一种电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，其包括如下步骤：步骤一、划分电站锅炉运行的典型工况点；步骤二、测试典型工况点处的主蒸汽温度数学模型；步骤三、计算典型工况点处的PID可调参数的最优值；步骤四、在分散控制系统DCS中利用分段线性函数模块进行控制逻辑组态；步骤五、在分散控制系统DCS中实现主蒸汽温度在任意工况点的近似最优控制；本发明的有益效果是解决了火电机组主蒸汽温度系统在机组运行的全负荷范围内保证内、外回路PID可调参数的最优值的自动调度问题，大幅度地提高主蒸汽温度的调节品质，减少机组在负荷大幅度变化情况下易出现的超温现象。
【专利说明】一种电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电站锅炉主蒸汽温度控制方法，尤其是涉及一种电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，适用于燃煤发电机组，属于自动控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]大型电站锅炉主蒸汽温度控制是提高经济效益、保证机组安全运行的不可缺少的环节。对锅炉主蒸汽温度的控制要求是十分严格的，汽温过高或者过低，以及大幅度的波动都将影响锅炉、汽轮机的安全和经济性。因此维持锅炉主蒸汽温度的稳定运行是非常必要的。过热器一般由若干级组成，各级管子常使用不同的材料，分别对应一定的最高允许温度。因此为保证金属安全，还应当对各级受热面出口的汽温加以限制，此外，还应防止局部管子的超温爆漏和汽轮机汽缸两侧的受热不均。蒸汽温度过高，若超过了设备部件(如过热器管、蒸汽管道、汽轮机喷嘴、叶片等)的允许工作温度，将使钢材加速蠕变，降低使用寿命。严重的超温甚至会使管子过热而爆破。蒸汽温度过低，将会降低热力设备经济性，增加发电煤耗。汽温过低，还会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧，严重时将会发生水冲击，威胁汽轮机的安全。而且汽温突升突降还会使锅炉各受热面焊口及连接部分产生较大的热应力，造成胀差增加。严重时甚至可能发生叶轮与隔板间的动静摩擦，汽轮机剧烈振动等。
[0003]主蒸汽温度一般可看做多容分布参数受控对象，对该对象的控制比较困难。其原因主要有:(I )、锅炉燃烧工况不稳定，烟气侧扰动频繁且扰动量较大，影响主蒸汽温度变化较快；(2)、由于工艺特性决定了各级过热器管道较长，造成主汽温对其调节手段，即喷水减温器的减温水量变化的反应较慢，表现出明显的滞后特性；(3)外部扰动(如主蒸汽流量波动、主蒸汽压力波动等)变化频繁且扰动量较大，致使主汽温经常波动；(4)内部扰动(如主给水流量波动、给水压力波动等引起的减温水流量波动)，使得喷水量发生变化，造成主汽温在外扰较小时仍经常偏离设定值；(5)主汽温系统对于机组负荷的变化具有明显的时变特性。热工对象的动态特性与运行工况密切相关，机组的对象特性随着机组负荷变化发生明显变化，特别是对于调峰机组现象更为严重。对于主汽温对象来讲，其动态特性受运行工况参数(主蒸汽流量、主蒸汽压力以及主蒸汽温度)变化影响，导致模型参数发生明显变化。由于机组负荷变化影响供煤量，从而直接影响过热器吸热，同时汽机侧负荷变化也会引起蒸汽流量变化，因此负荷变化会引起蒸汽流量扰动、过热器吸热量扰动以及过热器入口汽温扰动。通常当负荷增加时，会导致系统特性函数的滞后和惯性时间常数以及静态增益都呈现明显减小的趋势，总的汽温则随负荷升高而增加。
[0004]常规的主蒸汽温度控制方案大致包含两种控制策略及其组合:一种是前馈控制，另一种是串级反馈控制。设计前馈控制和反馈控制相结合的复合控制系统，是克服干扰、提高控制品质的有效方法。前馈控制是一种非常有效的手段，其特点是针对确定性扰动，系统控制器根据扰动的大小和变化情况对被控制对象施加相反的控制作用，补偿扰动的影响，从而能够在扰动对被控对象的影响体现出来之前就将其抵消。但是前馈控制得以应用的一个重要前提是扰动可以测量，目前对于汽温控制来讲，锅炉燃烧扰动无法测量，蒸汽流量的测量误差也比较大，因此很难设计精确的前馈控制对其加以抵消。同时，前馈控制不能改变系统的闭环特性，当负荷变化导致被控对象变化时，系统的闭环稳定性只能靠反馈控制回路内的控制器的相应改变来适应。常规反馈控制方法是基于PID的控制器，通过理论计算或专家经验调试得到合适的PID控制器参数，使其与被控对象的参数相匹配，从而得到一个稳定的且控制性能良好的闭环控制系统。从工程上来讲，PID控制器参数的物理意义清楚并且容易在线调整，因此得到了广泛的应用。但是串级PID控制器的参数都是在锅炉处于特定负荷下整定得到的一组特定值，对于被控系统参数(增益、滞后时间和惯性时间)随机组运行工况(发电功率、主蒸汽压力)明显变化的主蒸汽温度对象来讲，当负荷工况在大范围内变化时，按照固定负荷设计的PID参数很难取得满意的控制效果。因此需要一种新的电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，能够在机组负荷大范围变化的情况下，保证机组处于安全稳定的高性能运行状态。
