ALSTOM气化炉的分散PID控制

第38卷第4期东南大学学报(自然科学版)Vol. 38 No.42008年7月JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition)July 2008ALSTOM气化炉的分散PID控制吴科吕剑虹向文国丁维明(东南大学能源与环境学院，南京210096)摘要:针对ALSTOM气化炉的非线性、多变量动态特性,提出了2种基于常规PID控制器的气化炉多变量控制方案.方案1首先通过相对增益矩阵分析法确定气化炉输入变量与输出变量之间的关联程度,然后确定多变量控制方案;而方案2是对国外学者提出的一种不能满足全部测试要求的方案的改进.对2种控制方案进行了详细的多工况仿真测试,测试结果表明:方案1只要在适当放宽煤量改变速率限制的情况下,不仅可以满足ALSTOM气化炉的基准测试要求,而且各项控制指标均优于方案2;方案2能严格满足各项基准测试要求,但系统总的动态控制品质逊于方案1.与许多复杂控制算法如模型预测控制不同,控制方案基于常规PID控制,便于工程实现,对工业应用具有更好的指导意义.关键词:自动控制技术;ALSTOM气化炉;非线性;多变量;PID控制器;分散控制中图分类号: TP273文献标识码: A文章编号: 1001 -0505 ( 2008 )04 0662-06Decentralized PID control for ALSTOM gasifierWu Ke Li JianhongXiang Wenguo Ding Weiming(School of Energy and Environment, Southeast University , Nanjing 210096, China)Abstract : According to the strong nonlinearity and multivariable characteristics of the ALSTOM gas-ifier, two multivariable conventional proportional-integral-derivative ( PID ) controller-based controlschemes are proposed. Scheme 1 is derived after the cross coupling is determined using relative gainarray analysis. Scheme 2 is an improvement upon the predecessor's work which could not meet allthe specifications. The extensive simulations on different operating points show that with the coalfeed constraint relaxed to some extent, scheme 1 can meet all the specifications of the benchmarkproblem, its control performance is better than that of scheme 2. And scheme 2 can strictly meet allthe specifications of the benchmark test but the performance is not as good as that of scheme 1. Un-like the previously proposed complex control algorithms( such as model predictive control) ，thesetwo schemes adopt the traditional PID control algorithm which can be easily implemented in practice，thus, providing better guidelines to the industrial applications.Key words: automatic control technique ; ALSTOM gasifer ; nonlinear ; multivariable; proportional-integral- derivative ( PID) controller; decentralized control整体煤气化联合循环(IGCC)作为一种高效究列人国家高技术研究发展计划(863计划),在的清洁燃煤发电技术正日益受到重视,已成为国内“十一五”期间将完成多个示范工程. IGCC主要工外的一个研究热点.