一種新型基礎(chǔ)控制器在過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

楊碩 楊宇 劉明偉

摘 要：在火電機(jī)組中，過熱汽溫既影響安全性，又影響經(jīng)濟(jì)性，因此過熱汽溫控制系統(tǒng)需要對(duì)過熱汽溫具有良好的控制能力。然而，過熱汽溫控制對(duì)象具有長慣性、長遲延特性，再加上減溫器噴水后汽溫測點(diǎn)位置選擇不合適、減溫水調(diào)節(jié)門性能差等原因，造成某些機(jī)組對(duì)過熱汽溫的控制能力較差。本文介紹了一種新型基礎(chǔ)控制器（New Foundation Controller，NFC），分析了以NFC為基礎(chǔ)的汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，并通過建立控制對(duì)象的工程模型來整定NFC參數(shù)。投運(yùn)結(jié)果表明，這種新型基礎(chǔ)控制器滿足汽溫自調(diào)系統(tǒng)長期投入的條件，達(dá)到了汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)改造的預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞：過熱汽溫;PID控制器;新型基礎(chǔ)控制器;減溫水;閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)：TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）03-0048-03

Application of a New Foundation Controller in Superheated

Steam Temperature Cascade Control System

YANG Shuo YANG Yu LIU Mingwei

（Zhanjiang Zhongyue Energy Co.， Ltd.，Zhanjiang Guangdong 524000）

Abstract： In thermal power units， the superheated steam temperature affects both safety and economy， therefore， the superheated steam temperature control system needs to have a good control ability on the superheated steam temperature. However， the superheated steam temperature control object has the characteristics of long inertia and long delay， coupled with the improper selection of the position of the steam temperature measurement point after the desuperheater sprays water， and the poor performance of the desuperheating water regulating valve， which causes some units to control the superheated steam temperature Poor ability. This paper introduced a new foundation controller （NFC）， analyzed the principle structure of the NFC-based steam temperature cascade control system， and tuned the NFC parameters by establishing an engineering model of the control object. The commissioning results show that the NFC meets the long-term investment conditions of the steam temperature self-adjusting system， and achieves the expected purpose of the steam temperature cascade control system transformation.

Keywords： superheated steam temperature;PID controller;new foundation controller;temperature control

過熱汽溫是火電機(jī)組運(yùn)行中的一個(gè)重要的過程參數(shù)，不僅影響機(jī)組的安全性，也影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，這就要求過熱汽溫控制系統(tǒng)對(duì)過熱汽溫具有良好的控制能力。過熱汽溫控制對(duì)象具有大遲延、大慣性特性，而且易受輸入鍋爐的風(fēng)、煤、水及燃燒工況等多種因素影響。為了提高過熱汽溫的控制性能，通常采用主調(diào)節(jié)器加副調(diào)節(jié)器的串級(jí)控制系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器用于過熱汽溫的閉環(huán)反饋控制，副調(diào)節(jié)器用于減溫噴水后汽溫的閉環(huán)反饋控制。主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器主要采用比例-積分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）[1]控制器或者比例-積分（Proportion-Integration，PI）控制器。

某630 MW亞臨界機(jī)組的一級(jí)過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)噴水后，汽溫測量元件的安裝位置不合適，導(dǎo)致其不能夠真實(shí)反映實(shí)際噴水后汽溫變化，造成串級(jí)控制系統(tǒng)的控制性能較差。為解決噴水后汽溫測量問題及提高過熱汽溫控制性能，本研究對(duì)一級(jí)過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，用一種新型基礎(chǔ)控制器（NFC）[2]構(gòu)造新型汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器采用NFC，副調(diào)節(jié)器采用PI，將副調(diào)節(jié)器改為控制減溫水流量。經(jīng)過調(diào)試，新型汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)已經(jīng)成功投入運(yùn)行并取得了良好的控制效果。

1 新型基礎(chǔ)控制器

PID是一種在工業(yè)過程控制領(lǐng)域廣泛運(yùn)用的基礎(chǔ)控制器，誤差反饋控制是PID控制的核心。雖然PID控制得到了廣泛應(yīng)用，但是并不代表PID控制已經(jīng)能夠較好地滿足控制的實(shí)際要求[2]。有研究[2]論述了PID控制的不足，提出了一種新型基礎(chǔ)控制器，即NFC。NFC屬于一種新型反饋控制器。構(gòu)造NFC的基礎(chǔ)是一種慣性組合濾波器（Inertial Combination Filter，ICF），ICF的基礎(chǔ)來自一種內(nèi)反饋控制器（Internal Feedback Controller，IFC）。有研究[2]用ICF構(gòu)造一種高性能PI控制器（High Performance PI，HPPI）和一種高性能超前觀測器（High Performance Leading Observer，HPLO），在常值擾動(dòng)觀測機(jī)制和超前觀測機(jī)制上有所突破，將HPPI與HPLO串級(jí)組合，得到NFC。

