变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法与流程

本发明属于火力发电技术领域，尤其涉及一种变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法。

背景技术：

超临界机组以其效率高、煤耗低、污染小和负荷适应性好成为我国目前电力行业大力发展的主力机组。超临界机组只能采用直流锅炉，没有汽包，工质水在给水泵压头的作用下，经过省煤器、水冷壁、过热器等受热面一次性地将水变成水蒸气并推动汽轮机做功。超临界机组的直流锅炉各个系统间关联紧密，具有很强的耦合性，当给水量和燃料量失衡时，对汽温、负荷有着显著的影响。因此非常有必要的对超临界机组的全程给水控制策略进行深入探讨。

锅炉蒸汽参数的稳定取决于汽轮机功率与锅炉蒸发量的平衡以及燃料量与给水量的平衡。对于超临界直流锅炉来讲，由于没有汽包的蓄热缓冲，给水流量在较短延迟后将直接反映于蒸汽流量，因此锅炉吸热量与汽轮机耗汽量的平衡关系将转变为吸热量与给水量的平衡，对燃煤机组而言就是给煤量和给水量的平衡，即水煤比。只要保持变负荷过程中这一能量平衡关系稳定，汽轮机和锅炉将处于平衡的协调状态。因此，直流锅炉在稳定运行工况，水煤比必须维持不变，以保证过热器出口蒸汽温度为设计值。而在变工况下，水煤比必须按照一定规律改变，这样既充分利用锅炉蓄热，又按要求增减燃料，使锅炉热负荷与新的机组负荷相适应。水煤比控制分离器出口蒸汽过热度(中间点温度)是整个直流锅炉控制的核心，因为中间点温度既能快速反映燃料量的变化，又不受减温水流量变化的影响。另外，在直流模式下，分离器出口蒸汽温度处于过热状态，温度测量的准确性、灵敏度比较高。通过控制过热度的偏差修正锅炉燃料量和给水流量的配比。

目前，水煤比控制可分为煤跟水和水跟煤2种控制策略。采用煤跟水控制策略时，升降负荷过程中过热度波动较大，水冷壁超温现象严重，容易出现水冷壁频繁结焦和频繁爆管的情况，主蒸汽温度波动较大，不利于主蒸汽温度的控制。因此目前机组绝大多数都采用水跟煤的控制策略，水煤比输出用于修正给水流量的设定。燃料主控制器的设定值由2部分组成：锅炉主控指令经函数转换来的基本燃料量指令和变负荷前馈来的燃料量指令。给水流量指令包括3部分：锅炉主控指令经函数转换来的基本给水流量指令；变负荷前馈来的给水流量指令；水煤比控制来的给水流量指令(修正量)。对于给水修正量来讲，常规控制方法都是基于pid控制器，通过理论计算或者专家经验调试得到一组合适的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pid控制器参数都是锅炉在特定负荷下整定得到的一组特定值，被控系统参数(增益、滞后时间和惯性时间)随机组运行工况变化比较明显，当负荷工况发生较大变化时，按照固定负荷设计的pid参数很难取得满意的控制效果。因此需要一种新的变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法，能够在机组负荷大范围变化的情况下，及时有效地修正给水流量，保证机组负荷变动过程中处于最佳水煤比过程中，保证机组安全稳定运行。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法，以解决给水控制系统当机组负荷发生变化时，控制系统的pid参数不能适应于其他工况点的中间点温度修正给水流量控制问题。

本发明提供了一种变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方包括：

步骤1，获取典型工况点下中间点温度修正给水量控制回路pid控制器最优参数；

步骤2，基于典型工况点pid控制器最优参数，通过分散控制系统组态得到其他工况点的pid近似最优参数，进行给水修正量在任意工况点的近似最优控制。

进一步地，步骤1包括：

将机组运行工况划分为五个典型工况点，包括锅炉最低稳燃负荷工况点、额定最大负荷工况点以及上述两个工况点之间的三个工况点，三个工况点根据负荷大小划分为较低负荷、中等负荷及较高负荷。

进一步地，步骤1还包括：

在电站锅炉在典型工况点附近处于稳定运行状态时，进行机组负荷升降试验，通过内模整定方法对中间点温度修正给水量回路pid参数进行整定计算，得到与各个典型工况点相对应的使机组水煤比配比合适、稳定允许状态时的中间点温度修正给水回路的pid控制器最优参数。

进一步地，步骤2包括：

采用分段线性函数模块组态，通过自动插值计算得到其他工况点的pid近似最优参数。

进一步地，该方法还包括：

对当前工况点继续进行机组负荷升降试验，通过内模整定方法得到对应于此工况点的pid控制器最优参数值，并将此工况点增加为新的典型工况点，对分段线性函数模块所设置的典型工况点进行更新。

