给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质

技术领域

本发明涉及热工自动控制技术领域，具体地，涉及一种基于多变量复合平衡控制的给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质。

背景技术

热电厂并列运行锅炉给水通常采取的是给水泵并列母管制运行模式。在整个母管制给水系统中，锅炉给水母管的压力是最重要的参数之一，必须维持在所希望的数值。若母管给水压力太低，可能会造成锅炉断水的严重事故；而若给水压力太高，则给泵的电流会大大增加，给泵的电耗明显增加。目前热电厂给水母管压力控制中往往存在自动投入率低、母管压力波动大，以及母管压力定值设置不合理，造成厂用电率高等问题。因此，同时从提高参数调节品质和节能降耗两个方面入手，研究开发给水母管压力优化控制系统，对于进一步提高并列运行机组的安全性和经济性都具有重要意义。

热电厂母管制锅炉给水系统，在实际工程设计与应用中，为了保证负荷最大时给水泵系统满足输出要求，通常需要按系统的最大输出能力配备给水泵系统，而真正使用中，绝大多数情况下并非需要系统在满负荷下使用，而是根据负载的实际需要，通过流量控制元件如阀门或通过调速改造等实现流量和/或压力控制，以满足生产过程的需要。目前，为了实现给水系统节能，基本上都采用设置部分调速泵等方式，实现系统负荷或压力的调整。给水母管压力无法投入自动控制，只能通过手动操作来维持压力，给水母管压力降压设定值存在一定的盲目性，运行人员手动操作强度大，操作人员全凭经验进行，极易出现超调、欠调、调节不及时等现象，导致给水母管压力控制质量差，不利于各给水泵的安全可靠运行及对各台锅炉汽包水位的调整，从而影响锅炉、汽机的安全、经济运行。

国内针对该问题已经开展了部分工作。部分研究给出一种给水母管压力的变增益调节方法，但未考虑给泵运行组合方式和给水母管压力定值的优化问题；另有部分研究虽然对热电厂给水系统的节能问题进行了分析，但未能给出对给水系统进行优化的具体方法，也没有实现与控制系统的结合。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于多变量复合平衡控制的给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质，将锅炉给水母管系统的多台调速泵作为多输入多输出，实现多变量被控对象的优化控制。

根据本发明的一个方面，提供了一种给水母管压力优化控制方法，包括：

获取锅炉总符合，根据所述锅炉总负荷，获得锅炉总给水量需求；

根据所述锅炉总给水量需求，通过压力定值及组合方式的优化算法，获得给水母管压力最优定值及定速给水泵与调速给水泵的最优组合运行方式；

在所述最优组合运行方式下，根据所述给水母管压力最优定值，通过多变量复合平衡控制算法，调整任意一个或任意多个调速泵耦合器开度，自动控制给水母管压力；

将所述给水母管压力和所述调速泵耦合器开度控制量分别反馈至所述多变量复合平衡控制算法，滚动优化对给水母管压力的控制。

优选地，所述根据所述锅炉总负荷，获得锅炉总给水量需求，包括：

获取N台调速泵的运行参数，得到每一台调速泵的安全运行区间以及各参数之间的关系；

根据所述调速泵的安全运行区间内各参数之间的关系，得到锅炉总给水量需求。

优选地，所述压力定值的优化算法，以调速泵最低总耗电量为优化目标，则，所述优化目标表示为：

s.t.N

Q

式中，J

优选地，所述组合方式的优化算法，包括：

降低当前给水母管压力，获得N台调速泵的调整裕量，进而控制其中任意一台或任意多台调速泵停运。

优选地，所述降低当前给水母管压力，获得N台调速泵的调整裕量，进而控制其中任意一台或任意多台调速泵停运，包括：

降低当前给水母管压力，获得相应时刻各台定速泵增加的流量以及调速泵具有的调整裕量；

根据所述各台定速泵增加的流量以及调速泵具有的调整裕量，获得当前调速泵总裕量以及调速泵总裕量与定速泵出口压力下降时的裕量之和，判断可以停运的调速泵，得到调速泵最优组合。

优选地，在当前给水母管压力下，分别下降0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa。

优选地，所述多变量复合平衡控制算法，采用状态空间预测控制算法；其中：

所述状态空间预测控制算法的目标函数如下所示：

式中，J为厂调速泵总耗电量，N

优选地，所述调速泵耦合器开度控制量，采用Kalman滤波器估计所述调速泵耦合器开度，并利用所述给水母管压力，在每一个控制周期对状态空间预测控制算法的目标函数进行滚动优化，获得调速泵耦合器开度控制量。

