锅炉汽包水位控制策略的现状分析

第36卷第3期2005年5月

锅 炉 技 术

BOIL ER T ECH NO L OGY

Vol.36,No.3M ay.,2005

收稿日期:20040407; 修回日期:20040702基金项目:美国通用公司Edison 授予研究基金项目

作者简介:周佳(1981),女,上海交通大学机械与动力工程学院在读硕士研究生。

文章编号: CN311508(2005)03000506

锅炉汽包水位控制策略的现状分析

周 佳, 曹小玲, 刘永文

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030)

关键词: 锅炉;汽包水位;三冲量;P ID;控制策略

摘 要: 概述了汽包水位经典三冲量控制方案及其特点,对现行先进汽包水位控制策略作了详细地分析,同时对汽包水位控制策略进行了总结,为开发锅炉汽包水位先进控制策略奠定了有意义的基础。中图分类号: T K 223.1+3 文献标识码: B

1 前言

众所周知,锅炉给水流量和蒸汽流量都存在测量误差,更甚者是汽包里汽水混合物进行两相流动和各种机械振动造成汽包水位剧烈的振荡和波动。然而,目前很多汽包水位控制策略仅考虑到了给水流量和蒸汽流量测量误差的补偿问题,有的甚至没有考虑这些测量误差对控制系统的影响;随着对汽包水位控制的要求提高,汽包水位控制要求同时考虑给水流量测量误差、蒸汽流量测量误差和水位波动及振动,必须提供平稳的给水控制、提供充分的和可靠的汽包水位调节。为此,本文在美国通用公司(GE)Edison 授予研究基金项目支持下,对国内外汽包水位控制策略进行了详细地分析与总结,为开发锅炉汽包水位先进控制策略奠定了基础。

2 汽包水位经典控制策略

经典汽包水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量控制,由于单冲量、双冲量及单级三冲量控制策略比较简单,并且难以适应现代各种复杂锅炉的控制要求,目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略,本文仅对三冲量串级控制策略进行详细分析。

在实际应用中,由于选定的控制阀门不一样,串级三冲量作为控制系统的设计也就不一样。

2.1选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门

选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门对于系统设计来说,方案成熟,是典型的串级三冲量控制设计,在实际现场应用中最为广泛。该系统的设计思想是:以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号,构成主调节回路,以蒸汽流量信号作为前馈信号,构成前馈调节回路,总给水流量作为串级信号,构成副调节回路,由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。引入蒸汽流量前馈信号可以消除/虚假水位0现象对自动控制的不良影响,引入给水流量串级信号可以消除给水侧压力扰动对自动控制的不良影响。其控制系统方框图如图1

所示。

图1 串级三冲量控制方案A 方框图

该系统的优点是:(1)系统适合于对于汽包水位要求严格或变化频繁、虚假水位严重的系统;(2)对信号的静态配合要求没有那么严格,主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差;(3)可以实现无差调节(不存在稳态配合问题)。缺点有:(1)在整定参数时的步骤较多;(2)尤其

锅 炉 技 术 第36卷

在无论主环还是副环,只要是有一个环发生振荡,就可能造成系统的崩溃。

2.2选用进省煤器阀作为汽包水位控制阀门 选用进省煤器阀作为汽包水位控制阀门对于系统设计来说,系统相对独立,控制思路也相对清晰。该系统的思想是,以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号,构成主调节回路,以蒸汽流量信号作为前馈信号,总给水流量也作为前馈信号,构成前馈调节回路,总给水流量减去减温水流量,即进省煤器的给水流量与前两个控制回路的输出构成副调节回路(即串级回路),由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。其控制系统方框图如图2

所示。

图2 串级三冲量控制方案B 方框图

该系统实际是串级三冲量控制的一种变形,是在实际应用过程中为更好地满足工艺的要求而确立的;给水总管阀全开,然后将减温水阀与进省煤器的阀分离开来控制,由控制算法和软件来消除联动控制系统所带来的不便;该系统适合于对汽包水位要求严格或变化频繁,虚假水位严重的系统。

3 先进控制策略的发展

3.1预测控制

3.1.1预测函数控制

预测函数控制[1]由Richalet 和Kuntze 等人提出,并成功地应用于工业机器人的快速高精度控制。PFC 把控制结构的输入作为关键,可以克服其他模型预测控制可能出现规律不明的控制输入问题,同时具有良好的跟踪能力、较强的鲁棒性,抑制干扰能力好。PFC 应用到锅炉汽包水位控制系统,并考虑负荷变化对汽包水位的影响,将蒸汽流量信号引入到PFC 的预测模型中,

用具有对负荷变化前馈补偿的汽包水位系统预测函数控制策略。仿真结果表明,采用该新型汽包水位系统控制策略具有良好的动态调节品质和很强的鲁棒性。

汽包水位控制系统如图3所示。与常规PID -PID 串级控制的不同之处在于,图3中用PFC 代替了常规外环的PID 控制器。

图3 三冲量汽包水位的PFC-P ID 控制框图

图3中,H ,H 0)))分别代表汽包水位及其给定值;G w (s),G d (s))))分别为给水流量和蒸汽流量

对汽包水位的传递函数。

G w (s )=

E s (T 1s +1),G d (s)=K d T 2+1-E

s

PFC,G c (s ))))分别为预测函数控制算法和PID

控制器; r D ,r G ,r H )))分别为蒸汽流量、给水流量和汽

包水位测量变送器的传递系数;

n D ,n G )))分别为蒸汽流量和给水流量的分

压系数; K z ,K f )))分别为执行机构阀门的特性

系数。

该控制系统的特点是:(1)该方法综合了预测控制、串级控制和PID 控制的优点。给水流量的扰动在内回路得以迅速消除,而蒸汽流量外扰及系统参数的变化主要由PFC 的强鲁棒性来保证;(2)采用PFC-PID 串级控制策略的水位系统,与传统PID-PID 串级控制相比,在参数整定上要简单得多,相对于以往的模型预测控制,主要只有2个参数需要整定:参考轨迹时间常数一般取为主通道对象模型时间常数的1/10,1/5即可。仿真研究表明,这2个参数的取值自由度很大,对控制效果影响却很小,而对于传统的PID-PID 串级控制,PID 的参数略有改变则对控制效果影响甚大,因而其调试工作量很大。虽然PFC -PID 控制需要确定预测模型,但对模型的精度要求不是很高;(3)预测函数控制以其采用简化的数学模型而得到运算量很小的简单算法,因而

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