究與探討IGCC氣化爐溫度的預(yù)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:GCC氣化爐中的溫度控制是保證氣化爐正常運(yùn)行的重要條件。文中對Shel氣化爐,設(shè)計了廣義預(yù)測控制器(GPC)對氣化爐溫度進(jìn)行控制,并與傳統(tǒng)的PID控制策略進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明GPC控制器具有良好的設(shè)定值跟蹤能力和抗干擾能力。關(guān)鍵詞:氣化爐;溫度;廣義預(yù)瀾控制Abstract: The control for the temperature of IGCC gaisifer is an important condition to ensurethe normal operation of gasifier. In this paper, generalized predictive controller(GIfor 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 antiinterference abilitKey Words: gaisifer; temperature; generalized predictive control中圖分類號:TK175文獻(xiàn)標(biāo)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,因此對氣化爐控制系統(tǒng)的研究具有重bined cycle,GCC)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(jié)合的先進(jìn)動力系統(tǒng),以其污染廣義預(yù)測控制( Generalized Predictive Control,小、效率高等優(yōu)點,自產(chǎn)生以來就備受關(guān)注。IGCC的GPC)是在自適應(yīng)控制研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的主要工藝過程如下:煤粉經(jīng)過氣化成為中低熱值煤類預(yù)測控制算法,由 Clarke等人在保持最小方差自氣,經(jīng)過凈化,除去煤氣中的硫化物氮化物、粉塵校正的模型預(yù)測、最小方差控制、在線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?xì)廨喕A(chǔ)上,汲取了DMC、MAC中的多步預(yù)測優(yōu)化策略機(jī)燃燒做功,燃?xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給而提出的。廣義預(yù)測控制以其模型參數(shù)少、魯棒性水,產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機(jī)做功由于采用燃強(qiáng)和穩(wěn)定性好等優(yōu)點,已經(jīng)成為工業(yè)過程中一種非氣一蒸汽聯(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)域率和整個發(fā)電系統(tǒng)的效率,更重要的是較好地解決得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了良好的控制效果。了污染環(huán)境問題。因此世界各國紛建立了C本文以$l氣化爐為仿真對象,將廣義預(yù)測控示范電站。我國已將IGCc技術(shù)的研究列入國家高制(CPC)應(yīng)用于she氣化爐的溫度控制相比傳統(tǒng)礦技術(shù)研究發(fā)展計劃(83計劃),在“十一五期間完的門D控制器,GPC響應(yīng)速度快超調(diào)量小具有良名成多個示范項目。在整個系統(tǒng)中,燃?xì)廨啓C(jī)及蒸汽好的控制效果。動力系統(tǒng)都已得到廣泛應(yīng)用,其控制系統(tǒng)已比較完laLL ld用善。而對于氣化爐系統(tǒng),由于涉及到許多復(fù)雜的化中國煤化工構(gòu)學(xué)反應(yīng)過程其是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)對各種擾動都CNMHG很多復(fù)雜的化學(xué)第非常敏感,與其相關(guān)的控制理論和應(yīng)用還不成熟致反應(yīng)這些化學(xué)反應(yīng)都有白己特定的化學(xué)反應(yīng)溫度,使其比投資費(fèi)用和發(fā)電成本還比較高,可利用率還同時溫度是煤氣化后得到煤氣成分的決定性因素,·17研究與探討于沖,GCC氣化爐溫度的預(yù)測制而煤氣成分則決定了煤氣的品質(zhì)。從以上兩點不難y(+)=G△(+-1)+Fy(+H△(-1)+E“w+)(2)看出溫度控制對于煤氣化過程的重要性因此,必須式中y()=yT(2,△d=△nOT(2),7z)為選定的濾將氣化爐溫度控制在一定范圍內(nèi),以確保氣化爐的波器多項式在很多情況下可直接取為T(z)=C(2)正常運(yùn)行。1。多項式GFH1E可通過如下 Diophantine方程氣化爐溫度的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所獲得:示。圖中R為溫度設(shè)定值,T為氣化爐的溫度輸T(2)=E(z)A(2)+ZF(Z)出。Gr物為被控對象傳遞函數(shù),Grc和Gr-分別E(z)B(z)=G∠)7z+zH(2為電站負(fù)荷變化時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作用。根據(jù)文獻(xiàn)5中建立的he氣化爐機(jī)理dgE-legf= max(na,nc-j I, degG÷- 1, degH,=模型,結(jié)合其對氣化爐的相關(guān)參數(shù)動態(tài)變化趨勢的max{nc-1mb-1},分析可知,氧氣量和煤量對氣化爐溫度的動態(tài)影響若性能指標(biāo)取二次型函數(shù)則基本呈相反的趨勢。在氣化爐溫度控制系統(tǒng)中若保持氧氣量和煤量的配比關(guān)系,即可將其對氣化爐溫=∑[+)÷y+)+∑△(+-1度的影響降低到最小。因此,本文采用水蒸氣對氣化爐溫度控制,并就氧氣變化量的擾動作用進(jìn)行仿式中,M=1N=N△M+=Nm,M,其中N為輸真出預(yù)測步長,Nu為控制時域長度,A為權(quán)重系數(shù)。