根据本发明的另一个方面，提供了一种给水母管压力优化控制系统，包括：

参数获取模块，该模块获取锅炉总符合，并根据所述锅炉总负荷，获得锅炉总给水量需求；；

压力定值及组合方式优化模块，该模块根据所述锅炉总给水量需求，通过压力定值及组合方式的优化算法，获得给水母管压力最优定值及定速给水泵与调速给水泵的最优组合运行方式；

多变量复合平衡控制模块，该模块在所述最优组合运行方式下，根据所述给水母管压力最优定值，通过多变量复合平衡控制算法，调整任意一个或任意多个调速泵耦合器开度，自动控制给水母管压力；

反馈优化模块，该模块将所述给水母管压力和所述调速泵耦合器开度控制量分别反馈至所述多变量复合平衡控制算法，滚动优化对给水母管压力的控制。

根据本发明的第三个方面，提供了一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行上述任一项所述的方法。

根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行上述任一项所述的方法。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

本发明提供的给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质，可以有效处理多变量控制问题。

本发明提供的给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质，通过状态扩增并利用Kalman滤波器进行状态估计，可以有效消除建模无差和不可测扰动对母管压力控制效果的影响。

本发明提供的给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质，通过建立锅炉总负荷变化对给水母管压力影响的前馈预测模型，可以实现对前馈控制作用的优化，使变负荷情况下母管压力更加稳定，实现同时多台调速泵同时自动控制的要求，解决抢负荷的波动现象。

本发明提供的给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质，在保证锅炉给水母管压力降压运行前提下，改善系统控制品质，降低系统运行成本，促进系统经济环保地运行。

本发明提供的给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质，潜在市场非常广阔，社会需求量非常大，值得推广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中给水母管压力优化控制方法的流程图。

图2为本发明一优选实施例中给水母管压力优化控制方法的控制原理图。

图3为本发明一优选实施例中锅炉降负荷时给水母管系统自动调整历史曲线图。

图4为本发明一实施例中中给水母管压力优化控制系统的组成结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提供的给水母管压力优化控制方法的流程图。

如图1所示，该实施例提供的给水母管压力优化控制方法，可以包括如下步骤：

S100，获取锅炉总负荷，根据锅炉总负荷，获得锅炉总给水量需求；

S200，根据锅炉总给水量需求，通过压力定值及组合方式的优化算法，获得给水母管压力最优定值及定速给水泵与调速给水泵的最优组合运行方式；

S300，在最优组合运行方式下，根据给水母管压力最优定值，通过多变量复合平衡控制算法，调整任意一个或任意多个调速泵耦合器开度，自动控制给水母管压力；

S400，将给水母管压力和调速泵耦合器开度控制量分别反馈至多变量复合平衡控制算法，滚动优化对给水母管压力的控制。

在该实施例的S100中，作为一优选实施例，根据锅炉总负荷，获得锅炉总给水量需求，包括：

S101，获取N台调速泵的运行参数，得到每一台调速泵的安全运行区间以及各参数之间的关系；

S102，根据调速泵的安全运行区间内各参数之间的关系，得到得到锅炉总给水量需求；

在该实施例的S101中，作为一优选实施例，运行参数包括：耦合器开度、电机电流、母管压力和/或给泵出口压力。

在该实施例的S200中，作为一优选实施例，压力定值的优化算法，以调速泵最低总耗电量为优化目标，则，优化目标表示为：

s.t.N

Q

式中，J

在该实施例的S200中，作为一优选实施例，组合方式的优化算法，包括：

降低当前给水母管压力，获得N台调速泵的调整裕量，进而控制其中任意一台或任意多台调速泵停运。

在一优选实施例中，降低当前给水母管压力，获得N台调速泵的调整裕量，进而控制其中任意一台或任意多台调速泵停运，包括：

降低当前给水母管压力，获得相应时刻各台定速泵增加的流量以及调速泵具有的调整裕量；

根据各台定速泵增加的流量以及调速泵具有的调整裕量，获得当前调速泵总裕量以及调速泵总裕量与定速泵出口压力下降时的裕量之和，判断可以停运的调速泵，得到调速泵最优组合。

在一具体应用实例中，在当前给水母管压力下，分别下降0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa。

在该实施例的S300中，作为一优选实施例，多变量复合平衡控制算法，采用状态空间预测控制算法；其中：

状态空间预测控制算法的目标函数如下所示：

式中，J为厂调速泵总耗电量，N

在一优选实施例中，调速泵耦合器开度控制量，采用Kalman滤波器估计调速泵耦合器开度，并利用给水母管压力，在每一个控制周期对状态空间预测控制算法的目标函数进行滚动优化，获得调速泵耦合器开度控制量。

