汽溫控制系統(tǒng)

1、汽溫控制系統(tǒng)晉能集團主講人：劉紅霞七、結(jié)論六、應(yīng)用情況五、過熱汽溫控制方案四、問題分析與改進方案實踐三、存在的問題二、汽溫控制特點一、汽溫控制中的主要難點概述概述 v現(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓條件下工作的，鍋爐出口的過熱蒸汽溫度是整個汽水行程下工質(zhì)的最高溫度，對于電廠的經(jīng)濟運行有較大影響。汽溫過高會使過熱器和汽機高壓缸承受過高的熱應(yīng)力而損壞，汽溫偏低會降低機組熱效率，影響經(jīng)濟運行。一、汽溫控制中的主要難點v汽溫控制的質(zhì)量直接關(guān)系到機組的安全經(jīng)濟運行，而過熱汽溫的控制又是各項控制中較為困難的任務(wù)之一，這主要是由于：v1 、造成過熱汽溫變化的原因很多，例如：負荷、減溫水量、煙氣側(cè)的過?？諝庀禂?shù)

2、機火焰中心位置、燃料成分等都會影響汽溫的變化。v2 、對象對各種擾動作用下的特性具有非線性、時變等特性，使控制的難度加大。v3 、汽溫對象具有大遲延、大慣性的特點，尤其隨著機組容量和參數(shù)的提高，蒸汽過熱的受熱面積比例加大，使其遲延和慣性更大，從而進一步加大了控制的難度。二、汽溫控制特點v主汽溫度是火電機組安全、高效、經(jīng)濟運行的重要參數(shù)，汽溫過高會使過熱器和汽輪機高壓缸承受過高的熱應(yīng)力而損壞，汽溫偏低會降低機組的熱效率，影響經(jīng)濟運行。蒸汽溫度控制一直是熱控方面的一大難題，主要表現(xiàn)在幾個方面。1）要求控制精度高（5）；2）系統(tǒng)滯后大；3）干擾因素較多，包括：給水溫度的變化、減溫水?dāng)_動、負荷擾動、燃

3、燒擾動、風(fēng)煤配比變化等；4）對象特性的不確定性，過熱器在不同負荷、不同燃燒工況下，對象特性差異較大；5）控制手段單一，過熱汽溫度主要以噴水減溫為主要控制手段，再熱汽溫度主要通過改變煙氣擋板開度控制。三、存在的問題v 陽光汽溫控制方案采用德國SIEMENS公司原設(shè)計串級汽溫調(diào)節(jié)方案，投用效果不很理想，特別由于燃燒等各種運行工況的變化，汽溫控制效果更差，滿足不了運行要求。在機組變負荷或啟停磨煤機過程中經(jīng)常需要運行人員手動干預(yù)以防止機組超溫，增大了運行人員的工作強度,由于調(diào)節(jié)過渡時間長，汽溫波動幅度大，機組長期處于汽溫大范圍變化狀態(tài)，對鍋爐受熱面壽命威脅極大。同時，汽溫長期波動不能保證機組在最佳經(jīng)濟

4、方式下運行。v 簡單的串級汽溫調(diào)節(jié)方案以及不合理前饋回路，無法消除鍋爐大慣性、大遲延對汽溫調(diào)節(jié)影響，汽溫調(diào)節(jié)過渡時間長、穩(wěn)定性差。同時也沒有充分考慮鍋爐對象特性的不確定性，過熱器在不同負荷、不同燃燒工況下，對象特性差異較大，單一的調(diào)節(jié)參數(shù)滿足不了過熱器、再熱器溫度調(diào)節(jié)動態(tài)、靜態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)要求。 四、問題分析與改進方案實踐v過熱汽溫被控對象在工況大范圍變化時，動態(tài)特性或模型參數(shù)將有很大變化。要求控制策略針對對象動態(tài)特性準(zhǔn)確建模。對于這類復(fù)雜被控對象，若采用基于對象模型識別的常規(guī)自適應(yīng)控制器，模糊自適應(yīng)控制器，或者基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的自適應(yīng)控制器，都由于計算量大，控制規(guī)律復(fù)雜，很難滿足實時性要求。特別

