聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)煤氣化過程的建模和控制研究.pdf

1、煤基多聯(lián)產(chǎn)是建立在煤炭氣化基礎(chǔ)上的，以發(fā)電、車用燃料和化學(xué)品合成為主要內(nèi)容的先進(jìn)煤炭能源利用方式，是提高煤炭利用效率并減少煤炭直接燃燒帶來的污染排放問題的重要途徑之一。作為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，煤氣化過程由于涉及眾多復(fù)雜的物理化學(xué)過程，是一個(gè)高度非線性、強(qiáng)耦合且對(duì)外界擾動(dòng)敏感的多變量系統(tǒng)。如何設(shè)計(jì)和應(yīng)用有效的控制系統(tǒng)，保證煤氣化過程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是目前需要解決的一個(gè)難題。本文采用多種方法對(duì)煤氣化過程進(jìn)行了建模和控制研究，主要研究成果包括以

2、下幾點(diǎn)：
　　 ①以ALSTOM能源中心ABGC氣化爐為過程對(duì)象，采用工程化方法建立了傳遞函數(shù)模型，并針對(duì)其非線性、多變量動(dòng)態(tài)特性，提出了兩種基于常規(guī)PID控制器的煤氣化過程分散PID控制方案。方案1首先通過相對(duì)增益矩陣分析法確定氣化爐輸入變量與輸出變量之間的關(guān)聯(lián)程度，然后確定多變量控制方案；方案2是對(duì)國外學(xué)者提出的一種不能滿足全部測(cè)試要求的方案的改進(jìn)。對(duì)兩種控制方案進(jìn)行了詳細(xì)的多工況仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：方案1只要在適當(dāng)放寬

3、煤量改變速率限制的情況下，不僅可以滿足ALSTOM氣化爐的基準(zhǔn)測(cè)試要求，而且各項(xiàng)控制指標(biāo)均優(yōu)于方案2；方案2能嚴(yán)格滿足各項(xiàng)基準(zhǔn)測(cè)試要求，但系統(tǒng)總的動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)遜于方案1。與許多復(fù)雜控制算法（例如模型預(yù)測(cè)控制）不同，控制方案基于常規(guī)PID控制，便于工程實(shí)現(xiàn)，對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有更好的指導(dǎo)意義，也為其他先進(jìn)控制策略的實(shí)施創(chuàng)造了條件；
　　 ②考慮到我國煤種的多樣性，針對(duì)氣化爐實(shí)際運(yùn)行過程中煤種多變的情況，提出了一種基于在線煤質(zhì)檢測(cè)技術(shù)的煤

4、氣化過程控制方案。該方案根據(jù)在線煤質(zhì)檢測(cè)裝置采集到的實(shí)時(shí)煤質(zhì)信號(hào)，結(jié)合所提出的煤質(zhì)傳遞模型，通過運(yùn)算得到煤質(zhì)改變情況下相應(yīng)的控制作用增量，疊加到原有的氣化爐分散PID控制方案中，增強(qiáng)控制系統(tǒng)對(duì)入爐煤質(zhì)變化的適應(yīng)性，從而提高控制系統(tǒng)品質(zhì)。對(duì)ALSTOM氣化爐基準(zhǔn)測(cè)試問題的計(jì)算結(jié)果表明，基于準(zhǔn)確煤質(zhì)信號(hào)及相應(yīng)煤質(zhì)傳遞模型的控制方案具有良好的控制品質(zhì)，可以為入爐煤種、煤質(zhì)多變的煤氣化過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考：
　　 ③盡管分散的PI

5、D控制方案易于工程實(shí)現(xiàn)，但一方面控制性能不如先進(jìn)的控制方法如預(yù)測(cè)控制優(yōu)良，另一方面，PID的設(shè)計(jì)往往基于局部的線性模型，對(duì)于具有復(fù)雜非線性特性的煤氣化過程，在整個(gè)全工況的范圍內(nèi)，PID控制往往難以具有優(yōu)良自適應(yīng)能力，無法保證控制系統(tǒng)的全局最優(yōu)。因此，論文在提出了分散PID控制方案后，又進(jìn)一步提出了一種新型的基于過程全局非線性模型的模糊增益調(diào)度預(yù)測(cè)控制方法，該方法首先采用子空間辨識(shí)建模方法，建立煤氣化過程在各個(gè)穩(wěn)定負(fù)荷點(diǎn)上的狀態(tài)空間模型，

