專利名稱:用于除氧器水位控制的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及自動控制領(lǐng)域,特別涉及一種用于除氧器水位控制的系統(tǒng)。
背景技術(shù):
除氧器在電廠熱力系統(tǒng)中承擔除氧任務(wù),以防止設(shè)備腐蝕,同時,它又是回熱系統(tǒng)中的混合式加熱器之一,并作為凝結(jié)水泵和給水泵之間的緩沖和貯水裝置。圖I是用PID控制除氧器水位的發(fā)電機組中的熱力系統(tǒng)。如圖I所示,穩(wěn)壓水箱104中的化學補充水經(jīng)過化學補充水調(diào)節(jié)閥107進入凝汽器102,再經(jīng)過凝結(jié)水泵103進入凝結(jié)水母管108,經(jīng)過軸封加熱器111、低壓加熱器109和蒸汽加熱器110后,經(jīng)過除氧器調(diào)節(jié)閥105進入除氧器101,如果凝結(jié)水母管108壓力過高,一部分凝結(jié)水經(jīng)再循環(huán)調(diào)節(jié)閥106進入凝汽器102?,F(xiàn)有的發(fā)電機組的控制系統(tǒng)中,以除氧器101的水位為被調(diào)量,需要調(diào)節(jié)凝結(jié)水·泵103出口至除氧器101的凝結(jié)水母管108上的除氧器調(diào)節(jié)閥105的閥位來改變凝結(jié)水的流量,凝汽器102水位的控制通過調(diào)節(jié)再循環(huán)調(diào)節(jié)閥106和化學補充水調(diào)節(jié)閥107來實現(xiàn)?,F(xiàn)有控制系統(tǒng)采用的是PID控制器,實際運行中的可控性差,特別是不能滿足變負荷工況的要求。除氧器水位屬于無自平衡熱工對象,具有大滯后、大慣性的特點,實際操作中,對除氧器水位的控制所需時間長達五分鐘以上,而且,實際運行中可能有多臺機組共用除氧器的情況,常規(guī)PID控制方案難以滿足控制要求。
實用新型內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷,通過對除氧器水位、凝結(jié)水母管壓力建立物理模型,搭建內(nèi)??刂葡到y(tǒng),并根據(jù)凝汽器無水運行要求,提供了一種對于穩(wěn)態(tài)過程和動態(tài)過程都可以明顯提高除氧器的水位的調(diào)節(jié)品質(zhì)的控制系統(tǒng)。一種用于除氧器水位控制的系統(tǒng),該系統(tǒng)包括水位采集模塊和內(nèi)??刂破鳎渲?,所述水位采集模塊用于采集所述除氧器的當前水位,并將采集到的當前水位傳送給所述內(nèi)??刂破鳎灰约八鰞?nèi)??刂破饔糜诟鶕?jù)所述除氧器的設(shè)定水位和所述除氧器的當前水位來調(diào)節(jié)除氧器調(diào)節(jié)閥的閥位。由于本實用新型采用了在設(shè)定值跟蹤性和擾動抑制性方面具有良好性能的內(nèi)??刂破?,所以本實用新型的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對除氧器水位設(shè)定值的良好跟蹤并抑制擾動,能夠縮短水位上升/下降時間和穩(wěn)定時間。
圖I是用PID控制除氧器水位的發(fā)電機組中的熱力系統(tǒng);圖2是根據(jù)本實用新型的用內(nèi)模控制器控制除氧器水位的發(fā)電機組中的熱力系統(tǒng);圖3是根據(jù)本實用新型的用于除氧器水位控制的系統(tǒng)的框圖;圖4是根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破鞯脑韴D;[0011]圖5是根據(jù)本實用新型的用于除氧器水位控制的方法的流程圖;圖6是根據(jù)本實用新型的內(nèi)模控制階躍仿真試驗的曲線圖;圖7是穩(wěn)態(tài)時對除氧器水位進行手動控制時的曲線圖;圖8是穩(wěn)態(tài)時根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破鞯目刂菩Ч麍D;圖9是定值擾動時根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破鞯目刂菩Ч麍D;圖10是增負荷擾動時根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破鞯目刂菩Ч麍D;圖11是減負荷擾動時根據(jù)本實用新型的內(nèi)模控制器的控制效果圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖來詳細描述根據(jù)本實用新型的用于除氧器水位控制的系統(tǒng)。