ALSTOM气化炉的线性自抗扰控制

第42卷第3期華柬電力Vol.42 No.32014年3月East China Electric PowerMar. 2014发电技术ALSTOM气化炉的线性自抗扰控制陈世和',李强,李东海',谭文'(1.广东电网公司电力科学研究院热工所,广州510080;2. 华北电力大学控制与计算机工程学院,北京 102206;3.清华大学热能工程系,北京10084)摘要:气化炉是整体煤气化联合循环发电技术( ICCC)中关键的部分,其运行性能直接影响到整个ICCC的发电效率。因此,必须对气化炉进行有效的控制。ALSTOM 气化炉具有强的非线性及大惯性,常规的控制方法难以满足运行条件下的各项控制指标。通过分析ALSTOM气化炉基准控制问题,将-阶线性自抗扰控制应用于该系统中,设计了两种控制方案。通过测试表明在满足各种约束条件的前提下,其控制性能指标均达到了基准测试所提出的各项要求,且实时解耦能力明显,结构简单,优于传统控制器。关键词:自抗扰控制;整体煤气化联合循环;ALSTOM气化炉;约束;非线性作者简介:陈世和( 1965) ,男,硕士,高级工程师,从事电厂生产过程自动化控制系统开发及技术管理工作。中图分类号:TK323文献标志码:A文章编号 :1001 -9529(2014 )03 0610-06基金项目:国家自然科学基金项目(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 )中低热值的煤气。并经净化过程,除去其中的硫1引言化物、氮化物、粉尘等污染物，成为洁净的可燃气整体煤气联合循环技术(IGCC)是最有发展体。然后送人燃气轮机燃烧做功发电，其排气经前景的洁净煤发电技术之一。投资少、安装费用余热锅炉产生蒸汽驱动蒸汽轮机发电。相对于普低,环境污染小、建设周期短、占地小、可用效率高通燃煤机组,IGCC提高了发电系统的效率。并且等优点使其日益受到人们的青睐”。其主要由由于煤气的净化部分,大大降低了环境污染问题。两部分组成:煤气制取部分、发电部分。煤气制取由于这些优点,世界各国都已对IGCC技术进行过程包括气化系统、空分装置、煤气净化设备等煤了深人的研究,并建立了IGCC示范电站。的气化和净化部分。发电部分包括燃气轮机发电中国煤化工电站运行过系统、余热锅炉蒸汽轮机的系统设备。整个工艺程中的关键空制问题,很THCNMHG过程如下:首先,通过气化炉系统,将煤粉气化为大程度上决走了金1机组时运1认态,因此受到陈世和,等ALSTOM 气化炉的线性自抗扰控制0611了全世界很多科研机构和企业的关注。1994 年，燃气热值(CVgas)ALSTOM能源技术中心根据喷流床气化炉提供的气化炉系统压力扰动历史数据进行了气化炉系统的建模。并且在.(Psink),-必的口批1997年发布了气化炉控制的基准问题,提供了. 压力(Pgas)100%负荷、50%负荷、0%负荷三个工况下的气化温度(Tgas)进口蒸汽流量气化炉炉线性模型2]。2002年ALSTOM能源技术中心-质量(Mass)又向外界发布了关于气化炉控制的第二轮挑煤和吸附剂流量(Wcoal & Wis)战”。提供了三个工况下的Simulink非线性模进口空中型,并且包括了相关的扰动因素。对于此基准问(Wair)( Wchar)题,全球各国学者都提出了不同的控制方案。一些学者利用多目标优化算法优化基准控制中的参图1气化炉系统原理图数集(4.5] ,获得的结果均能满足性能测试要求。ALSTOM能源技术中心发布的基准控制问题可另外PID控制0.7]1、预测控制(81、PIP控制[0]、基于以简化为如图2所示。其中吸附剂的作用是吸附煤观测器的控制[10]和部分分散控制"]等都在该模中的硫份,因此应当与煤量保持固定的比例,一般取型上得到了应用。Wls: Wcoal为1: 10,压力扰动Psink 和煤质变化均为本文在研究ALSTOM气化炉控制基准问题扰动量,各工况点下的设定值由负荷确定。