该实施例提供的基于多变量复合平衡控制的给水母管压力优化控制方法，将锅炉给水母管系统的多台调速泵做为多输入多输出的多变量被控对象，首先根据锅炉总负荷对给水流量的要求，利用给水母管压力定值及运行组合方式优化算法，并以最低给泵总耗电量为目标对母管压力定值进行优化，在此基础上，采用多变量复合平衡协调控制策略同时控制N台调速泵的转速，以维持给水母管压力的稳定。

该实施例提供的基于多变量复合平衡控制的给水母管压力优化控制方法，为及时消除各种扰动对给水母管压力的影响，采用状态空间预测控制算法构成多变量复合平衡协调控制器的核心：(1)该状态空间预测控制算法可以有效处理多变量控制问题；(2)通过状态扩增并利用Kalman滤波器进行状态估计，可以有效消除建模无差和不可测扰动对母管压力控制效果的影响；(3)通过建立锅炉总负荷N

该实施例提供的基于多变量复合平衡控制的给水母管压力优化控制方法，首先根据锅炉总负荷对给水流量的要求，利用给水母管压力定值及运行组合方式优化算法，并以最低给泵总耗电量为目标对母管压力定值进行优化；在此基础上，采用多变量复合平衡协调控制策略同时控制N台调速泵的转速，以维持给水母管压力的稳定。

在该实施例的部分实施例中：

状态空间预测控制算法的目标函数如式(1)所示：

式中，J为预测控制的性能指标(即厂调速泵总耗电量)，N

将锅炉总负荷作为控制系统前馈信号。

采用多变量复合平衡控制算法，将N台调速泵共CN种组合状态融为一个复合控制模块中，既能单独设置每台给泵的控制参数，又能实现投入自动的给泵的任意组合，能够实现给泵调速功能的最优组合，切实减少给泵耗电量。

采用多变量复合平衡控制算法，实现N台给泵控制指令增量输出，克服给泵不同开度区间特性不同的缺点。

采用给泵快速响应控制，即在锅炉增减负荷时，若一台给泵耦合器开度达到上下限，则其余投入自动的给泵立即启用快速响应功能，加快调节，保持给水母管压力稳定。

获取锅炉总负荷，获得锅炉总给水量需求，优化给水母管压力定值及定速泵与调速泵组合运行方式，实现了“给水母管压力协调控制”自动运行，并滚动对给泵运行组合方式及母管压力定值进行优化，实现进一步节能降耗。目前母管制给水泵系统运行和操作的水平还比较低，尤其是在母管压力定值(运行红线)的确定以及给泵运行方式优化组合方面通常是按运行经验确定，存在较大偏差，不利于给水系统节能降耗运行。

降低给水母管压力定值，既要保证锅炉运行安全，同时要降低给泵耗电量。降压运行总体上肯定是节能的，但降压多少不是与节能效果成正比的；随着泵出口压力的降低，较额定出口压力的偏差增大，出口流量增大，泵的工作点也将偏移，泵的自身效率随之降低，会消耗一部分节能量；因此泵的选型不宜过大，偏离实际运行工况。给水母管压力降压红线最优值的确定是以厂给泵耗电率最小来寻觅的。

此外，母管制给水系统还具有较大的节能空间，降低厂给泵耗电率的决定因素是优化给水泵运行台数即运行组合方式。母管压力下降，给泵流量必然增加，此时泵的功率也会增加。通过“寻优”计算出给水泵优化运行组合方式，给予运行操作人员优化给泵运行的指导建议，从而使最大程度的节约能源成为可能。

给水母管压力定值及给泵运行组合方式优化的核心归结为求解以下优化问题：

s.t.N

Q

式中，Jp为给水母管压力定值及给水泵运行组合方式优化的性能指标函数(即调速泵总耗电量)，N

以M台给水泵总的耗功最小为优化目标，待优化变量包括母管压力定值P

该实施例提供的给水母管压力优化控制方法，不但能够计算当前压力下的各台运行的定速泵的出口流量以及各台运行的调速泵的出口流量，而且优化诊断算法能够提供各台定速泵在当前压力下降低0.1MPa或0.3MPa时增加的流量，以及调速泵具有的调整裕量。以此做为当前运行方式及给泵数量的判断依据，实时运算判断当前调速泵总裕量、调速泵总裕量+定速泵出口压力下降0.1MPa时的裕量、调速泵总裕量+定速泵出口压力下降0.3MPa时的裕量，当上述任一情况能够满足停运1台给泵时，则提示运行操作人员及时按此红线运行，并停运某台给泵，以达到最大程度的节能。