如圖2所示,凝汽器102 —般采用低水位運行,并且凝結(jié)水泵103具有自調(diào)節(jié)功能,即當凝汽器102達到一定水位時,凝結(jié)水泵103自動工作改變其出口流量,保持凝汽器102的低水位運行。為了保證凝結(jié)水泵103運行的安全性,應(yīng)維持凝結(jié)水泵103出口壓力在一定范圍內(nèi)變化,主要是通過除氧器調(diào)節(jié)閥105和再循環(huán)調(diào)節(jié)閥106來實現(xiàn)??紤]到凝汽器102水容積小對凝汽器102的水位安全性能要求高的情況,可以在凝結(jié)水泵103的出口增加一個壓力調(diào)節(jié)器,根據(jù)接收到的凝結(jié)水泵103出口的壓力信號來調(diào)節(jié)除氧器調(diào)節(jié)閥105的閥位,達到維持凝結(jié)水泵103出口壓力穩(wěn)定的目的。中小型發(fā)電廠凝結(jié)水泵運行實踐證明,采用汽蝕調(diào)節(jié)運行的凝結(jié)水泵,其過流部件損壞并不嚴重,卻可使凝結(jié)水泵自動調(diào)節(jié)流量,提高凝結(jié)水泵調(diào)節(jié)效率,降低耗電量(可降低30% 40%)。實施凝結(jié)水泵汽蝕調(diào)節(jié)方式的具體方法是開啟凝結(jié)水泵103出口至除氧器101之間的所有閥門,使凝結(jié)水母管108處于不節(jié)流狀態(tài);凝結(jié)水泵103的出水量由凝汽器102水位高低自行調(diào)節(jié),機組負荷升高時,凝汽器102水位升高,凝結(jié)水泵103出力增大,負荷降低時,凝汽器102水位降低,凝結(jié)水泵103出力減小。如圖3所示,根據(jù)本實用新型的用于除氧器水位控制的系統(tǒng)包括水位采集模塊301和內(nèi)模控制器302,其中,所述水位采集模塊301用于采集除氧器101的當前水位,并將采集到的當前水位傳送給所述內(nèi)??刂破?02 ;所述內(nèi)模控制器302用于根據(jù)所述除氧器101的設(shè)定水位和除氧器101的當前水位來調(diào)節(jié)除氧器調(diào)節(jié)閥105的閥位,以改變凝結(jié)水的流量,從而實現(xiàn)對除氧器水位的控制。下面結(jié)合圖4來詳細描述根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破?02的原理。如圖4所示,內(nèi)??刂破?02包括濾波器模塊401、內(nèi)??刂颇K402和內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊404,其中,內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊404構(gòu)建了內(nèi)部模型傳遞函數(shù),即除氧器101的水位隨著除氧器調(diào)節(jié)閥105的閥位的變化模型。為了便于說明內(nèi)??刂破?02的仿真操作,圖4中示出了受控對象模塊403,本實用新型中受控對象指的是除氧器101的水位,其中除氧器101的水位會隨著除氧器調(diào)節(jié)閥105的閥位的變化而變化。圖4中,r表示除氧器101的設(shè)定水位,y表示除氧器101的當前水位,d表示外部擾動,Gm(s)是受控對象的名義數(shù)學模型,即控制系統(tǒng)的內(nèi)部模型傳遞函數(shù),Ge(S)代表內(nèi)??刂苽鬟f函數(shù),Gp (s)代表受控對象傳遞函數(shù),F(xiàn) (s)代表濾波器傳遞函數(shù)。