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申报(推荐)山东省科学技术奖项目公示材料

我单位合作完成的项目申报2017年度山东省科学技术奖,现将项目信息予以公示,公示期自2017524日至 201762日。公示期内如有异议,可向美高梅手机登录网站反映,异议人需用真实姓名,并提供手机号码、电子邮件等联系方式;异议单位书面材料需加盖单位公章。

联系人:           王纬超

联系电话:  010-62751439

电子邮箱:  wwc@pku.edu.cn

 

                                                                   美高梅手机登录网站

                                                                                      2017.5.24

 

:公示内容

 

奖项种类:科技进步奖

项目名称: 发电过程的动态控制性能评价、诊断和优化技术及系统的研发与应用

完成人: 王建东,赵岩,毕贞福,李军,庞向坤,杨子江,韩英昆,余真鹏, 李华东,郎澄宇,孟祥荣,房雷

完成单位:山东电力研究院,山东科技大学,美高梅手机登录网站,山东中实易通集团有限企业

项目概况:

电力工业是我国经济发展战略中的重点先行产业,一直保持着快速发展的趋势。自2006年开始,我国200MW以上的大型燃煤发电机组增加了一项并网发电的考核要求,即发电机组的实发功率要在额定功率的50100%范围内,以每分钟不低于额定功率的12%速率,跟踪电网负荷指令的变化。这项要求对安全优质的电力供应有非常重要的意义:只有通过煤电发电量跟踪电网负荷指令进行大范围的快速变化,才能?补风电和光电等清洁能源发电量的大幅度波动对电网造成的巨大冲击,从而保障安全优质的电力供应。

在传统运行模式下,发电机组长期处于单一工作状态,需具有良好的静态性能。在新考核要求下,为了保障实发功率能够跟踪电网负荷指令进行大范围快速变化,蒸汽量、燃料量、风量、给水量等发电机组的主要变量必须随着实发功率做出相应的变化,锅炉、汽机等发电机组的主要装置也随之在不同的工作状态之间变化。因此,这项考核要求给燃煤发电机组带来了前所未有的挑战:发电机组的运行过程必须具有优于以往的动态性能,具体表现在实发功率、主蒸汽压力等机组主要变量必须具有良好的动态控制性能。然而,目前发电机组普遍存在动态性能下降的问题:有的发电机组实发功率跟踪电网负荷指令变化的性能差,无法达到并网发电的考核要求,而有的发电机组虽然通过了考核要求,但主蒸汽压力等主要变量大幅度波动,不满足机组稳定运行的基本要求。因此,亟需开展发电过程的动态控制性能评价、诊断与优化的研究工作。

主要科技创新包括:

1)针对动态控制性能评价问题,建立了基于PID控制器的控制回路的动态控制性能评价理论与方法,解决了动态控制性能基准缺少解析值的基础问题;

2)针对动态控制性能诊断问题,提出了影响动态控制性能的根源诊断方法,突破了调节阀粘滞故障建模的瓶颈问题;

3)针对动态控制性能优化问题,给出了发电机组锅炉侧与汽机侧的关键控制技术,以及补偿调节阀粘滞故障的控制方法,削弱了煤质波动、调节阀非线性特征等实际情况对动态控制性能产生的不利影响;

4)研发了拥有自主常识产权的控制动态性能评价与优化调整等工业应用系统,为动态控制性能的评价、诊断与优化技术在燃煤发电机组的大范围、长期工业应用提供了必要的系统平台。

项目获得授权发明专利、实用新型专利和App著作权50余项,发表SCIEI收录学术论文70余篇,得到多位国际权威专家、知名学者和行业专家的积极评价与认可。研究成果应用于山东省内40余家发电厂的100多台燃煤发电机组,取得了良好的社会效益和经济效益:通过自动评价机组主要变量的动态控制性能,及时发现性能较差的被控变量,通过调整控制器参数、修改控制策略、补偿调节阀非线性特征等技术手段,使得发电机组在长期运行过程中保持良好的动态性能,解决了在并网发电的考核要求下主蒸汽压力等机组主要变量波动大的突出问题,降低了燃煤等原料消耗量和氮氧化物等污染物排放量,增强了发电机组的运行稳定性和节能降耗水平。

 

推荐专家意见:

专家一:王子才、教授、工程院院士、哈尔滨工业大学

推荐意见:自2006年国家电力监管委员会发布两个细则以来,我国的大型主力火电机组进入到前所未有的运行新模式,实发功率跟踪电网负荷指令变化,而不是长期处于单一工作点。这种新模式带来了新的挑战,既要保障实发功率能够跟踪电网负荷指令大范围快速变化,又要保障机组的平稳运行,特别是主蒸汽压力等机组主要变量不能产生大幅度波动。推荐项目是针对这种新模式、新挑战开展的,具有非常重要的研究意义和应用价值。项目创新点主要包括:1)建立了基于PID控制器的控制回路的动态控制性能评价理论与方法,解决了动态控制性能基准缺少解析值的基础问题;2)提出了影响动态控制性能的根源诊断方法,能够诊断控制器参数、控制策略和调节阀非线性特征等因素对动态控制性能的影响程度;3)结合煤质波动等实际情况,给出了发电机组锅炉侧与汽机侧的关键控制技术,用于提高发电机组的动态控制性能;4)研发了拥有自主常识产权的工业应用系统,为核心技术的大范围、长期工业应用提供了必要的系统平台。与国内外相关技术相比,项目的四个创新点构成了系统、完整的技术路线,特别是动态控制性能评价理论与方法作为理论基础,有效引导了控制性能诊断和优化的理论与应用工作,避免了工业现场普遍采用的摸索、尝试的工作方式,大幅度降低了技术难度和实施强度。在山东省发电机组取得大范围的成功应用,在增收节支、节能减排、稳定环保等方面取得显著的经济社会效益,非常有必要在更大范围内推广应用。

 

专家二:郭锐、教授级高工、山东省配电自动化工程技术研究中心

推荐意见:该项目是针对电力工业发展新形势下出现的关键问题开展的,即在风电等清洁能源发电量存在大幅度扰动的情况下,如何使得燃煤发电机组具有良好的动态控制性能,保障燃煤发电量能够满足电网负荷指令不断变化的要求。因此,该项目对消纳清洁能源发电量、确保安全优质的电力供应具有非常重要的研究意义和应用价值。创新点主要包括:建立了工业控制回路的动态性能评价理论与方法,提出了影响动态控制性能的根源诊断方法,给出了发电机组锅炉侧与汽机侧的关键控制技术,用于评价、诊断和优化发电过程的动态控制性能,并研发了拥有自主常识产权的工业应用系统,使得核心技术能够取得长期、大范围的工业应用。山东电力研究院等完成单位人员长期从事山东省百余台发电机组的技术监督、服务和调试工作,在实践工作中提炼与解决了基于PID控制器的控制回路动态性能评价、诊断和优化等关键科学技术问题。与国内外现有技术相比,控制性能评价方法等项目成果处于国际领先水平;更重要的是,项目成果形成了系统化、实用性强的技术路线:首先,自动评价多个控制回路的动态控制性能,然后,对性能下降的控制回路进行性能诊断,最后,对导致性能下降的根源进行优化调整。工业应用已证实该技术路线符合工程实际情况,能够有效评价与提高发电机组响应电网负荷指令的快速性和准确性,降低主蒸汽压力等机组主要变量的波动,增强了发电机组的运行稳定性和节能降耗水平,取得了显著的经济效益和社会效益。

 

客观评价:

研究成果得到了多位国内外权威专家、知名学者和行业专家的积极评价与认可:

1)论文Yu, Wang*, et al., J. Process Control, 2011SCI论文)和Yu & Wang*, Industrial Engineering & Chemistry Research, 2012SCI论文)突破了PID控制器的性能基准缺少解析值的瓶颈问题,即针对PID控制器跟踪设定值性能和克服可测外部干扰性能,建立了控制误差绝对值积分(IAEIntegrated Absolute Error)、控制消耗累积量等性能指标基准值的解析表达式,并提出了以基准值为基础提出了基于PID控制器的控制回路动态性能评价方法。

以上述研究成果为主要创新点,项目“常规电源调频性能动态评价与维护系统”获得2012年度山东电力科学技术进步奖一等奖,并由山东省科技厅负责组织专家鉴定,鉴定意见的原文是 “研究成果整体达到国际先进水平,其中发电机组PID 控制回路动态性能基准及性能指标计算方法达到国际领先水平”(见附件21:科技成果鉴定证书)。