的基础上,将-阶线性自抗扰控制器应用于该问题,并设计了两种控制方案,仿真结果表明:在满限幅和限速(Psink)排出煤焦量(Wchr;足各种约束条件的前提下,其控制性能指标均达嫩气热值(Cvgas)进口空气流量(Wair)到了基准测试所提出的各项要求,从而为气化炉料床质量(Mass)煤粉流量(Wcoal的全局优化控制提供了一种可以选择的方法。燃气压力(Pgas).进口蒸汽流量(Wstm)!2 ALSTOM 气化炉控制过程及控制要求的吸附剂流量(Wa)i燃气温度(Tas),2.1 ALSTOM 气化炉控制模型日2 ALSTOM气化炉基准问题示意图ALSTOM能源技术中心基于英国洁净煤发电集团ABGC示范电站中的增压喷流床气化炉,建2.2控制要求立了该气化炉在全工况范围內的非线性模型,并气化炉系统的控制要求为:根据100%负荷发布了气化炉控制的基准问题(12)。所采用的气模型设计控制系统,然后分别在三个工况下进行化炉是87 MW ABGC整体示范电厂的- -部分,采性能测试如下[12]:用喷动流化床气化概念设计。煤粉和吸附剂由增(1)压力扰动测试:压空气和蒸汽运送,喷入气化炉内。在气化炉里，1)从30s开始Psink发生-0.2 bar的阶跃空气和蒸汽对固体进行流化,同时与煤中的碳和扰动,仿真300s并计算燃气热值和压力的IAE挥发份发生化学反应,产生低热值燃气(相当于指标;输入量和输出量应当满足指定的要求。天然气热值的12% ) ,经净化后进入燃气轮机,余2)从30 s开始Psink发生幅值为0.2 bar,频下的灰份、石灰和未完全反应的碳从气化炉的底率为0.04Hz的正弦波扰动,仿真300s并计算燃部或顶部排出。气热值和压力的IAE指标;输人量和输出最应当该气化炉系统具有5个控制输人量和4个输满足指定的要求。出量,见图1。控制输人量包括进口空气流量3)针对50%和0%负荷进行同样的测试,并Wair.、进口蒸汽流量Wstm、煤粉流量Wcoal、吸附剂计算相应的IAE指标。流量Wls和排出煤焦量Wchar,输出量为料床质量(2)负荷跟踪测试:Mass燃料气的热值CVgas、温度Tgas和压力Pgas。从50%中国煤化工; 5%的速率另外下游燃气透平进气阀门的调节,会对气化炉的将负荷增至YHCNMHG际输出的负压力产生扰动,带来扰动输入量Psink。荷尽可能接近要求,在升负荷结束时超调最小,且0612阜柬電力2014 ,42(3)控制输人在允许的约束范围内。Disturbance Response: Outputs(3)模型误差测试:由于煤种的不同，煤的成分和热值会发生很......大的变化。令煤的品质在土18%的范围内变化，100 200 300100200 300记录观察到的性能变化(比如跟踪性能，稳定性.0F等)。输人量的限幅和限速要求见表1,输出量的限制为:100 200 3001)燃气热值CVgas的变化量在土10 kJ/kgDisturbance Response: Inputs and Limits范围内,且偏差尽可能小。2)燃气压力Pgas的变化量在+0. 1 bar 范围ww.ww内,且偏差尽可能小。0 100 200 3003)床料质量Mass的变化量在标称值的5%范围内。suwwwm4)燃气温度Tgas的变化量在土1C范围内,30100200300且偏差尽可能小。表1输入量的限幅和限速( 绝对值)kg/s .输人限制(绝对值) MAX MIN_RATE/kg.s-1图3 0%负荷下正弦扰动测试输出排焦量Wahm3.500.2空气流量W.r20o1.0煤粉流量Woa4Q恒-φ画+场(01片石灰量w。0.02蒸汽流量W.6.042L互t LESO t2.3基准控制器与该基准问题- - 起发布的PI控制策略,采用系统的输出和参考输人;G,(s)一 被控对象;kp,k---了Asmar等[4]给出的控制结构,令100%负荷下线性状态误差控制器参数;b。