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氣化爐的線性自抗擾控制陳世和',李強(qiáng),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(jì)算機(jī)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(yùn)行性能直接影響到整個(gè)ICCC的發(fā)電效率。因此,必須對(duì)氣化爐進(jìn)行有效的控制。ALSTOM 氣化爐具有強(qiáng)的非線性及大慣性,常規(guī)的控制方法難以滿足運(yùn)行條件下的各項(xiàng)控制指標(biāo)。通過分析ALSTOM氣化爐基準(zhǔn)控制問題,將-階線性自抗擾控制應(yīng)用于該系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)了兩種控制方案。通過測試表明在滿足各種約束條件的前提下,其控制性能指標(biāo)均達(dá)到了基準(zhǔn)測試所提出的各項(xiàng)要求,且實(shí)時(shí)解耦能力明顯,結(jié)構(gòu)簡單,優(yōu)于傳統(tǒng)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;非線性作者簡介:陳世和( 1965) ,男,碩士,高級(jí)工程師,從事電廠生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)開發(fā)及技術(shù)管理工作。中圖分類號(hào):TK323文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào) :1001 -9529(2014 )03 0610-06基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)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?xì)庹w煤氣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)(IGCC)是最有發(fā)展體。然后送人燃?xì)廨啓C(jī)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(fèi)用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。相對(duì)于普低,環(huán)境污染小、建設(shè)周期短、占地小、可用效率高通燃煤機(jī)組,IGCC提高了發(fā)電系統(tǒng)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(duì)IGCC技術(shù)進(jìn)行過程包括氣化系統(tǒng)、空分裝置、煤氣凈化設(shè)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電中國煤化工電站運(yùn)行過系統(tǒng)、余熱鍋爐蒸汽輪機(jī)的系統(tǒng)設(shè)備。整個(gè)工藝程中的關(guān)鍵空制問題,很THCNMHG過程如下:首先,通過氣化爐系統(tǒng),將煤粉氣化為大程度上決走了金1機(jī)組時(shí)運(yùn)1認(rèn)態(tài),因此受到陳世和,等ALSTOM 氣化爐的線性自抗擾控制0611了全世界很多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的關(guān)注。1994 年，燃?xì)鉄嶂?CVgas)ALSTOM能源技術(shù)中心根據(jù)噴流床氣化爐提供的氣化爐系統(tǒng)壓力擾動(dòng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了氣化爐系統(tǒng)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(zhǔn)問題,提供了. 壓力(Pgas)100%負(fù)荷、50%負(fù)荷、0%負(fù)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(zhàn)”。提供了三個(gè)工況下的Simulink非線性模進(jìn)口空中型,并且包括了相關(guān)的擾動(dòng)因素。對(duì)于此基準(zhǔn)問(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(biāo)優(yōu)化算法優(yōu)化基準(zhǔn)控制中的參圖1氣化爐系統(tǒng)原理圖數(shù)集(4.5] ,獲得的結(jié)果均能滿足性能測試要求。ALSTOM能源技術(shù)中心發(fā)布的基準(zhǔn)控制問題可另外PID控制0.7]1、預(yù)測控制(81、PIP控制[0]、基于以簡化為如圖2所示。