5、是現(xiàn)有DCS系統(tǒng)，設(shè)計中沒有預(yù)估器 、模糊控制算法，復(fù)雜算法無法實現(xiàn)。 v實際應(yīng)用表明若采用經(jīng)典固定參數(shù)PID串級控制系統(tǒng)整定方法，很難保證在所有工況范圍內(nèi)系統(tǒng)均具有較好的控制品質(zhì)，甚至閉環(huán)系統(tǒng)也有可能產(chǎn)生漸擴振蕩。因此，認為串級控制系統(tǒng)本身對大慣性過程控制的有效性是有限的，在被控對象擾動時，如果能充分考慮過熱器的大慣性、大遲延，并將其反向疊加處理予以抵消，這樣在進入調(diào)節(jié)前就相當(dāng)于把原來滯后大的被調(diào)量信號過熱器出口溫度完全補償為滯后小的多的減溫器后溫度，相對于采用導(dǎo)前微分的雙回路汽溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，從控制方式上由原來部分補償變完成。v 完全補償，大大改善了減溫水（或調(diào)整門）擾動下被控對象的動態(tài)特

6、性?？紤]到汽溫特性在鍋爐不同負荷下相差較大，引入變積分、微分增益、比例系數(shù)可以改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)，適應(yīng)調(diào)節(jié)對象特性要求。v根據(jù)汽溫調(diào)節(jié)的特點，認為削減系統(tǒng)大的遲滯，克服內(nèi)擾，應(yīng)采用多種前饋控制方案以克服各種外擾因素是解決這一問題的思路。為此，在不同的機組（直吹式、中間倉儲式鍋爐）進行了大量的試驗，并進行了比較分析和可行性論證，決定在原常規(guī)導(dǎo)前微分控制方案的基礎(chǔ)上，使用予估控制理論。v通過擬合過熱器的對象特性，形成“特性補償式”汽溫控制方案，可有效克服系統(tǒng)的大滯后和減溫水側(cè)的擾動；同時引用“鍋爐負荷指令”、“鍋爐熱量”等多種前饋控制可最大程度克服外擾因素；另外根據(jù)調(diào)節(jié)器溫度偏差、被調(diào)溫度變化率

7、等條件組合出了十五條模糊控制規(guī)則，作為溫度調(diào)節(jié)的依據(jù)對汽溫調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器增益進行了動態(tài)修正。 五、過熱汽溫控制方案v根據(jù)模糊規(guī)則判斷結(jié)果改變控制器增益 。v在常規(guī)PID控制基礎(chǔ)上增加變增益的模糊控制規(guī)則后，不僅靜態(tài)特性得以改善，動態(tài)偏差也減小，并且調(diào)節(jié)速度加快，控制效果較好，對干擾克服能力增強。其最大動態(tài)偏差和調(diào)節(jié)時間較常規(guī)串級控制明顯減少，對象特性變化后仍能正常工作。實際投用效果證明，常規(guī)的PI基礎(chǔ)上增加模糊控制所構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，動態(tài)偏差可大大降低，并且調(diào)節(jié)速度加快，控制效果變好，對干擾的克服能力增強，模糊規(guī)則如下表1所示。v表一：模糊控制規(guī)則v根據(jù)“特性完全補償”原理，克服對象大遲延。v“特性

8、完全補償”主要是通過多階慣性環(huán)節(jié)擬合過熱器動態(tài)特性并將其反向疊加到調(diào)節(jié)器入口，消除由于鍋爐慣性引起大遲延對汽溫調(diào)節(jié)影響。如下圖所示當(dāng)PTn 特性接近過熱器的特性時，PTn =G2（S）過熱器的特性得到完全補償，這時被調(diào)量Pv=UG1（S），由于噴水減溫器的動態(tài)特性可用慣性時間較小一階慣性環(huán)節(jié)表示，它作為被測量信號將使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果得到很大改善。通過“特性完全補償”，汽溫自動控制在動態(tài)情況下調(diào)節(jié)器被調(diào)量為：PV=Tg+T2(1-PTN)，穩(wěn)態(tài)情況下：PV=Tg，（TG為被調(diào)蒸汽溫度，T2為減溫器后溫度，PTN為過熱汽對減溫水變化特性）。v“特性補償式”汽溫控制方案原理框圖如下圖1所示：v不同

9、負荷工況下，自動調(diào)整調(diào)節(jié)器比例。v過熱器在不同負荷對象特性差異較大，需要根據(jù)負荷情況對調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)進行調(diào)整，以適應(yīng)調(diào)節(jié)需要，為此做了不同負荷下汽溫特性試驗，據(jù)此調(diào)整不同負荷工況下調(diào)節(jié)器比例系數(shù)。v串級調(diào)節(jié)改為單回路 。v串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用主調(diào)控制過熱汽出口溫度，副調(diào)控制減溫器后蒸汽溫度。由于屏式過熱器進口汽溫較低，僅處于過熱狀態(tài)；而且由于屏式過熱器主要吸收的是輻射熱，響應(yīng)快，因此單回路已能滿足要求。 v二級過熱汽溫通過“特性補償”調(diào)節(jié)速度加快也可改為單回路調(diào)節(jié)控制方案，即由原過熱蒸汽出口主蒸汽溫度作為主調(diào)節(jié)器的被調(diào)量，二級減溫器后蒸汽溫度作為副調(diào)節(jié)器被調(diào)量，改為左右側(cè)各一個調(diào)節(jié)器，左右側(cè)汽溫

