超臨界機(jī)組基于Smith預(yù)估的過熱汽溫控制策略

劉 巖,郭 琦,祖光鑫,賈長(zhǎng)閣

(1. 國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 哈爾濱 150030；2. 國網(wǎng)黑龍江技能培訓(xùn)中心齊齊哈爾分部，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

超臨界機(jī)組基于Smith預(yù)估的過熱汽溫控制策略

劉 巖1,郭 琦2,祖光鑫1,賈長(zhǎng)閣1

(1. 國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 哈爾濱 150030；2. 國網(wǎng)黑龍江技能培訓(xùn)中心齊齊哈爾分部，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

闡述了過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)及基于Smith預(yù)估計(jì)的過熱汽溫控制系統(tǒng)工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)合超臨界單元機(jī)組過熱汽溫的控制特點(diǎn)，以常熟1 000 MW機(jī)組過熱汽溫控制策略為例，提出一種基于Smith預(yù)估計(jì)控制方法的過熱汽溫控制策略，實(shí)際應(yīng)用中,該系統(tǒng)為單回路控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且可有效消除延遲環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。

超臨界；串級(jí)控制；Smith預(yù)估控制，過熱汽溫

超臨界機(jī)組與亞臨界機(jī)組相比具有更好的熱效率和經(jīng)濟(jì)性，因此超臨界機(jī)組已成為目前國內(nèi)新建及擴(kuò)建機(jī)組首選設(shè)計(jì)方案。因其具有更高的主汽壓力和主汽溫度，汽溫控制對(duì)于超臨界機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常重要的作用。作為火力發(fā)電機(jī)組的重要控制參數(shù)之一，對(duì)過熱蒸汽溫度的控制是要維持過熱器出口溫度在控制要求范圍內(nèi)，過熱蒸汽溫度過高或者過低，都會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備造成不良后果，過熱蒸汽溫度超過高限，會(huì)導(dǎo)致過熱器損壞，汽輪機(jī)也會(huì)由于內(nèi)部過度的熱膨脹而導(dǎo)致設(shè)備損壞；過熱蒸汽溫度低于設(shè)計(jì)值，一方面會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行效率降低，同時(shí)會(huì)加大汽輪機(jī)的蒸汽濕度，導(dǎo)致葉片磨損。因而，根據(jù)過熱蒸汽溫控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，并且結(jié)合發(fā)電廠應(yīng)用實(shí)例，對(duì)基于Smith預(yù)估計(jì)器的過熱汽溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。

1 超臨界單元機(jī)組過熱汽溫的控制特點(diǎn)及控制策略

1.1 過熱汽溫控制系統(tǒng)

過熱汽溫控制系統(tǒng)通常包含以下幾個(gè)部分：噴水減溫器、一級(jí)過熱器、二級(jí)過熱器、調(diào)節(jié)閥等，在大型機(jī)組的過熱系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)有三級(jí)過熱器。噴水減溫器安裝在兩級(jí)過熱器之間，其作用是通過調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)噴水流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié),其系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1中W為減溫水量，θ1為減溫器出口溫度，θ2為過熱器出口溫度。

在鍋爐運(yùn)行中影響過熱器出口溫度的因素主要有以下幾個(gè)方面：

1) 蒸汽流量變化。過熱器類型的不同蒸汽流量變化對(duì)蒸汽溫度產(chǎn)生的影響也不相同，輻射式過熱器的蒸汽溫度會(huì)隨著蒸汽流量的增加而下降，對(duì)流式過熱器的蒸汽溫度會(huì)隨著蒸汽流量的增加而升高。

圖1 過熱蒸汽噴水減溫系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2) 煙氣擾動(dòng)。如：過?？諝庀禂?shù)的變化會(huì)導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物發(fā)生改變，進(jìn)而影響煙氣溫度以及煙氣流動(dòng)速度，對(duì)流傳熱和輻射傳熱的比例也會(huì)發(fā)生變化。過?？諝饬康脑黾訒?huì)導(dǎo)致蒸汽溫度隨之上升。

