一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其包括如下步驟：步驟一、劃分電站鍋爐運行的典型工況點；步驟二、測試典型工況點處的主蒸汽溫度數(shù)學(xué)模型；步驟三、計算典型工況點處的PID可調(diào)參數(shù)的最優(yōu)值；步驟四、在分散控制系統(tǒng)DCS中利用分段線性函數(shù)模塊進行控制邏輯組態(tài)；步驟五、在分散控制系統(tǒng)DCS中實現(xiàn)主蒸汽溫度在任意工況點的近似最優(yōu)控制；本發(fā)明的有益效果是解決了火電機組主蒸汽溫度系統(tǒng)在機組運行的全負荷范圍內(nèi)保證內(nèi)、外回路PID可調(diào)參數(shù)的最優(yōu)值的自動調(diào)度問題，大幅度地提高主蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)，減少機組在負荷大幅度變化情況下易出現(xiàn)的超溫現(xiàn)象。
【專利說明】一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電站鍋爐主蒸汽溫度控制方法，尤其是涉及一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，適用于燃煤發(fā)電機組，屬于自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]大型電站鍋爐主蒸汽溫度控制是提高經(jīng)濟效益、保證機組安全運行的不可缺少的環(huán)節(jié)。對鍋爐主蒸汽溫度的控制要求是十分嚴格的，汽溫過高或者過低，以及大幅度的波動都將影響鍋爐、汽輪機的安全和經(jīng)濟性。因此維持鍋爐主蒸汽溫度的穩(wěn)定運行是非常必要的。過熱器一般由若干級組成，各級管子常使用不同的材料，分別對應(yīng)一定的最高允許溫度。因此為保證金屬安全，還應(yīng)當對各級受熱面出口的汽溫加以限制，此外，還應(yīng)防止局部管子的超溫爆漏和汽輪機汽缸兩側(cè)的受熱不均。蒸汽溫度過高，若超過了設(shè)備部件(如過熱器管、蒸汽管道、汽輪機噴嘴、葉片等)的允許工作溫度，將使鋼材加速蠕變，降低使用壽命。嚴重的超溫甚至會使管子過熱而爆破。蒸汽溫度過低，將會降低熱力設(shè)備經(jīng)濟性，增加發(fā)電煤耗。汽溫過低，還會使汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，對葉片的侵蝕作用加劇，嚴重時將會發(fā)生水沖擊，威脅汽輪機的安全。而且汽溫突升突降還會使鍋爐各受熱面焊口及連接部分產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，造成脹差增加。嚴重時甚至可能發(fā)生葉輪與隔板間的動靜摩擦，汽輪機劇烈振動等。
[0003]主蒸汽溫度一般可看做多容分布參數(shù)受控對象，對該對象的控制比較困難。其原因主要有:(I )、鍋爐燃燒工況不穩(wěn)定，煙氣側(cè)擾動頻繁且擾動量較大，影響主蒸汽溫度變化較快；(2)、由于工藝特性決定了各級過熱器管道較長，造成主汽溫對其調(diào)節(jié)手段，即噴水減溫器的減溫水量變化的反應(yīng)較慢，表現(xiàn)出明顯的滯后特性；(3)外部擾動(如主蒸汽流量波動、主蒸汽壓力波動等)變化頻繁且擾動量較大，致使主汽溫經(jīng)常波動；(4)內(nèi)部擾動(如主給水流量波動、給水壓力波動等引起的減溫水流量波動)，使得噴水量發(fā)生變化，造成主汽溫在外擾較小時仍經(jīng)常偏離設(shè)定值；(5)主汽溫系統(tǒng)對于機組負荷的變化具有明顯的時變特性。熱工對象的動態(tài)特性與運行工況密切相關(guān)，機組的對象特性隨著機組負荷變化發(fā)生明顯變化，特別是對于調(diào)峰機組現(xiàn)象更為嚴重。對于主汽溫對象來講，其動態(tài)特性受運行工況參數(shù)(主蒸汽流量、主蒸汽壓力以及主蒸汽溫度)變化影響，導(dǎo)致模型參數(shù)發(fā)生明顯變化。由于機組負荷變化影響供煤量，從而直接影響過熱器吸熱，同時汽機側(cè)負荷變化也會引起蒸汽流量變化，因此負荷變化會引起蒸汽流量擾動、過熱器吸熱量擾動以及過熱器入口汽溫擾動。通常當負荷增加時，會導(dǎo)致系統(tǒng)特性函數(shù)的滯后和慣性時間常數(shù)以及靜態(tài)增益都呈現(xiàn)明顯減小的趨勢，總的汽溫則隨負荷升高而增加。