进一步地，该方法还包括：

当完成新的典型工况点更新后，在不同于典型工况点的情况下，按照步骤2计算pid控制器的最优参数。

借由上述方案，通过变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法，依据现场运行过程中对电站锅炉机组的负荷升降以及主给水系统动态特性随负荷变化规律，采用分段线性函数选择不同工况点下ptd最优参数并与传统pid控制相结合的方式来完成对锅炉给水系统的自动优化控制。充分发挥了大型电站锅炉给水控制系统pid控制调节快速、精确无差调节的优点，而且避免了以前pid控制器参数只适用于特定调试工况点附近负荷区间的弊端。保证了给水控制系统在各个工况点下都能处于最佳状态运行，大大提高了机组水煤比的控制精度，保证机组在全负荷范围内安全稳定运行。由于所使用的信号为机组负荷指令，因此不需要增加任何硬件设备，只需要通过dcs组态增加少量的软件控制逻辑即可，能大大提高水煤比的控制品质，而且成本低廉。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法的流程图。

图2为本发明中间点温度修正给水量控制系统结构图；

图3为本发明变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法的组态流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供了一种变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方包括：

步骤s1，获取典型工况点下中间点温度修正给水量控制回路pid控制器最优参数；

步骤s2，基于典型工况点pid控制器最优参数，通过分散控制系统组态得到其他工况点的pid近似最优参数，进行给水修正量在任意工况点的近似最优控制。

在本实施例中，步骤s1包括：

将机组运行工况划分为五个典型工况点，包括锅炉最低稳燃负荷工况点、额定最大负荷工况点以及上述两个工况点之间的三个工况点，三个工况点根据负荷大小划分为较低负荷、中等负荷及较高负荷。

在本实施例中，步骤s1还包括：

在电站锅炉在典型工况点附近处于稳定运行状态时，进行机组负荷升降试验，通过内模整定方法对中间点温度修正给水量回路pid参数进行整定计算，得到与各个典型工况点相对应的使机组水煤比配比合适、稳定允许状态时的中间点温度修正给水回路的pid控制器最优参数。

在本实施例中，步骤s2包括：

采用分段线性函数模块组态，通过自动插值计算得到其他工况点的pid近似最优参数。

在本实施例中，该方法还包括：

对当前工况点继续进行机组负荷升降试验，通过内模整定方法得到对应于此工况点的pid控制器最优参数值，并将此工况点增加为新的典型工况点，对分段线性函数模块所设置的典型工况点进行更新。

在本实施例中，该方法还包括：

当完成新的典型工况点更新后，在不同于典型工况点的情况下，按照步骤2计算pid控制器的最优参数。

该变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法，依据现场运行过程中对电站锅炉机组的负荷升降以及主给水系统动态特性随负荷变化规律，采用分段线性函数选择不同工况点下pid最优参数并与传统pid控制相结合的方式来完成对锅炉给水系统的自动优化控制。充分发挥了大型电站锅炉给水控制系统pid控制调节快速、精确无差调节的优点，而且避免了以前pid控制器参数只适用于特定调试工况点附近负荷区间的弊端。保证了给水控制系统在各个工况点下都能处于最佳状态运行，大大提高了机组水煤比的控制精度，保证机组在全负荷范围内安全稳定运行。由于所使用的信号为机组负荷指令，因此不需要增加任何硬件设备，只需要通过dcs组态增加少量的软件控制逻辑即可，能大大提高水煤比的控制品质，而且成本低廉。

下面对本发明作进一步详细说明。

参图2、图3所示，图中kp1为主回路比例系数，ki1为主回路积分系数，kd1为主回路微分系数，n为当前机组的负荷值，f(x)为中间点温度修正给水量控制阀门，f(x)为分段线性函数模块，t为pid参数输入选择切换开关。

本实施例根据机组给水系统对象的动态特性(负荷扰动时被控对象的静态增益、时间常数、滞后时间)随着负荷变化呈现单调的变化趋势这一特点，通过对机组进行主动负荷升降或等待负荷调峰运行，得到在平稳的典型工况点下能使给水系统安全稳定运行的pid控制器最优参数，通过组态实现pid最优参数也随着负荷的变化呈现单调的变化趋势，进而能够建立pid最优参数与机组负荷之问的对应关系，弥补了传统单一参数控制方案的不足。通过采用dcs中的分段线性函数模块，将机组负荷信号作为模块的输入，进而能够得到任意负荷下主、副回路的pid控制器近似最优参数，增加了给水控制系统的响应速度和稳定性。该方法包括以下几个部分：

(1)机组运行工况的划分。

对发电机组来讲，任意负荷工况都对应其特定的稳定运行数值。当运行工况发生变化时，机组参数几乎都会随着工况的变化而达到新的稳定值。新的稳定值只与此时的稳定工况有关，而与工况变化的历程无关，因此对于处于稳定状态的工况点，各状态变量(锅炉负荷、总给煤量、总给水量、锅炉主蒸汽流量、主蒸汽压力)之间存在着某些确定的关系，而且在不同的负荷稳定状态下，系统的参数值也各不相同。本发明依据机组的主要运行负荷区间划分出5个典型工况点，它们是锅炉最低稳燃负荷工况点p1，额定最大负荷工况点p5，以及这两个工况点之间根据负荷大小再划分出的3个工况点(一般可采取等区间划分)，分别为较低负荷p2、中等负荷p3和较高负荷p4，以便于掌握协调控制系统中间点温度修正给水量回路pid控制器参数随着机组负荷变化的规律。