1.1 慣性組合濾波器

本研究對(duì)輸入信號(hào)的1～[n]階慣性輸出取平均，得到[n]階ICF。ICF的傳遞函數(shù)為：

[ICF（s）=1ni=1i=n（1+TICFns）-i]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[ICF（s）]為ICF的傳遞函數(shù);[TICF]為時(shí)間常數(shù);[n]為慣性階次。

在單位階躍輸入下，本研究得到ICF輸出特性，如圖1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，[n]越大，ICF輸出跟蹤輸入的速度也越快。但是，隨著[n]的增加，輸出跟蹤輸入的速度趨于飽和，工程上最大可取[n]=16，文中默認(rèn)[n]=16。

1.2 高性能PI控制器

用ICF構(gòu)造HPPI，HPPI和高效積分器（High Efficiency Integrator，HEI）的傳遞函數(shù)分別為：

[HPPI（s）=KHPPI[1+HEI（s）]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[HEI（s）THEI=TICF=ICF（s）1-ICF（s）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[HPPI（s）]為HPPI的傳遞函數(shù);[KHPPI]為外部比例增益;[HEI（s）]為高效積分器的傳遞函數(shù);[THEI]為時(shí)間常數(shù)，數(shù)量上[THEI=TICF]。HEI結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 高性能超前觀測器

用ICF構(gòu)造HPLO，HPLO和1階慣性濾波器（First Order Inertial Filter，F(xiàn)OIF）的傳遞函數(shù)分別為：

[HPLO（s）THPLO=TICF=（1+KC）FOIF（s）1+KCICF（s） ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

[FOIF（s）=11+TFOIFs]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中，[HPLOs]為HPLO的傳遞函數(shù);[THPLO]為時(shí)間常數(shù)，數(shù)量上[THPLO=TICF];[KC]為ICF到HPLO的變換增益，原則上[KC]>>1，通常取[KC]=10;[FOIF（s）]為1階慣性濾波器的傳遞函數(shù);[TFOIF]為時(shí)間常數(shù)，數(shù)量上取[TFOIF=0.1THPLO]。

1.4 新型基礎(chǔ)控制器結(jié)構(gòu)與參數(shù)整定

將HPPI和HPLO串級(jí)組合，得到NFC，其傳遞函數(shù)為：

[NFC（s）=HPPI（s）HPLO（s）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中，[NFC（s）]為NFC的傳遞函數(shù)。

有研究[2]給出了一種根據(jù)Z-M模型（Ziegler-Nichols for Model，Z-N：M）的NFC參數(shù)整定方法。Z-N：M和滑動(dòng)窗濾波器（Sliding Window Filter，SWF）的傳遞函數(shù)分別為：

[Z-N：M（s）=KZ-Ne-τZ-NsSWF（s）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

[SWF（s）=1-e-TZ-NsTZ-Ns]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中，[Z-N：M（s）]為Z-N：M的傳遞函數(shù);[KZ-N]為過程增益;[TZ-N]為過程時(shí)間常數(shù);[τZ-N]為過程滯后常數(shù);[SWF（s）]為滑動(dòng)窗濾波器的傳遞函數(shù)。

Z-N：M是一種過程對(duì)象（Process Object，PO）的工程模型，建立PO的Z-N：M，如圖3所示。

圖3中，[PVPOt]為PO在單位階躍輸入的過程輸出，[PVZ-N：Mt]為Z-N：M等效在單位階躍輸入的過程輸出。[KPO]為PO的增益。根據(jù)圖3，對(duì)NFC參數(shù)進(jìn)行整定，其用公式可以表示為：

[KHPPI=1KZ-N ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

[THEI=τZ-N+TZ-N ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

[THPLO=TZ-N2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

NFC僅依靠簡單的對(duì)象開環(huán)特性確定控制器參數(shù)，避開了復(fù)雜煩瑣的中間過程，非常適合應(yīng)用于工程中。

2 基于減溫水閉環(huán)反饋控制的過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)

某630 MW亞臨界汽包爐機(jī)組的過熱器一級(jí)噴水后，汽溫測點(diǎn)安裝位置離噴水減溫器出口太近，造成噴水后汽溫不能正確反映減溫水流量的變化，導(dǎo)致一級(jí)過熱汽溫調(diào)節(jié)品質(zhì)一直不理想，人們需要對(duì)一級(jí)過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2.1 原理結(jié)構(gòu)

圖4是改造后的一級(jí)過熱汽溫串級(jí)控制原理圖。主調(diào)節(jié)器采用NFC，用于控制一級(jí)過熱汽溫。副調(diào)節(jié)器采用PI，用于控制減溫水流量?？刂圃硎牵和ㄟ^主調(diào)節(jié)器NFC對(duì)一級(jí)過熱汽溫及設(shè)定值的偏差進(jìn)行運(yùn)算，輸出一級(jí)過熱汽溫反饋控制量。將反饋控制量與負(fù)荷設(shè)定、負(fù)荷速率等相關(guān)的汽溫前饋量疊加輸出，作為副調(diào)節(jié)器PI的設(shè)定值，即減溫水流量設(shè)定值。PI輸出減溫水調(diào)節(jié)門開度指令，實(shí)現(xiàn)減溫水流量的閉環(huán)反饋控制。