该研究结果得到了国内外多位控制领域学者的积极评价与认可,包括美国Texas Tech大学R. Rengaswamy教授[1]美国Alabama大学K. Williams教授[2]、意大Brescia大学A. Visioli教授[3]、巴西Campina Grande联邦大学P.R. Barros教授[4]、华北电力大学刘吉臻院士[5]、清华大学黄德先研究员[6]等,其中论文[1]将大家的论文列为PID控制器性能评价与优化的13篇代表性论文之一,认为大家的论文建立了不同控制目标下的IAE基准值,论文[3]先容大家的论文获得IAE性能指标的下界值,原文是Yu and Wang (2012) obtained the lower bound for the IAE index for CLPAs”,论文[6]评价大家的控制性能评价方法是简单实用的,在应用中的实行成本低,原文是a practical yet simple approach is to apply IMC benchmarks [39-41]. Such benchmarks have been applied in real industrial applications such as thermal power plants due to the relatively low implementation cost [41] ... (索引[41]Yu, Wang*, et al., 2011)。

2)论文Wang*, Industrial Engineering & Chemistry Research, 2013SCI论文)提出补偿调节阀粘滞故障的闭环控制方法。葡萄牙知名自动化企业Ciengis企业总裁A. Romanenko博士等发表的综述论文[7]评价该方法具有鲁棒性的优点,能克服模型误差和噪声的负面影响,原文是“A new compensation method based on two movements of the valve was also developed by Wang [138]. The main advantage of this method is its robustness against modeling errors and measurement noise ...  意大利Pisa大学C. Scali教授(期刊J. Process Control 编委)等发表的论文[8]评价大家的参数设计方法是系统化的,原文是“Wang (2013) proposed a closed-loop compensation method with the control loop fully operating at the auto mode. A short-time rectangular wave is added to the reference in order to impose two movements to the valve, which so arrives at the desired position. A systematic way to design the parameters of this short-time rectangular wave was also developed

3)论文Wang*, et al., International J. Control, 2009SCI论文)提出了Hammerstein非线性模型的盲辨识方法,用于辨识带有粘滞故障的调节阀数学模型。该研究结果被收录在法国卡昂大学F. Giri教授(IEEE Fellow)和美国Iowa大学E.W. Bai教授(IEEE Fellow)编著的《模块化非线性系统辨识》专著[9]中。专著共收录24项研究成果,其中有2位国内学者的研究成果(另一位是中科院陈翰馥院士)。论文的应用案例得到了系统辨识国际权威专家L. Ljung 教授(IFAC & IEEE Fellow)等专家的认可[10],成为系统辨识研究者的必备工具“Matlab系统辨识工具箱”的九个示范案例之一,是国内唯一入选的案例(网址:www.mathworks.com/help/ident/examples/nonlinear-modeling-of-a-magneto-rheological-fluid-damper.html)。

4)论文Wang* & Zhang, J. Process Control, 2014(长文)和Fang & Wang*, Industrial Engineering & Chemistry Research, 2015SCI论文)提出了两个新的调节阀数学模型及模型参数估计方法,能够用于诊断调节阀的粘滞故障。意大利Pisa大学C. Scali教授(期刊J. Process Control 编委)等发表论文[11]评价大家提出的模型具有灵活性,能够描述调节阀在不同工作状态下粘滞程度迥异的复杂特征,原文是“Stiction could be really inhomogeneous, having various amounts for different operating conditions and then producing complicated signatures on MV(OP) diagram. In order to overcome these limitations, recent works which implement flexible stiction models have been proposed [28,29]”(索引[28]为论文Wang* & Zhang, J. Process Control, 2014)。葡萄牙知名控制企业Ciengis企业总裁A. Romanenko博士等发表调节阀的粘滞建模、检测、量化和补偿的综述论文[7],评价大家提出的模型具有灵活性,能够描述不对称的调节阀粘滞故障,原文是“Lei et al. [93] proposed the detection and quantification of stiction based on an extended Hammerstein Model, where the discretized Preisach Model is used to capture the behavior of a sticky control valve and a linear dynamic model is used to describe the process ... Wang and Zhang [94] adapted the identification algorithm to the new model and proved its identifiability, resulting in a more flexible structure to describe asymmetric stiction

 

引用文献:

[1] T. Spinner, B. Srinivasan & R. Rengaswamy. Data-based automated diagnosis and iterative retuning of PI controllers. Control Engineering Practice, 29:23-41, 2014.

[2] O. Zheng, Y. Li & K. Williams. HVAC control loop performance assessment: a critical review. Science and Technology for the Built Environment, DOI: 10.1080/23744731.2016.1239466, 2016.

[3] M. Veronesi & A. Visioli. Performance assessment and retuning of PID controllers for load disturbance rejection. The 2nd IFAC Conf. Advances in PID Control, 45(2):530-535, 2012.