3) 減溫水流量變化。減溫水流量增加時(shí)，會(huì)使進(jìn)口蒸汽溫度下降。當(dāng)其它條件不變時(shí)，下級(jí)過熱器出口蒸汽溫度也隨之下降。

機(jī)組運(yùn)行過程中，蒸汽擾動(dòng)下過熱對(duì)象的滯后和慣性都比較小，煙氣擾動(dòng)下過熱對(duì)象具有自平衡能力和小延遲，而噴水減溫系統(tǒng)卻具有大得多的滯后和慣性，難以控制。超臨界單元機(jī)組過熱蒸汽溫度的控制主要靠燃水比和噴水減溫調(diào)節(jié)，通過維持特定的燃水比可以對(duì)主汽溫度控制起到粗調(diào)作用。保持燃水比不變，通過控制減溫水流量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過熱蒸汽溫度微調(diào)[1]。

目前噴水減溫系統(tǒng)控制方法的研究主要包括以下幾個(gè)方面：

1) 基于傳統(tǒng)PID控制器的串級(jí)過熱汽溫控制。

2) 基于Smith預(yù)估計(jì)器的過熱汽溫控制。

3) 基于智能控制算法的過熱汽溫控制。

傳統(tǒng)PID串級(jí)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易理解，但由于過熱汽溫系統(tǒng)存在大慣性、大延遲的特點(diǎn)，通過PID控制器很難獲得理想的控制效果。研究證明，Smith預(yù)估計(jì)器可以有效地克服系統(tǒng)延遲特性[2-4]，與傳統(tǒng)PID控制器相比其控制效果更好，更因其在工程上較容易實(shí)現(xiàn)，在過熱汽溫控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著智能控制方法的不斷發(fā)展，越來越多的研究者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊控制等智能控制方法引入到過熱汽溫控制系統(tǒng)[5-7]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，過熱汽溫控制系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)PID串級(jí)控制，以及基于Smith預(yù)估計(jì)器的控制算法，將對(duì)上述兩種常用控制方法詳細(xì)闡述。

1.2 串級(jí)過熱汽溫控制系統(tǒng)

根據(jù)過熱汽溫被控對(duì)象慣性大、延遲大的特點(diǎn)，可以從被控對(duì)象的調(diào)節(jié)通道中找出一個(gè)比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號(hào)，作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號(hào)構(gòu)成串級(jí)過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

由圖2可知，串級(jí)系統(tǒng)由主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。主調(diào)節(jié)器Gc1(s)接受被調(diào)量出口汽溫θ2及其給定值，主調(diào)節(jié)器的輸出與噴水減溫器出口汽溫θ2共同作為副調(diào)節(jié)器Gc2(s)的輸入，副調(diào)節(jié)器的輸出作為控制量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改變減溫水量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過熱汽溫的調(diào)節(jié)作用。假設(shè)減溫水流量由于內(nèi)擾N(s)而上升，此時(shí)減溫器出口汽溫θ1下降快于θ2，此時(shí)副調(diào)節(jié)器輸出減小，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較小噴水減溫調(diào)節(jié)閥的開度，可快速消除由于減溫水量?jī)?nèi)擾所造成的影響。當(dāng)負(fù)荷或煙氣擾動(dòng)引起θ2升高，設(shè)定值不變時(shí)主調(diào)節(jié)器輸出降低導(dǎo)致副調(diào)節(jié)器輸出增大，從而控制減溫水調(diào)門開度增大。圖2中Gp1(s)又被稱為導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)，Gp2(s)為惰性區(qū)傳遞函數(shù)。Gp1(s)通常為一階慣性環(huán)節(jié)

式中：k為過熱器入口溫度變化時(shí)，過熱器入口與出口溫度變化的比值，T為系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)。

1.3 基于Smith預(yù)估計(jì)器的過熱汽溫控制系統(tǒng)

Smith預(yù)估計(jì)算法可用于對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，最早由O.J.M.smith提出用于消除死區(qū)的影響，又被稱為死區(qū)補(bǔ)償器?；驹砭褪峭ㄟ^對(duì)被控對(duì)象在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行預(yù)估，由預(yù)估器實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，將被延遲了τ的被調(diào)量超前反映到控制器,使控制器提前動(dòng)作,從而減小控制系統(tǒng)的超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過程。其控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3中Gk(s)是Smith引入的預(yù)估補(bǔ)償器傳遞函數(shù)，Gc(s)為控制器，被控對(duì)象Gp(s)eτs中含有純延時(shí)環(huán)節(jié)，為使閉環(huán)特征方程不含純滯后環(huán)節(jié)則：

