汽温控制系统

一、汽温控制中的主要难点




汽温控制的质量直接关系到机组的安全经济运行，而过热汽温的控制又 是各项控制中较为困难的任务之一，这主要是由于： 1 、造成过热汽温变化的原因很多，例如：负荷、减温水量、烟气侧的 过剩空气系数机火焰中心位置、燃料成分等都会影响汽温的变化。 2 、对象对各种扰动作用下的特性具有非线性、时变等特性，使控制的 难度加大。 3 、汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的 提高，蒸汽过热的受热面积比例加大，使其迟延和惯性更大，从而进一 步加大了控制的难度。
表一：模糊控制规则

根据“特性完全补偿”原理，克服对象大迟延。 “特性完全补偿”主要是通过多阶惯性环节拟合过热器动态特性并将其 反向叠加到调节器入口，消除由于锅炉惯性引起大迟延对汽温调节影响。 如下图所示当PTn 特性接近过热器的特性时，PTn =G2（S）过热器的 特性得到完全补偿，这时被调量Pv=UG1（S），由于喷水减温器的动态 特性可用惯性时间较小一阶惯性环节表示，它作为被测量信号将使调节 系统的调节效果得到很大改善。通过“特性完全补偿”，汽温自动控制 在动态情况下调节器被调量为：PV=Tg+T2×(1-PTN)，稳态情况下： PV=Tg，（TG为被调蒸汽温度，T2为减温器后温度，PTN为过热汽对 减温水变化特性）。



完全补偿，大大改善了减温水（或调整门）扰动下被控对象的动态特性。 考虑到汽温特性在锅炉不同负荷下相差较大，引入变积分、微分增益、 比例系数可以改善调节系统动态品质，适应调节对象特性要求。 根据汽温调节的特点，认为削减系统大的迟滞，克服内扰，应采用多种 前馈控制方案以克服各种外扰因素是解决这一问题的思路。为此，在不 同的机组（直吹式、中间仓储式锅炉）进行了大量的试验，并进行了比 较分析和可行性论证，决定在原常规导前微分控制方案的基础上，使用 予估控制理论。 通过拟合过热器的对象特性，形成“特性补偿式”汽温控制方案，可有 效克服系统的大滞后和减温水侧的扰动；同时引用“锅炉负荷指令”、 “锅炉热量”等多种前馈控制可最大程度克服外扰因素；另外根据调节 器温度偏差、被调温度变化率等条件组合出了十五条模糊控制规则，作 为温度调节的依据对汽温调节调节器增益进行了动态修正。
三、存在的问题


阳光汽温控制方案采用德国SIEMENS公司原设计串级汽温调节方 案，投用效果不很理想，特别由于燃烧等各种运行工况的变化，汽温控 制效果更差，满足不了运行要求。在机组变负荷或启停磨煤机过程中经 常需要运行人员手动干预以防止机组超温，增大了运行人员的工作强度, 由于调节过渡时间长，汽温波动幅度大，机组长期处于汽温大范围变化 状态，对锅炉受热面寿命威胁极大。同时，汽温长期波动不能保证机组 在最佳经济方式下运行。 简单的串级汽温调节方案以及不合理前馈回路，无法消除锅炉大惯 性、大迟延对汽温调节影响，汽温调节过渡时间长、稳定性差。同时也 没有充分考虑锅炉对象特性的不确定性，过热器在不同负荷、不同燃烧 工况下，对象特性差异较大，单一的调节参数满足不了过热器、再热器 温度调节动态、静态调节品质要求。
二、汽温控制特点

主汽温度是火电机组安全、高效、经济运行的重要参数，汽温过高会使 过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，汽温偏低会降低机组 的热效率，影响经济运行。蒸汽温度控制一直是热控方面的一大难题， 主要表现在几个方面。1）要求控制精度高（±5℃）；2）系统滞后大； 3）干扰因素较多，包括：给水温度的变化、减温水扰动、负荷扰动、 燃烧扰动、风煤配比变化等；4）对象特性的不确定性，过热器在不同 负荷、不同燃烧工况下，对象特性差异较大；5）控制手段单一，过热 汽温度主要以喷水减温为主要控制手段，再热汽温度主要通过改变烟气 挡板开度控制。
b.一级汽温动态特性G(s)=1.2/(1+TcS)2 ， 其中Tc与机组负荷的关系见表4。 该方案已应用于阳光公司号4台机组，经过定值扰动试验和负荷扰动试验，证明 其控制品质不仅满足各种工况的运行要求，而且超过要求标准要求（10℃的定 值扰动，偏差为±1℃；20%ECR以上幅度，2%ECR/min速率的负荷扰动，动 态偏差不超过±5℃，静态偏差不超过±2℃）。
表3：二级汽温动态特性
表4：一级汽温动态特性
七、结论


经过摸索而设计的方案，在实际运行中被证明是有效的。该方案由于采 用了锅炉负荷指令作为前馈信号，从而能快速反映锅炉的燃烧工况。蒸 汽流量作为前馈信号消除由于锅炉热负荷变化过程中对汽温扰动影响， 改善了汽温调节品质。 “特性补偿式”汽温控制方案是将常规控制方案与现代控制理论相结合， 有效克服了对象的大滞后对控制系统的影响，可完全克服系统的内扰， 并通过前馈控制方案以最大程度克服系统的外扰，解决了汽温控制系统 长期存在的问题。
表2
六、应用情况



