汽溫控制系統(tǒng)

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

2、機(jī)火焰中心位置、燃料成分等都會(huì)影響汽溫的變化。v2 、對(duì)象對(duì)各種擾動(dòng)作用下的特性具有非線性、時(shí)變等特性，使控制的難度加大。v3 、汽溫對(duì)象具有大遲延、大慣性的特點(diǎn)，尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的提高，蒸汽過(guò)熱的受熱面積比例加大，使其遲延和慣性更大，從而進(jìn)一步加大了控制的難度。二、汽溫控制特點(diǎn)v主汽溫度是火電機(jī)組安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)，汽溫過(guò)高會(huì)使過(guò)熱器和汽輪機(jī)高壓缸承受過(guò)高的熱應(yīng)力而損壞，汽溫偏低會(huì)降低機(jī)組的熱效率，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(gè)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(dòng)、負(fù)荷擾動(dòng)、燃

3、燒擾動(dòng)、風(fēng)煤配比變化等；4）對(duì)象特性的不確定性，過(guò)熱器在不同負(fù)荷、不同燃燒工況下，對(duì)象特性差異較大；5）控制手段單一，過(guò)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(guò)改變煙氣擋板開(kāi)度控制。三、存在的問(wèn)題v 陽(yáng)光汽溫控制方案采用德國(guó)SIEMENS公司原設(shè)計(jì)串級(jí)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(yùn)行工況的變化，汽溫控制效果更差，滿足不了運(yùn)行要求。在機(jī)組變負(fù)荷或啟停磨煤機(jī)過(guò)程中經(jīng)常需要運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)以防止機(jī)組超溫，增大了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度,由于調(diào)節(jié)過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，汽溫波動(dòng)幅度大，機(jī)組長(zhǎng)期處于汽溫大范圍變化狀態(tài)，對(duì)鍋爐受熱面壽命威脅極大。同時(shí)，汽溫長(zhǎng)期波動(dòng)不能保證機(jī)組在最佳經(jīng)濟(jì)

4、方式下運(yùn)行。v 簡(jiǎn)單的串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)方案以及不合理前饋回路，無(wú)法消除鍋爐大慣性、大遲延對(duì)汽溫調(diào)節(jié)影響，汽溫調(diào)節(jié)過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性差。同時(shí)也沒(méi)有充分考慮鍋爐對(duì)象特性的不確定性，過(guò)熱器在不同負(fù)荷、不同燃燒工況下，對(duì)象特性差異較大，單一的調(diào)節(jié)參數(shù)滿足不了過(guò)熱器、再熱器溫度調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)要求。 四、問(wèn)題分析與改進(jìn)方案實(shí)踐v過(guò)熱汽溫被控對(duì)象在工況大范圍變化時(shí)，動(dòng)態(tài)特性或模型參數(shù)將有很大變化。要求控制策略針對(duì)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性準(zhǔn)確建模。對(duì)于這類復(fù)雜被控對(duì)象，若采用基于對(duì)象模型識(shí)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(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)控制器，都由于計(jì)算量大，控制規(guī)律復(fù)雜，很難滿足實(shí)時(shí)性要求。特別

5、是現(xiàn)有DCS系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中沒(méi)有預(yù)估器 、模糊控制算法，復(fù)雜算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 v實(shí)際應(yīng)用表明若采用經(jīng)典固定參數(shù)PID串級(jí)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(kuò)振蕩。因此，認(rèn)為串級(jí)控制系統(tǒng)本身對(duì)大慣性過(guò)程控制的有效性是有限的，在被控對(duì)象擾動(dòng)時(shí)，如果能充分考慮過(guò)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(jìn)入調(diào)節(jié)前就相當(dāng)于把原來(lái)滯后大的被調(diào)量信號(hào)過(guò)熱器出口溫度完全補(bǔ)償為滯后小的多的減溫器后溫度，相對(duì)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(lái)部分補(bǔ)償變完成。v 完全補(bǔ)償，大大改善了減溫水（或調(diào)整門）擾動(dòng)下被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特

6、性?？紤]到汽溫特性在鍋爐不同負(fù)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(dòng)態(tài)品質(zhì)，適應(yīng)調(diào)節(jié)對(duì)象特性要求。v根據(jù)汽溫調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，認(rèn)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(wèn)題的思路。為此，在不同的機(jī)組（直吹式、中間倉(cāng)儲(chǔ)式鍋爐）進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并進(jìn)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(guò)擬合過(guò)熱器的對(duì)象特性，形成“特性補(bǔ)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(dòng)；同時(shí)引用“鍋爐負(fù)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(duì)汽溫調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器增益進(jìn)行了動(dòng)態(tài)修正。 五、過(guò)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?cè)鲆娴哪：刂埔?guī)則后，不僅靜態(tài)特性得以改善，動(dòng)態(tài)偏差也減小，并且調(diào)節(jié)速度加快，控制效果較好，對(duì)干擾克服能力增強(qiáng)。其最大動(dòng)態(tài)偏差和調(diào)節(jié)時(shí)間較常規(guī)串級(jí)控制明顯減少，對(duì)象特性變化后仍能正常工作。實(shí)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(dòng)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(duì)干擾的克服能力增強(qiáng)，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(bǔ)償”原理，克服對(duì)象大遲延。v“特性

