专利名称：调节蒸汽动力设备中的蒸汽产生的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于调节由蒸汽动力设备的蒸发器中的供水产生蒸汽的方法，其中在第一调节系统中状态调节器借助观测器计算蒸发器中的多个介质状态并且从中确定供水质量流作为第一调节系统的调节参数。
背景技术：
蒸汽动力设备的效率随着在发电站 锅炉中产生的蒸汽的温度以及随着在蒸发器单元之后提供的蒸汽的质量的稳定性而提高。在蒸汽动力设备中的蒸汽产生一般从在高压预热器(也称为节热器)中被预热以及然后在蒸发器中被蒸发的供水来进行。供水在此在高压预热器之前借助供水泵被设置到高的压力并且驱动通过高压预热器和蒸发器。在蒸发器之后的蒸发温度的调节通过将被输送到蒸发器中的供水的质量流设置为调节参数来进行。具有该调节参数的蒸汽温度的调节行为是非常迟缓的，从而供水质量流的调节在几分钟之后才作用于待调节的温度。此外，待调节的温度受到无数干扰的强烈影响，这些干扰例如是负载变化、锅炉中的吹灰、燃料的更换等。精确的温度调节由于这些原因难以实现。
发明内容
本发明的任务是说明一种方法，利用该方法可以既精确又稳定地调节蒸汽温度。该任务通过以下方式解决，即状态调节器根据本发明是线性二次调节器。这样的线性二次调节器(LQR)可以包含线性二次的最佳状态反馈。在此，可以按照以下方式来确定该调节器的参数，即可以对调节质量的品质标准进行优化。由此可以实现既精确又稳定的调节。本发明在此基于以下考虑在状态调节时反馈多个(部分不可测量的)状态来用于确定调节参数(或调节器调节信号)。对于当前的应用情况，这意味着可以在算法中使用在沿着蒸发器的多个位置上的状态，如温度、压力、焓或其它状态参数。但是由于这些状态不可测量，因此需要所谓的观测器电路，借助该观测器电路可以估计或计算可以通过状态参数表征的需要的状态。概念“估计”、“计算”和“确定”在下面作为同义词使用。该概念的优点在于，可以非常快速和精确地对作用于蒸发器的干扰进行反应。蒸汽动力设备是利用蒸汽动力运行的设备。其可以是或包括蒸汽涡轮机、蒸汽过程设备或任何其它用来自蒸汽的能量运行的设备。作为蒸发器，在下面可以理解为任何将水蒸发的系统，其中预热器、尤其是高压预热器可以包括在内。介质可以是供水、蒸汽或由供水和蒸汽组成的混合物。介质状态(下面也简单地称为状态)可以是能量、温度、压力、焓或该介质的其它状态。作为状态调节器，在下面可以理解为基于所估计的状态(例如以状态空间显示的形式)对调节参数进行调节的调节回路。在此，通过观测器估计调节段内的一个或多个状态并且又输送到，也就是反馈到调节段一或者调节器。与调节段一起形成调节回路的反馈可以通过观测器进行，观测器由此可以代替测量装置。观测器观测或估计系统的状态，在这种情况下是蒸发器中的介质的状态，并且可以包括状态差分方程、输出方程和观测器向量。观测器的输出可以与调节段的输出相比较。差可以通过观测器向量作用于状态差分方程。此外有利的是，观测器与状态调节器无关地工作。合适的是，状态调节器使用离开蒸发器的蒸汽的状态作为调节参数，如蒸汽温度或蒸汽的焓。作为调节参数有利地使用供水质量流。在本发明的有利实施发射，将供水质量流的额定值转发给第二调节系统的调节器以用于调节供水质量流。该调节器可以将所述额定值用作调节参数。作为第二调节系统的调节参数，可以直接或间接地使用供水泵的转 速、阀门的位置(例如在供水导管中)、或适用于调节供水质量流的其它参数。此外有利的是，为了计算介质状态而使用介质的焓作为状态参数。合适的是，使用多个状态并且由此使用其多个焓。蒸汽参数(如焓和/或压力和温度)应当根据负载情况保持为期望的值，以及在负载变化时相应得到调节。焓状态调节的优点、即，使用焓或焓与其它参数(如供水质量流)的乘积作为状态的优点是，状态调节达到更高的调节品质并且调节更快。在方法技术上也得到以下优点该过程合适地被如此调节，使得在蒸发器末端逸出微弱过热的蒸汽，该蒸汽接近饱和蒸汽极限。利用变化的压力(例如在滑动压力运行中)，在观测温度时可能导致形成湿蒸汽的蒸发终点或饱和蒸汽点也变化。在将焓用作状态参数时，压力不需要明确地一起观测，因为焓将温度以及压力组合到一个参数中。有利地，作为状态参数使用绝对焓与焓额定值的偏差。由此可以在平衡状态下调节到0并且简化数学问题。LQR方法涉及线性调节问题。