基于機理模型的汽溫控制系統優(yōu)化及應用

蘭立剛，馬 睿，吳廣生

(四川省電力工業(yè)調整試驗所，四川 成都 610072)

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基于機理模型的汽溫控制系統優(yōu)化及應用

蘭立剛，馬 睿，吳廣生

(四川省電力工業(yè)調整試驗所，四川 成都 610072)

針對火電機組過熱汽溫控制的難點和要求，常規(guī)串級控制系統無法達到良好控制效果，尤其在大范圍變負荷過程中很難控制汽溫動態(tài)偏差在要求范圍內。分析了基于機理模型的雙回路汽溫控制原理和控制參數整定方法，并對控制方案進行優(yōu)化。應用于某300 MW CFB機組過熱汽溫控制，結果表明其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)控制品質良好，并能適應機組大范圍變負荷需要。由于控制方案能夠靈活配置汽溫控制中惰性區(qū)傳遞函數時間常數和對控制器參數進行增益調整，因此在工程應用中具有很好的推廣作用。

雙回路；過熱汽溫；PTn環(huán)節(jié)；焓差；變負荷

火電機組汽溫控制因其控制對象具有大遲延、大慣性、非線性和時變性等特點，一直是模擬量控制系統的難點。常規(guī)的串級汽溫控制系統或具有導前微分信號的雙回路汽溫控制系統，在汽溫時間常數較小的情況下控制品質能滿足要求，但隨著機組容量的不斷增大，汽溫的時間常數及階數也越來越大，這兩種常規(guī)的汽溫控制策略已不能滿足運行要求，尤其是在機組大范圍變負荷過程中，其控制品質差，無法滿足相關驗收測試指標要求。

目前對于汽溫控制系統的研究較多，存在如汽溫狀態(tài)觀測器、smith預估控制、預測控制、自適應控制、自抗擾控制等多種控制方法的研究[1-5]。以上方法有的是在常規(guī)控制系統上的改進，有的尚處于理論研究或仿真階段以致于實際工程應用困難。本文采用基于過程物理機理模型，帶汽溫校正回路的雙回路汽溫控制系統，其最初應用來自于西門子汽溫控制策略。因其系統結構簡單，取消了串級控制器，參數整定相對容易，在工程上有廣泛應用。

1 西門子汽溫控制策略分析

傳統的帶導前微分信號的雙回路汽溫控制系統，其主回路仍然是針對過熱器出口汽溫進行控制，引入過熱器入口汽溫的微分，僅用于動態(tài)變化時超前反應主汽溫變化，能一定程度改善控制品質。西門子汽溫控制策略與傳統帶導前溫度信號的雙回路汽溫控制系統有所不同。其內回路采用了[(1-PTn)×導前溫度]為反饋信號，外回路用過熱器出口汽溫作為校正環(huán)節(jié)，通過校正回路，將對過熱器出口汽溫的控制轉變?yōu)閷^熱器入口汽溫的控制。因此參數整定容易，動態(tài)適應性比傳統汽溫控制回路大大提高。

西門子汽溫控制策略如圖1所示，回路①相當于一個實際微分環(huán)節(jié)，動態(tài)時使PTn環(huán)節(jié)輸出近似與主汽溫相等，從而改善了主汽溫控制對象的動態(tài)特性；穩(wěn)態(tài)時回路①輸出為零，使過熱器出口汽溫等于給定值?；芈发诟鶕^熱器的運行工況，對控制器的參數進行增益調整。引入的總燃料量微分前饋信號和燃燒器傾角微分前饋信號，是為了改善煙氣側擾動下控制系統的響應[6]。其等效控制框圖如圖2所示，PTn環(huán)節(jié)即圖中G2(s)為模擬從過熱器入口到過熱器出口汽溫變化過程的惰性區(qū)傳遞函數，過熱器出口汽溫θ2的變化通過增益調整系數轉化為過熱器入口汽溫θ1變化需求改變噴水量。由于將傳統雙回路控制轉變?yōu)閷^熱器入口汽溫進行單回路控制，僅需對過熱汽溫惰性區(qū)的傳遞函數構造物理模型，因此該控制策略具有更好的調節(jié)品質，系統適應性強，魯棒性較好。

2 控制方案優(yōu)化

優(yōu)化后控制方案如圖3所示，優(yōu)化后的控制方案等效于單回路控制系統，取消傳統串級控制系統主、副調節(jié)器，僅保留對過熱器入口汽溫進行控制的副調節(jié)器，消除串級控制系統主、副調節(jié)器之間的相互干擾，控制對象由具有快速響應能力的過熱器入口汽溫取代大遲延、大慣性過熱器出口汽溫，極大改善了控制性能，控制系統參數整定相對容易。

圖1 西門子汽溫控制策略

圖2 等效控制框圖

采用負荷指令代替蒸汽流量，增強變負荷適應性，滿足CCS變負荷時對汽溫控制需求。用負荷指令微分代替燃料量微分信號，負荷增加時會產生更多蒸汽需要更多冷卻，而負荷指令變化超前于燃料量變化，因此用一個有適當增益的受限制的負荷指令微分信號，疊加到汽溫PID設定值回路中，使升負荷時提前增加噴水量。增加過熱器出口汽溫反向微分環(huán)節(jié)，疊加到設定值回路中，增強對過熱器出口汽溫擾動快速響應能力。另外，設定值回路中增加了過熱器出口汽溫的微分環(huán)節(jié)，增強對過熱器出口汽溫擾動的快速響應能力。

