专利名称：用于调节蒸汽发电设备的蒸汽温度的方法和设备的制作方法
用于调节蒸汽发电设备的蒸汽温度的方法和设备本发明涉及一种用于调节蒸汽发电设备的蒸汽温度的方法，其中，状态调节器借助计算蒸汽状态的观测器反馈用于过热蒸汽的过热器中的多个蒸汽状态以便输出作为调节参数(Stellgr0fie)的蒸汽额定温度，并且将该蒸汽额定温度传输给用于调节温度的另一个调节器。蒸汽发电设备的效率随着发电站锅炉中产生的蒸汽温度而提高。但不允许超过锅炉管道材料和加载蒸汽的汽轮机的温度最大许用极限值。温度越准确地保持在其额定值中，额定值就越接近温度许用极限值，即，就可以在发电设备工作时实现越高的效率。通过将蒸汽多级地导引经过被加热的管束(所谓的过热器级)实现在锅炉中过热蒸汽。通过相应的喷射阀将水喷入过热器级之前的蒸汽导管中实现蒸汽温度的调节。具有较大生铁质量的过热器具有惰性的特性。调节喷射阀在几分钟之后才对待调节的温度产生影响。这样的延时在此并不是不变的，而是与当前的蒸汽质量流有关。由于大量的干扰，例如负载的变化、锅炉中的煤尘气泡、燃料的交换等附加地严重影响待调节的温度。出于此原因很难实现精确地调节温度。为了解决该问题已知所谓的级联调节器，其中，构造两个相互连接的PI (比例积分)调节回路。外部的、慢速PI调节器调节过热器出口处的温度并且预先给定一个在过热器入口处(即在喷射之后)的温度额定值。过热器入口处的温度被内部的快速的、调节喷射阀的PI调节器调节。因此可以快速地调整消除喷射入口处的蒸汽温度的干扰。这种方案的缺点在于，只能在外部的、慢速的回路中，亦即，以较小的调节质量调整消除对过热器本身产生的干扰。本发明所要解决的技术问题是提供一种方法，通过该方法可以既准确又稳定地调节蒸汽温度。该技术问题由此解决，即，状态调节器按本发明是线性二次型调节器。这种线性二次型调节器(LQR)或换言之的线性二次型最佳状态反馈回路是一个状态调节器，该状态调节器的参数可以确定为能够优化用于调节质量的质量指标。由此可以实现既精确又稳定的调节。本发明在此出于这种考虑，在状态调节时反馈多个(部分不可测量的)状态用以计算调节器调节信号。在此应用情况下这意味着，还按一定的算法使用在沿过热器的多个位置处的温度。但因为这些温度不可测量，所以需要观测器回路，借助该观测器回路可以估算或计算出所需的温度值。下列将概念“计算”和“算出”用作同义词。这种方案的优点在于， 可以快速且准确地对作用在过热器上的干扰作出反应。蒸汽发电设备是一个借助蒸汽动力运行的设备。它可以是蒸汽汽轮机、蒸汽过程设备或任何一个借助蒸汽能量运行的设备。以下可以将状态调节器理解为调节回路，该调节回路根据状态空间表示调整被调参数(Regelgr0fie)。在此被调对象或受控系统(Regelstrecke)的状态通过被调对象的观测器输送，也就是反馈。与被调对象共同形成调节回路的反馈通过代替测量装置的观测器和真正的状态调节器实现。观测器计算系统的、在此情况下亦即过热器中蒸汽的状态。观测器包括状态微分方程式、输出方程式和观测器向量。观测器的输出值与被调对象的输出值比较。差值通过观测器向量作用到状态微分方程式上。在本发明的一种有利的实施形式中，观测器是设计用于线性二次状态反馈的卡尔曼滤波器。LQR与卡尔曼滤波器相互配合就称作LQG(线性二次高斯)算法。将通过过热器传递给蒸汽的热量的干扰参数有利地定义为状态并且按调节算法使用该干扰参数。在此，不仅可以将沿过热器的多个温度或由此导出的参数定义为状态而且还可附加地将干扰参数定义为状态并且尤其借助观测器估算或计算这些参数。直接作用到过热器上的干扰可表述为预热时间间隔在过热器中的变化。通过干扰参数的这种观测可以实现对相应的干扰非常快速且准确，但同时稳健的反应。本发明的另一种有利的设计方案规定，蒸汽的焓用作状态参数。通过使用焓代替蒸汽温度，可以使调节系统线性化并且由此获得更容易的计算方法。LQR方法涉及线性的调节问题。但过热器中入口处的温度由于热量的吸收以非线性的方式作用到被调参数亦即出口处的温度上。通过尤其是坚持将所有温度测量值和额定值换算成焓，可以实现调节问题的线性化，因为在输入焓和输出焓之间存在一种线性关联。在此适宜地借助相应的水/蒸汽-表格关系通过使用测得的蒸汽压力进行换算。