定GT-Oh義向量Y,△U及YRY=(t+1),…,y(+MF△U=[△(),…,Au(t+N-1)Ye=y+),…,y+M圖1氣化爐的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)則指標(biāo)函數(shù)J為:文獻(xiàn)[7中對She氣化爐的主要動態(tài)響應(yīng)過程J(Y-Y(Y-Y+λ△Ur·△U進(jìn)行進(jìn)一步分析,得出相關(guān)的傳遞函數(shù)使丿值最小的預(yù)測控制律為:△U[G·G+ Al-GTYRFY-H…△U(6)-28(300+1)585+1)(15s+1)式中,△U△n(-1)…,△n(t-m)j,y=Ey(),y(t-nolj,2=a25(164+1)G為由多項式中各系數(shù)組成的矩陣?！鱑向量的第(128s+1(50s+1)個元素即為當(dāng)前時刻的控制增量△(),當(dāng)前時刻的控制作用u(0)為:a()=(-1)+△u()l2廣義預(yù)測控制算法3仿真試驗設(shè)被控對象的 CARIMA模型為:A(2)·△y()=B(z)·△n(-1)+C(z)u(將以上的廣義預(yù)測控制方法(GPC)應(yīng)用于對式中z為后移算子,△=1-Z表示差分算子,業(yè)0和shel氣化爐的溫度控制通過在線滾動優(yōu)化對氣化m0分別表示被控對象的輸人和輸出,m0為互不相爐模型進(jìn)行優(yōu)化控制經(jīng)過在線調(diào)整預(yù)測控制器的好關(guān)的隨機(jī)序列信號。式中A(Z),B2),Cz)為設(shè)計參數(shù)為:采樣周期取為T=001s,N=20,Mx=10,用A(z)=1+az+…+a2入=0.3B(z)=b+bz+…+bz出PID控制的效果中國煤化工C(z)=lte1z+…tn2本文設(shè)定為:KP=-5,期」根據(jù)(1)式,未來各步的最優(yōu)輸出預(yù)測y(+)=K直R在18時階躍18·1,2,3…,為:上升,仿真時間為10s,系統(tǒng)仿真曲線如圖2所示。于沖等、KGCC氣化爐溫度的預(yù)謝控制研究與探討使得溫度恢復(fù)到設(shè)定值,具有良好的控制品質(zhì)。4結(jié)論本文采用廣義預(yù)測控制算法(CPC)對 Shell氣0000化爐的溫度進(jìn)行了控制,并與傳統(tǒng)的PID控制策略進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明GPC控制器可以取得更好的控制效果,滿足了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性、穩(wěn)定性準(zhǔn)確性以及抗干擾性要求,從而為氣化爐的溫度控制提供了一種較好的策略。圖2系統(tǒng)仿真曲線對比由圖中的仿真曲線可以看出,GPC控制器使得參考文獻(xiàn)系統(tǒng)在過度時間、超調(diào)量等指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)的李瑋琦,張俊臣淺析IGCC技術(shù)及其發(fā)展趨勢U電力PD控制,具有較好的控制效果。另外,為了檢驗學(xué)報,2007,22(2):32-36GPC控制系統(tǒng)的抗干擾性在系統(tǒng)中加入了氧氣量2 Zhengmao Ye, Mohamadian H P, Yongmao Ye. Integraticof IGCC plants and reachable multi -objective thermo變化的擾動。在10s時,氧氣量階躍增加5%,仿真economic optimization [C] In: IEEE Intemational Conference20s,系統(tǒng)的仿真曲線如圖3所示。on Computational Cybernetics. Tallinn, Estonia, August2006:1-3.[3] Clarke DW, Mohtadi C, Tuffs PS. Generalized predictivecontrol [). Automatica, 1987, 23(2): 137-148.[4]席裕庚廣義預(yù)測控制系統(tǒng)的閉環(huán)分析.控制理論與應(yīng)用,1991,8(4):419-424.5]劉尚明,王陪勇,韋思亮等.IGCC氣化站動態(tài)模型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2001,14(2):27-316]韋思亮,劉尚明,倪維斗.IGCC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究初步0.2燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)200,13(3):19-27韋思亮,劉尚明,倪維斗.ICCC電站中氣化爐控制系統(tǒng)研4161820究熱能動力工程,2002,11(6:551-554.圖3氧氣量擾動響應(yīng)曲線收稿日期:200-11-30由仿真曲線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20010);控制器能很快地對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié),消除擾動的影響,江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金資助項目(BA20000Q些EeEE∈《《《《∈EE《G《《《≤∈GG《∈《《《E《《∈《G《《《∈∈∈∈∈∈《《《《∈∈∈c《《《《《《《《《《國際能源環(huán)保匯展信息2010年英國風(fēng)能協(xié)會波浪能和潮汐能學(xué)術(shù)討論會電話:+440)2079013014會議時間:201034網(wǎng)址htp/www.bwea.com/marine/conference2010huml會議地點:英國倫敦展覽聯(lián)系人: Veronika sucha第11屆歐洲燃料學(xué)術(shù)交流年會電子郵箱:v. suchat@ bweaco會議時間:2010.39-11電話:+440)2079013015會議地會議聯(lián)系人: Oliver Wragg聯(lián)系人電子郵箱:owragg@bwea.com電話:EViu中國煤化工電話:+4400207901CNMHG電子郵科贊助聯(lián)系人: Helen JonesFghe:http://www.wraconferences.com/2/4/articles/69.php電子郵箱:h.jones@bwea.com王效華)