專(zhuān)利名稱(chēng)：汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鍋爐汽包水位控制邏輯的改進(jìn)，特別是可以提高汽包水位控制品
質(zhì)的前饋信號(hào)的構(gòu)造，屬控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于汽包鍋爐而言，汽包水位是反映鍋爐能量與工質(zhì)平衡關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)，汽包 水位偏高或偏低都將嚴(yán)重影響鍋爐安全運(yùn)行，汽包水位控制系統(tǒng)(或稱(chēng)給水控制系統(tǒng))是 鍋爐運(yùn)行中最為重要的控制系統(tǒng)之一。當(dāng)鍋爐運(yùn)行工況突然變化時(shí)，例如鍋爐燃燒強(qiáng)度突 然增加或汽包壓力突然降低時(shí)，鍋爐水冷壁內(nèi)及汽包液面下的飽和水突然沸騰，產(chǎn)生大量 汽泡，推舉汽包內(nèi)液面迅速上升，測(cè)量?jī)x表顯示汽包水位急速升高，然后逐漸下降，形成"虛 假水位"現(xiàn)象。"汽包水位"本質(zhì)上應(yīng)是汽包內(nèi)真實(shí)水位的表示，但在這種特殊情況下，汽包 水位所反映的鍋爐能量與工質(zhì)的平衡關(guān)系與正常情況則恰好相反。"虛假水位"是影響汽包 水位控制品質(zhì)的主要原因，嚴(yán)重影響著鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。現(xiàn)有單沖量、三沖量汽包水 位控制系統(tǒng)均不能予以有效克服。特別對(duì)于電站鍋爐，由于大機(jī)組都參與電網(wǎng)調(diào)峰和一次 調(diào)頻，機(jī)組負(fù)荷頻繁波動(dòng)，鍋爐運(yùn)行工況頻繁改變，導(dǎo)致汽包水位的控制品質(zhì)進(jìn)一步變差。
對(duì)于控制系統(tǒng)而言，由于"虛假水位"現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致汽包水位被控對(duì)象呈現(xiàn)出 非最小相位特性，而此類(lèi)對(duì)象的控制一直是傳統(tǒng)控制理論的難題。雖然有一些控制方法， 如預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等可以解決此類(lèi)對(duì)象的控制問(wèn)題，但大都存在算法復(fù) 雜、調(diào)試?yán)щy等問(wèn)題難以實(shí)用化。在實(shí)際控制中，單沖量控制系統(tǒng)不能有效克服"虛假水位" 的影響，而單級(jí)或串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)，引入蒸汽流量前饋會(huì)導(dǎo)致"虛假水位"負(fù)面影響更 加突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)之缺陷，提供一種算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，能夠有效克
服"虛假水位"負(fù)面影響的汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)。 本發(fā)明所稱(chēng)問(wèn)題是由以下技術(shù)方案解決的 —種汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)，該信號(hào)以前饋方式引入汽包水位控 制系統(tǒng)，利用鍋爐爐膛壓力信號(hào)和汽包壓力信號(hào)構(gòu)造前饋信號(hào)，其復(fù)頻域(s域)內(nèi)的數(shù)學(xué) 描述如下
27\ ，— 2乃(力—Cb鞏")'其中，s為拉氏變換的復(fù)變量，相當(dāng)于時(shí)域
內(nèi)的微分算子^(guān)，fjs)為前饋信號(hào)^的拉氏變換，Pf(S)為爐膛壓力Pf的拉氏變換，Pd(S)
為汽包壓力Pd拉氏變換，Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)，Kf為爐膛壓力增益系數(shù)，T為爐膛壓力濾波系 數(shù)。 上述汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)，所述鍋爐蓄熱系數(shù)Cb通過(guò)下述方法 求取