通过这种线性化，实现非常稳健的调节特性，即，调节质量不再与发电设备当前的运行点有关。此外建议所述状态反馈通过矩阵方程进行，该矩阵方程的参数至少部分地通过使用当前的测量值确定。调节器可以通过反馈矩阵的在线计算不断地与实际运行条件匹配。 由此例如可以自动地计算出过热器动态特性与负载有关的变化。也可以通过这个步骤实现调节算法的稳健性。基于调节器算法是非常稳健的这个事实，在启动时只需调整设定很少的参数。因此，启动时间和耗费相对所有现今已知的方法明显减少。有利地通过蒸汽发电设备的控制技术计算矩阵方程。在此控制技术可以是控制系统，该控制系统控制蒸汽发电设备正常运行。为保持控制技术的数学模块简单，将矩阵方程转换成一组标量微分方程是有利的。矩阵方程相对较简单的积分可以通过回溯一段时间内的积分实现。因为在实际情况下不存在将来的信息，所以在这组带有相反符号的标量微分方程积分时可以实现等效于反向积分的积分，这稳定地致使同样不变的解。本发明还涉及一种用于调节蒸汽发电设备的蒸汽温度的设备，该设备具有状态调节器，该状态调节器用于通过反馈过热蒸汽的过热器的多个蒸汽状态来输出作为调节参数的蒸汽额定温度；该设备还具有计算这些蒸汽状态的观测器和用于根据额定蒸汽温度调节温度的另一个调节器。建议状态调节器是线性二次型调节器。它可实现精确且稳定的调节。该设备有利地设计用于实施一个或多个或所有上述的方法步骤。根据附图中所示的各实施例进一步阐述本发明。在附图中
图1是具有过热器的蒸汽发电厂的局部，图2是调节级的示意图，图3是过热器的模型，图4是作为用于设计调节器的基础的、线性的被调对象模型，图5是观测器的结构以及图6是调节器结构的总览。图1示意出蒸汽发电厂的局部，该蒸汽发电厂具有作为蒸汽发电设备2的蒸汽轮机、将热量输出给多级过热器6的过热器级的锅炉4，例如蒸汽8流经该多级过热器6。通过吸收热量，过热器6中的蒸汽8被加热成新鲜蒸汽10，并随后输送给蒸汽轮机。为调节蒸汽8的温度设有一个将水喷射入蒸汽8中并因此冷却该蒸汽8的喷射冷却器12。喷入的水量14通过调节阀16调节。温度传感器18和压力传感器20测量过热器6之前的蒸汽8的温度力^或压力pffi，并且温度传感器22和压力传感器M测量过热器6之后的新鲜蒸汽10 的温度A或压力PD。仅为了更好地区分，以下过热器6之前的蒸汽8称作蒸汽8，而过热器之后的蒸汽 10称作新鲜蒸汽10，其中，要强调的是，本发明在以下所述的实施形式中当然同样可以运用在必要时未称作新鲜蒸汽的蒸汽上。在图2中，示意性示出具有一个外部级沈和一个内部级观的调节级礼。外部级沈包括一个LQG调节器30，新鲜蒸汽温度礼以及其额定值、新鲜蒸汽压力Pd和蒸汽8的温度力‘或压力ρΝΚ作为输入参数输送给该LQG调节器30。另一个输入是当前的负载信号LA， 该负载信号LA需要用于与负载有关地匹配过热器的时间常数。过热器6之后的新鲜蒸汽温度&是LQG调节器30的被调参数。额定温度凡^作为调节参数从LQG调节器30中输出。为内部级观的调节回路32预先给定作为额定值的、蒸汽8的额定温度凡^。蒸汽8 在喷射冷却器12之后的温度是调节回路32的被调参数。调节回路32具有一个作为调节参数的、喷射冷却12的调节阀16的位置并且借助喷入蒸汽8中的水量14调节温度。LQG调节器30并不是直接通过一个执行元件直接作用到该过程中，而是将喷射冷却器12之后的温度额定值凡^传输给下游设置的调节回路32，因此LQG调节器30与该调节回路32 —起构成一个由外部级沈和内部级观组成的串级。因为从温度和压力中计算出内部焓，所以与喷射冷却器12之后的蒸汽压力Pnk和新鲜蒸汽压力Pd —样，测得的喷射冷却器12之后的温度作为附加信息为LQG调节器30所需。冷却器12之后的温度额定值力^的饱和蒸汽限制在LQG调节器部件30以外进行。为了参数化LQG调节器30，需要在满载时描述过热器时间特性的时间常数Τ·。过热器入口处的蒸汽温度的变化在此大致这样地对新鲜蒸汽温度&起作用，如它描述一种由于三个分别具有时间常数Tltltl的PT1元件的延迟。此外，需要用于描述新鲜蒸汽温度测量的时间特性的时间常数Tm_。