基于信號(hào)軟測(cè)量的再熱蒸汽溫度控制研究

翁文霖,孫玲飛,趙長祥,陳 剛,范常浩

(1.滄州新天渤投能源有限公司,河北 滄州 061113;2.國能南京電力試驗(yàn)研究所,江蘇 南京 210023)

0 引言

超(超)臨界火電機(jī)組再熱蒸汽溫度自動(dòng)控制設(shè)計(jì)通常采用煙氣擋板為主、噴水減溫為輔的方式,由于煙氣擋板對(duì)于再熱汽溫控制滯后很大,時(shí)間長達(dá)20 min,因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常以再熱減溫水調(diào)節(jié)為主、煙氣擋板為輔的方式。再熱噴水減溫器布置在再熱器進(jìn)口處,蒸汽經(jīng)過減溫器后仍需要流經(jīng)一大段再熱器受熱管道,系統(tǒng)存在很大遲延性。由于管路限制,設(shè)計(jì)的減溫器出口溫度離減溫器較近,在減溫水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)溫度變化很快且幅度很大(達(dá)到40 ℃),不能起到前饋?zhàn)饔?導(dǎo)致自動(dòng)控制難度加大。因此很多電廠再熱減溫水控制長期處于手動(dòng)控制方式,操作頻次多、幅度大,加重了工作強(qiáng)度。再熱減溫水對(duì)主蒸汽壓力影響較大,尤其在機(jī)組投入AGC運(yùn)行時(shí),極易引起主蒸汽壓力及機(jī)組負(fù)荷等參數(shù)波動(dòng),影響AGC投入品質(zhì)及機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

目前,解決該問題有多種方案。文獻(xiàn)[1-6]基于Smith控制或廣義預(yù)測(cè)控制的鍋爐再熱汽溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用;文獻(xiàn)[7-9]基于狀態(tài)變量控制器的再熱汽溫控制系統(tǒng);文獻(xiàn)[10-14]基于不同機(jī)理的再熱汽溫建模與優(yōu)化控制研究。這些研究有的偏向于理論,有的使用外掛式控制器(保密性強(qiáng)),運(yùn)行人員理解和掌握其參數(shù)調(diào)整方法較困難。在實(shí)際使用一段時(shí)間后,當(dāng)再熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化時(shí),則會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行人員無法及時(shí)調(diào)整內(nèi)部參數(shù)的問題,需要廠家人員重新調(diào)試參數(shù),后期維護(hù)十分不便。

因此,研究一種基于電廠DCS的有效再熱汽溫控制系統(tǒng),方便后期維護(hù)和使用。本文是通過能量守恒及焓值實(shí)時(shí)計(jì)算方法計(jì)算出極具代表性的減溫器后蒸汽溫度,解決了目前再熱減溫器后無有效溫度測(cè)點(diǎn)的問題;通過再熱減溫水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)和閥門流量特性試驗(yàn),準(zhǔn)確建立再熱汽溫動(dòng)態(tài)特性模型,采用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償和閥門線性化處理方式,設(shè)計(jì)1套機(jī)組負(fù)荷全程自適應(yīng)的再熱汽溫自動(dòng)控制策略。

1 基于信號(hào)軟測(cè)量的再熱蒸汽溫度控制研究

1.1 軟測(cè)量計(jì)算再熱減溫器后溫度

根據(jù)能量守恒原理,進(jìn)入減溫器前蒸汽和減溫水的焓值總量等于流出減溫器后介質(zhì)焓值總量(忽略其熱損失)。通過減溫器前蒸汽的溫度和壓力計(jì)算出蒸汽焓值,再乘以蒸汽流量,得到當(dāng)前時(shí)刻下蒸汽焓值總量;通過減溫水的溫度和壓力計(jì)算出減溫水焓值,再乘以減溫水流量,得到當(dāng)前時(shí)刻下減溫水焓值總量。蒸汽焓值總量加上減溫水焓值的和再除以蒸汽流量和減溫水流量的和,得到混合后的蒸汽焓值總量,應(yīng)近似于通過減溫器后的溫度和壓力計(jì)算出的焓值總量。其原理如圖1所示。