在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況下，保持鍋爐燃料量不變，t。時(shí)刻手動(dòng)增加(或減小)汽輪機(jī) 高壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度，同時(shí)記錄汽包壓力Pd和機(jī)組負(fù)荷&的變化曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)汽包壓力 Pd將由Pd。逐漸降低(或增加)至lJp^，機(jī)組負(fù)荷則由NE。開(kāi)始升高(或降低)，但最終回復(fù) 到初始值NE。，所有參數(shù)穩(wěn)定后在^時(shí)刻結(jié)束實(shí)驗(yàn)，采用以下公式計(jì)算鍋爐蓄熱系數(shù)Cb :
法確定
上述汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)，所述爐膛壓力增益系數(shù)Kf由下述方 首先從DCS歷史站或SIS歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中選取24小時(shí)以上的爐膛壓力Pf、鍋爐燃料
27\
量rb和機(jī)組負(fù)荷NE的歷史數(shù)據(jù)，并采用帶通濾波器q(5) = ^，^^2分別對(duì)爐膛壓力&
i + 2rs + r、
和鍋爐燃料量rb進(jìn)行濾波處理，濾波后信號(hào)可分別描述為
pf0(s) = kA(s)Pf(s)
rb0(s) = Gjs)rb(s) 然后調(diào)整濾波器時(shí)間濾波系數(shù)T，使濾波器輸出信號(hào)Pf。(s)和&。(s)相似度最高， 再調(diào)整使pf。 (s)和rb。 (s)變化幅度基本相當(dāng)，從而確定、和T的值，
之后由下式求燃料增益^ : A2 = ^- 最后由Kf = k2、確定Kf的值。 本發(fā)明將爐膛壓力經(jīng)過(guò)帶通濾波和增益修正后，再減去鍋爐蓄熱系數(shù)乘以汽包壓 力的微分形成汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)。由于爐膛壓力取自鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)， 其反映燃燒狀態(tài)變化的速度具有超前性，而汽包壓力本身能夠反映鍋爐工質(zhì)和能量的平 衡，經(jīng)過(guò)微分有也具有超前性，因而本發(fā)明所構(gòu)造的信號(hào)能夠提前反映燃燒狀態(tài)和汽水流 量變化，可以達(dá)到前饋控制的目的。將該信號(hào)作為前饋引入，就能夠有效解決鍋爐頻繁升降 負(fù)荷時(shí)，因"虛假水位"現(xiàn)象導(dǎo)致汽包水位控制效果差的問(wèn)題。特別是在機(jī)組投入AGC(自 動(dòng)發(fā)電控制)和一次調(diào)頻功能的情況下，汽包水位控制品質(zhì)較傳統(tǒng)串級(jí)或單級(jí)三沖量控制 系統(tǒng)有較大改善，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。 本發(fā)明利用鍋爐原有爐膛壓力信號(hào)和汽包壓力信號(hào)構(gòu)造前饋信號(hào)，不需要增加新 的測(cè)點(diǎn)。組態(tài)邏輯只需要增加一項(xiàng)帶通濾波器、一項(xiàng)微分器、兩項(xiàng)加法器，實(shí)施方便，可在任 何DCS中實(shí)現(xiàn)。前饋控制不影響控制系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性，主要參數(shù)由離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析確定，系統(tǒng) 只增加一個(gè)可調(diào)參數(shù)，調(diào)試非常容易。 爐膛壓力信號(hào)和汽包壓力信號(hào)均為鍋爐中最為重要的監(jiān)控信號(hào)，具有最高等級(jí)的 可靠性，增加前饋邏輯不會(huì)降低原控制系統(tǒng)的可靠性。 本發(fā)明實(shí)施簡(jiǎn)便、成本低、控制效果好而且可靠性高，能夠有效克服"虛假水位"對(duì) 汽包鍋爐汽包水位控制的負(fù)面影響，大大提高了汽包水位控制品質(zhì)。


圖1是前饋信號(hào)構(gòu)造邏輯圖。 圖中和文中所用符號(hào)如下^和fjs)、分別是汽包水位控制前饋信號(hào)及其拉氏變 換；Pf和Pf(S)、分別是爐膛壓力及其拉氏變換；Pd和Pd(S)、分別是汽包壓力及其拉氏變換； Kf、爐膛壓力增益系數(shù)；T、爐膛壓力濾波系數(shù)；Cb、鍋爐蓄熱系數(shù)；S、拉氏變換的復(fù)變量，相