国际上的- -些著名公司,如英艺过程是:在气化炉中煤(或其他含碳能源)、水蒸国BP公司、美国TEXACO公司.GE公司等都在汽和空气(或来自空气分离装置的氧气)在一定的进行煤炭联产集成系统的优化发展和适宜联产系温度和压力条件下经- - 系列复杂的化学反应过程，统的关键技术研究.我国也已经将IGCC技术的研转 换中国煤化工过净化后,送入燃.HCNMHG收稿日期: 2008-02-26.作者简介: 吴科(1981- ) ,男,博士生;日剑虹(联系人),男.得工,我仅,得士生于那Jjuu seu@ yahoo. com. cn.基金项目:国家高技术研究发展计划( 863计划)资助项日(2006AA05A107)、江苏省科技成果转化专项资金资助项目( BA2007008).引文格式:昊科,吕剑虹,向文国,等. ALSTOM气化炉的分散PID挖制[J].东南大学学报:自然科学版,2008 ,38(4) :662 -667.第4期吴科,等:ALSTOM气化炉的分散PID控制663气轮机燃烧做功,燃气轮机排出尾气进入余热锅炉般是通过调节螺旋给料机的转速(变频调速)来实产生蒸汽,蒸汽推动蒸汽轮机再帶动发电机发电，现的,放宽给煤量的速率限制条件意味着提高变频从而实现高效的整体联合循环".由于实现了能调速的响应速度,这在工程上是便于实现的,因此，量的梯级利用,因此整个发电系统具有较高的效方案1在工程上也是有效的控制方案.率,且较好地解决了常规燃煤电站的环境污染问1 ALSTOM 气化炉被控过程及控制题.在整个系统中,燃气轮机及蒸汽动力系统都已经在传统电站中得到广泛应用,其控制系统已比较要求完善;而气化炉部分是-个复杂的大滞后非线性高煤气化是IGCC最重要的核心技术之一,已投耦合系统,且对各种扰动的影响都很敏感,其相关人运行的IGCC装置大多采用了固定床、流化床、的控制理论和应用都不成熟.水煤浆或干煤粉气流床等先进的煤气化工艺[8],ALSTOM公司针对一个小规模IGCC示范电采用不同的煤气化工艺,气化炉的结构和运行方式厂建立了气化炉模型,该模型经过与现场的实测数等均有很大的不同.据校验,具有较高的准确度(2].由于气化炉是一个ALSTOM气化炉模型是根据一台87 MW空多变量高耦合、强非线性及对外界扰动十分敏感气气化流化床气化炉建立的.在该气化炉中,经过的系统,研究相关的控制策略已成为一个热点问处理的煤与-定比例的石灰石混合,与空气和水蒸题.为了设计出有效的气化炉控制系统,ALSTOM汽进入气化炉,在一定的温度和压力下进行复杂的公司针对此气化炉模型提出了基准测试问题，列出化学反应,产生低热值的煤气,煤灰、CaS以及未反了一系列基准测试项目和对应的系统约束条件,并应的碳作为灰渣排出.煤气化过程是一个复杂的热且认为只有满足各项基准测试要求的控制系统才化学反应，可以分为高温热解过程、煤焦的氧化反是有效的[3].针对此问题,文献[4]应用工程化的应和部分氧化反应和脱硫反应等部分.各种反应程方法,提出了多种输人、输出之间的匹配关系,采用度和速率受到煤种、温度、压力以及物料在炉内停PID调节器进行控制,但仿真表明所提出的4种多留时间.传热条件和温度历程等因素的影响.显然,变量PID控制系统均无法满足全部的基准测试要煤气化被控过程是一一个典型的多变量、大滞后、强，求.文献[5-7]分别采用预测控制、状态预测以及非线性及高灵敏的过程,在系统受到扰动或者工况自适应微分演化算法等高级控制策略对气化炉进变化时,系统动态特性会发生很大的变化,使得控行控制,满足了基准测试要求但由于控制算法十制系统难以获得良好的控制品质.分复杂,往往难以在分散控制系统DCS中实现.ALSTOM公司提出的气化炉模型被控过程有在实际的工业控制工程中,传统的PID控制5个输入变量(操纵变量),分别为:排渣量由于其设计思路简单直观且具有较好的鲁棒性而(WCHR,C.)、空气流量( WAIR,A)、给煤流量被广泛应用，如果能提出基于常规PID控制的气(WCOL,C)、水蒸汽流量( WSTM,S)及石灰石流化炉控制方案且能满足ALSTOM的基准测试要量(WLS,L,);4个输出变量(被控变量)分别为:求,则对工程应用更具价值.尽管文献[4]所提出煤气热值( CVGAS,C,)、床料质量( MASS,m)、气的4种PID控制方案都没有达到ALSTOM的基准化炉压力( PGAS,P)及温度(TGAS,T).由于人炉测试要求,但这并不表示基于常规PID的控制方的石灰石质量和煤粉质量是成比例的(1 :10),整案就无法对气化炉进行有效控制.本文针对ALS-个气化炉被控过程实质上是一一个4 x4的多变量对TOM气化炉的非线性、多变量动态特性,提出了2象.对于气化炉系统,主要的外界扰动来自于燃气种基于常规PID控制器的多变量气化炉控制方轮机工况的变化,因此,将燃气轮机的人口压力案.