下面结合一具体应用实例，对本发明上述实施例提供的技术方案进一步详细描述如下。

图2为给水母管压力优化控制方法的控制原理图，结合该控制原理图，在图1所示的工作流程下，该具体应用实例的整体步骤主要包括如下两部分：

(一)进行N台调速泵特性试验，锅炉给水系统最低容忍给水母管压力运行实验：

对N台调速泵的耦合器开度、电机电流、母管压力、给泵出口压力等参数进行特性试验，找出每一台给泵的安全运行区间，以及各参数之间的关系，为控制参数的优化打下基础。

(二)控制方法构建和控制参数优化：

通过调整锅炉总负荷前馈相关参数，达到锅炉总负荷变化时及时进行调整，稳定给水母管压力；调整调速泵各自的控制参数，达到控制最优化，及时调整开度，稳定母管压力；调整给水母管压力设定值，使给水母管压力设定值降低0.3～0.5MPa运行；调整N台给泵各自的运行上下限，根据给泵自身特性及安全高效的运行区间，选择合理的运行上下限，既保证给泵的安稳节能运行，同时也保证给水母管压力稳定。

某电厂采用了上述控制方法，在变负荷情况下给水母管压力的控制效果为：

某电厂在应用了给水母管优化控制系统后，在变负荷工况(锅炉负荷扰动变化量达300t/10min)时给水母管优化控制系统自动调节及时有效，给水母管压力稳定。其自动调节曲线如图3所示。图中曲线从上至下依次为：锅炉总负荷，给水母管压力，#1调速泵耦合器执行器开度反馈，#2调速泵电流，#1调速泵电流，#2调速泵给泵耦合器执行器开度反馈。

采用该具体应用实例中所涉及的控制方法，其所能达到的节电效果为：

根据某厂提供的生产统计报表，给水母管优化控制系统投用后，实现了系统降压运行，节能效果显著，厂给泵耗电率优化效果如表1所示：

表1优化前后给泵耗电率指标对比

2019年2020年汽机六千伏辅机耗电率对比

本发明第二个实施例提供了一种给水母管压力优化控制系统，如图4所示，可以包括：参数获取模块、压力定值及组合方式优化模块、多变量复合平衡控制模块以及反馈优化模块；其中：

参数获取模块，该模块获取锅炉总符合，并根据所述锅炉总负荷，获得锅炉总给水量需求；

压力定值及组合方式优化模块，该模块根据所述锅炉总给水量需求，通过压力定值及组合方式的优化算法，获得给水母管压力最优定值及定速给水泵与调速给水泵的最优组合运行方式；

多变量复合平衡控制模块，该模块在所述最优组合运行方式下，根据所述给水母管压力最优定值，通过多变量复合平衡控制算法，调整任意一个或任意多个调速泵耦合器开度，自动控制给水母管压力；

反馈优化模块，该模块将所述给水母管压力和所述调速泵耦合器开度的控制量分别反馈至所述多变量复合平衡控制算法，滚动优化对给水母管压力的控制。

本发明第三个实施例提供了一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时可用于执行本发明上述实施例中任一项的方法。

可选地，存储器，用于存储程序；存储器，可以包括易失性存储器(英文：volatilememory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)，如静态随机存取存储器(英文：static random-access memory，缩写：SRAM)，双倍数据率同步动态随机存取存储器(英文：Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，缩写：DDR SDRAM)等；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)。存储器用于存储计算机程序(如实现上述方法的应用程序、功能模块等)、计算机指令等，上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。

上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。

处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述实施例涉及的方法中的各个步骤。具体可以参见前面方法实施例中的相关描述。

处理器和存储器可以是独立结构，也可以是集成在一起的集成结构。当处理器和存储器是独立结构时，存储器、处理器可以通过总线耦合连接。

本发明第四个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行本发明上述实施例中任一项的方法。

本发明提供的给水母管压力优化控制方法、系统、终端及介质，获取锅炉总负荷，根据锅炉总负荷，获得锅炉总给水量需求，通过压力定值及组合方式的优化算法，获得给水母管压力最优定值及定速给水泵与调速给水泵的最优组合运行方式；在最优组合运行方式下，根据给水母管压力最优定值，通过多变量复合平衡控制算法，调整任意一个或任意多个调速泵耦合器开度，控制给水母管压力；将给水母管压力和调速泵耦合器开度控制量分别反馈至多变量复合平衡控制算法，滚动优化对给水母管压力的控制。同时提供了相应的终端及介质。本发明可以有效消除建模无差和不可测扰动对母管压力控制效果的影响；可以实现对前馈控制作用的优化，使变负荷情况下母管压力更加稳定，改善系统控制品质，降低系统运行成本。

需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照方法的技术方案实现系统的组成，即，方法中的实施例可理解为构建系统的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。