其中吸附劑的作用是吸附煤觀測器的控制[10]和部分分散控制"]等都在該模中的硫份,因此應(yīng)當(dāng)與煤量保持固定的比例,一般取型上得到了應(yīng)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(zhǔn)問題擾動(dòng)量,各工況點(diǎn)下的設(shè)定值由負(fù)荷確定。的基礎(chǔ)上,將-階線性自抗擾控制器應(yīng)用于該問題,并設(shè)計(jì)了兩種控制方案,仿真結(jié)果表明:在滿限幅和限速(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(biāo)均達(dá)嫩氣熱值(Cvgas)進(jìn)口空氣流量(Wair)到了基準(zhǔn)測試所提出的各項(xiàng)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?xì)鈮毫?Pgas).進(jìn)口蒸汽流量(Wstm)!2 ALSTOM 氣化爐控制過程及控制要求的吸附劑流量(Wa)i燃?xì)鉁囟?Tas),2.1 ALSTOM 氣化爐控制模型日2 ALSTOM氣化爐基準(zhǔn)問題示意圖ALSTOM能源技術(shù)中心基于英國潔凈煤發(fā)電集團(tuán)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(nèi)的非線性模型,并氣化爐系統(tǒng)的控制要求為:根據(jù)100%負(fù)荷發(fā)布了氣化爐控制的基準(zhǔn)問題(12)。所采用的氣模型設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),然后分別在三個(gè)工況下進(jìn)行化爐是87 MW ABGC整體示范電廠的- -部分,采性能測試如下[12]:用噴動(dòng)流化床氣化概念設(shè)計(jì)。煤粉和吸附劑由增(1)壓力擾動(dòng)測試:壓空氣和蒸汽運(yùn)送,噴入氣化爐內(nèi)。在氣化爐里，1)從30s開始Psink發(fā)生-0.2 bar的階躍空氣和蒸汽對(duì)固體進(jìn)行流化,同時(shí)與煤中的碳和擾動(dòng),仿真300s并計(jì)算燃?xì)鉄嶂岛蛪毫Φ腎AE揮發(fā)份發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生低熱值燃?xì)?相當(dāng)于指標(biāo);輸入量和輸出量應(yīng)當(dāng)滿足指定的要求。天然氣熱值的12% ) ,經(jīng)凈化后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī),余2)從30 s開始Psink發(fā)生幅值為0.2 bar,頻下的灰份、石灰和未完全反應(yīng)的碳從氣化爐的底率為0.04Hz的正弦波擾動(dòng),仿真300s并計(jì)算燃部或頂部排出。氣熱值和壓力的IAE指標(biāo);輸人量和輸出最應(yīng)當(dāng)該氣化爐系統(tǒng)具有5個(gè)控制輸人量和4個(gè)輸滿足指定的要求。出量,見圖1?？刂戚斎肆堪ㄟM(jìn)口空氣流量3)針對(duì)50%和0%負(fù)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(jì)算相應(yīng)的IAE指標(biāo)。流量Wls和排出煤焦量Wchar,輸出量為料床質(zhì)量(2)負(fù)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?xì)馔钙竭M(jìn)氣閥門的調(diào)節(jié),會(huì)對(duì)氣化爐的將負(fù)荷增至YHCNMHG際輸出的負(fù)壓力產(chǎn)生擾動(dòng),帶來擾動(dòng)輸入量Psink。荷盡可能接近要求,在升負(fù)荷結(jié)束時(shí)超調(diào)最小,且0612阜柬電力2014 ,42(3)控制輸人在允許的約束范圍內(nèi)。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(nèi)變化，100 200 300100200 300記錄觀察到的性能變化(比如跟蹤性能，穩(wěn)定性.0F等)。輸人量的限幅和限速要求見表1,輸出量的限制為:100 200 3001)燃?xì)鉄嶂礐Vgas的變化量在土10 kJ/kgDisturbance Response: Inputs and Limits范圍內(nèi),且偏差盡可能小。2)燃?xì)鈮毫gas的變化量在+0. 1 bar 范圍ww.ww內(nèi),且偏差盡可能小。0 100 200 3003)床料質(zhì)量Mass的變化量在標(biāo)稱值的5%范圍內(nèi)。suwwwm4)燃?xì)鉁囟萒gas的變化量在土1C范圍內(nèi),30100200300且偏差盡可能小。表1輸入量的限幅和限速( 絕對(duì)值)kg/s .輸人限制(絕對(duì)值) MAX MIN_RATE/kg.s-1圖3 0%負(fù)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+場(01片石灰量w。