圖3 Smith預(yù)估器補(bǔ)償控制系統(tǒng)

(1)

引入預(yù)估補(bǔ)償器Gk(s)后，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

(2)

由式(1)、(2)可知，當(dāng)Gk(s)滿足：

Gk(s)=Gp(s)(1-e-τs)

(3)

將式(3)代入式(2)，此時(shí)式(2)等于式(1)，系

統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為：

1+Gc(s)Gp(s)=0

(4)

通過加入預(yù)估補(bǔ)償器環(huán)節(jié)，把Gp(s)作為被控對(duì)象，用Gp(s)的輸出作為反饋信號(hào)，從而使反饋信號(hào)相應(yīng)提前了τ時(shí)刻。此時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)特征方程已經(jīng)不含純滯后項(xiàng)，消除滯后環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，提高控制器增益，從而改善控制質(zhì)量。

圖4 基于Smith預(yù)估器的過熱汽溫控制系統(tǒng)

2 過熱汽溫控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 機(jī)組簡(jiǎn)介

常熟發(fā)電有限公司1 000 MW超臨界機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠和ALSTOM公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造，型號(hào)為：SG3098/27.46-M539，超臨界壓力參數(shù)、變壓運(yùn)行、螺旋管圈直流鍋爐，鍋爐燃用煤種為煙煤，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為3 098 t/h，BMCR工況下主蒸汽額定溫度605 ℃，主蒸汽額定壓力27.46 MPa。該機(jī)組過熱器系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

懸吊管和一級(jí)屏式過熱器、二級(jí)過熱器以及三級(jí)過熱器構(gòu)成了過熱器系統(tǒng)的主受熱面。過熱蒸汽汽溫調(diào)節(jié)采用燃水比粗調(diào)和兩級(jí)八點(diǎn)噴水減溫細(xì)調(diào)的控制方式，在一級(jí)過熱器和二級(jí)過熱器、二級(jí)過熱器和三級(jí)過熱器之間設(shè)置兩級(jí)噴水減溫裝置，通過兩級(jí)受熱面之間的連接管道的交叉，一級(jí)受熱面外側(cè)管道的蒸汽進(jìn)入下一級(jí)受熱面的內(nèi)側(cè)管道，可以有效補(bǔ)償由于煙氣側(cè)造成的熱偏差。

圖5 常熟1 000 MW超超臨界機(jī)組過熱器系統(tǒng)

2.2基于Smith預(yù)估計(jì)器過熱汽溫控制系統(tǒng)實(shí)例分析

根據(jù)主汽溫度的控制需要，該機(jī)組設(shè)計(jì)有兩級(jí)噴水減溫控制系統(tǒng)。

2.2.1 過熱器一級(jí)減溫控制

a) 過熱器一級(jí)減溫控制的目的是保證二級(jí)減溫器的進(jìn)出口溫差在設(shè)定范圍內(nèi)。

b) 過熱器一級(jí)減溫控制引入Smith預(yù)估算法，采用單回路控制。Smith預(yù)估算法使得動(dòng)態(tài)時(shí)被調(diào)量為一級(jí)減溫器出口溫度而不是二級(jí)減溫器入口溫度。

c) 由圖5可知，該系統(tǒng)共有4個(gè)一級(jí)減溫器，設(shè)計(jì)有4個(gè)獨(dú)立的控制回路。

每個(gè)控制回路包含兩個(gè)部分，設(shè)定值生成部分及主控制回路，邏輯圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 一級(jí)減溫控制溫度設(shè)定值回路邏輯圖