當(dāng)于時(shí)域內(nèi)的微分算子4;rb、鍋爐燃料量；^、機(jī)組負(fù)荷；Gjs)、帶通濾波器；Gp(S)、爐膛壓
力濾波器；Pf。(S)、Pf濾波后爐膛壓力信號(hào)的拉氏變換；rb。(s)、rb濾波后燃料量信號(hào)的拉氏 變換；、、擬合系數(shù)A、燃料增益；Q。『直接能量平衡熱量信號(hào)；Pp汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力； k、DEB熱量系數(shù)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明以在電站鍋爐中的實(shí)際應(yīng)用為例說(shuō)明具體實(shí)施步驟。整個(gè)方案分為5步實(shí) 施，最終在機(jī)組DCS(分散控制系統(tǒng))中組態(tài)、調(diào)試后，投入運(yùn)行。
1、原始信號(hào)確認(rèn) 需要確認(rèn)爐膛壓力pf (Pa)、汽包壓力pd (MPa)、鍋爐燃料量rb (kg/s)、機(jī)組負(fù)荷 NE(MW)的準(zhǔn)確性。其中，Pf和Pd用于構(gòu)造前饋信號(hào)，大型鍋爐都安裝多個(gè)Pf和Pd測(cè)點(diǎn)，設(shè) 計(jì)多個(gè)測(cè)量值二選平均或三選中邏輯，為提高可靠性，Pf和Pd要取二選平均或三選中邏輯 輸出的信號(hào)。rb和NE用于求取構(gòu)造前饋信號(hào)時(shí)的增益系數(shù)和濾波系數(shù)，^具有很高的測(cè)量 準(zhǔn)確度，rb取自機(jī)組多臺(tái)給煤機(jī)給煤量之和，需要確認(rèn)每臺(tái)給煤機(jī)給煤量信號(hào)無(wú)故障，并且 測(cè)量精度在允許范圍內(nèi)。
2、鍋爐蓄熱系數(shù)求取 通過(guò)汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)門(mén)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)求取鍋爐蓄熱系數(shù)Cb(MJ/MPa)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程 是在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況下，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)切為手動(dòng)控制，保持鍋爐燃料量不變，t。時(shí) 刻手動(dòng)增加(或減小)汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度，記錄汽包壓力Pd和機(jī)組負(fù)荷NE的變 化曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)汽包壓力Pd將由Pd。逐漸降低(或增加)到P『機(jī)組負(fù)荷則由NE。開(kāi)始升高 (或降低)，但最終回復(fù)到初始值NE。，所有參數(shù)穩(wěn)定后在^時(shí)刻結(jié)束實(shí)驗(yàn)。采用以下公式計(jì) 算鍋爐蓄熱系數(shù)Cb:
》wE-酵 <formula>formula see original document page 5</formula> (1) 3、爐膛壓力濾波器設(shè)計(jì) 從DCS(分散控制系統(tǒng))歷史站或SIS(監(jiān)控信息系統(tǒng))歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中選取24小 時(shí)以上的爐膛壓力Pf、鍋爐燃料量&、機(jī)組負(fù)荷NE的歷史數(shù)據(jù)。其中NE應(yīng)覆蓋機(jī)組正常運(yùn) 行工況下負(fù)荷的變化范圍，Pf變化幅度應(yīng)盡量大。
設(shè)計(jì)帶通濾波器
<formula>formula see original document page 5</formula> (2) 其中T為爐膛壓力濾波系數(shù)(S)。采用此濾波器分別對(duì)爐膛壓力Pf和鍋爐燃料量rb進(jìn)行濾波處理，濾波后信號(hào)可描述為
pf0(s) = kA(s)Pf(s) (3)
rb0(s) = Gjs)rb(s) (4) 調(diào)整濾波器時(shí)間濾波系數(shù)T，使濾波器輸出信號(hào)Pf。(s)和&。(s)相似度最高，即相 關(guān)函數(shù)的極大值最高，大型鍋爐T的調(diào)整范圍在20 50秒之間。然后調(diào)整擬合系數(shù)、，比 較濾波器輸出信號(hào)Pf。(s)和rb。(s)，使兩者變化幅度基本相當(dāng)。