10、調(diào)節(jié)使用相同的被調(diào)量及過熱汽溫，所以現(xiàn)在調(diào)節(jié)控制方案中必須考慮末級過熱器入口蒸汽溫度保持平衡的問題。 v前饋回路 。v原使用燃料信號的前饋信號實際微分信號改為鍋爐主控使用的負荷指令信號并將該動態(tài)調(diào)節(jié)量加在調(diào)節(jié)器出口繞過調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)作用，這樣可以通過改變實際微分環(huán)節(jié)中慣性時間或微分增益來形成所需動態(tài)超調(diào)量以滿足汽溫在負荷變化的動態(tài)過程中對減溫水量短暫需求，進而改善了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，負荷變動結(jié)束后穩(wěn)態(tài)情況下不起作用，這樣即使負荷由于擾動小幅度變化，前饋不起作用使汽溫調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定。引進蒸汽流量信號代表鍋爐熱量信號可以快速、實時地對爐膛燃燒狀況的變化作出反應(yīng)。 動態(tài)情況下由于使用了完全補償汽

11、溫調(diào)節(jié)原理，汽溫調(diào)節(jié)對減溫水水側(cè)擾動反映更加迅速將原來大慣性、大遲延變?yōu)闇p溫器后快速反映蒸汽溫度，大大改善了減溫水?dāng)_動下被控對象的動態(tài)特性。v再熱汽調(diào)節(jié)方案改進 。v再熱汽較過熱汽溫調(diào)節(jié)困難更大，主要問題是遲延更大，多達20分鐘，是典型的非線性、大滯后、時變、耦合的復(fù)雜對象，隨時存在諸多不確定的擾動因素，需要通過PID等閉環(huán)控制手段來克服，而PID在不同的工作區(qū)間，Kp、Ti、Td對輸出的影響是不同的，有時甚至相反。若采用恒定不變的PID參數(shù)，將會造成調(diào)節(jié)過程中動、靜態(tài)特性惡化，因此在偏差變化的不同區(qū)間采用不同的PID參數(shù)，形成分段PID控制，即根據(jù)偏差及偏差變化率的不同組合，綜合調(diào)節(jié)PID三

12、項作用的強、弱，產(chǎn)生以下智能多模態(tài)PID的控制規(guī)則方案見表2。該控制方案可有效改善再熱汽溫調(diào)節(jié)品質(zhì)。表2六、應(yīng)用情況v“特性補償式”汽溫控制方案實施的關(guān)鍵是在對象特性試驗的基礎(chǔ)上，進行模型辨識，通過數(shù)學(xué)模型擬合過熱器的對象特性。補償特性越接近過熱器的特性，對鍋爐大慣性補償效果越好。為此需要在機組不同的負荷工況下進行大量的對象特性試驗，包括減溫水調(diào)整門變化對減溫器后蒸汽溫度特性，調(diào)整門變化對屏過出口溫度、主汽溫度特性試驗等。并將試驗數(shù)據(jù)進行了模型辨識，得到不同工況下過熱器的數(shù)學(xué)模型（以二號機組為例）：va.二級汽溫動態(tài)特性G(s)=0.58/(1+TcS)4 ， 其中Tc與機組負荷的關(guān)系見表3。vb.一級汽溫動態(tài)特性G(s)=1.2/(1+TcS)2 ， 其中Tc與機組負荷的關(guān)系見表4。v該方案已應(yīng)用于陽光公司號4臺機組，經(jīng)過定值擾動試驗和負荷擾動試驗，證明其控制品質(zhì)不僅滿足各種工況的運行要求，而且超過要求標(biāo)準(zhǔn)要求（10的定值擾動，偏差為1；20%ECR以上幅度，2%ECR/min速率的負荷擾動，動態(tài)偏差不超過5，靜態(tài)偏差不超過2）。表3：二級汽溫動態(tài)特性 表4：一級汽溫動態(tài)特性 七、結(jié)論v經(jīng)過摸索而設(shè)計