贾峰生，张鲁凡，周自强

（1.山西电力科学研究院，山西 太原 030001；2.山西宇翔电力有限责任公司，山西 太原 030001）

Smith预估在循环流化床协调控制中的应用

贾峰生1，张鲁凡2，周自强1

（1.山西电力科学研究院，山西 太原 030001；2.山西宇翔电力有限责任公司，山西 太原 030001）

以某电厂210MW机组循环流化床锅炉为例，对循环流化床机组协调控制系统存在的问题进行了分析，并结合循环流化床锅炉机组的特性，对所采取的Smith预估器在循环流化床协调控制中的应用进行了详细的研究和论证。

Smith预估；循环流化床；协调控制

0 引言

循环流化床锅炉燃烧系统是一个大滞后、强耦合的非线性系统，各个变量之间互相影响。一些被调参数同时受到几个调节参数的共同影响，如床层温度要受到给煤量、一次风量、返料量及排渣量等多个参数控制。同时，有的调节参数又影响多个被调参数，如给煤量不仅影响主汽压力，还影响床温、炉膛温度、过量空气系数等参数。在构造循环流化床锅炉（CFB）控制方案时只有抓住主要矛盾，同时考虑各个次要矛盾，才能构造出满足系统要求的控制策略，其自动控制系统需要完成更为复杂的控制任务。由于循环流化床燃烧的复杂性，使得对于煤粉锅炉行之有效的常规控制方法，已难以实现循环流化床锅炉的各项控制指标。目前大部分循环流化床的协调控制策略也都是基于煤粉炉的控制思想，本文在此思想的指导下，通过设计主蒸汽压力预估方案来完善协调控制系统。

1 目前循环流化床锅炉常规控制策略

1.1 以汽机跟踪为基础的协调方式（CTF）

CTF方式是由锅炉调功、汽机调压。优点为机组运行稳定，主汽压力波动小；而缺点是不能利用锅炉蓄能、负荷响应慢且扰动对功率影响大。从CTF方式负荷试验调试过程和运行曲线分析，在稳态状态下，主汽压力的波动小，而功率的波动则要大；在动态试验过程中，功率的波动比较大。基于这种特点，机组能够稳定运行，但是负荷不易控制，且该控制方式也无法满足电网自动发电控制的要求。

1.2 以锅炉跟踪为基础的协调方式（CBF）

CBF方式由锅炉调压、汽机调功。优点为利用锅炉蓄热，负荷响应快；缺点为主汽压波动大，稳定性差。从CBF方式变负荷调试的实际情况看，这种方式的动态过程长且主汽压力偏差大（常超过1MPa），不利于机组稳定运行，但是从煤粉炉的控制思路来看也大都为这种控制策略。

2 压力预估协调控制策略

a）大型循环流化床锅炉汽轮机单元机组是个多变量控制对象，并且机炉的动态特性差异甚大，锅炉反应滞后相当大。循环流化床燃煤机组协调控制系统（CCS）把锅炉与汽轮机作为一个整体进行控制，使锅炉与汽轮机共同承担发电量控制和主汽压力稳定任务。由于主汽压力的大滞后特性，该协调控制的主要任务是压力保持稳定，尤其是在接近满负荷时机组的压力控制问题。

本协调控制综合了CTF和CBF两种方式的优点，将机、炉作为一个整体进行控制，在保证机组稳定运行的同时，充分利用蓄能加快负荷响应，机、炉两侧同时调功、调压；采用Smith主汽压力预估模式，使机组在满足负荷调节的要求下，满足机组压力的稳定，尤其超压问题，通过预估压力精确控制给煤量实现压力的稳定控制。

b）Smith预估器的工作原理，如图1所示。

图1 Smith预估器原理结构图

Smith预估器使用了带死区的一价惯性环节近似实际过程，如果过程模型没有偏差（即过程模型=过程），则过程输出为

式中：

F——Smith预估结构设计器传递函数。

Smith预估器设计思想是:Smith预估器基本是一个超前滞后前馈控制器。它通过从实际测量过程值中减去模型输出来对扰动进行估算。在实际应用中，模型总是有偏差，LS作为超前滞后控制器的调整参数。它采用过去和未来的输入输出信息，根据内部模型，预测系统未来的输出状态，经过用模型输出误差进行反馈校正以后，再与参考输入轨迹进行比较，应用二次型性能指标进行滚动优化，然后再计算当前时刻应加于系统的控制动作，完成整个控制循环。由于这种算法的基本思想是：预先估计出控制过程的动态响应，然后由预估器进行补偿，力图使被迟延了t的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减小超调量，加速调节过程。首先预测系统未来的输出状态，再去确定当前时刻的控制动作，即先预测后控制，所以具有预见性。

c）方案设计。循环流化床锅炉在动态特性上不同于煤粉炉，主要表现在循环流化床锅炉燃烧室内流化层大热容量的热平衡特性，这种特性及其随运行工况不同而变化的特点，造成了循环流化床锅炉燃烧过程实现自动控制的困难，在燃料量扰动下，主蒸汽压力被控对象的特性如图2所示。在燃料量扰动下，主蒸汽压力传递函数为