6、然后基于模糊推理方法和模糊增益調(diào)度技術(shù)，將多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)上的線性模型組合成為全局非線性模糊模型，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用預(yù)測(cè)控制技術(shù)，提出了具有全局優(yōu)化功能的非線性模糊增益調(diào)度預(yù)測(cè)控制方法，并應(yīng)用于煤氣化過程的多變量非線性優(yōu)化控制。各種工況下的計(jì)算表明：即使在各個(gè)輸入受到所規(guī)定的約束條件下，控制系統(tǒng)在全工況范圍內(nèi)均能滿足基準(zhǔn)測(cè)試要求，具有良好的控制品質(zhì)，從而為氣化爐的全局優(yōu)化控制提供了一個(gè)新方法；
　　 ④在所提出的煤氣化過程分散PID控制

7、系統(tǒng)或預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中，許多參數(shù)的選擇并沒有非常明確的準(zhǔn)則，很多情況下根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及試湊的方法進(jìn)行調(diào)整，很難使控制系統(tǒng)的性能最優(yōu)。為提高控制系統(tǒng)性能，論文研究了采用優(yōu)化算法對(duì)控制器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的方法，論文首先改進(jìn)了常規(guī)的微分進(jìn)化優(yōu)化算法，克服了常規(guī)微分進(jìn)化算法對(duì)自身控制參數(shù)敏感的缺陷，而后將改進(jìn)的優(yōu)化算法應(yīng)用于煤氣化分散PID控制系統(tǒng)和預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，通過計(jì)算表明，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，可以提高原有控制系統(tǒng)的品質(zhì)，并可獲得控制器的

8、初值參數(shù)；
　　 ⑤基于常規(guī)PID策略的氣化爐控制系統(tǒng)，雖然在工程上容易實(shí)施，但PID算法只是根據(jù)當(dāng)前和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的設(shè)定值與被控變量之間的偏差進(jìn)行計(jì)算，控制策略沒有預(yù)測(cè)功能，不利于對(duì)具有大滯后特性的氣化過程進(jìn)行有效控制；而模型預(yù)測(cè)控制(MPC)是根據(jù)過程輸出在未來一段時(shí)間內(nèi)的變化進(jìn)行控制，特別適合于氣化過程的控制，但MPC算法復(fù)雜，工程上實(shí)現(xiàn)比較困難。因此，本文將傳統(tǒng)的PID控制策略與MPC技術(shù)有機(jī)地融合起來，充分發(fā)揮各自的

9、優(yōu)點(diǎn)，首次提出了性能優(yōu)良又易于實(shí)現(xiàn)的預(yù)測(cè)型PID控制算法，該控制算法在算法結(jié)構(gòu)上基本相同于傳統(tǒng)的PID，但它具有MPC的預(yù)測(cè)功能，并利用未來第L個(gè)采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)輸出進(jìn)行控制，從而可提前L個(gè)采樣周期改變控制作用。通過將該控制算法應(yīng)用于大滯后煤氣化過程的控制，控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)方便，而且性能優(yōu)良，完全滿足煤氣化過程基準(zhǔn)測(cè)試的各項(xiàng)品質(zhì)要求；
　　 ⑥考慮到煤氣化過程具有強(qiáng)的非線性和不確定性特點(diǎn)，論文通過對(duì)傳統(tǒng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)，提出了一

10、種面向控制的補(bǔ)償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建模精度高的特點(diǎn)，而且可以方便地與各種基于模型的高級(jí)控制算法自然融合并設(shè)計(jì)控制器。在建立了煤氣化過程的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后，論文進(jìn)一步將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的后件轉(zhuǎn)化為非最小狀態(tài)空間模型，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)空間模型預(yù)測(cè)控制器，通過應(yīng)用于煤氣化過程的控制，控制系統(tǒng)較好地滿足了基準(zhǔn)測(cè)試的各項(xiàng)品質(zhì)要求；
　　 ⑦針對(duì)IGCC電站的實(shí)際需求，分析了IGCC電站的控制目標(biāo)和