圖1 軟測(cè)量計(jì)算再熱減溫器后溫度原理

1.2 再熱汽溫控制對(duì)象模型建立

1.2.1 控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)分高、中、低負(fù)荷段進(jìn)行,改變?cè)贌釡p溫水調(diào)節(jié)門開度,計(jì)算再熱減溫水對(duì)再熱器出口溫度在時(shí)間、幅值上的影響。其中,高負(fù)荷段試驗(yàn)條件為協(xié)調(diào)處于退出狀態(tài),給水調(diào)節(jié)、給煤控制、送風(fēng)調(diào)節(jié)切手動(dòng)方式,機(jī)組負(fù)荷處于穩(wěn)定狀態(tài),調(diào)整再熱減溫水閥使再熱器出口蒸汽溫度保持穩(wěn)定,保持風(fēng)、煤、水、減溫水等控制量不變。試驗(yàn)方法為保持當(dāng)前工況10 min,確認(rèn)再熱器出口溫度穩(wěn)定后,根據(jù)機(jī)組當(dāng)前狀況,增加(減小)再熱減溫水流量,使再熱器溫度變化不小于6 ℃,再熱器出口溫度穩(wěn)定后,再過10 min,反向改變噴水量,再進(jìn)行上述試驗(yàn)2次。中、低負(fù)荷段控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)條件與方法同上。

1.2.2 選取對(duì)象動(dòng)態(tài)特性模型

a.選取帶自平衡能力的三階慣性環(huán)節(jié)為再熱器模型,通過對(duì)再熱汽溫被控對(duì)象做階躍擾動(dòng)試驗(yàn),可知再熱汽溫在各種擾動(dòng)作用下,呈現(xiàn)出有慣性及自平衡的特點(diǎn)。再熱器模型傳遞函數(shù)為

(1)

式中：G1(S)為三階慣性環(huán)節(jié)函數(shù);T1為控制對(duì)象時(shí)間系數(shù)。

由于不同負(fù)荷下再熱蒸汽系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不同,蒸汽流量跟負(fù)荷一一對(duì)應(yīng),所以設(shè)計(jì)了一個(gè)通過蒸汽流量計(jì)算出來的時(shí)間系數(shù)T1,如圖2所示。

圖2 蒸汽流量下的再熱汽溫控制時(shí)間系數(shù)T1

b.選取一個(gè)帶自平衡能力的一階慣性函數(shù)為再熱減溫器模型如下：

(2)

式中：T2為一階慣性時(shí)間常數(shù)。

1.3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償方法

傳統(tǒng)的再熱汽溫控制通常采用串級(jí)PID控制,但對(duì)于大滯后被控對(duì)象,PID控制策略很難同時(shí)滿足控制的快速性和穩(wěn)定性。因?yàn)橐刂普羝麥囟绕?控制系統(tǒng)必須快速動(dòng)作,但由于大滯后原因,蒸汽溫度偏差不能很快得到消除,偏差一直存在,導(dǎo)致控制系統(tǒng)輸出不斷快速加大,最終由于過調(diào)導(dǎo)致控制系統(tǒng)震蕩。因此需要通過補(bǔ)償器,將大延遲、大慣性的再熱汽溫系統(tǒng)等效為一個(gè)滯后慣性較小的系統(tǒng),才能對(duì)再熱汽溫進(jìn)行有效控制。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償?shù)脑贌崞麥乜刂迫鐖D3所示。

圖3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償?shù)脑贌崞麥乜刂?/p>

a.Gc1(s)為根據(jù)再熱器對(duì)象模型設(shè)計(jì)的再熱器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器,其原理如圖4所示,由3個(gè)一階超前滯后環(huán)節(jié)和2個(gè)一階微分環(huán)節(jié)組成,通過系數(shù)A和B調(diào)整二者比例,其中K1為可調(diào)增益系數(shù)。

圖4 再熱器動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償控制器

b.Gc0(s)為根據(jù)對(duì)象模型設(shè)計(jì)的再熱減溫器后溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器,其原理如圖5所示,由1個(gè)三階慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成,其中K2為可調(diào)增益系數(shù)。