內(nèi)模控制器302的工作原理是將除氧器101的當前水位y與所述內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊404輸出的估計水位y,作差,得到第一偏差水位Ayl ;將所述設(shè)定水位r與所述第一偏差水位Ayl作差,得到第二偏差水位Λ y2;將所述第二偏差水位Λ y2依次經(jīng)所述濾波器模塊401和所述內(nèi)??刂颇K402調(diào)整后輸出所述除氧器調(diào)節(jié)閥的閥位u ;將所述除氧器調(diào)節(jié)閥的閥位u輸入所述內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊404。在計算機仿真時,將所述內(nèi)??刂颇K402的輸出經(jīng)所述受控對象模塊403調(diào)整后與外部擾動d之和作為除氧器的當前水位y,在生產(chǎn)過程當中,所述除氧器的當前水位I由所述水位采集模塊301采集得到。對于內(nèi)??刂破?,只要將內(nèi)模控制傳遞函數(shù)構(gòu)建為內(nèi)部模型傳遞函數(shù)的逆,則內(nèi)模控制可獲得理想的跟蹤特性和抗擾特性。即Ge(S) =Gffl-1 (s)0但是理想的內(nèi)??刂破魈匦猿ky以獲得,其原因在于I)若對象含有時滯特性,則Ge(S) = G;1 (s)中含有純超前項,這在物理上是難以實現(xiàn)的。2)若對象模型含有右半平面零點,則內(nèi)??刂破鱃e(S)中就有右半平面極點,這 樣,內(nèi)??刂破鞅旧聿环€(wěn)定,因而閉環(huán)系統(tǒng)也不穩(wěn)定。3)若對象模型Gm(S)嚴格有理,則理想控制器Ge(S) = Gn^1(S)非有理,內(nèi)??刂破鱃c(s)中出現(xiàn)微分器,這樣內(nèi)模控制系統(tǒng)對于過程測量信號中的噪聲極為敏感,因而不切實際。4)采用理想內(nèi)??刂破鳂?gòu)成的系統(tǒng),對于模型誤差極為敏感,若Ge(S) Φ GnT1(S),則無法確保閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。鑒于上述問題,首先設(shè)計一個穩(wěn)定的理想控制器,而不考慮系統(tǒng)的魯棒性和約束。其次引入濾波器,通過濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)來獲得期望的動態(tài)品質(zhì)和魯棒性。一、控制策略的設(shè)計(a)構(gòu)建內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊404,即構(gòu)建內(nèi)部模型傳遞函數(shù)。將內(nèi)部模型傳遞函數(shù)Gm(S)分為兩部分Gm(s) =Gm+(S) · Gm_ (s)此處Gm+(S)包含了所有時滯和右半平面零點,Gm_(s)是具有最小相位特征的傳遞函數(shù),即Gm_(s)穩(wěn)定且不包含預(yù)測項。內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊404根據(jù)除氧器調(diào)節(jié)閥105的閥位與相應(yīng)的除氧器101的水位的對應(yīng)關(guān)系,采用加純滯后傳遞函數(shù)模型獲得。本實用新型選取加純滯后傳遞函數(shù)模型,選取內(nèi)部模型傳遞函數(shù)為GJ sj = GnJ S )-GmJ s) = k e-TS
s( I+Ts )其中,s代表復(fù)數(shù)變量,k代表穩(wěn)態(tài)增益系數(shù),T代表時間常數(shù),τ代表純延時時間。Gm+(s)是時滯部分,Gm+(s) =e_'Gm_(S)是不包含時滯部分e_TS的傳遞函數(shù),
Gm (S) = ^^ ο
