IGCC气化炉温度的预测控制

研究与探讨IGCC气化炉温度的预测控制于冲,目剑虹,邱腾飞(东南大学能源与环境学院，南京210096)摘要:ICCC气化炉中的温度控制是保证气化炉正常运行的重要条件。文中对Shell气化炉,设计了广义预测控制器(GPC)对气化炉温度进行控制,并与传统的PID控制策略进行了比较。仿真结果表明GPC控制器具有良好的设定值跟踪能力和抗干扰能力。关键词:气化炉;温度;广义预测控制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中图分类号:TK175文献标志码:A 文章编号 :1001-5523( 2010)01-17-03整体煤气化联合循环(Integrated Gasification不甚理想网，因此,对气化炉控制系统的研究具有重Combined Cycle,ICCC)发电技术是将煤气化技术和要意义。高效的联合循环相结合的先进动力系统,以其污染广义预测控制(Generalized Predictive Control,小效率高等优点,自产生以来就备受关注。IGCC的GPC)是在自适应控制研究的基础上发展起来的一主要工艺过程如下:煤粉经过气化成为中低热值煤类预测控制算法,由Clarke 等人在保持最小方差自气,经过净化,除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘校正的模型预测、最小方差控制、在线辨识等原理的等污染物，变为清洁的气体燃料,然后送入燃气轮基础上,汲取了DMC .MAC中的多步预测优化策略机燃烧做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给而提出的明。广义预测控制以其模型参数少、鲁棒性水,产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。由于采用燃强和稳定性好等优点，已经成为工业过程中- -种非气-蒸汽联合循环,大大地提高了能源的综合利用常重要的控制策略,在冶金、石油、化工、电力等领域率和整个发电系统的效率,更重要的是较好地解决得到了广泛的应用",并取得了良好的控制效果。了污染环境问题。因此,世界各国纷纷建立了ICCC本文以Shell气化炉为仿真对象,将广义预测控示范电站。我国已将ICC技术的研究列人国家高制(GPC)应用于Shell气化炉的温度控制。相比传统技术研究发展计划(863计划),在“十一五”期间完的PID控制器,GPC响应速度快，超调量小,具有良成多个示范项目。在整个系统中,燃气轮机及蒸汽好的控制效果。动力系统都已得到广泛应用.其控制系统已比较完1Shell气化炉的系统结构用善。而对于气化炉系统,由于涉及到许多复杂的化学反应过程,其是-一个复杂的大系统,对各种扰动都在气化炉中,煤的气化要经历很多复杂的化学第非常敏感,与其相关的控制理论和应用还不成熟,致反应,这些化学反应都有自己特定的化学反应温度，期使其比投资费用和发电成本还比较高,可利用率还同时,温度是煤气化后得到煤气成分的决定性因素，" 17●于冲等，IGCC气化炉温度的预测控制研究与探讨而煤气成分则决定了煤气的品质。从以上两点不难y(+;)=G; Ou(+j-1)+F* y()+H (rl(-1)+E*"w(t+) (2)看出温度控制对于煤气化过程的重要性,因此,必须式中y()=y()VT(Z ),Au/=Qu(t)/T(2 ),T(Z )为选定的滤将气化炉温度控制在- -定范围内,以确保气化炉的波器多项式,在很多情况下可直接取为T(Z )=C(Z")正常运行。=1。多项式C,F,H,E,可通过如下Diophantine方程气化炉温度的PID闭环控制系统如图1所获得:示。图中R为温度设定值,r为气化炉的温度输T(Z)=E(Z )'A(Z ')Q+Z'F(Z)出。GrHp为被控对象传递函数,GT c和G-q分别E;(Z).B(Z ")=C{Z ). T(Z )+ZH(Z")(3)为电站负荷变化时,煤和氧气变化量对被控对象的式中,各多项式的最高阶次分别为:扰动作用。根据文献[5]中建立的Shell气化炉机理degE;=j-1,degF;= max{na,nc rj ),degG =j-1,degH;=模型,结合其对气化炉的相关参数动态变化趋势的max{nc- -1,nb-1 },分析可知,氧气量和煤量对气化炉温度的动态影响若性能指标取二次型函数,则基本呈相反的趋势。在气化炉温度控制系统中若保NVy持氧气量和煤量的配比关系,即可将其对气化炉温卜= Ebvt+)-xy(t +λ E[u(t+j-1)](4)度的影响降低到最小。因此，本文采用水蒸气对气式中,N=1,N=N,Au(+)=fjNu**.M,其中N为输化炉温度控制,并就氧气变化量的扰动作用进行仿出预测步长,Nu为控制时域长度,λ为权重系数。定真。