方案1首先通过相对增益矩阵分析法确定气化( PSINK)作为一个主要的外界扰动量.炉输入变量与输出变量之间的关联程度,然后确定ALSTOM公司建立了示范IGCC电厂气化炉多变量控制方案;而方案2是在前人控制方案的基的动态机理模型,为获得针对这一模型的有效控制础上改进获得.对这2种方案的基准测试结果表策略,ALSTOM公司提出了各种基准测试输人约明:第1种分散PID控制方案可以在放松给煤量约束及中国煤化工控制系统有效性束条件的前提下,满足基准测试要求，且具有很好的方CNMH G的控制品质;而第2种分散PID方案可以在满足全2气化炉的分 散PID控制部操纵变量限制条件的情况下满足基准测试所提出的各项要求.在工程上,进入气化炉的煤粉量一通过对ALSTOM气化炉模型在各个稳定工况第38卷东南大学学报(自然科学版)表1 100% 工况下相对增益矩阵分析点上的开环阶跃响应试验可以看出,作为一个化学反应过程,该过程是一个非线性、大惯性且高耦合RG/WCHR .WAIRWCOLWSTM的多变量系统，燃气轮机吸人口扰动对系统影响较CVGAS 0.2471-0.14540.46390.434 ;大.目前提出的各种高级控制策略虽然可以满足测MASS 0.77160.9670 0.1281 -0.0S900.0052 0.2137.0095PGAS -0. 0391试要求,但在工程上实现比较困难,本文遵循实际TGAS0.1703 0. 1942.0.6152控制系统设计的一般方法 ,参考被控系统的阶跃响根据相对增益矩阵分析的结果,可以得到方案应试验结果,采用工程化方法,提出2种传统的分1中操纵变量和被控变量之间的搭配关系:散PID控制方案对气化炉进行控制.1)煤气焓值由给煤量调节,煤量的改变影响2.1方案1产物可燃物质的成分,从而影响煤气的焓值;在工程上,需要对多变量系统的控制回路进行2)床料由排渣量来调节,排渣量的变化影响相互关联分析.以确定多变量控制系统中各变量之到总的物料平衡;间的关联程度,从而确定最佳的操纵变量-被控变3)煤气压力由空气量调节,空气量的变化可量搭配.相对增益矩阵( RGA)是其中最常用的分以快速改变煤气压力;析方法,通过该方法可以得到本文的控制方案1.4)煤气温度由蒸汽量调节,蒸汽量的变化可相对增益矩阵分析方法的基本原理是:对于一以快速改变气化炉系统的温度.个具有N个被控变量和N个操纵变量的多变量控通过在其他工况点上的相关性分析,同样可以制系统,输人u,对输出y,的相对增益可定义为获得相同的输入输出搭配关系.在方案1中还加(1)入了以下2个前馈作用:八=()/(部),1)空气量对给煤量的前馈作用，实际过程中式中,(8y,/au,).表示除u,以外其他回路都开环时要求空气量与给煤量保持- -定比例;u,对y,的增益;( ay,/u;),表示除y,以外其他回路2)排渣量对给煤量的前馈，给煤量与排渣量都闭环时以对y,的增益;相对增益入。描述了当其保持一定比例关系可以起到床料质量的粗调作用.他控制回路加入时对y.控制回路的影响程度，第1种分散PID控制方案原理图如图1所示.λy越接近1,则表明该控制回路受到其他回路的影响越小,反之则表明该回路受到其他回路的影响越大.在相对增益矩阵的每- -行( 或者列)中分别选取数值最大的元素.相应的输人输出配对关系即为最佳操纵变量-被控变量搭配同时,由于相对增益- Crc-是不同条件下2个增益的比值,因此是无量纲的，故不受单位和量纲的影响,对非线性也不敏感10].气相对增益矩阵的计算可以按照如下的简便方法进行:A =K.(K")T(2)t式中,K表示系统开环增益矩阵;“.”表示矩阵对应元素的相乘,即矩阵的Hadamard乘积在100%工况下,对系统4个输人分别做10%文水燕汽.排渣文指令阶跃增实验,通过系统响应曲线分析,可以得c-控制器;T -传感器;K- -增益到系统开环增益矩阵K,即圈1第1种气化炉分散PID控制方案14 328- 4623822239 - 54 09712.2 方案2-5743.9 - 1388.44692- 692.55. K=文献[4]中应用工程化的方法提出了多种传- 671.813 6641 406. 37562.9-228320.695 - 18.503 - 44.876统的中国煤化工钓方案均无法完(3)全满HCNMH(案4虽然不能完利用式(2) ,可以计算在100%工况下系统的全满足不任刘瓜安小，但加对Iu日,该控制方案的抗干扰能力最强.RCA,如表1所示.本文在文献[4.中方案4的基础上进行改进，第4期昊科,等:ALSTOM气化炉的分散PID控制665通过结构优化和参数调整,形成了本文的第2种分有输人死区、前馈、手自动切换、跟踪、幅值限制.速散PID控制方案.