"卜 s(l+ Ts)(b)構(gòu)建內(nèi)模控制模塊402,即構(gòu)建內(nèi)模控制傳遞函數(shù)。將內(nèi)??刂苽鬟f函數(shù)構(gòu)建為內(nèi)部模型傳遞函數(shù)的逆。SP,Gc(S)=GnT1(S)并且在最小相位的Gm_ (S)的逆上增加濾波器傳遞函數(shù)F (S),以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,則內(nèi)I旲控制傳遞函數(shù)為[0042]Gc (s) = Gm,1 (s) F (s)由圖4可得,內(nèi)模控制模塊402中包括正向微分項s (1+s)、PI控制器和反向比例反饋環(huán)節(jié)k,反向比例反饋環(huán)節(jié)k為對象模型穩(wěn)態(tài)增益系數(shù),當正向PI調(diào)節(jié)作用非常強時,不難推斷,內(nèi)模控制器近似等同于s(l+s)/k,定義的內(nèi)模控制傳遞函數(shù)為Gc(s) =GmZ1(S)F(S) = s(l+s)/k其中,s代表復(fù)數(shù)變量,k代表穩(wěn)態(tài)增益系數(shù)。選取濾波器傳遞函數(shù)為F(S) = ---
(I+ as )·[0048]式中,α為濾波器的時間常數(shù),是內(nèi)??刂破鲀H有的設(shè)計參數(shù)。η為濾波器的階次。濾波器采用低通濾波器,其階次一般與受控對象的階次相等。在本控制組態(tài)中,PI控制器具有與濾波器類似的作用,相對而言,PI控制器參數(shù)的選取更為靈活和方便。引入PI控制器的另一個重要作用是解決設(shè)定值不可微分的困難。對于測量值,可以通過數(shù)值差分算法解決微分項問題,但對于設(shè)定值作階躍擾動情況,采用數(shù)值微分將出現(xiàn)無理項。在實際組態(tài)中,將設(shè)定值與測量值進行分離,測量值采用數(shù)值微分算法,而對于設(shè)定值,采用構(gòu)建設(shè)定值變化率來近似模擬設(shè)定值微分項,解決了設(shè)定值作階躍擾動時不可微分的問題。這種內(nèi)模控制器的設(shè)計方法與取對象模型逆的方法在主要方面具有相似的應(yīng)用效果,同時可以調(diào)整控制回路的動態(tài)品質(zhì)和魯棒性。在內(nèi)??刂破?02中包括正向微分項,在組態(tài)中采用數(shù)值差分算法實現(xiàn)。這種控制方法具有內(nèi)模控制系統(tǒng)基本性質(zhì)中的兩點1)對偶穩(wěn)定性。設(shè)模型精確,即Gp = Gm,則當Gp與Gm都穩(wěn)定時,內(nèi)??刂葡到y(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。2)當閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時,由于內(nèi)??刂破骱湍P偷姆€(wěn)態(tài)增益乘積為1,則系統(tǒng)對于階躍輸入和階躍干擾d均不存在輸出靜差。圖5是根據(jù)本實用新型的用于除氧器水位控制的方法的流程圖。該控制方法包括采集除氧器101的當前水位,并將采集到的當前水位傳送給所述內(nèi)??刂破?02(S501);以及所述內(nèi)??刂破?02根據(jù)所述除氧器101的設(shè)定水位和除氧器101的當前水位來調(diào)節(jié)除氧器調(diào)節(jié)閥105的閥位(S502)。由于已經(jīng)描述了根據(jù)本實用新型的用于控制除氧器水位的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作流程,所以與其相對應(yīng)的用于控制除氧器水位的控制方法于此不再贅述。二、內(nèi)??刂品抡娼M態(tài)和調(diào)試內(nèi)??刂品抡娼M態(tài)在APACS系統(tǒng)控制仿真器中進行。在組態(tài)中,考慮了對由于汽水損失導致除氧器水位緩慢下降特性的模擬。在內(nèi)??刂苹芈分校ㄟ^調(diào)整濾波器時間常數(shù)以及PID調(diào)節(jié)器比例系統(tǒng)和積分時間可以對回路的動態(tài)特性和魯棒性進行優(yōu)化調(diào)整。在機組運行時,在不同條件下對除氧器101的水位控制回路進行擾動試驗,得到對象響應(yīng)數(shù)據(jù),利用控制回路優(yōu)化軟件進行除氧器101水位和凝汽器102水位的熱工對象模型辨識,對控制器參數(shù)進行設(shè)定,在不同負荷和工況的情況下,進行現(xiàn)場調(diào)試,直到取得滿意效果。