(2)典型工况点下中间点温度修正给水量控制回路pid控制器最优参数的获取。

对于机组给水控制对象来讲，随着负荷工况的变化，对象的动态特性也跟着发生明显的变化，如果采用固定参数的pid控制器，则当工况发生较大变化时，很难保证系统的控制品质。为了保证本发明的准确有效，必须获得典型工况点下的串级控制系统pid控制器的参数。首先确定电站锅炉在典型工况点附近处于稳定运行状态，稳定的工况以下述条件作为判断依据：机组处于协调控制的系统工作方式；机组实际负荷与负荷指令之间的偏差小于最大允许值，且持续时间大于最小稳定负荷持续时间；机组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值，且持续时间大于稳定负荷最小持续时间。然后经现场技术人员进行机组负荷升降试验，采用内模整定方法对中间点温度修正给水量回路pid参数进行整定计算，得到使机组水煤比配比合适、稳定允许状态时的中间点温度修正给水回路的pid控制器最优参数。由于回路是采用的比例+积分+微分控制律，针对某典型工况点nk，得到回路比例系数kp1(pk)、积分系数ki1(pk)、微分系数kd1(pk)共3个参数，其中pk代表第k个典型工况点时的负荷值，根据上述划分的锅炉运行工况，总共得到与第1条中定义的5种典型工况点(p1、p2、p3、p4、p5)相对应的5个回路pid控制器最优参数(kp1(pk)、ki1(pk)、kd1(pk))。

(3)通过分散控制系统(dcs)组态实现给水修正量在任意工况点的近似最优控制。

随着机组负荷的增大或减小，给水对象的动态特性(增益、滞后时间和惯性时间)随着负荷的变化呈现单调的变化趋势，构成控制给水修正量控制系统的pid控制器的参数也应该与负荷变化趋势相一致地单调变化，因此，采用dcs中的分段线性模块组态，通过自动插值计算得到非典型工况点时其他工况点的pid近似最优参数。以控制回路中比例系数kp1为例，当锅炉运行在非典型工况点比如px时，假定此负荷px介于典型负荷点pk和pk+1(1≤k≤4)之间，此工况点下主回路比例系数近似最优值由dcs的分段线性函数模块插值自动计算为：

其中，kp1(pk)、kp1(pk+1)分别为负荷值pk和pk+1两个典型工况点时主回路比例系数最优值，以此类推，便可以得到任意工况点下回路pid控制器的其他近似最优参数如下：

(4)不同于典型工况点时pid控制器最优参数的更新。

由上述内容可以得知，基于典型工况点pid控制器最优参数，通过dcs组态可以自动求出任意负荷点处给水修正量控制回路的pid控制器近似最优参数。

由于机组控制对象是一个大惯性的时变系统，在机组负荷发生变化时，虽然控制对象的动态特性是按照负荷的增减呈现一定的单调变化规律，控制回路的pid控制器最优参数也是随着负荷升降呈现相对单调的变化规律，但是由于各种因素的影响，这些参数变化并不是严格遵循相应的线性关系，因此当我们求取介于典型工况点pk和pk+1(1≤k≤4)之间负荷为px时的回路pid控制器参数时，是按照此负荷点左右相邻2个典型工况点的控制器最优参数根据分段线性函数模块计算得出，其实质是线性插值，难免会与真正的pid控制器最优参数间存在一定的差距，而且有时候偏差还比较大，这时就要求技术人员对当前工况点继续进行特性测试，然后采用内模整定方法得到对应于此工况点的pid控制器最优参数值，然后将此工况点增加为新的典型工况点，及时的对分段线性函数模块所设置的典型工况点进行更新。

众所周知，当典型工况点越多，每两个典型工况点之间负荷与pid控制器最优参数之间越近似于线性函数关系，当完成新的典型工况点更新后，在不同于典型工况点的情况下，pid控制器的最优参数仍然按照如上述步骤(3)计算，而且随着典型工况点的增加，主、副回路pid参数所得计算值越精确地靠近最佳参数值，当典型工况点增加到一定数目时(一般不超过10个)，一般就完全可以满足工程要求。

通过该变负荷工况下超临界直流炉给水修正量的全程控制方法(电站锅炉给水修正量的控制策略)，解决了中间点温度修正给水流量控制回路在机组运行的全负荷范围内pid控制器最优参数值的自动整定问题，克服了具有大迟延、大惯性、时变性和耦合性的超临界机组随着负荷变化而导致主蒸汽温度控制不稳定，锅炉水煤比失衡，给水流量不精确的问题，大幅度提高了水煤比的调节品质，减少了机组在负荷大幅度变化情况下易出现水煤比失衡，运行人员干预过多的现象。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。