-控制器中对系统输人增益 b的压力Psink发生阶跃扰动,利用Matlab环境下的估计;d---系统的外扰fmins函数对PI控制参数进行优化,获得3个PI图4二阶线性 自抗扰控制结构图控制器参数、1个P控制器参数和1个前馈参数。b-输入增益。其中一、二、四回路为PI控制器,三回路为P控制或器并对一回路有前馈作用。获得的控制系统在y =f+bou0%负荷下压力Psink发生正弦扰动时,煤气压力f=g+ (b-b.)u回路的响应范園超出了规定值,见图3。.式中f一系统总扰动。此时将b。对b的估计误差也看成扰动的一3 线性自抗扰控制LADRC包括线性扩张状态观测器(LESO)、部分。令x=y、xz=j,并且将f定义为系统的一扰动补偿、线性反馈控制律等结构。出于简单考个扩张状态,使x=f。假设f可微,定义h=x，虑,本文以二阶线性自抗扰控制器为例5]。则式(2)可以用状态空间表示为:[x1 =x2二阶线性自抗扰控制器控制系统框图如图42 =xz +b。u所示[161。(3)的=h假设G,(s)可被近似为-一个二阶模型,即中国煤化工y = g(t,y,jy,w) + bu(1)式中.系统不可测扰动;根据现信YHCNMHG值可通过g-一系统自身摄动和外部扰动的总影响;LESO得到:陈世和,等ALSTOM 气化炉的线性自抗扰控制0613pz =z +β.(y-z)析发现:系统未知的内部模型以及性能测试中强{江=z +βr(y-z) + bou(4)的外界扰动成为设计该模型控制方案的两大障碍。因此,一种能同时估计并消除系统内部和外i =β,(y-z|)式中么为巧一-y、jy f的估计值;B,B2,B.-一需要确界扰动的控制方法可能是一种很好的选择。所以,本文选择线性自抗扰控制器,将ALSTOM气定的LESO参数,控制估计值的准确性。化炉系统的总扰动看作系统的扩张状态,利用自由图4知,扰动补偿环节为:抗扰中的扩张状态观测器进行实时地估计,提出4o一到.(5)了两种ALSTOM气化炉系统的一阶线性自抗扰bo当LESO能够实现f=z;时,将式(5)代人式控制方案。(2),可得y≈uo,即控制系统被转换为两个积分4.1 - 路线性自抗扰控制方案考虑到基准控制方案只有在0%负荷下的正串联环节。线性反馈控制律为:uo =k,(r-z) -hgz .(6)弦扰动测试中,燃气压力超出了限幅。本文吸取.基准控制的经验,采用与基准控制一样的配对方将此式代人y≈u。可得系统的闭环方程:案,即利用空气流量控制燃气热值、蒸汽流量控制y+kjy +h,y = h,r(7)燃气压力、煤焦量控制温度以及进煤量控制床料。参数整定方面,本文采用文献[ 16]的方法:只用一阶线性自抗扰控制器代替蒸汽流量- -燃气可以证明, LESO和控制器的性能与其各自压力回路中的PI控制器,其他回路不变,具体控带宽有重要关系。为了方便参数整定,假设w。为.制框图见图5。LESO带宽,w。为控制器带宽。令式(4)和式(7)的特征多项式分别表示为w。和o。的形式:煤焦s' +βis2 +β2s+β,= (s+w。)'(8)◆温度ALSTOM山床料s +hys +k, = (s +o.)2(9)PI]V"气化炉-+燃气热值+压力此时整个控制系统仅剩下w。、w。和b。三个fo +LADRC 蒸汽、参数,整定规则为:正弦1)确定被控对象所需调节时间t,(假定已阶跃知)。2)令w。≈10/t, ,根据式( 10)计算参数k,、hs。.图5 ALSTOM气化炉自抗扰控制方案一3)令w. =4w.、h =4,由式(11)计算参数B、其中,LADRC有四个参数需要整定,分别为β2 β;。4)逐渐增大bo,直到系统动态性能指标满足Pg_ b0\、Pg_ β Pg. β2、Pg_ k。其他控制器采用原基准问题控制器参数。