在该方案中, CVGAS由WAIR率限制以及抗积分饱和等功能,与实际应用中所采控制, MASS由WCOL控制, PGAS由WSTM控用的PID完全-致.制,TGAS由WCHR控制.在文献[4]基础上,本文3测试结果新增了排渣量对给煤量以及给煤量对空气量的前馈作用,调节器的参数也做了适当的调整，所提出将以上2种分散PID控制方案应用于ALS-的方案2如图2所示.TOM气化炉控制.应用工程整定方法对各回路PID进行初步整定,再通过在线调试,得到表2所示的调节器参数.仿真系统所采用的采样时间取为0.05 s.@四表2 2 种方案的调节器参数通道Kpτ烧值控制器CVC 0.00042 0. 120.00中煤床料控制器MC-0.0291 -4. 960. 00方案1压力控制器PC0.00063 7. 72MiC-@温度控制器TC-2.42 -246.3四四前馈控制器K10.495前馈控制器K2_1.33 .烟值控制器CVC -0.00013 -1. 252_排渣水蒸汽文0.0751 1 875.00.0016 3. 846C控制器;T- -传感器;K-增益方案25. 1256.3图2 第2种气化炉分散PID控制方案2. 10前馈控制器K21. 332.3 PID 算法的实现在以上的2种控制方案中,所采用的PID控制按照ALSTOM公司基准测试要求,对所设计算法如图3所示.的控制系统需进行基准测试:①在稳定工况下,进PV行燃机吸入口压力阶跃变化的扰动试验(规定变化幅度- 20 kPa);②稳定工况下,进行幅值为20kPa频率为0.04Hz的吸人口压力正弦波扰动试B。F_验;③以不超过5%/min变化率进行从50%工况F升至100%工况的变负荷试验.由于0%工况下被Kp,T.Tj公认为是最难以控制的工况,故吸人口的压力阶跃M/A_T__TRTR .扰动和正弦波扰动试验以在0%工况下试验结果。R为例.L3.1 0% 工况下吸入口压力阶跃扰动试验H/L根据基准测试要求,保持系统在0%工况点稳PID.' Out定运行30 s ,然后开始做吸入口压力为-20 kPa的图3 PID 控制器原理图阶跃扰动试验,试验持续时间为300 s.2种方案的该PID控制器采用增量式PID算法,基本的系统响应和控制作用的变化如图4所示.图4(a)中上下2条虚线表示允许的动态偏差算法为范围,只要被控变量落在这2条虚线之间则满足测(=(-1)+K(+号.会)<() -试要求;图4(b)中的2条虚线代表控制作用的幅2T值限制,控制作用不能超出该限制.需要指出的是,K。(1 +)e(k-1) +52e(k-2) (4)图45中国烧化工量变化率限制式中,u(k),u(k-1)为当前和上一时刻的PID输条件(王实际系统中比出;K,T,,Tg分别为比例增益.积分时间和微分时较容易THC NM H G到的，该限制条间;e(k),e(k-1),e(k-2)分别为当前时刻、上一件可以方 便地在实际应用中得到满足从图4可以时刻以及前2个时刻的PID入口偏差.该PID还具看出,在0%工况下进行的吸入口压力阶跃扰动试666东南大学学报(自然科学版).第38卷会Owwwwwδ2-100.5.5pE_010g0兰15 50" 100 1s200 250 3000 50100150200250 300(a)气化炉各输出变量响应个10器wwwww2000 250 3000501005200~250~ 300(b)气化炉各控制作用的变化一方案 1; ....方案2方案1; ....方案2图5 0%工况下压力正弦波扰动试验响应曲线图4 0% 工况下吸入口压力阶跃扰动时系统响应曲线100% T况下重复上述扰动试验,限于篇幅,本文未验中:给出系统响应曲线,3种不同工况下的试验数据如1)方案1可以在适当放宽给煤量限制条件的表3所示.其中方案1的数据是在放宽给煤量限制情况下满足基准测试要求,且各被控变量动态偏差的条件下得到的.从表3可以看出,3种工况点上，小，系统可以快速消除扰动,控制品质较好.当吸人口压力波动时2种方案均能满足要求.2)方案2可以在满足全部输人限制条件的情表33 种不同工况下吸入口压力扰动试验结果况下满足基准测试要求.阶跃扰动试验正弦波扰动试验通过比较可以看到,放宽给煤量限制条件后的输出最大绝(方案1/方案2)___ ( 方案1/方案2)方案1较方案2具有更好的控制品质.IAElAE对误差3.20%工况点上吸入口压力正弦波扰动试验CVGAS 2. 36/6.5526. 5/73.62. 15/4.92 395/836该试验严格按照ALSTOM基准测试要求,首100% MASS1. 92/37.41. 6/10.02负荷PGAS 0.03/0.04 0.29/0.24 0.016/0.064 0.9/1. 08.先保持系统在0%工况点稳定运行30 s,然后开始TGAS 0. 07/0.300.06/0. 