CGT-O]义向量Y,QU及YR:- 保[Gro+(+),".,y(+M)]"AQU-=Qu),., Qu(t+Nu-1)]"yar(=+(1),.. ,r(+M)]"则指标函数J为:图1气化炉的PID闭环控制系统文献[7]中对Shell气化炉的主要动态响应过程J=(Y-Yw)(Y-Y)+XQUT. 0U(5)进行进-步分析,得出相关的传递函数:使J值最小的预测控制律为: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为由多项式中各系数组成的矩阵。QU向量的第一Gra= (128+1)(503+1)个元素即为当前时刻的控制增量Au(),当前时刻的控制作用u()为:u()=u(t-1)+4u()。2广义预测控制算法3仿真试验能设被控对象的CARIMA模型为:A(Z). Ay()=B(Z ). Au(t-1)+C(2 )*w()(1)将以上的广义预测控制方法(CPC)应用于式中z|为后移算子,0=1-Z1表示差分算子,u ()和Shell 气化炉的温度控制，通过在线滚动优化对气化w()分别表示被控对象的输人和输出,w(t)为互不相炉模型进行优化控制。经过在线调整,预测控制器的关的随机序列信号。式中A(Z ),B(Z'),C(Z)为:设计参数为:采样周期取为Ts=0.01s,N=20,Nu=10, .用_A(Z)=1+a+*+..+.Z”"λ=0.3。.B(2)=b+6+*+.+b.Zz*为了对比GPC控制与传统PID控制的效果，C(2)=+2+.*+cmZ"本文中PID的控制器中的参数设定为:KP=-5,根据(1)式,未来各步的最优输出预测y(+)j=KI--10,KD=0。首先使温度设定值R在1 g时阶跃, 18. 1,2.,.,为:上升,仿真时间为10 8,系统仿真曲线如图2所示。于冲等.IGCC气化炉温度的预测控制研究与探讨1使得温度恢复到设定值,具有良好的控制品质。.... PID1.24结论0.8本文采用广义预测控制算法(GPC)对Shell气0.6-化炉的温度进行了控制,并与传统的PID控制策略进行了比较。仿真结果表明GPC控制器可以取得更好的控制效果,满足了系统调节的快速性稳定性、准确性以及抗干扰性要求，从而为气化炉的温度控立145678910制提供了- -种较好的策略。圈2系统仿真曲线对比由图中的仿真曲线可以看出,GPC控制器使得参考文献: .系统在过度时间、超调量等指标上均优于传统的[1]李玮琦，张俊臣.浅析ICCC技术及其发展趋势[J]电力PID控制，具有较好的控制效果。另外,为了检验学报,2007 ,22 (2):32- -36.GPC控制系统的抗干扰性,在系统中加入了氧气量[2] Zhengmao Ye, Mohamadian H P, Yongmao Ye. Integrationof IGCC plants and reachable muli -objective thermo变化的扰动。在10 s时,氧气量阶跃增加5%,仿真economic optimization [C]. In:IEEE Intemational Conference20 8,系统的仿真曲线如图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]席裕庚广义预测控制系统的闭环分析[].控制理论与应用,1991,8 (4) :419 -424.[5]刘尚明,王陪勇,韦思亮,等. ICCC气化站动态模型U.燃0.气轮机技术, 2001,14(2): 27-31.[6]韦思亮，刘尚明，倪维斗. ICCC协调控制系统研究初步[n.燃气轮机技术,2000.13 (3) :19- 22.[7] 韦思亮,刘尚明,倪维斗. ICCC电站中气化炉控制系统研02468012146820究[J]. 热能动力工程, 2002, 11 (6) :551 -554.圈3氧气扰动晌应曲线收稿日期:2009-11-30由仿真曲线可以看出,氧气量阶跃上升后,GPC基金项目:国家863高技术基金资助项目(2006AA05A107);控制器能很快地对系统进行调节,消除扰动的影响，江苏省科技成果转化专项资金资助项目(BA2007008)国际能源环保汇展信息2010年英国风能协会波浪能和潮汐能学术讨论会电话:+44 (0)20 7901 3014会议时间:2010.3.4网址:t://www.bwa.com/marinelconference2010.htmnl会议地点:英国伦敦展览联系人:Veronika Sucha第11届欧洲燃料学术交流年会电子邮箱: v.sucha@hwea.com会议时间:2010.3.9- -11用电话: +44 (0)20 7901 3015会议地点:法国巴黎会议联系人:Oliver Wragg联系人:Gustavo Favarn电子邮箱: o.wragg@bwea.com电话: +44 (0)207 0671800年第电话:+44 (0)20 7901 3000电子邮箱: g_favaron@theenergyexchange.co.uk赞助联系人:Helen Jones网::/wwwacorerene.como/2/ricle/6.php电子邮箱: h.jons@bwea.com(王效华), 19.