通过将温度测量值和温度额定值换算为焓，可以在使用焓状态的情况下将数学调节问题线性化并且由此达到更简单的计算，因为在输入焓和逸出焓之间存在线性关联。合适的是，该换算借助相应的水/蒸汽图表关系在使用例如所测量的蒸汽压力的情况下进行。但是在借助状态调节来调节蒸发器段时产生以下问题，即在蒸发器入口处的状态虽然可以通过焓来描述，但是在蒸发器入口处的焓不能设置，因为供水的压力和温度只能是次要地变化并且不适于作为调节参数。因此合适的是将供水质量流用作调节参数并且在计算状态时与状态相乘。但是，供水流以非线性的方式作用于调节参数一蒸发器入口和蒸发器出口处的焓，从而尽管使用了焓，调节问题也是非线性的。为了解决该问题，在计算状态时合适的是使用线性化。在当前的情况下有利地假定，状态仅移动围绕一个工作点的偏差范围。在合适地被预先确定的该偏差范围中可以将系统假定为线性的。该线性化对于仅一个工作点的状态以及对于围绕该工作点的偏差范围来说是有意义的。如果实际的状态移出该偏差范围，则线性化将导致不利的结果。因此有利的是对工作点进行更新。这合适的是通过以下方式进行，即通过采用测量值来对所述工作点更新。合适的是，测量值是通过测量当前存在的介质参数如压力、温度等等而采集的当前测量值。状态计算所基于的工作点可以与当前介质状态匹配。可以使用非线性的调节系统，通过采用当前测量值来对该调节系统线性化。通过线性化实现非常鲁棒的调节性能，也就是说调节质量不再取决于设备的当前运行点。
本发明的另一有利实施方式规定，状态调节器的调节系统包含例如反馈矩阵形式的矩阵方程，在产生蒸汽期间所测量的介质值被用于计算所述矩阵方程。从而例如可以通过其参数至少部分地通过使用当前测量值来确定的矩阵方程进行状态反馈。通过使用当前测量值，例如在反馈矩阵的在线计算中，调节器可以始终与实际的运行条件匹配。由此可以自动考虑动态蒸发器性能的取决于负载的变化。通过该步骤还可以实现调节算法的鲁棒性的提高。基于调节算法非常鲁棒的事实，在启动时只需要设置非常少的参数。因此，启动时间和启动开销与目前已知的所有方法相比显著减少。有利的是，通过蒸汽动力设备的控制技术来计算矩阵方程。在此，该控制技术可以是在蒸汽动力设备的日常运行中控制该蒸汽 动力设备的控制系统。为了保持该控制技术的数学组件简单，有利的是将矩阵方程转换为一组标量的差分方程。对矩阵方程的相对简单的积分可以通过在时间上的反向积分来实现。由于在理想情况下没有来自未来的信息可供使用，因此如果用相反的符号来对该标量的差分方程组积分(这稳定地导致同一个固定的解)则可以实现与反向积分等价的积分。在本发明的有利实施方式中，观测器是针对线性二次状态反馈设计的卡尔曼滤波器。线性二次调节器与卡尔曼滤波器的协作称为LQG (线性二次高斯)调节器或LQG算法。有利的是，观测器计算在蒸发器中进入介质的热。该热可以被定义为干扰参数并且在调节算法中使用。在此不仅沿着蒸发器的焓或从中推导出的参数，而且另外干扰参数可以被定义为状态，并且尤其是可以借助观测器来估计或确定。直接作用于蒸发器的干扰通过以下方式表示，即在蒸发器中的预热间隔改变。通过对干扰参数的这样的观测，可以对相应的干扰进行非常快速的、精确的、但是同时鲁棒的反应。此外本发明涉及一种用于调节从蒸汽动力设备的蒸发器中的供水产生蒸汽的设备，具有调节系统，该调节系统包括观测器和状态调节器，所述状态调节器准备用于借助观测器计算蒸发器中的多个介质状态并从中确定供水质量流作为第一调节系统的调节参数。建议状态调节器是线性二次调节器。可以实现精确的和稳定的调节。有利的是，所述设备被设计为执行上述所建议的方法步骤中的一个、多个或全部。
借助在附图中示出的实施例详细阐述本发明。图I示出具有蒸发器的蒸汽发电厂的一个片段，图2示出调节级联的计划，图3示出蒸发器的模型，图4示出作为调节器设计的基础的线性段模型，图5示出观测器的结构，以及图6示出调节器结构的概览。