求燃料增益 &
(5)




式5物理意義為機(jī)組負(fù)荷NE的平均值除以鍋爐燃料量rb的平均值。
公
最終得到爐膛壓力濾波器的形式為 Gp(s) = k^Gjs) (6)
令Kf = k2k10 Kf定義為爐膛壓力增益系數(shù)(麗/MPa)。 4、前饋信號(hào)構(gòu)造
汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)構(gòu)造為
傘d <formula>formula see original document page 6</formula>
(7)
公
式7的前饋信號(hào)由兩部分組成，即爐膛壓力Pf經(jīng)過(guò)帶通濾波和增益修正后，減
去鍋爐蓄熱系數(shù)乘以汽包壓力Pd的微分。 下面分析其物理意義。在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中DEB(直接能〗 較為廣泛，其物理意義代表鍋爐吸收有效熱量，描述為
電
t平衡)熱量信號(hào)的應(yīng)用 <formula>formula see original document page 6</formula>(8) 其中Pl為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力(MPa) ;k為DEB熱量系數(shù)，kp！代表進(jìn)入汽輪機(jī)的 蒸汽流量，即為鍋爐輸出的有效熱量。公式7的物理意義與之類(lèi)似，通過(guò)機(jī)理分析和數(shù)據(jù)分 析發(fā)現(xiàn)，爐膛壓力Pf能夠反映鍋爐燃燒狀態(tài)的瞬時(shí)變化，則Gp(S)pf (s)可代表燃燒產(chǎn)生的 瞬時(shí)熱量，用以描述Q^的瞬時(shí)值，f Js)同kPl類(lèi)似，描述鍋爐輸出有效熱量的瞬時(shí)值。
由于爐膛壓力Pf取自鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)，其反映燃燒狀態(tài)變化的速度具有超前性，汽 包壓力Pd本身能夠反映鍋爐工質(zhì)和能量的平衡，經(jīng)過(guò)微分有也具有超前性，因而構(gòu)造信號(hào) 能夠提前反映燃燒狀態(tài)和汽水流量變化，達(dá)到前饋控制的目的。
5、邏輯組態(tài)及調(diào)試 將此信號(hào)以前饋方式引入汽包水位控制系統(tǒng)。無(wú)論采用單沖量還是三沖量控制， 對(duì)于單級(jí)控制系統(tǒng)，將調(diào)節(jié)器輸出減去此前饋信號(hào)后再送入M/A站；對(duì)于串級(jí)控制，將副調(diào) 節(jié)器輸出減去此前饋信號(hào)后在再入M/A站。由于此前饋信號(hào)只在Pf和Pd變化時(shí)發(fā)揮作用， 在Pf和Pd不變時(shí)為0，因此控制系統(tǒng)跟蹤邏輯可保持不變。 系統(tǒng)只有一個(gè)可調(diào)參數(shù)&，根據(jù)鍋爐"虛假水位"嚴(yán)重程度和控制系統(tǒng)特性等現(xiàn)場(chǎng) 條件對(duì)&進(jìn)行調(diào)試，直至控制效果滿(mǎn)意。 以上計(jì)算方法可以在各種如SUMra0NY、0VATI0N、HAICS5000、XDPS、EDPF等DCS中
組態(tài)實(shí)現(xiàn)。
總之，本發(fā)明的核心思想在于引入濾波后爐膛壓力信號(hào)和鍋爐汽包壓力微分信 號(hào)，對(duì)所述前饋信號(hào)的構(gòu)造進(jìn)行簡(jiǎn)單的變形包括改變?yōu)V波器結(jié)構(gòu)；變相使用此信號(hào)，例如 將此信號(hào)拆分后分別作為前饋引入汽包水位控制系統(tǒng)；在信號(hào)輸入端或前饋信號(hào)輸出端增 加簡(jiǎn)單的限幅、限速、死區(qū)邏輯等，都應(yīng)在本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)，該信號(hào)以前饋方式引入汽包水位控制系統(tǒng)，其特征在于利用鍋爐爐膛壓力信號(hào)和汽包壓力信號(hào)構(gòu)造前饋信號(hào)，所述前饋信號(hào)fL(s)具體構(gòu)成如下 