[0004]常規(guī)的主蒸汽溫度控制方案大致包含兩種控制策略及其組合:一種是前饋控制，另一種是串級反饋控制。設(shè)計前饋控制和反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，是克服干擾、提高控制品質(zhì)的有效方法。前饋控制是一種非常有效的手段，其特點是針對確定性擾動，系統(tǒng)控制器根據(jù)擾動的大小和變化情況對被控制對象施加相反的控制作用，補償擾動的影響，從而能夠在擾動對被控對象的影響體現(xiàn)出來之前就將其抵消。但是前饋控制得以應(yīng)用的一個重要前提是擾動可以測量，目前對于汽溫控制來講，鍋爐燃燒擾動無法測量，蒸汽流量的測量誤差也比較大，因此很難設(shè)計精確的前饋控制對其加以抵消。同時，前饋控制不能改變系統(tǒng)的閉環(huán)特性，當負荷變化導(dǎo)致被控對象變化時，系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性只能靠反饋控制回路內(nèi)的控制器的相應(yīng)改變來適應(yīng)。常規(guī)反饋控制方法是基于PID的控制器，通過理論計算或?qū)＜医?jīng)驗調(diào)試得到合適的PID控制器參數(shù)，使其與被控對象的參數(shù)相匹配，從而得到一個穩(wěn)定的且控制性能良好的閉環(huán)控制系統(tǒng)。從工程上來講，PID控制器參數(shù)的物理意義清楚并且容易在線調(diào)整，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是串級PID控制器的參數(shù)都是在鍋爐處于特定負荷下整定得到的一組特定值，對于被控系統(tǒng)參數(shù)(增益、滯后時間和慣性時間)隨機組運行工況(發(fā)電功率、主蒸汽壓力)明顯變化的主蒸汽溫度對象來講，當負荷工況在大范圍內(nèi)變化時，按照固定負荷設(shè)計的PID參數(shù)很難取得滿意的控制效果。因此需要一種新的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，能夠在機組負荷大范圍變化的情況下，保證機組處于安全穩(wěn)定的高性能運行狀態(tài)。
[0005]經(jīng)現(xiàn)有學(xué)術(shù)及技術(shù)文獻的檢索，未發(fā)現(xiàn)專門針對主蒸汽溫度全程控制問題的研究。而對于主蒸汽溫度控制問題的研究，多集中在將各種先進控制算法應(yīng)用于某個或某幾個獨立典型工況點的控制嘗試和仿真對比上。對于系統(tǒng)特性隨機組運行工況明顯變化的主蒸汽溫度對象，現(xiàn)有方法的實用價值不高，控制效果越來越不能滿足高度自動化時代的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題為提供一種準確度高、反應(yīng)快速，簡便易行的基于傳統(tǒng)串級控制方案的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，避免具有大遲延、大慣性和時變特性的主蒸汽溫度對象隨著機組負荷變化而導(dǎo)致主蒸汽溫度控制性能不佳甚至不穩(wěn)定的問題，以提高鍋爐主蒸汽溫度的控制品質(zhì)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明的步驟如下:
步驟一、劃分電站鍋爐運行的典型工況點:
依據(jù)機組的最大負荷設(shè)計容量及主要運行負荷區(qū)間劃分出N個典型工況點，每個典型工況點代表一個負荷值；N的取值不小于2，當N=2時所述2個典型工況點分別為鍋爐最低穩(wěn)燃負荷工況點X1，額定最大負荷工況點Xn ;當N>2時所述N個典型工況點分別為鍋爐最低穩(wěn)燃負荷工況點X1，額定最大負荷工況點Xn以及上述兩個工況點之間劃分出的(N-2)個典型工況點；
步驟二、測試典型工況點處的主蒸汽溫度數(shù)學(xué)模型:
通過對機組進行主動負荷升降或等待負荷調(diào)峰運行，利用擾動試驗測試典型工況點處的系統(tǒng)特性模型如(I)~(2)；
惰性區(qū)N個典型工況點的一階慣性加純遲延傳遞函數(shù)模型:
【權(quán)利要求】