[0005]经现有学术及技术文献的检索，未发现专门针对主蒸汽温度全程控制问题的研究。而对于主蒸汽温度控制问题的研究，多集中在将各种先进控制算法应用于某个或某几个独立典型工况点的控制尝试和仿真对比上。对于系统特性随机组运行工况明显变化的主蒸汽温度对象，现有方法的实用价值不高，控制效果越来越不能满足高度自动化时代的要求。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题为提供一种准确度高、反应快速，简便易行的基于传统串级控制方案的电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，避免具有大迟延、大惯性和时变特性的主蒸汽温度对象随着机组负荷变化而导致主蒸汽温度控制性能不佳甚至不稳定的问题，以提高锅炉主蒸汽温度的控制品质。
[0007]本发明的技术方案如下:
本发明的步骤如下:
步骤一、划分电站锅炉运行的典型工况点:
依据机组的最大负荷设计容量及主要运行负荷区间划分出N个典型工况点，每个典型工况点代表一个负荷值；N的取值不小于2，当N=2时所述2个典型工况点分别为锅炉最低稳燃负荷工况点X1，额定最大负荷工况点Xn ;当N>2时所述N个典型工况点分别为锅炉最低稳燃负荷工况点X1，额定最大负荷工况点Xn以及上述两个工况点之间划分出的(N-2)个典型工况点；
步骤二、测试典型工况点处的主蒸汽温度数学模型:
通过对机组进行主动负荷升降或等待负荷调峰运行，利用扰动试验测试典型工况点处的系统特性模型如(I)~(2)；
惰性区N个典型工况点的一阶惯性加纯迟延传递函数模型:
【权利要求】
1.一种电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，其特征在于步骤如下: 步骤一、划分电站锅炉运行的典型工况点: 依据机组的最大负荷设计容量及主要运行负荷区间划分出N个典型工况点，每个典型工况点代表一个负荷值；N的取值不小于2，当N=2时所述2个典型工况点分别为锅炉最低稳燃负荷工况点X1，额定最大负荷工况点Xn ;当N>2时所述N个典型工况点分别为锅炉最低稳燃负荷工况点X1，额定最大负荷工况点Xn以及上述两个工况点之间划分出的(N-2)个典型工况点； 步骤二、测试典型工况点处的主蒸汽温度数学模型: 通过对机组进行主动负荷升降或等待负荷调峰运行，利用扰动试验测试典型工况点处的系统特性模型如(I)~(2)； 惰性区N个典型工况点的一阶惯性加纯迟延传递函数模型:
2.根据权利要求1所述的电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，其特征在于:所述步骤一中，当N>2时，锅炉最低稳燃负荷工况点X1和额定最大负荷工况点Xn之间的(N-2)个典型工况点根据负荷大小等间隔划分。
3.根据权利要求2所述的电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，其特征在于:为了进一步提高电站锅炉主蒸汽温度全程控制的效果，对PID可调参数的最优值与机组负荷之间对应函数关系进行优化，即在步骤五后增加如下操作: 当机组工作于任意非典型工况点时，此时分散控制系统DCS中的分段线性函数模块通过自动插值输出的PID可调参数使主蒸汽温度与设定值之间的最大偏差超过5°C，说明此工作点下通过自动插值输出的PID可调参数与当前PID可调参数的最优值之间有差距，则需要技术人员对当前工况点继续进行主动负荷升降或等待负荷调峰运行，利用扰动试验测试当前工况点处的系统特性模型，按照步骤二的方法继续获得该工况点如式(I)所示的惰性区的一阶加纯迟延等效传递函数模型以及如式(2)所示的导前区的一阶惯性等效传递函数模型；然后重新依据步骤三的计算方法得到对应于此工况点的PID可调参数的最优值，并将此工况点作为新加的典型工况点，重新对步骤四的分段线性函数模块进行控制逻辑组态，完成PID可调参数的最优值与机组负荷之间对应函数关系的优化更新。
4.根据权利要求1或2或3所述的电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，其特征在于:所述外回路和内回路的可调滤波器时间常数Tn、Tf2的取值满足Tn:{Q.3-0.7) TT ,Tf2= (0.3~0.7) τ2χ。
5.根据权利要求4所述的电站锅炉主蒸汽温度全程控制方法，其特征在于:获取所述N个典型工况点下如式(I)和(2)所示的主蒸汽温度串级控制系统的传递函数模型及其相应的PID控制参数时，要使机组处于稳定运行状态，即单元机组处于协调控制的系统工作方式，需满足: 第一、机组实际测量的负荷与负荷指令(即设定值)之间的偏差小于最大允许值δΝι,Sm取2%~4% Norm (Norm:机组额定负荷)； 第二、实际测量的主蒸汽压力与主蒸汽压力设定值之间的偏差小于最大允许偏差δΡ，δρ取0.3-0.6MPa，且机组稳定持续时间达到要求的持续时间δΤ , 5Τ取20-40分钟。
【文档编号】F22B35/00GK103557511SQ201310576564
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】王东风, 刘千, 江溢洋, 牛成林 申请人:华北电力大学（保定）