圖5 基于再熱減溫器后溫度動(dòng)態(tài)特性的補(bǔ)償控制器

1.4 再熱減溫水調(diào)節(jié)閥線性化處理

根據(jù)再熱減溫水調(diào)節(jié)閥流量特性試驗(yàn),選取閥門開度和減溫水流量,擬合為再熱器減溫水調(diào)節(jié)閥線性函數(shù)。計(jì)算不同開度下閥門流量特性,將其擬合為PID控制器比例系數(shù)。試驗(yàn)條件為再熱減溫水調(diào)節(jié)閥和再熱煙氣擋板手動(dòng)控制、機(jī)組負(fù)荷保持穩(wěn)定。試驗(yàn)方法為再熱減溫水調(diào)節(jié)閥手動(dòng)以5%/次全開、全關(guān)操作3個(gè)周期。

2 實(shí)施效果

以某電廠670 MW超臨界機(jī)組為例,該機(jī)組A、B兩側(cè)再熱汽溫由再熱減溫水調(diào)節(jié)閥和煙氣擋板共同調(diào)節(jié)。機(jī)組自投產(chǎn)以來,由于常規(guī)PID控制無法實(shí)現(xiàn)再熱減溫水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制,日常運(yùn)行過程中再熱汽溫調(diào)整主要通過手動(dòng)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)效果欠佳,波動(dòng)幅度為10～20 ℃。

將基于信號(hào)軟測(cè)量和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償?shù)脑贌崞麥刈詣?dòng)控制策略應(yīng)用于該機(jī)組再熱汽溫控制系統(tǒng)后,控制效果得到明顯改善,具體實(shí)施方法如下。

根據(jù)1.2試驗(yàn)方法得到再熱器和再熱減溫器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到G1(S)、Gc1(S)、G0(S)、Gc0(S)的參數(shù),如表1所示。

表1 G1(S)、Gc1(S)、G0(S)、Gc0(S)的參數(shù)

根據(jù)1.4試驗(yàn)方法得到再熱減溫器調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行擬合,得到閥門線性度函數(shù)F(x)={(5,1)、(10,1.5)、(15,4)、(30,4)、(35,4.5)、(40,4.5)、(45,3.5)、(50,2.2)、(55,1.9)、(60,1.5)、(65,1.3)、(70,1.2)、(75,1)、(100,1)},F(x)輸出作為PID控制器比例系數(shù)。

將機(jī)組負(fù)荷全程自適應(yīng)的再熱汽溫自動(dòng)控制策略應(yīng)用于該電廠后,再熱汽溫變化幅度控制在4 ℃左右,閥門開度最大幅度也較之前變小。具體實(shí)施效果如圖6、圖7所示。

圖6 自動(dòng)控制方式再熱汽溫調(diào)節(jié)

圖7 自動(dòng)控制方式減溫水調(diào)節(jié)門開度

3 結(jié)語

對(duì)于再熱汽溫這種大遲延、大慣性的系統(tǒng),需要一個(gè)有效前饋測(cè)點(diǎn),基于信號(hào)軟測(cè)量的再熱減溫器后溫度,可以解決目前電廠無法在硬件設(shè)備上增加測(cè)點(diǎn)的問題。經(jīng)過動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償后的再熱汽溫控制系統(tǒng)具有較小的滯后和慣性,使再熱汽溫系統(tǒng)有較強(qiáng)穩(wěn)定性和較快動(dòng)態(tài)響應(yīng),方便后期維護(hù)和使用。

在實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)電廠進(jìn)行鍋爐吹灰時(shí)對(duì)再熱汽溫影響很大,因此可將蒸汽吹灰信號(hào)引入DCS。在DCS接收到吹灰信號(hào)時(shí),將煙氣擋板和再熱減溫水調(diào)節(jié)閥關(guān)小一定開度,并在邏輯中設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖計(jì)時(shí)器,在吹灰即將結(jié)束時(shí),煙氣擋板和再熱減溫水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)恢復(fù)至原狀態(tài)。由于電廠吹灰控制臺(tái)獨(dú)立于DCS,無法將這一信號(hào)引入,目前在DCS上設(shè)計(jì)1個(gè)“吹灰模式”按鈕,進(jìn)行吹灰時(shí)點(diǎn)擊該按鈕,使調(diào)節(jié)閥按預(yù)設(shè)幅度自動(dòng)進(jìn)行開關(guān)。