工业供汽系统负荷调节的预测控制方法及其系统技术方案

本发明专利技术涉及一种工业供汽系统负荷调节的预测控制方法及其系统，该预测控制方法包括：根据用户负荷数据构建负荷预测模型；根据工业供汽系统网侧热工水力模型与运行数据构建网侧预测模型；根据负荷预测模型和网侧预测模型计算网侧输入量；根据源侧机理模型和历史运行数据构建源侧预测模型；根据源侧预测模型和网侧输入量计算源侧机组的燃料量、送风量、给水量和背压机进汽阀门开度；以及根据源侧机组的燃料量、风量、给水量和背压机进汽阀门开度，对负荷预测模型、网侧预测模型和源侧预测模型进行修正和滚动优化，达到源侧和用户侧的供需对接，实现能源供应过程的精准调控。

Predictive control method and system for load regulation of industrial steam supply system

【技术实现步骤摘要】
工业供汽系统负荷调节的预测控制方法及其系统
本专利技术属于工业供汽系统的负荷调控领域，具体涉及一种工业供汽系统负荷调节的预测控制方法及其系统。
技术介绍
供汽系统是一种常见的蒸汽动力系统，主要由源侧机组、供汽管网和用户组成，源侧机组中，背压机又以其冷源损失少、热循环效率高等优势得到了广泛应用。随着我国经济的发展，工业化程度不断提高，对于蒸汽的需求不断攀升，化工、纺织、制药、冶金等工业行业的生产过程都需要使用大量蒸汽。近年来，伴随中小型锅炉的淘汰，工业园区的快速发展，依托热电联产机组为园区供应蒸汽已成为重要发展模式。在此背景下，为保证工业园区、企业的生产，热电联产集中供汽系统的精确控制和稳定运行就显得尤其重要。供汽系统实际运行中，由于用户侧负荷受天气和生产周期等因素影响不断波动，为保证用汽品质，调度人员需要对供汽量、供汽参数进行调节，而目前基本是靠人工经验实现，时效性和准确性都比较低，也时常发生因供需不平衡导致部分用户蒸汽参数不达标的情况，究其原因，导致调节失准主要是由于供汽系统组成设备众多，彼此之间具有强耦合性，同时源侧机组的动态特性、长距离供汽管网又使得蒸汽输送的流量、压力和温度具有一定滞后性，因此人工或传统的控制方法不能达到精确调控的效果，必须借助新一代信息技术和控制方法。工业供汽系统为企业生产和服务提供一定参数的蒸汽，运行过程中系统需要保证企业的用汽品质，达到供需对接。然而目前市场上还缺乏针对整个供汽系统的控制方法，更多是的源侧机组中锅炉与汽机的控制策略，例如炉跟机控制方法、机跟炉控制方法，机炉协调控制方法等，因此本专利技术提出利用预测控制算法(MPCModelPredictControl)来实现供汽系统的供需精准调控。MPC是一种基于模型的控制算法，它通过当前状态和预测模型，可以预测系统未来的动态行为，是在20世纪70年代随现代控制理论和计算机控制技术的高速发展应运而生的先进控制方法，过去数十年来在工业控制中得到了广泛的应用，具有深厚工程实践背景。MPC通过预测模型和系统当前信息展示系统未来的输出行为，在一定程度上可以知道系统未来的响应，获得先验的信息，这是其它控制算法不能提供的特性。MPC主要由预测模型、滚动优化和反馈校正三部分组成，三部分的功能相互耦合，共同实现系统未来状态预测、显式处理系统约束以及抗干扰和不确定因素影响等功能，从而获得较优越的综合控制性能。因此，基于上述技术问题需要设计一种新的供热系统源侧供汽压力滞后性预测控制方法及其系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种工业供汽系统负荷调节的预测控制方法及其系统。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种工业供汽系统负荷调节的预测控制方法，包括：根据用户负荷数据构建负荷预测模型；根据工业供汽系统网侧热工水力模型与运行数据构建网侧预测模型；根据负荷预测模型和网侧预测模型，计算网侧输入量；根据源侧机理模型和历史运行数据构建源侧预测模型；根据源侧预测模型和网侧输入量计算源侧机组的燃料量、送风量、给水量和背压机进汽阀门开度；以及根据源侧机组的燃料量、风量、给水量和背压机进汽阀门开度，对负荷预测模型、网侧预测模型和源侧预测模型进行修正和滚动优化达到源侧和用户侧的供需对接。