“特性补偿式”汽温控制方案实施的关键是在对象特性试验的基础上，进 行模型辨识，通过数学模型拟合过热器的对象特性。补偿特性越接近过 热器的特性，对锅炉大惯性补偿效果越好。为此需要在机组不同的负荷 工况下进行大量的对象特性试验，包括减温水调整门变化对减温器后蒸 汽温度特性，调整门变化对屏过出口温度、主汽温度特性试验等。并将 试验数据进行了模型辨识，得到不同工况下过热器的数学模型（以二号 机组为例）： a.二级汽温动态特性G(s)=0.58/(1+TcS)4 ， 其中Tc与机组负荷的关系 见表3。

前馈回路 。 原使用燃料信号的前馈信号实际微分信号改为锅炉主控使用的负荷指令 信号并将该动态调节量加在调节器出口绕过调节器积分调节作用，这样 可以通过改变实际微分环节中惯性时间或微分增益来形成所需动态超调 量以满足汽温在负荷变化的动态过程中对减温水量短暂需求，进而改善 了调节系统的动态调节品质，负荷变动结束后稳态情况下不起作用，这 样即使负荷由于扰动小幅度变化，前馈不起作用使汽温调节更加稳定。 引进蒸汽流量信号代表锅炉热量信号可以快速、实时地对炉膛燃烧状况 的变化作出反应。
动态情况下由于使用了完全补偿汽温调节原理，汽温调节对减温水水侧扰动反 映更加迅速将原来大惯性、大迟延变为减温器后快速反映蒸汽温度，大大改善了 减温水扰动下被控对象的动态特性。


再热汽调节方案改进 。 再热汽较过热汽温调节困难更大，主要问题是迟延更大，多达20分钟， 是典型的非线性、大滞后、时变、耦合的复杂对象，随时存在诸多不确 定的扰动因素，需要通过PID等闭环控制手段来克服，而PID在不同的工 作区间，Kp、Ti、Td对输出的影响是不同的，有时甚至相反。若采用恒 定不变的PID参数，将会造成调节过程中动、静态特性恶化，因此在偏 差变化的不同区间采用不同的PID参数，形成分段PID控制，即根据偏差 及偏差变化率的不同组合，综合调节PID三项作用的强、弱，产生以下 智能多模态PID的控制规则方案见表2。该控制方案可有效改善再热汽温 调节品质。
四、问题分析与改进方案实践


过热汽温被控对象在工况大范围变化时，动态特性或模型参数将有很大 变化。要求控制策略针对对象动态特性准确建模。对于这类复杂被控对 象，若采用基于对象模型识别的常规自适应控制器，模糊自适应控制器， 或者基于神经网络实现的自适应控制器，都由于计算量大，控制规律复 杂，很难满足实时性要求。特别是现有DCS系统，设计中没有预估器 、 模糊控制算法，复杂算法无法实现。 实际应用表明若采用经典固定参数PID串级控制系统整定方法，很难保 证在所有工况范围内系统均具有较好的控制品质，甚至闭环系统也有可 能产生渐扩振荡。因此，认为串级控制系统本身对大惯性过程控制的有 效性是有限的，在被控对象扰动时，如果能充分考虑过热器的大惯性、 大迟延，并将其反向叠加处理予以抵消，这样在进入调节前就相当于把 原来滞后大的被调量信号过热器出口温度完全补偿为滞后小的多的减温 器后温度，相对于采用导前微分的双回路汽温调节控制系统，从控制方 式上由原来部分补偿变完成。
汽温控制系统
晋能集团 主讲人：刘红霞
一、汽温控制中的 主要难点 七、结论 二、汽温控制特点
概述 六、应用情况 三、存在的问题
五、过热汽温控制 方案
四、问题分析与ห้องสมุดไป่ตู้进 方案实践
概述

现代锅炉的过热器是在高温、高压条件下工作的，锅炉出口的过热蒸汽 温度是整个汽水行程下工质的最高温度，对于电厂的经济运行有较大影 响。汽温过高会使过热器和汽机高压缸承受过高的热应力而损坏，汽温 偏低会降低机组热效率，影响经济运行。
五、过热汽温控制方案


根据模糊规则判断结果改变控制器增益 。 在常规PID控制基础上增加变增益的模糊控制规则后，不仅静态特性得 以改善，动态偏差也减小，并且调节速度加快，控制效果较好，对干扰 克服能力增强。其最大动态偏差和调节时间较常规串级控制明显减少， 对象特性变化后仍能正常工作。实际投用效果证明，常规的PI基础上增 加模糊控制所构成的复合系统，动态偏差可大大降低，并且调节速度加 快，控制效果变好，对干扰的克服能力增强，模糊规则如下表1所示。
“特性补偿式”汽温控制方案原理框图如下图
1所示：



不同负荷工况下，自动调整调节器比例。 过热器在不同负荷对象特性差异较大，需要根据负荷情况对调节器的比 例系数进行调整，以适应调节需要，为此做了不同负荷下汽温特性试验， 据此调整不同负荷工况下调节器比例系数。 串级调节改为单回路 。 串级调节系统使用主调控制过热汽出口温度，副调控制减温器后蒸汽温 度。由于屏式过热器进口汽温较低，仅处于过热状态；而且由于屏式过 热器主要吸收的是辐射热，响应快，因此单回路已能满足要求。 二级过热汽温通过“特性补偿”调节速度加快也可改为单回路调节控制 方案，即由原过热蒸汽出口主蒸汽温度作为主调节器的被调量，二级减 温器后蒸汽温度作为副调节器被调量，改为左右侧各一个调节器，左右 侧汽温调节使用相同的被调量及过热汽温，所以现在调节控制方案中必 须考虑末级过热器入口蒸汽温度保持平衡的问题。