IGCC气化炉温度的预测控制

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:GCC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Shel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,因此对气化炉控制系统的研究具有重bined cycle,GCC)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。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一种非气一蒸汽联合循环,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。因此世界各国纷建立了C本文以$l气化炉为仿真对象,将广义预测控示范电站。我国已将IGCc技术的研究列入国家高制(CPC)应用于she气化炉的温度控制相比传统矿技术研究发展计划(83计划),在“十一五期间完的門D控制器,GPC响应速度快超调量小具有良名成多个示范项目。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laLL ld用善。而对于气化炉系统,由于涉及到许多复杂的化中国煤化工构学反应过程其是一个复杂的大系统对各种扰动都CNMHG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白己特定的化学反应温度,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研究与探讨于冲,GCC气化炉温度的预测制而煤气成分则决定了煤气的品质。从以上两点不难y(+)=G△(+-1)+Fy(+H△(-1)+E“w+)(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()=yT(2,△d=△nOT(2),7z)为选定的滤将气化炉温度控制在一定范围内,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(2)正常运行。1。多项式GFH1E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,T为气化炉的温度输T(2)=E(z)A(2)+ZF(Z)出。Gr物为被控对象传递函数,Grc和Gr-分别E(z)B(z)=G∠)7z+zH(2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he气化炉机理dgE-legf= max(na,nc-j I, degG÷- 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-1mb-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持氧气量和煤量的配比关系,即可将其对气化炉温=∑[+)÷y+)+∑△(+-1度的影响降低到最小。因此,本文采用水蒸气对气化炉温度控制,并就氧气变化量的扰动作用进行仿式中,M=1N=N△M+=Nm,M,其中N为输真出预测步长,Nu为控制时域长度,A为权重系数。定GT-Oh义向量Y,△U及YRY=(t+1),…,y(+MF△U=[△(),…,Au(t+N-1)Ye=y+),…,y+M图1气化炉的PID闭环控制系统则指标函数J为:文献[7中对She气化炉的主要动态响应过程J(Y-Y(Y-Y+λ△Ur·△U进行进一步分析,得出相关的传递函数使丿值最小的预测控制律为:△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为由多项式中各系数组成的矩阵。△U向量的第(128s+1(50s+1)个元素即为当前时刻的控制增量△(),当前时刻的控制作用u(0)为:a()=(-1)+△u()l2广义预测控制算法3仿真试验设被控对象的 CARIMA模型为:A(2)·△y()=B(z)·△n(-1)+C(z)u(将以上的广义预测控制方法(GPC)应用于对式中z为后移算子,△=1-Z表示差分算子,业0和shel气化炉的温度控制通过在线滚动优化对气化m0分别表示被控对象的输人和输出,m0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好关的随机序列信号。式中A(Z),B2),Cz)为设计参数为:采样周期取为T=001s,N=20,Mx=10,用A(z)=1+az+…+a2入=0.3B(z)=b+bz+…+bz出PID控制的效果中国煤化工C(z)=lte1z+…tn2本文设定为:KP=-5,期」根据(1)式,未来各步的最优输出预测y(+)=K直R在18时阶跃18·1,2,3…,为:上升,仿真时间为10s,系统仿真曲线如图2所示。于冲等、KGCC气化炉温度的预谢控制研究与探讨使得温度恢复到设定值,具有良好的控制品质。4结论本文采用广义预测控制算法(CPC)对 Shell气0000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制提供了一种较好的策略。图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李玮琦,张俊臣浅析IGCC技术及其发展趋势U电力PD控制,具有较好的控制效果。另外,为了检验学报,2007,22(2):32-36GPC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. Integraticof IGCC plants and reachable multi -objective thermo变化的扰动。在10s时,氧气量阶跃增加5%,仿真economic optimization [C] In: IEEE Intemational Conference20s,系统的仿真曲线如图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.IGCC气化站动态模型燃气轮机技术,2001,14(2):27-316]韦思亮,刘尚明,倪维斗.IGCC协调控制系统研究初步0.2燃气轮机技术200,13(3):19-27韦思亮,刘尚明,倪维斗.ICCC电站中气化炉控制系统研4161820究热能动力工程,2002,11(6:551-554.图3氧气量扰动响应曲线收稿日期:200-11-30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20010);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(BA20000Q些EeEE∈《《《《∈EE《G《《《≤∈GG《∈《《《E《《∈《G《《《∈∈∈∈∈∈《《《《∈∈∈c《《《《《《《《《《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:+440)2079013014会议时间:201034网址htp/www.bwea.com/marine/conference2010huml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. suchat@ bweaco会议时间:2010.39-11电话:+440)2079013015会议地会议联系人: Oliver Wragg联系人电子邮箱:owragg@bwea.com电话:EViu中国煤化工电话:+4400207901CNMHG电子邮科赞助联系人: Helen JonesFghe:http://www.wraconferences.com/2/4/articles/69.php电子邮箱:h.jones@bwea.com王效华)