进一步，所述根据用户负荷数据构建负荷预测模型的方法包括：通过机理分析与用户的负荷预测模型相关的输入输出变量，构建各个用户的负荷预测模型；所述输出变量包括：待预测时刻用户的用汽压力Py、用汽温度Ty和用汽流量Qy；根据负荷预测模型获取K个时刻各个用户的用汽压力Pyi＝[Pyi(1)Pyi(2)...Pyi(j)...Pyi(K)]、用汽温度Tyi＝[Tyi(1)Tyi(2)...Tyi(j)...Tyi(K)]和用汽流量Qyi＝[Qyi(1)Qyi(2)...Qyi(j)...Qyi(K)]；其中，i为第i个用户；j为第j个时刻，并且1≤j≤K。进一步，所述根据工业供汽系统网侧热工水力模型与运行数据构建网侧预测模型的方法包括：其中，P为背压机排汽处的排汽压力；O为背压机排汽处的排汽温度；Q为背压机排汽处的排汽流量；f1为网侧预测模型的第一参数，且采用多项式形式；f2为网侧预测模型的第二参数，且采用多项式形式；f3为网侧预测模型的第三参数，且采用多项式形式。进一步，所述根据负荷预测模型和网侧预测模型计算网侧输入量的方法包括：设置优化目标函数，优化目标为S个时刻，以使背压机排汽处的排汽压力、背压机排汽处的排汽温度和背压机排汽处的排汽流量与各个时刻用户优化控制蒸汽参数与预测蒸汽参数的误差达到最小值；所述网侧输入量包括：背压机排汽处的排汽压力、背压机排汽处的排汽温度和背压机排汽处的排汽流量；所述优化目标函数J为：其中，Tyi(j)为用户i第j时刻预测用汽温度；Pyi(j)为用户i第j时刻预测用汽压力；Qyi(j)为用户i第j时刻预测用汽流量；T'yi(j)为用户i第j时刻优化控制用汽温度；P'yi(j)为用户i第j时刻优化控制用汽压力；Q'yi(j)为用户i第j时刻优化控制用汽流量；α为蒸汽压力误差惩罚因子；β为蒸汽流量误差惩罚因子；γ为蒸汽温度误差惩罚因子。所述优化目标函数J中变量的约束条件为网侧预测模型；则背压机排汽处的排汽压力，即背压机排汽处的排汽压力的优化控制序列为：P＝[P(1)P(2)...P(j)...P(S)]；背压机排汽处的排汽温度，即背压机排汽处的排汽温度的优化控制序列为：O＝[T(1)T(2)...T(j)...T(S)]；背压机排汽处的排汽流量，即背压机排汽处的排汽流量的优化控制序列为：Q＝[Q(1)Q(2)...Q(j)...Q(S)]；其中，P(j)为j时刻背压机排汽处的排汽压力；P(S)为S时刻背压机排汽处的排汽压力；T(j)为j时刻背压机排汽处的排汽温度；T(S)为S时刻背压机排汽处的排汽温度；Q(j)为j时刻背压机排汽处的排汽流量；Q(S)为S时刻背压机排汽处的排汽流量；网侧存在延时，1≤S≤K。进一步，所述根据源侧机理模型和历史运行数据构建工业供汽系统的源侧预测模型的方法包括：其中，P0为待预测时刻上一时刻背压机排汽处的排汽压力；T0为待预测时刻上一时刻背压机排汽处的排汽温度；Q0为待预测时刻上一时刻背压机排汽处的排汽流量；q为源侧机组的给水量；c为源侧机组的燃料量；w为源侧机组的送风量；v为背压机进汽阀门开度；g1为源侧预测模型的第一参数，且采用多项式形式；g2为源侧预测模型的第二参数，且采用多项式形式；g3为源侧预测模型的第三参数，且采用多项式形式。进一步，所述根据源侧预测模型和网侧输入量计算源侧机组的燃料量、送风量、给水量和背压机进汽阀门开度的方法包括：根据源侧预测模型和网侧输入量，采用滚动优化控制算法L在M个时刻内计算源侧机组的燃料量、送风量、给水量和背压机进汽阀门开度；所述滚动优化控制算法L为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.工业供汽系统负荷调节的预测控制方法，其特征在于，包括：/n根据用户负荷数据构建负荷预测模型；/n根据工业供汽系统网侧热工水力模型与运行数据构建网侧预测模型；/n根据负荷预测模型和网侧预测模型计算网侧输入量；/n根据源侧机理模型和历史运行数据构建源侧预测模型；/n根据源侧预测模型和网侧输入量计算源侧机组的燃料量、送风量、给水量和背压机进汽阀门开度；以及/n根据源侧机组的燃料量、风量、给水量和背压机进汽阀门开度，对负荷预测模型、网侧预测模型和源侧预测模型进行修正和滚动优化，达到源侧和用户侧的供需对接。/n

