研究與探討IGCC氣化爐溫度的預(yù)測(cè)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:ICCC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(duì)Shell氣化爐,設(shè)計(jì)了廣義預(yù)測(cè)控制器(GPC)對(duì)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)測(cè)控制Abstract: The control for the temperature of ICCC gaisifer is an important condition to ensurethe normal operation of gasifier. In this paper, generalized predictive controller (GPC) was designedfor 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 anti -interference ability.Key Words:gaisifer;temperature;generalized predictive control中圖分類(lèi)號(hào):TK175文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào) :1001-5523( 2010)01-17-03整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification不甚理想網(wǎng)，因此,對(duì)氣化爐控制系統(tǒng)的研究具有重Combined Cycle,ICCC)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(dòng)力系統(tǒng),以其污染廣義預(yù)測(cè)控制(Generalized Predictive Control,小效率高等優(yōu)點(diǎn),自產(chǎn)生以來(lái)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(lái)的一主要工藝過(guò)程如下:煤粉經(jīng)過(guò)氣化成為中低熱值煤類(lèi)預(yù)測(cè)控制算法,由Clarke 等人在保持最小方差自氣,經(jīng)過(guò)凈化,除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵校正的模型預(yù)測(cè)、最小方差控制、在線辨識(shí)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(cè)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明。廣義預(yù)測(cè)控制以其模型參數(shù)少、魯棒性水,產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功。由于采用燃強(qiáng)和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)過(guò)程中- -種非氣-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(gè)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(wèn)題。因此,世界各國(guó)紛紛建立了ICCC本文以Shell氣化爐為仿真對(duì)象,將廣義預(yù)測(cè)控示范電站。我國(guó)已將ICC技術(shù)的研究列人國(guó)家高制(GPC)應(yīng)用于Shell氣化爐的溫度控制。相比傳統(tǒng)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃),在“十一五”期間完的PID控制器,GPC響應(yīng)速度快，超調(diào)量小,具有良成多個(gè)示范項(xiàng)目。在整個(gè)系統(tǒng)中,燃?xì)廨啓C(jī)及蒸汽好的控制效果。動(dòng)力系統(tǒng)都已得到廣泛應(yīng)用.其控制系統(tǒng)已比較完1Shell氣化爐的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用善。而對(duì)于氣化爐系統(tǒng),由于涉及到許多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,其是-一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng),對(duì)各種擾動(dòng)都在氣化爐中,煤的氣化要經(jīng)歷很多復(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)都有自己特定的化學(xué)反應(yīng)溫度，期使其比投資費(fèi)用和發(fā)電成本還比較高,可利用率還同時(shí),溫度是煤氣化后得到煤氣成分的決定性因素，" 17●于沖等，IGCC氣化爐溫度的預(yù)測(cè)控制研究與探討而煤氣成分則決定了煤氣的品質(zhì)。從以上兩點(diǎn)不難y(+;)=G; Ou(+j-1)+F* y()+H (rl(-1)+E*"w(t+) (2)看出溫度控制對(duì)于煤氣化過(guò)程的重要性,因此,必須式中y()=y()VT(Z ),Au/=Qu(t)/T(2 ),T(Z )為選定的濾將氣化爐溫度控制在- -定范圍內(nèi),以確保氣化爐的波器多項(xiàng)式,在很多情況下可直接取為T(mén)(Z )=C(Z")正常運(yùn)行。=1。多項(xiàng)式C,F,H,E,可通過(guò)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,r為氣化爐的溫度輸T(Z)=E(Z )'A(Z ')Q+Z'F(Z)出。GrHp為被控對(duì)象傳遞函數(shù),GT c和G-q分別E;(Z).B(Z ")=C{Z ). T(Z )+ZH(Z")(3)為電站負(fù)荷變化時(shí),煤和氧氣變化量對(duì)被控對(duì)象的式中,各多項(xiàng)式的最高階次分別為:擾動(dòng)作用。