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>L</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>f</mi></msub><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>Ts</mi> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>Ts</mi><mo>+</mo><msup> <mi>T</mi> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><msub> <mi>p</mi> <mi>f</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>b</mi></msub><mi>s</mi><msub> <mi>p</mi> <mi>d</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>其中，s為拉氏變換的復(fù)變量，相當(dāng)于時(shí)域內(nèi)的微分算子fL(s)為前饋信號(hào)fL的拉氏變換，pf(s)為爐膛壓力pf的拉氏變換，pd(s)為汽包壓力pd拉氏變換，Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)，Kf為爐膛壓力增益系數(shù)，T為爐膛壓力濾波系數(shù)。F2009101753892C00012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)，其特征在于所述鍋爐蓄熱系數(shù)Cb通過(guò)下述方法求取在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況下，保持鍋爐燃料量不變，t。時(shí)刻手動(dòng)增加或減小汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度，同時(shí)記錄汽包壓力Pd和機(jī)組負(fù)荷^的變化曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)汽包壓力Pd將由Pd。逐漸降低或增加到Pdl，機(jī)組負(fù)荷則由NE。開(kāi)始升高或降低，但最終回復(fù)到初始值NE。，所有參數(shù)穩(wěn)定后，在^時(shí)刻結(jié)束實(shí)驗(yàn)，用下式計(jì)算鍋爐蓄熱系數(shù)Cb :<formula>formula see original document page 0</formula>
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)，其特征在于所述爐膛壓力增益系數(shù)Kf由下述方法確定首先從DCS歷史站或SIS歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中選取24小時(shí)以上的爐膛壓力Pf、鍋爐燃料量rb和機(jī)組負(fù)荷^的歷史數(shù)據(jù)，并采用帶通濾波器《(力= ^2分別對(duì)爐膛壓力pf和鍋爐燃料量rb進(jìn)行濾波處理，濾波后信號(hào)可分別描述為 <formula>formula see original document page 0</formula>然后調(diào)整濾波器時(shí)間濾波系數(shù)T，使濾波器輸出信號(hào)Pf。(s)和&。(s)相似度最高，再調(diào) 整k"使pf。 (s)和rb。 (s)變化幅度基本相當(dāng)，從而確定、的值， 之后由下式求燃料增益b:<formula>formula see original document page 2</formula>最后由Kf 二k^確定Kf的值。
全文摘要
一種汽包鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)，用于克服“虛假水位”對(duì)水位控制的負(fù)面影響。前饋信號(hào)fL(s)的具體構(gòu)成為其中，s為拉氏變換的復(fù)變量，相當(dāng)于時(shí)域內(nèi)的微分算子fL(s)為前饋信號(hào)fL的拉氏變換，pf(s)為爐膛壓力pf的拉氏變換，pd(s)為汽包壓力pd拉氏變換，Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)，Kf為爐膛壓力增益系數(shù)，T為爐膛壓力濾波系數(shù)。本發(fā)明實(shí)施簡(jiǎn)便、成本低、控制效果好而且可靠性高，能夠有效克服“虛假水位”負(fù)面影響，大大提高控制品質(zhì)。
文檔編號(hào)F22D5/28GK101709868SQ200910175389
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者劉吉臻, 劉鑫屏, 田亮 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)(保定)