8、完全補(bǔ)償”主要是通過(guò)多階慣性環(huán)節(jié)擬合過(guò)熱器動(dòng)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(duì)汽溫調(diào)節(jié)影響。如下圖所示當(dāng)PTn 特性接近過(guò)熱器的特性時(shí)，PTn =G2（S）過(guò)熱器的特性得到完全補(bǔ)償，這時(shí)被調(diào)量Pv=UG1（S），由于噴水減溫器的動(dòng)態(tài)特性可用慣性時(shí)間較小一階慣性環(huán)節(jié)表示，它作為被測(cè)量信號(hào)將使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果得到很大改善。通過(guò)“特性完全補(bǔ)償”，汽溫自動(dòng)控制在動(dòng)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(guò)熱汽對(duì)減溫水變化特性）。v“特性補(bǔ)償式”汽溫控制方案原理框圖如下圖1所示：v不同

9、負(fù)荷工況下，自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)器比例。v過(guò)熱器在不同負(fù)荷對(duì)象特性差異較大，需要根據(jù)負(fù)荷情況對(duì)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)調(diào)節(jié)需要，為此做了不同負(fù)荷下汽溫特性試驗(yàn)，據(jù)此調(diào)整不同負(fù)荷工況下調(diào)節(jié)器比例系數(shù)。v串級(jí)調(diào)節(jié)改為單回路 。v串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用主調(diào)控制過(guò)熱汽出口溫度，副調(diào)控制減溫器后蒸汽溫度。由于屏式過(guò)熱器進(jìn)口汽溫較低，僅處于過(guò)熱狀態(tài)；而且由于屏式過(guò)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(jí)過(guò)熱汽溫通過(guò)“特性補(bǔ)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(guò)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(jí)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(gè)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(guò)熱汽溫，所以現(xiàn)在調(diào)節(jié)控制方案中必須考慮末級(jí)過(guò)熱器入口蒸汽溫度保持平衡的問(wèn)題。 v前饋回路 。v原使用燃料信號(hào)的前饋信號(hào)實(shí)際微分信號(hào)改為鍋爐主控使用的負(fù)荷指令信號(hào)并將該動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)量加在調(diào)節(jié)器出口繞過(guò)調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)作用，這樣可以通過(guò)改變實(shí)際微分環(huán)節(jié)中慣性時(shí)間或微分增益來(lái)形成所需動(dòng)態(tài)超調(diào)量以滿足汽溫在負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中對(duì)減溫水量短暫需求，進(jìn)而改善了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，負(fù)荷變動(dòng)結(jié)束后穩(wěn)態(tài)情況下不起作用，這樣即使負(fù)荷由于擾動(dòng)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(jìn)蒸汽流量信號(hào)代表鍋爐熱量信號(hào)可以快速、實(shí)時(shí)地對(duì)爐膛燃燒狀況的變化作出反應(yīng)。 動(dòng)態(tài)情況下由于使用了完全補(bǔ)償汽

11、溫調(diào)節(jié)原理，汽溫調(diào)節(jié)對(duì)減溫水水側(cè)擾動(dòng)反映更加迅速將原來(lái)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(dòng)下被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。v再熱汽調(diào)節(jié)方案改進(jìn) 。v再熱汽較過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)困難更大，主要問(wèn)題是遲延更大，多達(dá)20分鐘，是典型的非線性、大滯后、時(shí)變、耦合的復(fù)雜對(duì)象，隨時(shí)存在諸多不確定的擾動(dòng)因素，需要通過(guò)PID等閉環(huán)控制手段來(lái)克服，而PID在不同的工作區(qū)間，Kp、Ti、Td對(duì)輸出的影響是不同的，有時(shí)甚至相反。若采用恒定不變的PID參數(shù)，將會(huì)造成調(diào)節(jié)過(guò)程中動(dòng)、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(xiàng)作用的強(qiáng)、弱，產(chǎn)生以下智能多模態(tài)PID的控制規(guī)則方案見(jiàn)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(bǔ)償式”汽溫控制方案實(shí)施的關(guān)鍵是在對(duì)象特性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型辨識(shí)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型擬合過(guò)熱器的對(duì)象特性。補(bǔ)償特性越接近過(guò)熱器的特性，對(duì)鍋爐大慣性補(bǔ)償效果越好。為此需要在機(jī)組不同的負(fù)荷工況下進(jìn)行大量的對(duì)象特性試驗(yàn)，包括減溫水調(diào)整門變化對(duì)減溫器后蒸汽溫度特性，調(diào)整門變化對(duì)屏過(guò)出口溫度、主汽溫度特性試驗(yàn)等。并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型辨識(shí)，得到不同工況下過(guò)熱器的數(shù)學(xué)模型（以二號(hào)機(jī)組為例）：va.二級(jí)汽溫動(dòng)態(tài)特性G(s)=0.58/(1+TcS)4 ， 其中Tc與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系見(jiàn)表3。vb.一級(jí)汽溫動(dòng)態(tài)特性G(s)=1.2/(1+TcS)2 ， 其中Tc與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系見(jiàn)表4。v該方案已應(yīng)用于陽(yáng)光公司號(hào)4臺(tái)機(jī)組，經(jīng)過(guò)定值擾動(dòng)試驗(yàn)和負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)，證明其控制品質(zhì)不僅滿足各種工況的運(yùn)行要求，而且超過(guò)要求標(biāo)準(zhǔn)要求（10的定值擾動(dòng)，偏差為1；20%ECR以上幅度，2%ECR/min速率的負(fù)荷擾動(dòng)，動(dòng)態(tài)偏差不超過(guò)5，靜態(tài)偏差不超過(guò)2）。表3：二級(jí)汽溫動(dòng)態(tài)特性 表4：一級(jí)汽溫動(dòng)態(tài)特性 七、結(jié)論v經(jīng)過(guò)摸索而設(shè)計(jì)