圖7 一級(jí)減溫Smith預(yù)估控制系統(tǒng)邏輯圖

根據(jù)一級(jí)減溫系統(tǒng)的控制目的可知，過熱器一級(jí)減溫控制溫度設(shè)定值主要由修正后的過熱器二級(jí)出口溫度、加入偏置的過熱器二級(jí)減溫器進(jìn)口溫度，以及由4個(gè)二級(jí)減溫器進(jìn)口溫度最小值經(jīng)過低選、高選運(yùn)算得到。通常情況下，超臨界機(jī)組過熱器入口溫度至過熱器出口溫度的惰性區(qū)傳遞函數(shù)可由四階慣性環(huán)節(jié)表示，構(gòu)造Smith預(yù)估計(jì)過熱汽溫控制系統(tǒng)如圖7所示。該系統(tǒng)中，在不同工況下系統(tǒng)特性不同，這里采用主汽流量的函數(shù)來修正慣性時(shí)間常數(shù)T。

2.2.2 過熱器二級(jí)減溫控制

a) 過熱器二級(jí)減溫控制主汽溫度，其設(shè)定值來源于DEH給出的“理想主汽溫度”，經(jīng)過大小選后產(chǎn)生最終的設(shè)定值。

b) 過熱器二級(jí)減溫控制同樣采用Smith預(yù)估算法，采用單回路控制。Smith預(yù)估算法使得動(dòng)態(tài)時(shí)被調(diào)量為二級(jí)減溫器出口溫度而不是主蒸汽溫度。

c) 與一級(jí)減溫器相同，共有4個(gè)二級(jí)減溫器，設(shè)計(jì)4個(gè)獨(dú)立的控制回路。二級(jí)減溫系統(tǒng)控制回路可分為設(shè)定值生成部分，邏輯圖分別如圖8、圖9所示。

與一級(jí)減溫系統(tǒng)相似，二級(jí)減溫被控量的設(shè)定值由理想主汽溫度、加入偏置的主汽溫度、以及主汽溫度最小值經(jīng)過小選、大選計(jì)算得到，其目的是維持設(shè)定值在一定范圍內(nèi)，增加控制的安全性。構(gòu)造二級(jí)減溫Smith預(yù)估控制系統(tǒng)如圖9所示。

圖8 二級(jí)減溫控制溫度設(shè)定值回路邏輯圖

圖9 二級(jí)減溫Smith預(yù)估控制系統(tǒng)邏輯圖

3 結(jié) 論

根據(jù)超臨界直流鍋爐過熱汽溫控制的具體特點(diǎn)，分析了常見的過熱汽溫控制方法(串級(jí)PID雙回路控制系統(tǒng))存在的問題，給出了采用串級(jí)控制系統(tǒng)和基于Smith預(yù)估計(jì)器解決此類問題的路徑和策略。

選取常熟1 000 MW超臨界機(jī)組為研究對(duì)象，給出了該機(jī)組基于Smith預(yù)估計(jì)器的過熱汽溫控制策略的實(shí)現(xiàn)方法。研究結(jié)果表明，相對(duì)于串級(jí)PID雙回路控制系統(tǒng)，單回路Smith預(yù)估計(jì)器控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)單，可有效消除延遲環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響，可使系統(tǒng)具有更好的控制品質(zhì)。

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Superheatedsteam temperaturecontrol strategy forsupercriticalpower unit based on Smith prediction

LIU Yan1,GUO Qi2,ZU Guangxin1,JIA Changge1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin 150030,China; 2. Qiqihar Branch of State Grid Heilongjiang Skills Training Center,Qiqihar 161005,Heilongjiang,China)

The working principle and realization method of superheated steam temperature cascade control system and superheated steam temperature control system based on Smith prediction are described. Combined withthe control characteristics of superheated steam temperature of supercritical power unit, a superheated steam temperature control strategy based on Smith predictioncontrol method is proposed, by taking the superheated steam temperature control strategy of Changshu 1 000 MW unit as an example. In practical application, the system is single loop control system with simple structure and can effectively eliminate the influence ofdelay link on the system control quality.

supercritical; cascade control; Smith prediction control; superheated steam temperature

2017-03-22。

劉 巖(1981—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樯婢W(wǎng)試驗(yàn)與自動(dòng)調(diào)試技術(shù)。

TK323

A

2095-6843(2017)05-0441-05

(編輯李世杰)