参数，尽可能减小仿真模型与实际对象之间的失配，保证进行动态优化求解能得到最优的液位输出。