36做吸入口压力幅值为20 kPa、频率为0.04 Hz的正CVGAS 2 99/7.65 25.67/88.7 2 79/5. 84460/9410% MASS 1. 85/44.32. 19/9.06弦波扰动试验,试验持续时间为300 s,2种方案下负荷PGAS 0.041/0.05 0.32/0.29 0.018/0.019 3.05/3.23系统响应和控制作用变化如图5所示.TGAS 0. 08/0.320. 065/0.68从图5可以看出,在0%工况下进行的压力正CVGAS 5.38/8.85 45.610.2002 4.60/8.55 828/119弦波扰动试验中,方案1可以在适当放宽给煤量速% MASS 1.52/33.76. 75/20.9负荷PGAS0.05/0.07 0.44/0.47 0.024/0. 0874. 40/7.3率限制的情况下满足基准测试要求，且各被控变量0.11/0.430.084/0. 86动态偏差很小，控制品质较好;而方案2可以在满3.3 50% ~ 100%工况变负荷试验足全部输人限制条件的情况下满足基准测试要求.本试验中,根据基准测试要求,需进行负荷通过比较可以看出,在该试验中,放宽给煤量中国煤化工;0%工况点稳定运限制条件后的方案1较方案2具有更好的控制品行}YHCNMH G至100%工况变质,快速的给煤量响应可以有效提高控制品质,此负荷试验,贝何攻疋但安化平取为5%/min,试验结论对气化炉给料系统的设计有指导意义.持续时间为5 000 s.两种控制方案下系统响应和控根据基准测试的要求,需要在0%, 50%，第4期昊科,等:ALSTOM气化炉的分散PID控制667制作用变化如图6所示.件下,满足基准测试的全部要求.3)2种传统方案均采用了与工程应用中完全-致的分散PID控制算法,证明传统方案也可以号:5.0应用于气化炉的控制,从而为气化炉的现场控制提心54.0供了指导.E 10-4)提高给煤量的响应速度,是取得较高控制品质的关键,因此在气化炉给料系统设备选型中,。2.0应选用调节范围大且响应快的煤量调节方式.参考文献( References)21.15010203040508080[1] Ye Zhengmao, Mohamadian H P, Ye Yongmao. 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Predicive control1)控制方案2使气化炉的负荷、煤气热值、煤for the ALSTOM gasifier problem[J]. IEE Proc Con-trol Theory Appl, 2006, 153(3): 293 -301.气压力及煤气温度很好地跟踪期望值的变化,但床[6] WilsonJ A, Chew M, Jones W E, et al. State estima-料质量动态偏差较大,且需要经过较长一-段时间才tion based control of a gasifier [J]. IEE Proc Control能回复到原来值,但最大动态偏差仍在可接受的范Theory Appl, 2006, 153(3): 268 -276.围内,这种现象在其他学者提出的方案中也存在.[7] Nobakhti A, Wang H. A simple self adaptive dfferenti-al evolution algorithm with application on the ALSTOM2)控制方案1可以使负荷、床料质量、煤气压gasifier[J]. Applied Soft Computing , 2008, 8(1): 350力及煤气温度很好地跟踪期望值的变化,而煤气焓值在变负荷过程中则与期望值产生了一定的偏差，[8] 史本天,郭新生,刘英萍,等. IGCC发电系统中煤气.化工艺的选择[J].燃气轮机技术, 2006, 19(1):21但是这种偏差可以在变负荷过程结束后被迅速地消除，总体的控制品质较好.Shi Bentian, Guo Xinsheng, Liu Yingping, et al. Selec~-tion of coal gasifier technology for IGCC power genera-4结论tion system [J]. Gas Turbine Technology, 2006, 19(1):21 - 25. ( in Chinese)1)方案1最直观,容易被人接受,在放松给煤[9] Dixon R. Alstom benchmark challenge I on gasifier量限制条件的情况下可以满足测试要求且具有更control[J]. 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