调节器的特性通过两个调节值&和R参数化，这两个调节值描述状态调节器和卡尔曼滤波器的灵敏性。图3示出过热器6中过热器受控系统的模型，该模型由三个PT1元件34组成。以下将PT1元件34理解为具有第一级延时的线性传递元件。三个PT1元件34形成从过热器 6的入口处，也就是冷却器12之后的比焓hNK转变为新鲜蒸汽10的比焓hD延时的特性。在此用焓代替温度来计算，因为由此设想线性特性是完全合理的。由Tltltl和负载信号LA组成的商用作PT1元件34的时间常数^，用此近似过热器与负载有关的时间特性。在负载较小时，蒸汽8经过过热器的流动速度降低并且传递特性相应地变得更加迟钝。来自锅炉4中的热量输送qF导致过热器6蒸汽内的焓提高。在该模型中，这通过各个PT1元件34入口处各三分之一的比热输送相加实现。测量件延迟在新鲜蒸汽温度测量中通过另一个具有时间常数T3 的PT1元件36模拟。执行机构动态特性在作为状态调节器亦即LQG调节器30 —部分的基础的模型中被有意认为不存在。
来自锅炉4中的热量输入％在所考虑的模型中是一个不直接测量的干扰参数。因此，在调节器中已知进行受控系统或被调对象的动态加宽。I份额的加入能够避免存在的调节偏差。但因为qF不是慢速变化的参数，而是大量波动地作用在过热器6上的干扰，所以以这种方式由火引起的干扰主要通过该I份额而并不通过原来的状态调节器调整消除。在LQG调节器30中，干扰参数qF由使用的观测器重建并且相应地接入，因此不需要受控系统模型动态加宽最后的I份额。LQG调节器30的被调参数是新鲜蒸汽的温度礼。但因为在此所考虑的状态调节器基于带有焓的模型，所以新鲜蒸汽温度礼借助新鲜蒸汽压力Pd和水蒸气表格换算成新鲜蒸汽10的比焓hD。对于线性的状态调节器来说比焓hD也就是被调参数。所考虑的状态调节器不应当直接作用到喷射冷却器调节阀16上。所提到的级联结构应当保持不变，其中，下游设置的调节回路32，例如PI调节器借助调节阀16将喷射冷却器12之后的温度调节到一个额定温度。该额定温度也就是由状态调节器构成的外部级的调节参数。额定值在此又借助压力和水蒸气表格由焓hNKS构成。因此，线性状态调节器具有调节参数hNKS。状态调节器构成其作为受控系统模型的状态加权总和的调节器输出端。在此处模型化的情况下，该输出端就是四个PT1元件34、36的输出端，在图3中用Ill至h4表示。但并没有为调节直接使用四个状态Ii1至h4，而是使用这些状态与其工作点的偏差。对于Ii1和ti2，通过焓额定值hDS给出这个工作点，对于h3和h4，工作点则要低1/3%或 2/3%。以Ic1至k4加权的总和由如下公式得至IJ A =^hl ~hDS)+ k2(h2-hDS)+k-j\h3-hDS+k4[h4 - hDS= K{hx ~hDS)+ k2(h2 -hDS)+ k3(h3 -hDS)+ k4(h4 -hDS)-^(k3 + 2k4)qF
4J=X^fe-2KhF
i=\ j各状态与其工作点的偏差(并因此加权总和A1)在工作点中变成零，亦即没有进行调节器干预。但调节参数hffiS应当在工作点时不为零，而是比新鲜蒸气焓额定值hDS低一个吸热量％的量值。通过这个补偿(offset)最终得到调节器定律hNKS = hDS ~qF-A1=hDS-(I-^k3-^k4)如—Σ K (h - hDS )⑴
V ^ 3 J i=\吸热量qF在此可以看做干扰参数，该干扰参数以^5 =I-^3(2)加权接入。此外通过接入干扰参数k5qF进行补偿，使得用于Ii3和h4的额定值与 hDS不同。项hDS_k5qF可以解释为控制支路并且保持作为反馈被调对象或受控系统的固有特性仅会受到反馈的影响。因此在以下考虑
44- Yj ki(hi - /2^ ) = X ktXiXi = Oifhlis), i = 1，…，4 (3)
的受控系统模型中，控制支路和干扰参数已从该受控系统模型中被去掉。获得如图4所示的PT1元件34、36链。按照矩阵表示法，通过公式的状态空间表示法代表PT1元件34、36链，其中，状态向量x{t ) = Ax{t) + bu{t)y (t) = cTx (t)
权利要求