1.一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特征在于步驟如下: 步驟一、劃分電站鍋爐運行的典型工況點: 依據(jù)機組的最大負荷設(shè)計容量及主要運行負荷區(qū)間劃分出N個典型工況點，每個典型工況點代表一個負荷值；N的取值不小于2，當N=2時所述2個典型工況點分別為鍋爐最低穩(wěn)燃負荷工況點X1，額定最大負荷工況點Xn ;當N>2時所述N個典型工況點分別為鍋爐最低穩(wěn)燃負荷工況點X1，額定最大負荷工況點Xn以及上述兩個工況點之間劃分出的(N-2)個典型工況點； 步驟二、測試典型工況點處的主蒸汽溫度數(shù)學(xué)模型: 通過對機組進行主動負荷升降或等待負荷調(diào)峰運行，利用擾動試驗測試典型工況點處的系統(tǒng)特性模型如(I)~(2)； 惰性區(qū)N個典型工況點的一階慣性加純遲延傳遞函數(shù)模型:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特征在于:所述步驟一中，當N>2時，鍋爐最低穩(wěn)燃負荷工況點X1和額定最大負荷工況點Xn之間的(N-2)個典型工況點根據(jù)負荷大小等間隔劃分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特征在于:為了進一步提高電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制的效果，對PID可調(diào)參數(shù)的最優(yōu)值與機組負荷之間對應(yīng)函數(shù)關(guān)系進行優(yōu)化，即在步驟五后增加如下操作: 當機組工作于任意非典型工況點時，此時分散控制系統(tǒng)DCS中的分段線性函數(shù)模塊通過自動插值輸出的PID可調(diào)參數(shù)使主蒸汽溫度與設(shè)定值之間的最大偏差超過5°C，說明此工作點下通過自動插值輸出的PID可調(diào)參數(shù)與當前PID可調(diào)參數(shù)的最優(yōu)值之間有差距，則需要技術(shù)人員對當前工況點繼續(xù)進行主動負荷升降或等待負荷調(diào)峰運行，利用擾動試驗測試當前工況點處的系統(tǒng)特性模型，按照步驟二的方法繼續(xù)獲得該工況點如式(I)所示的惰性區(qū)的一階加純遲延等效傳遞函數(shù)模型以及如式(2)所示的導(dǎo)前區(qū)的一階慣性等效傳遞函數(shù)模型；然后重新依據(jù)步驟三的計算方法得到對應(yīng)于此工況點的PID可調(diào)參數(shù)的最優(yōu)值，并將此工況點作為新加的典型工況點，重新對步驟四的分段線性函數(shù)模塊進行控制邏輯組態(tài)，完成PID可調(diào)參數(shù)的最優(yōu)值與機組負荷之間對應(yīng)函數(shù)關(guān)系的優(yōu)化更新。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特征在于:所述外回路和內(nèi)回路的可調(diào)濾波器時間常數(shù)Tn、Tf2的取值滿足Tn:{Q.3-0.7) TT ,Tf2= (0.3~0.7) τ2χ。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特征在于:獲取所述N個典型工況點下如式(I)和(2)所示的主蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型及其相應(yīng)的PID控制參數(shù)時，要使機組處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，即單元機組處于協(xié)調(diào)控制的系統(tǒng)工作方式，需滿足: 第一、機組實際測量的負荷與負荷指令(即設(shè)定值)之間的偏差小于最大允許值δΝι,Sm取2%~4% Norm (Norm:機組額定負荷)； 第二、實際測量的主蒸汽壓力與主蒸汽壓力設(shè)定值之間的偏差小于最大允許偏差δΡ，δρ取0.3-0.6MPa，且機組穩(wěn)定持續(xù)時間達到要求的持續(xù)時間δΤ , 5Τ取20-40分鐘。
【文檔編號】F22B35/00GK103557511SQ201310576564
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】王東風, 劉千, 江溢洋, 牛成林 申請人:華北電力大學(xué)（保定）