具体实施例方式图I示出具有蒸汽动力设备的热电厂的一个片段的示意图，该蒸汽动力设备包括蒸汽涡轮机2、锅炉4、蒸发器6和过热器8。锅炉4将热输出到蒸发器6，供水10通流到蒸发器6中，所述供水10由供水泵12抽送到蒸发器6并且所述供水吸收热。借助阀门14可以对供水流进行调节。通过吸收热在蒸发器6中对供水10进行蒸发，并且所产生的蒸汽16进一步流向过热器8以便在那里过热成新汽并接着输送到蒸汽涡轮机2。为了调节蒸汽16的温度，借助阀门14和/或供水泵12调节供水流，其中供水10在蒸发器6之前的额定流是调节参数，并且阀门位置和/或泵功率是调节参数。温度传感器18和压力传感器19测量供水10的温度Tw或压力pw，并且传感器20测量蒸发器6之前的实际供水流Hii。温度传感器22和压力传感器24测量蒸发器6之后的蒸汽16的蒸汽温度Td或蒸汽压力pD。蒸发器6可以包括未示出的预 热器。但是这对本发明并不重要，并且下面“蒸发器”的概念还应当理解为由具有预热器的蒸发器构成的系统。蒸发器6是强制循环蒸汽产生器，其中由给水泵12强制水流或蒸汽流的循环。供水10在此可以先后流过供水预热器和蒸发部件，尤其是还通过过热器8，从而供水10被加热至饱和蒸汽温度、蒸发和过热连续地在循环中进行。在此不需要转筒。尤其是蒸发器6是本生锅炉的一部分。其可以进入过临界范围，其中供水10可以由供水泵12设置到超过230巴的压力。可以依据负载对供水质量流进行调节。图2示出具有第一或外部调节系统26以及第二或内部调节系统28的调节级联。外部调节系统26包括线性二次调节器30，尤其是LQG调节器。作为输入参数，向其输送所测量的实际供水流Hii、供水10的所测量的温度Tw、蒸汽16的所测量的温度Td和所测量的压力Pd以及蒸发器6之后的蒸汽16的额定温度Ts。蒸汽16的额定温度Ts是调节器30的调节参数。供水10的额定质量流ms作为调节参数由调节器30输出。该额定质量流ms被预定给内部调节系统28的调节回路32作为调节参数的额定值。所测量的供水流Hii是调节回路32的调节参数。调节回路32具有调节阀门14的位置和/或供水泵12的功率作为调节参数。调节器30不是直接通过调整机构作用于该过程，而是将供水质量流的额定值ms转发给底层的调节回路32，由此与该调节回路一起其形成由外部调节系统26和内部调节系统28组成的级联。在蒸发器6之前的供水10的所测量的温度Tw和压力pw是调节器30需要的附加信息，以用于确定在蒸发器6之前的供水10的比焓比。焓Ii1可以通过水-蒸汽图表来确定。由蒸汽压力Pd和蒸汽温度Td计算在蒸发器6之后的蒸汽16的比j含h2。图3示出蒸发器6中的蒸发段的模型，该蒸发段分成三个一阶延迟单元34，从而在它们的串联电路中得到三阶的延迟特性。三个延迟单元分别可以是通过负反馈积分器36实现的PT1单元。这些延迟单元的时间常数取决于负载并且随着负载的下降而变得更大，反之亦然。在每个延迟单元34之后给出状态Xi，其中i=l，2，3，其中状态X1说明输出焓h2。输入状态通过蒸发段的输入焓hi表征。两个中间状态x2，X3是算术型的并且是通过观测器估计的不可测量的状态。所有状态Xi是取决于时间的参数。具有焓h的供水10流入蒸发段中。原则上，该焓Ii1可以用作第一或外部调节系统26的调节参数，因为用焓而不是温度来证明蒸发段的线性特性的假设。但是，焓Ii1几乎不能设置，因为供水的压力Pw和温度Tw几乎不能在范围和速度上调节到足以用作调节参数。为了解决该问题，供水10的实际质量流Hii与焓Ii1相乘，从而从该乘积得到功率。该功率可以简单地借助供水泵12和/或阀门14调节并且由此可以用作调节参数。由于焓h基本上是恒定的，因此供水10的实际质量流Hli可以单独地用作调节参数。相应地，在图3所示的动态模型中在每个延迟单元中34分别将Hii与当前的焓相乘，如通过乘法器38所示的那样，从而作为参数形成功率。将该功率在三个延迟级34的每一个中分别与假定的燃烧功率Qf的1/3相加，从而将整个燃烧功率Qf引入到整个蒸发段的动态模型中。
该功率和与时间单元G相乘，该功率和的分母包含延迟的时间常数，例如在满载情况下PT1单元的延迟的时间常数t。此外，G=Ontr1的分母包含供水质量流m，例如在满载情况下的供水质量流，从而在时间单元G之后每时间都存在比焓。该比焓在每个延迟单元34中分别通过积分器36积分，从而焓作为结果存在。将该焓从各自延迟单元34的输入焓中减去。作为在三个延迟单元34之后的状态Xi的方程得到
. I 他 ! 、、X| = —--hJ
mt\ 3J
I f Q\X2 =- 一 F + — X7)
mt\ ^ " 3 一 J
I f P、= ~~~ F + iff ^ (/ | — )