【技术特征摘要】
1.工业供汽系统负荷调节的预测控制方法，其特征在于，包括：
根据用户负荷数据构建负荷预测模型；
根据工业供汽系统网侧热工水力模型与运行数据构建网侧预测模型；
根据负荷预测模型和网侧预测模型计算网侧输入量；
根据源侧机理模型和历史运行数据构建源侧预测模型；
根据源侧预测模型和网侧输入量计算源侧机组的燃料量、送风量、给水量和背压机进汽阀门开度；以及
根据源侧机组的燃料量、风量、给水量和背压机进汽阀门开度，对负荷预测模型、网侧预测模型和源侧预测模型进行修正和滚动优化，达到源侧和用户侧的供需对接。


2.如权利要求1所述的预测控制方法，其特征在于，
所述根据用户负荷数据构建负荷预测模型的方法包括：
通过机理分析与用户的负荷预测模型相关的输入输出变量，构建各个用户的负荷预测模型；
所述输出变量包括：待预测时刻用户的用汽压力Py、用汽温度Ty和用汽流量Qy；
根据负荷预测模型获取K个时刻各个用户的用汽压力
Pyi＝[Pyi(1)Pyi(2)...Pyi(j)...Pyi(K)]、用汽温度Tyi＝[Tyi(1)Tyi(2)...Tyi(j)...Tyi(K)]和用汽流量
Qyi＝[Qyi(1)Qyi(2)...Qyi(j)...Qyi(K)]；
其中，i为第i个用户；j为第j个时刻，并且1≤j≤K。


3.如权利要求2所述的预测控制方法，其特征在于，
所述根据工业供汽系统网侧热工水力模型与运行数据构建网侧预测模型的方法包括：



其中，P为背压机排汽处的排汽压力；O为背压机排汽处的排汽温度；Q为背压机排汽处的排汽流量；f1为网侧预测模型的第一参数，且采用多项式形式；f2为网侧预测模型的第二参数，且采用多项式形式；f3为网侧预测模型的第三参数，且采用多项式形式。


4.如权利要求3所述的预测控制方法，其特征在于，
所述根据负荷预测模型和网侧预测模型计算网侧输入量的方法包括：
设置优化目标函数，优化目标为S个时刻，以使背压机排汽处的排汽压力、背压机排汽处的排汽温度和背压机排汽处的排汽流量与各个时刻用户优化控制蒸汽参数与预测蒸汽参数的误差达到最小值；
所述网侧输入量包括：背压机排汽处的排汽压力、背压机排汽处的排汽温度和背压机排汽处的排汽流量；
所述优化目标函数J为：



其中，Tyi(j)为用户i第j时刻预测用汽温度；Pyi(j)为用户i第j时刻预测用汽压力；Qyi(j)为用户i第j时刻预测用汽流量；T'yi(j)为用户i第j时刻优化控制用汽温度；P'yi(j)为用户i第j时刻优化控制用汽压力；Q'yi(j)为用户i第j时刻优化控制用汽流量；α为蒸汽压力误差惩罚因子；β为蒸汽流量误差惩罚因子；γ为蒸汽温度误差惩罚因子。
所述优化目标函数J中变量的约束条件为网侧预测模型；
则背压机排汽处的排汽压力，即背压机排汽处的排汽压力的优化控制序列为：P＝[P(1)P(2)...P(j)...P(S)]；
背压机排汽处的排汽温度，即背压机排汽处的排汽温度的优化控制序列为：O＝[T(1)T(2)...T(j)...T(S)]；
背压机排汽处的排汽流量，即背压机排汽处的排汽流量的优化控制序列为：Q＝[Q(1)Q(2)...Q(j)...Q(S)]；
其中，P(j)为j时刻背压机排汽处的排汽压力；P(S)为S时刻背压机排汽处的排汽压力；T(j)为j时刻背压机排汽处的排汽温度；T(S)为S时刻背压机排汽处的排汽温度；Q(j)为j时刻背压机排汽处的排汽流量；Q(S)为S时刻背压机排汽处的排汽流量；网侧存在延时，1≤S≤K。


5.如权利要求4所述的预测控制方法，其特征在于，
所述根据源侧机理模型和历史运行数据构建工业供汽系统的源侧预测模型的方法包括：



其中，P0...

【专利技术属性】
技术研发人员：林小杰，姜业正，谢晶晶，方大俊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33