2.2 建立控制對(duì)象的工程模型

為了快速而準(zhǔn)確地整定NFC的參數(shù)，筆者分別在240 MW和550 MW兩個(gè)基本負(fù)荷點(diǎn)，測定減溫水流量至一級(jí)汽溫的控制對(duì)象特性。其具體方法如下：機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在基本負(fù)荷點(diǎn)10～20 min;鍋爐主控、汽機(jī)主控、減溫水調(diào)門控制切至手動(dòng)，并保持輸出不變;設(shè)置機(jī)組負(fù)荷、被調(diào)汽溫、減溫水調(diào)節(jié)門開度、減溫水流量記錄曲線;手動(dòng)反向調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)門開度，快速增加或減少減溫水調(diào)門開度5%～10%;等待被調(diào)汽溫過渡到新的穩(wěn)定值;根據(jù)測試記錄，確定對(duì)象響應(yīng)過程滯后時(shí)間[τZ-N]、過程時(shí)間常數(shù)[TZ-N]、過程穩(wěn)態(tài)值，確定過程增益[KZ-N];根據(jù)[τZ-N]、[TZ-N]、[KZ-N]建立控制對(duì)象的工程模型，即Z-N：M。

2.3 主調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

在240 MW和550 MW兩個(gè)基本負(fù)荷點(diǎn)，得到Z-N：M，其用公式可以表示為：

[Z-N：M240（s）=3.26e-97s1-e-400s400s]? ? ? ? ? ? ? ? （12）

[Z-N：M550（s）=0.435e-63s1-e-124s124s]? ? ? ? ? ? ? ?（13）

式中，[Z-N：M240（s）]為在240 MW的Z-N：M;[Z-N：M550（s）]為在550 MW的Z-N：M。

根據(jù)[Z-N：M240（s）]，在240 MW，NFC參數(shù)為[KHPPI]=0.306、[THEI]=497 s、[THPLO]=200 s;根據(jù)[Z-N：M550（s）]，在550 MW，NFC參數(shù)為[KHPPI]=2.29、[THEI]=187 s、[THPLO]=62 s。

對(duì)于不同負(fù)荷，控制對(duì)象特性差異較大，NFC參數(shù)也差異較大，因此，NFC參數(shù)采用負(fù)荷變參數(shù)調(diào)節(jié)。

2.4 副調(diào)節(jié)器及參數(shù)確定

副調(diào)節(jié)器用PI，PI的傳遞函數(shù)為：

[PI（s）=KP+1TIs]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （14）

式中，[PI（s）]為PI的傳遞函數(shù);[KP]為比例增益;[TI]為積分時(shí)間常數(shù)。

減溫水流量控制屬于快速回路，本研究通過試湊法整定PI參數(shù)，最終給出PI參數(shù)，[KP]=0.15，[TI]=8 s。

2.5 系統(tǒng)投運(yùn)結(jié)果

控制器參數(shù)整定完成，在減溫水有調(diào)節(jié)裕量的前提下，汽溫自調(diào)系統(tǒng)可以長期投入。圖5是機(jī)組在調(diào)頻模式下汽溫自調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)情況：在負(fù)荷穩(wěn)定工況下，被調(diào)汽溫與設(shè)定值的偏差在3 ℃以內(nèi)，負(fù)荷變動(dòng)工況下，被調(diào)汽溫與設(shè)定值的偏差在5 ℃以內(nèi);減溫水流量與設(shè)定值偏差為0.5 t/h，滿足汽溫自調(diào)系統(tǒng)長期投入的條件，達(dá)到了汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)改造的預(yù)期目的。

3 結(jié)語

過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器采用NFC代替原PID，采用減溫水流量閉環(huán)控制方式代替原方式（測量不準(zhǔn)確的噴水后汽溫），克服了減溫水調(diào)門開度-流量特性差的問題，最終投入一級(jí)過熱汽溫調(diào)節(jié)自動(dòng)，取得較好的效果，為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和調(diào)頻運(yùn)行提供了進(jìn)一步的保障。同時(shí)，其可以為噴水后汽溫測量不準(zhǔn)確、調(diào)節(jié)閥門特性差的機(jī)組進(jìn)行汽溫控制系統(tǒng)改造、優(yōu)化提供較好的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李軍，黃衛(wèi)劍，萬文軍，等.一種高性能PID控制器的研究與工程應(yīng)用[J].廣東電力，2018（7）：42-48.

[2]李軍，周永言，劉哲，等.在工業(yè)過程控制領(lǐng)域：基礎(chǔ)控制技術(shù)的進(jìn)展與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2019（12）：1-18.