1.一种用于调节蒸汽发电设备O)的蒸汽(8)的温度( )的方法，其中，状态调节器 (46)借助计算用于过热蒸汽(8)的过热器(6)中的多个蒸汽状态的观测器G2)反馈所述多个蒸汽状态以便输出作为调节参数的蒸汽额定温度(·9 )，并且将所述蒸汽额定温度 (力^)传输给用于调节所述温度的另一个调节器(32)，其特征在于，所述状态调节器06) 是线性二次型调节器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述观测器G2)是设计用于线性二次状态反馈的卡尔曼滤波器。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述过热器(6)传递给所述蒸汽(8) 的热量(qF)的干扰参数定义为状态(X5)并且在调节算法中使用所述干扰参数。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述观测器计算在所述过热器中传递给所述蒸汽(8)的热量。
5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，通过积分仪(38)计算在所述过热器中传递给所述蒸汽(8)的热量。
6.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，作为状态参数使用所述蒸汽(8)的焓。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，作为状态参数使用所述绝对焓与焓额定值的偏差。
8.如权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，通过将温度测量值和温度额定值换算成焓来线性化数学上的调节器问题。
9.如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，通过矩阵方程实现所述状态反馈， 至少部分地通过使用当前的测量值确定所述矩阵方程的参数。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过所述蒸汽发电设备的控制技术计算所述矩阵方程。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，将所述矩阵方程转换成一组标量微分方程。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述一组标量微分方程通过带有反向符号的积分求解。
13.如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，所述观测器02)与所述状态调节器G6)无关地工作。
14.如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，为状态计算使用所述过热器(6) 的被调对象的模型，该被调对象的延时由一个时间常数和所述蒸汽发电设备O)的负载信号(LA)构成的商确定。
15.一种用于调节蒸汽发电设备O)的蒸汽(8)温度.( )的设备，该设备具有状态调节器(46)，该状态调节器06)通过反馈用于过热所述蒸汽(8)的过热器(6)的多个蒸汽状态输出作为调节参数的蒸汽额定温度该设备还具有计算所述多个蒸汽状态的观测器0 和用于根据所述蒸汽额定温度调节温度的另一个调节器(32)，其特征在于，所述状态调节器G6)是线性二次型调节器。
全文摘要
本发明涉及一种用于调节蒸汽发电设备(2)的蒸汽(8)的温度的方法，其中，状态调节器(46)借助计算状态的观测器(42)反馈多个在用于过热蒸汽(8)的过热器(6)中的蒸汽状态以便输出作为调节参数的蒸汽额定温度并且将所述蒸汽额定温度传输给另一个用于调节所述温度的调节器(32)。为了达到温度且精确地调节蒸汽温度，建议所述状态调节器(46)是线性二次型调节器。
文档编号F22G5/12GK102414510SQ201080019252
公开日2012年4月11日 申请日期2010年3月23日 优先权日2009年3月24日
发明者B.莫贝克, J.鲁普, K.温德尔伯格, M.特里尔, T.维斯巴克 申请人:西门子公司