0.02蒸汽流量W.6.042L互t LESO t2.3基準(zhǔn)控制器與該基準(zhǔn)問題- - 起發(fā)布的PI控制策略,采用系統(tǒng)的輸出和參考輸人;G,(s)一 被控對(duì)象;kp,k---了Asmar等[4]給出的控制結(jié)構(gòu),令100%負(fù)荷下線性狀態(tài)誤差控制器參數(shù);b。-控制器中對(duì)系統(tǒng)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(jì);d---系統(tǒng)的外擾fmins函數(shù)對(duì)PI控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,獲得3個(gè)PI圖4二階線性 自抗擾控制結(jié)構(gòu)圖控制器參數(shù)、1個(gè)P控制器參數(shù)和1個(gè)前饋參數(shù)。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(duì)一回路有前饋?zhàn)饔谩＋@得的控制系統(tǒng)在y =f+bou0%負(fù)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(yīng)范園超出了規(guī)定值,見圖3。.式中f一系統(tǒng)總擾動(dòng)。此時(shí)將b。對(duì)b的估計(jì)誤差也看成擾動(dòng)的一3 線性自抗擾控制LADRC包括線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(LESO)、部分。令x=y、xz=j,并且將f定義為系統(tǒng)的一擾動(dòng)補(bǔ)償、線性反饋控制律等結(jié)構(gòu)。出于簡單考個(gè)擴(kuò)張狀態(tài),使x=f。假設(shè)f可微,定義h=x，慮,本文以二階線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 =x2二階線性自抗擾控制器控制系統(tǒng)框圖如圖42 =xz +b。u所示[161。(3)的=h假設(shè)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(tǒng)不可測擾動(dòng);根據(jù)現(xiàn)信YHCNMHG值可通過g-一系統(tǒng)自身攝動(dòng)和外部擾動(dòng)的總影響;LESO得到:陳世和,等ALSTOM 氣化爐的線性自抗擾控制0613pz =z +β.(y-z)析發(fā)現(xiàn):系統(tǒng)未知的內(nèi)部模型以及性能測試中強(qiáng){江=z +βr(y-z) + bou(4)的外界擾動(dòng)成為設(shè)計(jì)該模型控制方案的兩大障礙。因此,一種能同時(shí)估計(jì)并消除系統(tǒng)內(nèi)部和外i =β,(y-z|)式中么為巧一-y、jy f的估計(jì)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,本文選擇線性自抗擾控制器,將ALSTOM氣定的LESO參數(shù),控制估計(jì)值的準(zhǔn)確性。化爐系統(tǒng)的總擾動(dòng)看作系統(tǒng)的擴(kuò)張狀態(tài),利用自由圖4知,擾動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)為:抗擾中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器進(jìn)行實(shí)時(shí)地估計(jì),提出4o一到.(5)了兩種ALSTOM氣化爐系統(tǒng)的一階線性自抗擾bo當(dāng)LESO能夠?qū)崿F(xiàn)f=z;時(shí),將式(5)代人式控制方案。(2),可得y≈uo,即控制系統(tǒng)被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)積分4.1 - 路線性自抗擾控制方案考慮到基準(zhǔn)控制方案只有在0%負(fù)荷下的正串聯(lián)環(huán)節(jié)。線性反饋控制律為:uo =k,(r-z) -hgz .(6)弦擾動(dòng)測試中,燃?xì)鈮毫Τ隽讼薹?。本文吸?基準(zhǔn)控制的經(jīng)驗(yàn),采用與基準(zhǔn)控制一樣的配對(duì)方將此式代人y≈u?？傻孟到y(tǒng)的閉環(huán)方程:案,即利用空氣流量控制燃?xì)鉄嶂?、蒸汽流量控制y+kjy +h,y = h,r(7)燃?xì)鈮毫Α⒚航沽靠刂茰囟纫约斑M(jìn)煤量控制床料。參數(shù)整定方面,本文采用文獻(xiàn)[ 16]的方法:只用一階線性自抗擾控制器代替蒸汽流量- -燃?xì)饪梢宰C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(shù)整定,假設(shè)w。為.制框圖見圖5。LESO帶寬,w。為控制器帶寬。令式(4)和式(7)的特征多項(xiàng)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?xì)鉄嶂?