[4] H.C. Barroso & P.R. Barros. Performance assessment and redesign of PI controllers with pulse excitations. The 2nd IFAC Conf. Advances in PID Control, 45(3):560-565, 2012.

[5] J. Liu, et al. IAE performance based signal complexity measure. Measurement, 75:255-262, 2015

[6] X. Gao, F. Yang, C. Shang & D. Huang. A review of control loop monitoring and diagnosis: prospects of controller maintenance in big data era. Chinese J. Chemical Engineering, 24:952-962, 2016.

[7] A. Brasio, A. Romanenko & N. Fernandes. Modeling, detection and quantification and compensation of stiction in control loops: the state of the art. Industrial Engineering & Chemistry Research, 53:15020-15040, 2014.

[8] R.B. Capaci, C. Scali, & B. Huang. A revised technique of stiction compensation for control valves. The 11th IFAC Symp. Dynamics and Control of Process Systems, Trondheim, Norway, June 6-8, 2016, pp.1038-1043.

[9] F. Giri & E.W. Bai (Eds). Block-oriented Nonlinear System Identification, Springer, 2010.

[10] L. Ljung, et al. Developments in the MathWorks system identification toolbox. The 15th IFAC Symp. System Identification, Saint-Maio, France, July 6-8, pp.522-527, 2009.

[11] R. Capaci, C. Scali & G. Pannocchia. System identification applied to stiction quantification in industrial control loops: A comparative study. J. Process Control, 46:11-23, 2016.

 

推广应用情况:

项目成果已应用于山东省内40余家发电厂的100多台大型燃煤发电机组,涵盖了300MW670MW1000MW 等多种类型。在应用过程中,项目成果已被证实能够有效评价发电机组的蒸汽量、燃料量、风量、给水量等主要变量的动态控制性能,监控动态控制性能的长期变化趋势,及时发现性能较差的被控变量,判断导致性能下降的根源,通过调整控制器参数、修改控制策略、补偿调节阀非线性特征等技术手段,使得发电机组在长期运行过程中保持良好的动态性能。通过项目成果的应用,提高了燃煤发电机组的动态性能,使得机组的实发功率能够快速准确跟踪电网负荷指令的变化,并且解决了在并网发电的考核要求下,机组主蒸汽压力等机组主要变量波动大的突出问题,降低了燃煤等原料消耗量和氮氧化物等污染物排放量,增强了发电机组的运行稳定性和节能降耗水平,为发电厂创造了良好的经济效益、社会效益和环保效益。

 

主要常识产权目录:

 

主要完成人情况:

姓名

排名

行政职务

技术职称

工作单位

对本项目技术创造性贡献

王建东

1

教授

山东科技大学

作为项目总负责人,对本项目的整体设计、各单位协同配合以及科技创新点1-4所取得核心技术做出了实质性贡献。

赵岩

2

副院长

高级工程师

山东电力研究院

作为项目第1完成单位的负责人,对本项目的整体设计、各单位协同配合以及科技创新点34所取得核心技术做出了实质性贡献。

毕贞福

3

中心主任

高级工程师

山东电力研究院

作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点13 4做出了实质性贡献。

李军

4

高级工程师

山东电力研究院

作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点134做出了实质性贡献。

庞向坤

5

高级工程师

山东电力研究院

作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点34做出了实质性贡献。

杨子江

6

博士

山东科技大学

作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点4做出了实质性贡献。

韩英昆

7

高级工程师

山东电力研究院

作为项目骨干,参与了项目选题

、方案讨论、技术研发、试验测

试、归纳总结等核心环节,对科技创新点134做出了实质性贡献。

余真鹏

8

博士生

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作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点1做出了实质性贡献。

李华东

9

副总经理

高级工程师

山东中实易通集团有限企业

作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点3做出了实质性贡献。

郎澄宇

10

中心副主任

高级工程师

山东电力研究院

作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点34做出了实质性贡献。

孟祥荣

11

中心主管

高级工程师

山东电力研究院

作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点34做出了实质性贡献。

房雷

12

博士生

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作为项目骨干,参与了项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、归纳总结等核心环节,对科技创新点2做出了实质性贡献。

 

 

主要完成单位及创新推广贡献:

第一完成单位:山东电力研究院

创新推广贡献:为本项目取得科技创新点134提供了研究过程中所需的人力物力、研发经费、推广应用等良好工作条件,主要包括数十余名具有丰富工程经验的科研技术人员、长期积累的火电机组运行数据和技术资料,以及在不同类型的火电机组进行测试的应用平台,并在长期承担山东省内130余台125MW 1000MW 等多种类型火电机组的技术监督、服务和调试工作,与项目合作单位的科研人员密切配合,提出、检验与完善了本项目的科研成果。

 

第二完成单位:山东科技大学

创新推广贡献:依托山东科技大学的电气与自动化工程学院、控制科学与工程一级博士学科点(201612月入选山东省一流学科)、电气工程一级硕士学科点等资源,为本项目取得科技创新点1-4提供了优质的教师、研究生等科研人力资源,拥有先进的实验平台(包括多套连续过程实验装置、西门子PCS7 集散控制系统等实验设备,用于检验与改进项目研究成果),以及丰富的文献资料、计算网络等信息资源,并为项目合作单位人员在本项目的密切合作提供了研究过程中所需的人力、物力、资金、政策等良好工作条件。

 

第三完成单位:美高梅手机登录网站

创新推广贡献:为本项目取得创新点1-3提供了优质的教师、博士研究生等科研人力资源、具有国际先进水平的实验条件和丰富的文献资料、计算网络等信息资源,形成了前沿学术发展与产学研合作并重”的科研环境,为项目完成单位在本项目的密切合作提供了研究过程中所需的人力、物力、资金、政策等良好工作条件。

 

第四完成单位:山东中实易通集团有限企业

创新推广贡献:为本项目取得科技创新点3提供了研究过程中所需的人力物力、研发经费、推广应用等良好工作条件,长期承担山东省内火电机组的技术服务和安装调试工作,与项目合作单位的科研人员密切配合,提出、检验与完善了本项目的科研成果。

 

 

完成人合作关系说明

本项目的12位完成人自2008年至今一直保持着非常密切的合作关系,在项目选题、方案讨论、技术研发、试验测试、工业应用等多个方面开展了紧密合作,具体的合作关系如下:

1、 王建东(1)、毕贞福(3)、李军(4)、余真鹏(8)等共同完成“支撑技术创新点的主要论文专著目录”的#1#2#3三篇SCI论文(创新点一),建立了评价基于PID控制器的控制回路动态性能的理论与方法,主要包括控制误差绝对值积分等性能指标的基准值解析表达式,以及从观测数据中估计性能指标基准值与当前值的方法,用于评价控制回路的跟踪设定值性能与克服可测外部干扰性能;

2、 王建东(1)、赵岩(2)、房雷(12)等共同完成了“支撑技术创新点的主要论文专著目录”的#5#9这两篇SCI论文(创新点二、创新点四),提出了调节阀粘滞故障的新数学模型及相应的模块化非线性模型的辨识方法,设计了基于多变量变化方向的报警器,在动态性能下降和机组主要变量关系出现异常状况时,自动给出报警信息;

3、 赵岩(2)、毕贞福(3)、李军(4)、庞向坤(5)、韩英昆(7)、李华东(9)、郎澄宇(10)、孟祥荣(11)等共同完成“支撑技术创新点的主要论文专著目录”的第1-9项发明专利,给出了发电机组锅炉侧与汽机侧的关键控制技术,能够使得火电机组的实发功率能够快速准确地跟踪电网负荷指令的变化,又能保障发电机组的安全平稳运行,减少实发功率的快速变化所带来的主蒸汽压力、主蒸汽温度等主要参数的波动;

4、 王建东(1)、杨子江(6)等共同完成了“支撑技术创新点的主要常识产权证明目录”的#10App著作权(创新点四),研发了拥有自主常识产权的控制动态性能评价与优化调整等工业应用系统,为发电过程的动态性能评价、诊断与优化技术的大范围、长期的工业应用提供了必要的系统平台。

5、 王建东(1)、毕贞福(3)、李军(4)、韩英昆(7)、余真鹏(8)、孟祥荣(11)等在2010.12011.12年开展国家电网企业科学技术项目“常规电源调频系统性能动态评价与维护系统”,并获得2012年山东电力科学技术奖一等奖;

6、 王建东(1)、毕贞福(3)、李军(4)、庞向坤(5)、杨子江(6)、韩英昆(7)、余真鹏(8)、郎澄宇(10)、孟祥荣(11)、房雷(12)等作为成果“智能电网下的火电机组AGC及控制系统性能监督提升技术研发与应用”的完成人,获得了2016年中国自动化学会科技进步奖二等奖。

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