在實際組態(tài)中,由于采用正向PI控制器和反向比例反饋環(huán)節(jié)代表Ι/k,對濾波器中參數(shù)選擇比較簡單,優(yōu)選地,η為I, α為15s。[0057]在實際組態(tài)中,將設(shè)定值與測量值進行分離,測量值采用數(shù)值微分算法,而對于設(shè)定值,采用構(gòu)建設(shè)定值變化率來近似模擬設(shè)定值微分項,解決了設(shè)定值作階躍擾動時不可微分的問題。仿真測試平臺中,進行定值擾動試驗,將除氧器水位設(shè)定值由2000mm階躍減少至1500_,除氧器水位響應(yīng)曲線如圖6所示。從除氧器水位響應(yīng)曲線可以看出,基本不存在超調(diào)量,穩(wěn)定時間只有3. 5min。三、現(xiàn)場試驗結(jié)果以下將結(jié)合附圖來說明所構(gòu)建的內(nèi)模控制器302對除氧器101的水位的控制效
果O圖7是穩(wěn)態(tài)時對除氧器水位進行手動控制時的曲線圖。其中,發(fā)電機組負荷穩(wěn)定 在150MW時,除氧器水位處于手動控制狀態(tài),除氧器水位變化范圍為1819mm至2000_,變化比較滯后,穩(wěn)定時間較長。圖8是穩(wěn)態(tài)時根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破鞯目刂菩Ч麍D。使發(fā)電機組負荷基本穩(wěn)定在180MW,除氧器水位采用根據(jù)本實用新型的基于內(nèi)模原理的控制系統(tǒng)進行控制,除氧器的設(shè)定水位為3010mm,除氧器水位變化范圍為1993mm至2035mm,如圖8所示??梢钥闯霾捎帽緦嵱眯滦偷膬?nèi)??刂破?02之后,除氧器水位波動較小。圖9是定值擾動時根據(jù)本實用新型的內(nèi)模控制器的控制效果圖。使發(fā)電機組負荷基本穩(wěn)定在160MW,除氧器水位采用根據(jù)本實用新型的基于內(nèi)模原理控制系統(tǒng)進行控制,除氧器的設(shè)定水位由3010mm階躍增加至2060mm,除氧器水位由2005mm升至2035mm,于5:09增加到2060mm,最大值達到2069mm。6:35水位定值由2060mm減小到3010mm,7:16除氧器水位降低到3020mm。如圖9所示??梢钥闯?,采用本實用新型的內(nèi)??刂破?02之后,除氧器水位能夠很好地跟蹤水位設(shè)定值。圖10是增負荷擾動時根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破鞯目刂菩Ч麍D。發(fā)電機組負荷由151MW增加到198MW,除氧器水位采用根據(jù)本實用新型的基于內(nèi)模原理控制方法進行控制,除氧器的設(shè)定水位為3010mm,變負荷前水位變化范圍為2003mm-3023mm,變負荷過程中水位最低為2005mm,最高為2047mm。如圖10所示??梢钥闯觯捎帽緦嵱眯滦偷膬?nèi)??刂破?02之后,除氧器水位基本不受發(fā)電機組負荷增加的影響。圖11是減負荷擾動時根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破鞯目刂菩Ч麍D。發(fā)電機組負荷由192MW增加到150MW,除氧器水位采用根據(jù)本實用新型的基于內(nèi)模原理控制方案進行控制,除氧器的設(shè)定水位為3010mm,變負荷前水位變化范圍為2000mm-3020mm,變負荷過程中水位最低為1998mm,最高為2032mm。如圖11所示。可以看出,采用本實用新型的內(nèi)??刂破?02之后,除氧器水位基本不受發(fā)電機組負荷減小的影響。現(xiàn)場試驗表現(xiàn)穩(wěn)定工控下,采用基于內(nèi)模原理控制的方法,除氧器水位波動小于±20mm,在動態(tài)擾動情況下,除氧器水位與設(shè)定值的最大偏差小于40mm,滿足項目所提出的各項技術(shù)性能和指標。現(xiàn)場調(diào)試和機組運行結(jié)果表明這種基于內(nèi)??刂圃淼目刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,在線調(diào)整參數(shù)少,可以明顯提高控制回路的魯棒性及抗干擾能力。采用根據(jù)本實用新型的內(nèi)??刂破?02的進一步的有益效果是節(jié)省能源消耗,提高工作人員的工作效率。以上結(jié)合本實用新型的優(yōu)選實施方式對本實用新型進行了詳細描述,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解,在不背離本實用新型精神和范圍的情況下,可以對本實用新型進行各 種修改和變形。