根據(jù)文獻(xiàn)[5]中建立的Shell氣化爐機(jī)理degE;=j-1,degF;= max{na,nc rj ),degG =j-1,degH;=模型,結(jié)合其對(duì)氣化爐的相關(guān)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的max{nc- -1,nb-1 },分析可知,氧氣量和煤量對(duì)氣化爐溫度的動(dòng)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(shì)。在氣化爐溫度控制系統(tǒng)中若保NVy持氧氣量和煤量的配比關(guān)系,即可將其對(duì)氣化爐溫卜= Ebvt+)-xy(t +λ E[u(t+j-1)](4)度的影響降低到最小。因此，本文采用水蒸氣對(duì)氣式中,N=1,N=N,Au(+)=fjNu**.M,其中N為輸化爐溫度控制,并就氧氣變化量的擾動(dòng)作用進(jìn)行仿出預(yù)測(cè)步長(zhǎng),Nu為控制時(shí)域長(zhǎng)度,λ為權(quán)重系數(shù)。定真。CGT-O]義向量Y,QU及YR:- 保[Gro+(+),".,y(+M)]"AQU-=Qu),., Qu(t+Nu-1)]"yar(=+(1),.. ,r(+M)]"則指標(biāo)函數(shù)J為:圖1氣化爐的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)文獻(xiàn)[7]中對(duì)Shell氣化爐的主要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)過(guò)程J=(Y-Yw)(Y-Y)+XQUT. 0U(5)進(jìn)行進(jìn)-步分析,得出相關(guān)的傳遞函數(shù):使J值最小的預(yù)測(cè)控制律為:AU=[G*G+λT]~GTYx-P+Y_ H.0U](6)G+y-=-28300s+1)式中,0U-=[1l(-1)... , Ou(- *[y),-/0.,. -a)],(158s+1)(15s+1)25(164s+ 1)G為由多項(xiàng)式中各系數(shù)組成的矩陣。QU向量的第一Gra= (128+1)(503+1)個(gè)元素即為當(dāng)前時(shí)刻的控制增量Au(),當(dāng)前時(shí)刻的控制作用u()為:u()=u(t-1)+4u()。2廣義預(yù)測(cè)控制算法3仿真試驗(yàn)?zāi)茉O(shè)被控對(duì)象的CARIMA模型為:A(Z). Ay()=B(Z ). Au(t-1)+C(2 )*w()(1)將以上的廣義預(yù)測(cè)控制方法(CPC)應(yīng)用于式中z|為后移算子,0=1-Z1表示差分算子,u ()和Shell 氣化爐的溫度控制，通過(guò)在線滾動(dòng)優(yōu)化對(duì)氣化w()分別表示被控對(duì)象的輸人和輸出,w(t)為互不相爐模型進(jìn)行優(yōu)化控制。經(jīng)過(guò)在線調(diào)整,預(yù)測(cè)控制器的關(guān)的隨機(jī)序列信號(hào)。式中A(Z ),B(Z'),C(Z)為:設(shè)計(jì)參數(shù)為:采樣周期取為T(mén)s=0.01s,N=20,Nu=10, .用_A(Z)=1+a+*+..+.Z”"λ=0.3。.B(2)=b+6+*+.+b.Zz*為了對(duì)比GPC控制與傳統(tǒng)PID控制的效果，C(2)=+2+.*+cmZ"本文中PID的控制器中的參數(shù)設(shè)定為:KP=-5,根據(jù)(1)式,未來(lái)各步的最優(yōu)輸出預(yù)測(cè)y(+)j=KI--10,KD=0。首先使溫度設(shè)定值R在1 g時(shí)階躍, 18. 1,2.,.,為:上升,仿真時(shí)間為10 8,系統(tǒng)仿真曲線如圖2所示。于沖等.IGCC氣化爐溫度的預(yù)測(cè)控制研究與探討1使得溫度恢復(fù)到設(shè)定值,具有良好的控制品質(zhì)。.... PID1.24結(jié)論0.8本文采用廣義預(yù)測(cè)控制算法(GPC)對(duì)Shell氣0.6-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(mǎn)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立145678910制提供了- -種較好的策略。圈2系統(tǒng)仿真曲線對(duì)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(guò)度時(shí)間、超調(diào)量等指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)的[1]李瑋琦，張俊臣.淺析ICCC技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J]電力PID控制，具有較好的控制效果。另外,為了檢驗(yàn)學(xué)報(bào),2007 ,22 (2):32- -36.GPC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. Integrationof IGCC plants and reachable muli -objective thermo變化的擾動(dòng)。在10 s時(shí),氧氣量階躍增加5%,仿真economic optimization [C]. In:IEEE Intemational Conference20 8,系統(tǒng)的仿真曲線如圖3所示。on Computational Cybermetics. Tallinn， Estonia,August,2006:1-3.[3] Clarke DW ,Mohadi C,Tuffe PS. Ceneralized predictive12control []. Automatica, 1987 ,23(2):137-148.[4]席裕庚廣義預(yù)測(cè)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. 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