壓力此時(shí)整個(gè)控制系統(tǒng)僅剩下w。、w。和b。三個(gè)fo +LADRC 蒸汽、參數(shù),整定規(guī)則為:正弦1)確定被控對(duì)象所需調(diào)節(jié)時(shí)間t,(假定已階躍知)。2)令w?！?0/t, ,根據(jù)式( 10)計(jì)算參數(shù)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(jì)算參數(shù)B、其中,LADRC有四個(gè)參數(shù)需要整定,分別為β2 β;。4)逐漸增大bo,直到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿足Pg_ b0\、Pg_ β Pg. β2、Pg_ k。其他控制器采用原基準(zhǔn)問題控制器參數(shù)。采用文[16]的參數(shù)整定方系統(tǒng)要求。法,得控制器參數(shù)見表2。kp = w。,ks = 2w.(10)表2 LADRC 控制器參數(shù)β = 3w。,B2 = 3w。,B3 = kB2(11)Pg_ b0Pg_β、PgB2Pg_kp式(11)中是依據(jù)被控對(duì)象的特性來確定的。一49598010100000.14般情況下,當(dāng)t,>1 s時(shí),令k=4。和基準(zhǔn)控制方案相比,蒸汽流量-燃?xì)鈮毫芈凡捎靡浑A線性自抗擾控制器后,0%負(fù)荷工況4氣化爐的線 性自抗擾控制正弦擾動(dòng)下的燃?xì)鈮毫Τ抟呀?jīng)不存在,但是幾通過以上文章分析,可以看到在規(guī)定的AL-乎已經(jīng)達(dá)到限幅的上界,見圖6和圖7。并且,在SOTM氣化爐的性能測試中,需要驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)燃此工況階躍擾動(dòng)下的燃?xì)鉄嶂狄矌缀踹_(dá)到了限幅氣透平閥門引起的壓力擾動(dòng)、變負(fù)荷跟蹤以及煤的上界。這說明蒸汽流量-燃?xì)鈮毫涂諝饬髁抠|(zhì)量變化三個(gè)方面的擾動(dòng)測試，其本質(zhì)就是需要-燃?xì)鉄嶂抵袊夯?若兩路都驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制方案的抗擾動(dòng)能力強(qiáng)弱。從對(duì)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(jié)構(gòu)的分.2 兩路線性自抗擾控制方案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?xì)鉄嶂?002003000100200 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,各輸出量都沒有超限并且距輸出限幅有足夠的裕度。說明兩路線性自抗擾控制方0100200300100 200 300案能夠滿足ALSTOM氣化爐控制基準(zhǔn)問題的要分10求,并有很好的控制效果。0100 2003005結(jié)論ts本文將線性自抗擾控制器應(yīng)用于ALSTOM圖6 0% 負(fù)荷階躍擾動(dòng)測試氣化爐控制基準(zhǔn)問題中。仿真結(jié)果表明,兩路線Disturbance Response: Outputs and Limis性自抗擾控制方案有著比基準(zhǔn)控制方案更好的抗宏0.5擾能力,更適合應(yīng)用于此系統(tǒng)中,這是由LADRC0-s -0.01-獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定的。首先,LADRC有著獨(dú)特的抵制擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)。能夠?qū)LSTOM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(jì)并補(bǔ)償。其次, LADRC可以將系統(tǒng)間的耦合看成擾動(dòng)來處理,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(fù)荷正弦擾動(dòng)測試根據(jù)上節(jié)分析，將空氣流量- -燃?xì)鉄嶂祷芈返腜I控制器也換成--階線性自抗擾控制器,控制) 100200300%6”100200 300框圖見圖8 ,控制器參數(shù)見表3。表3 LADRC 控制器參數(shù)控制器. Pg_60PgβiPgPrPg_冒。200 300LADRC1- 82078025000. 261中國煤化工LADRC2495980100000. 24TYHCNMHG從測試曲線如圖9和圖10。0%負(fù)荷工況階陳世和,等ALSTOM 氣化爐的線性自抗擾控制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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