圖3 優(yōu)化后控制方案

3 控制系統參數整定

如圖3所示，過熱器出口汽溫與其設定值的偏差(Tsp-Tout)與對應壓力下得到的調整系數k相乘轉化為對入口汽溫的調整需求，同時過熱器入口汽溫Tin通過模擬過熱器特性環(huán)節(jié)PTn得到PTn·Tin，PID調節(jié)器入口偏差為[k(Tsp-Tout)+PTn·Tin]-Tin。如果所采用模擬過熱器特性環(huán)節(jié)PTn與實際過熱器特性充分接近，則在動態(tài)調整過程中PTn·Tin與Tout相互抵消，PID調節(jié)回路僅過熱器入口汽溫進行調節(jié)；穩(wěn)態(tài)時PTn·Tin-Tin為0，過熱器出口汽溫偏差(Tsp-Tout)為0，系統保持穩(wěn)定，當過熱器出口汽溫出現擾動時，通過調整系數k轉化為過熱器入口汽溫調整需求，PID調節(jié)器通過改變減溫水調門開度響應該需求[7]。

3.1PTn環(huán)節(jié)整定

西門子方案給出了PTn環(huán)節(jié)擬合參數表，本文選擇對象階數n=4，如表1所示。其中：Tu為鍋爐減溫水流量的線性函數；Tg為鍋爐負荷(主汽流量)的線性函數[6]。

進行減溫水階躍擾動試驗，得出主汽溫和減溫器出口汽溫(導前汽溫)的階躍響應曲線，再由主汽溫和導前汽溫響應曲線估算出圖2中惰性區(qū)傳遞函數?？捎锰匦詤礣u/Tg來估算惰性區(qū)傳遞函數的階數，并按表1設定各一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數T，將各環(huán)節(jié)串聯，可得到PTn環(huán)節(jié)的傳遞函數。各一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數T隨Tg而變化。

表1 PTn環(huán)節(jié)擬合參數表

在實際工程應用中，PTn環(huán)節(jié)時間常數需要在實際調試過程中不斷調整，且隨負荷變化而變化，通過負荷指令函數可得到不同負荷下PTn環(huán)節(jié)時間常數，因此需要進行大量試驗才能最終確定。如PTn環(huán)節(jié)參數延時時間與實際過熱器汽溫惰性區(qū)傳遞函數不完全匹配，則將k(Tsp-Tout)等效為校正回路，最終使PTn·Tin穩(wěn)定到Tin。

3.2 調整系數k的整定

西門子方案針對調整系數k提出焓差變化整定方法。主蒸汽的焓值表示每1 kg蒸汽應具有的熱值，主蒸汽每變化1 ℃所對應的焓差變化，表示每1 kg蒸汽所需的熱值改變。根據不同汽壓和汽溫工況查水蒸氣熱力性質表，計算對應過熱器出口汽溫焓差和過熱器入口焓差，兩者比值為調整系數k，表征過熱器出口汽溫變化1 ℃，需要過熱器入口汽溫相應的改變值。另外，根據不同壓力和溫度下，通過過熱器出口蒸汽和過熱器入口蒸汽的比熱容之間比例來求取調整系數k，更加簡便快捷[8-9]。

4 實際投運效果

采用優(yōu)化后控制方案，應用到某300 MW循環(huán)流化床機組主熱汽溫控制中，穩(wěn)態(tài)時主蒸汽溫度穩(wěn)態(tài)偏差低于2 ℃。當二級減溫器出口溫度出現擾動時，PID調節(jié)器能夠快速動作，消除減溫器出口汽溫擾動。當主蒸汽溫度出現擾動時，亦能通過增益調整回路，轉變?yōu)闇p溫器出口汽溫變化需求，迅速改變減溫水調門開度，使主蒸汽溫度能夠快速回復設定值。同時，該控制方案能適應大范圍變負荷工況，圖4為變負荷時調節(jié)曲線。變負荷范圍為150～300 MW，主蒸汽溫度能夠很好地跟蹤主汽溫設定值。其在變負荷過程中最大動態(tài)偏差4 ℃，能夠很好地滿足模擬量控制系統驗收測試指標[10]。

圖4 變負荷時主汽溫曲線

5 結束語

本文針對火電機組汽溫控制對象大遲延、大慣性、非線性和時變性等特點，采用基于過程物理機理模型，帶汽溫校正回路的雙回路汽溫控制策略。在實際工程應用中，根據機組負荷和工況變化，合理配置汽溫控制中惰性區(qū)傳遞函數時間常數，并對控制器參數進行增益調整，使該控制策略具有較強的抗干擾能力，對工況變化適應性強，并能滿足大范圍變負荷需求，在工程應用中具有很好的推廣作用。

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Optimization and Application of Steam Temperature Control System Based on Mechanism Model

LAN Ligang，MA Rui，WU Guangsheng

(Sichuan Electric Power Industry Commissioning & Testing Institute，Chengdu，Sichuan 610072，China)

This paper focuses on difficulties of the super heating steam temperature control for thermal power units and requirements.Conventional cascade control system can not achieve good control effect, especially in the wide range of load change.It is difficult to control the steam temperature deviation in the dynamic requirements.The article analyzes the double loop based on mechanism model steam temperature control principle and control parameter setting method.It also optimizes the control scheme.It is applied to the super heated steam temperature control of 300 MW CFB unit.the results show that the steady state performance and the dynamic performance have good quality and it can adapt to the wide range of load change. The control scheme can flexibly configure the time constant of the inertia transfer function in the steam temperature control and adjust the gain of the controller parameters.It has a good promotion in engineering applications.

double loop；super heating steam temperature；PTnmodule；enthalpy deviation；load change

TM621.6

A

1004-7913(2017)04-0039-03

2016-12-17)

蘭立剛 (1981)，男，碩士，工程師，主要從事火電廠熱工自動控制系統調試與研究工作。