mt\ 3 —)状态X1是输出焓h2。可以看出，当焓差通过延迟单元34与供水流Hii相乘再加上燃烧功率QF的1/3为0，焓差乘以供水流Hii和Qf/3保持平衡时，状态X是恒定的，也就是其导数零。在这种情况下，系统处于起振状态下以及由此处于供水输送和加热的平衡中。这三个方程不是线性的，因为状态Xi与供水流Hii相乘。这是正确的，因为燃烧热的不稳定的项应当被非线性地映射。燃烧热的非线性在状态模型中，更确切地说在图5详细描述的观测器中通过状态Xi与供水流Hli相乘来模拟。由此，供水流Hli的变化与不稳定的燃烧功率Qf相反，作为补偿其的反作用器。因此，供水流Hii被用作第一调节系统26的调节参数。为了能使用LQ调节器或LQG调节器，必须借助线性化将该非线性方程组转换为线性方程组。为此，状态和输入首先表示为固定值以及与固定值的偏差的和。固定状态由非线性方程组得到，其方法是使得状态的时间导数等于O。这意味着，系统中的状态不再发生时间变化并且这些状态处于固定的静止状态。此外，固定状态被定义为额定状态。相应地，对于固定状态下式成立h2 = hx + ,其中ms是期望的供水质量流，利用它实现该固定状态，因此在固定状态下供水流正好大到使得供水流在蒸发器之后的输出焓h2恒定的情况下吸收热输送Qf。通过换算获得第一调节系统的调节值ms:
Qfms = F
h2 ~K然后进一步为了线性化，假定状态和输入仅移动围绕工作点的偏差范围。由此该系统在该工作点中可以假定为线性的。作为工作点选择额定状态，U表示系统的输入Xi=Xijsol^Axiu=ms+ A u在假定偏差的乘积，S卩Au Axi非常小并且可忽略的情况下，产生如下的线性化状态方程
权利要求
1.一种用于调节由蒸汽动力设备的蒸发器(6)中的供水(10)产生蒸汽(16)的方法，其中状态调节器(30)借助观测器(42)计算蒸发器(6)中的多个介质状态并且从中确定供水质量流(ms)作为调节参数，其特征在于，所述状态调节器(30)是线性二次调节器。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将供水质量流(ms)的额定值转发给其它调节器(32)以用于调节供水质量流UiX
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，为了计算作为状态参数的介质状态(Xi)使用介质的焓。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，作为状态参数使用绝对焓与焓额定值的偏差。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使用非线性调节系统，该非线性调节系统在围绕工作点的预定偏差范围中被线性化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过采用测量值来对所述工作点进行更新。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，状态调节器的调节系统包含矩阵方程，在产生蒸汽期间所测量的介质值被用于计算所述矩阵方程。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述观测器(42)是针对线性二次状态反馈设计的卡尔曼滤波器。
9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述观测器(42)计算在蒸发器(6)中进入介质的热(Qf)。
10.一种用于调节从蒸汽动力设备的蒸发器(6)中的供水(10)产生蒸汽(16)的设备，具有调节系统，该调节系统包括观测器(42)和状态调节器(30)，所述状态调节器准备用于借助观测器(42)计算蒸发器(6)中的多个介质状态(Xi)并从中确定供水质量流(ms)作为调节系统的调节参数，其特征在于，所述状态调节器(30)是线性二次调节器。
全文摘要
本发明基于一种用于调节由蒸汽动力设备的蒸发器(6)中的供水(10)产生蒸汽(16)的方法，其中状态调节器(30)借助观测器(42)计算蒸发器(6)中的多个介质状态并且从中确定供水质量流(ms)作为调节参数。为了实现对蒸汽温度的稳定和精确的调节，建议所述状态调节器(30)是线性二次调节器。
文档编号F01K13/00GK102753789SQ201080063341
公开日2012年10月24日 申请日期2010年9月28日 优先权日2009年12月8日
发明者B.米尔贝克, C.巴基, J.加丁格, K.温德尔伯格, M.特鲁尔, T.维斯巴赫 申请人:西门子公司