图2 主汽压力的燃料量特性曲线

该协调设计利用给煤量对主汽压力的响应特性：运用Smith预估器输出压力如果大于实际压力则锅炉输出增加给煤量，如果Smith预估器输出压力小于实际压力则锅炉输出减小给煤量。结构设计如图3所示。

图3 协调控制原理框图

稳态下锅炉主控输入偏差△e=Pg-（Pt-Bt（K/（1+TS）n）e-ts）-Bt（K/（1+TS）n）,由于Bt（K/（1+TS）n）e-ts=Bt（K/（1+TS）n），则△e=Pg-（Pt-Bt（K/（1+TS）n）e-ts）-Bt（K/（1+TS）n）=Pg-Pt=0。

即在稳定过程中锅炉主控PID输入为零，机组锅炉汽机之间形成一个平衡状态。

动态过程中，由于Pg是随着负荷指令的变化而变化，但是在变负荷过程中煤量在负荷指令前馈的作用下首先发生变化，这时Bt首先发生变化，由于锅炉响应滞后比较大，在机组升负荷开始主汽压力下降，但在模型的作用下只要K值取值比较合适，则

预估准确情况下Pt≈Bt（K/（1+TS）n）e-ts，则

在煤量的变化作用下，偏差△e很快趋于零，锅炉主控PID不再参与调节，此时煤量在锅炉主控的作用下只增加负荷变化量对应的应该增加的煤量，而不是在PID的作用下过多地增加煤量，降负荷过程正好与升负荷过程相反。如果没有此预估信号的存在，则锅炉主控在PID的作用下指令一直在同一个方向增加或减小，由于锅炉的大滞后特性，煤量肯定会过调，那么主汽压力不会稳定，唯一的结果就是压力不停地摆动。

3 应用效果

该电厂在用常规思路控制之前主汽压力不易控制，汽机主控调节负荷，虽然负荷能满足要求，但是汽机调门为了满足负荷要求不断调节，这样主汽压力不断摆动，进一步使煤量摆动，主汽压力偏差较大，而且稳态下也不易稳定，如图4所示。

在运用了Smith预估主汽压力后，由于预估作用的存在，使煤量的变化是在一定可控范围内变化，该变化量满足负荷的变化，既满足负荷的变化，而且使主汽压力波动不太大，如图5所示。

4 结论

图4 常规协调控制模式下趋势图

图5 Smith预估模式下协调控制趋势图

该电厂经过投产72h协调控制全部投入，主汽压力静态偏差+0.2MPa，动态偏差+0.9MPa，没有发生锅炉超压现象，另外该电厂一次风机和二次风机调节系统都是用液耦调节，液耦调节死区比较大，因此系统在变负荷过程中风量的变化缓慢，如果加大二次风机液耦的调节响应速度，该协调控制主汽压力响应能力应该更好。但是在机组接近满负荷时，机组速率必须降低，否则主汽压力容易超压，因此，循环流化床锅炉还是不易满足电网AGC（自为发电控制）解释的指标要求，更成熟的控制策略需要在实践中不断优化和完善。

The Application of Smith Predictor in Coordinate Control of CFB Boilers

JIA Feng-sheng1，ZHANG Lu-fan2，ZHOU Zi-qiang1
（1.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi030001，China；
2.Shanxi Yuxiang Electric Power Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi030001，China）

This paper analyzes the existing problems on coordinating control system for CFB boiler in a power plant.According to the characteristics of CFB boiler，the application of Smith Predictor in the coordinate control of CFB boiler are studied and demonstrated.

Smith Predictor；CFB Boilers；coordinate control

TK229

B

1671-0320（2012）05-0043-03

2012-06-12，

2012-07-15

贾峰生（1978-），男，山西平遥人，2004年毕业于太原理工大学控制理论控制工程专业，工程师，从事火电机组自动控制系统工作；

张鲁凡（1961-），男，山西朔州人，2004年毕业于太原理工大学控制理论控制工程专业，工程硕士，高级工程师，从事电力检修和自控设备成套维护工作；

周自强（1984-），男，江苏徐州人，2009年毕业于东南大学动力工程及工程热物理专业，硕士，助理工程师，从事信息安全及信息化等工作。