權(quán)利要求1.一種用于除氧器水位控制的系統(tǒng),該系統(tǒng)包括水位采集模塊和內(nèi)模控制器,其特征在于 所述水位采集模塊用于采集所述除氧器的當前水位,并將采集到的當前水位傳送給所述內(nèi)??刂破?;以及 所述內(nèi)??刂破饔糜诟鶕?jù)所述除氧器的設(shè)定水位和所述除氧器的當前水位來調(diào)節(jié)所述除氧器調(diào)節(jié)閥的閥位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng),其特征在于,所述內(nèi)??刂破靼V波器模塊、內(nèi)??刂颇K和內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊,其中, 將所述當前水位與所述內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊輸出的估計水位作差,得到第一偏差水位; 將所述設(shè)定水位與所述第一偏差水位作差,得到第二偏差水位; 將所述第二偏差水位依次經(jīng)所述濾波器模塊和所述內(nèi)模控制模塊調(diào)整后輸出所述除氧器調(diào)節(jié)閥的閥位; 將所述除氧器調(diào)節(jié)閥的閥位輸入所述內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述內(nèi)部模型傳遞函數(shù)模塊所采用的內(nèi)部模型傳遞函數(shù)根據(jù)所述閥位與相應(yīng)的除氧器水位的對應(yīng)關(guān)系,采用加純滯后傳遞函數(shù)模型獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其特征在于,所述內(nèi)部模型傳遞函數(shù)的加純滯后傳遞函數(shù)為GJs) = s(1k+Ts) ^s,其中,s代表復(fù)數(shù)變量,k代表穩(wěn)態(tài)增益系數(shù),T代表時間常數(shù),τ代表純延時時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng),其特征在于,所述內(nèi)??刂颇K的傳遞函數(shù)為GJs)=s(l+s)/k,其中,s代表復(fù)數(shù)變量,k代表穩(wěn)態(tài)增益系數(shù)。
專利摘要本實用新型公開了一種用于除氧器水位控制的系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括水位采集模塊和內(nèi)??刂破?,其中,所述水位采集模塊用于采集所述除氧器的當前水位,并將采集到的當前水位傳送給所述內(nèi)??刂破鳎灰约八鰞?nèi)??刂破饔糜诟鶕?jù)所述除氧器的設(shè)定水位和所述除氧器的當前水位來調(diào)節(jié)所述除氧器調(diào)節(jié)閥的閥位,以改變凝結(jié)水的流量,從而實現(xiàn)對除氧器水位的控制。所述系統(tǒng)對于穩(wěn)態(tài)過程和動態(tài)過程都可以明顯提高發(fā)電機組中除氧器水位的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
文檔編號G05D9/12GK202677208SQ20122034477
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者孫曉峰, 王傳棟, 王友東, 張允超, 王瑞山 申請人:中國神華能源股份有限公司, 北京國華電力有限責任公司, 國華徐州發(fā)電有限公司