采用文[16]的参数整定方系统要求。法,得控制器参数见表2。kp = w。,ks = 2w.(10)表2 LADRC 控制器参数β = 3w。,B2 = 3w。,B3 = kB2(11)Pg_ b0Pg_β、PgB2Pg_kp式(11)中是依据被控对象的特性来确定的。一49598010100000.14般情况下,当t,>1 s时,令k=4。和基准控制方案相比,蒸汽流量-燃气压力回路采用一阶线性自抗扰控制器后,0%负荷工况4气化炉的线 性自抗扰控制正弦扰动下的燃气压力超限已经不存在,但是几通过以上文章分析,可以看到在规定的AL-乎已经达到限幅的上界,见图6和图7。并且,在SOTM气化炉的性能测试中,需要验证系统对燃此工况阶跃扰动下的燃气热值也几乎达到了限幅气透平阀门引起的压力扰动、变负荷跟踪以及煤的上界。这说明蒸汽流量-燃气压力和空气流量质量变化三个方面的扰动测试，其本质就是需要-燃气热值中国煤化工,若两路都验证设计的控制方案的抗扰动能力强弱。从对使用自抗扰MHCN MH G制效果。ALSTOM气化炉已有的控制方案以及其结构的分.2 两路线性自抗扰控制方案06142014 ,42(3)Disturbance Response: Outputs and Limits0.01.5F煤焦>温度ALSTOM床料; -0.01值+O+LADRC1|气化炉-燃气热值1002003000100200 300Ht压力+Q LADRC2- 热气.5|-0.5阶跃) 100 200 3000 100 200 300Disturbance Response: Inputs and Linits图8 ALSTOM 气化炉自抗扰控制方案二10r跃、正弦扰动下,各输出量都没有超限并且距输出限幅有足够的裕度。说明两路线性自抗扰控制方0100200300100 200 300案能够满足ALSTOM气化炉控制基准问题的要分10求,并有很好的控制效果。0100 2003005结论ts本文将线性自抗扰控制器应用于ALSTOM图6 0% 负荷阶跃扰动测试气化炉控制基准问题中。仿真结果表明,两路线Disturbance Response: Outputs and Limis性自抗扰控制方案有着比基准控制方案更好的抗宏0.5扰能力,更适合应用于此系统中,这是由LADRC0-s -0.01-独特的结构决定的。首先,LADRC有着独特的抵制扰动的结构。能够将ALSTOM气化炉中的扰动看作一个总的扰动变量实时估计并补偿。其次, LADRC可以将系统间的耦合看成扰动来处理,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图70% 负荷正弦扰动测试根据上节分析，将空气流量- -燃气热值回路的PI控制器也换成--阶线性自抗扰控制器,控制) 100200300%6”100200 300框图见图8 ,控制器参数见表3。表3 LADRC 控制器参数控制器. Pg_60PgβiPgPrPg_冒。200 300LADRC1- 82078025000. 261中国煤化工LADRC2495980100000. 24TYHCNMHG从测试曲线如图9和图10。0%负荷工况阶陈世和,等ALSTOM 气化炉的线性自抗扰控制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兰-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]魏静,刘晓玲,张 力,等. IGCC气化炉控制方案的仿0 10020030015真研究[J].热能动力工程, 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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