CN100529528C - 用于控制鼓型锅炉的鼓筒水位的方法和装置 - Google Patents

用于控制鼓型锅炉的鼓筒水位的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于控制鼓型锅炉中鼓筒水位的方法，包括：根据代表一组调谐常量的信号、代表鼓筒水位的信号以及代表鼓筒水位设定点的信号来调整鼓筒水位PID(102)(例如比例积分微分控制)的增益。该方法还包括使用流量控制PID(106)调整鼓筒水位控制阀(108)，其中流量控制PID根据鼓筒水位PID的输出、代表蒸汽流量的信号以及代表鼓筒给水流量的信号来调整鼓筒水位控制阀。

Description

用于控制鼓型锅炉的鼓筒水位的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及在减少操作中断的同时增强鼓型锅炉的性能的方法和装置。
背景技术
鼓型锅炉的服务中断可能导致电厂的电能生产降低，从而导致收入损失。此外，服务中断可能导致电厂部件的寿命减少。
鼓筒水位(drum level)跳脱(trip)是电厂跳脱和中断的最常见起因，尤其是来自热回收蒸汽发生器(Heat Recovery SteamGenerator)/(电)厂平衡(HRSG/BOP)领域。电厂的跳脱对电厂设备和机器产生压力并减少其寿命。
鼓型锅炉是发电厂最常用的锅炉。对于锅炉鼓筒水位来讲存在两种跳脱。极高水位跳脱与水可能被带出导致的蒸汽涡轮安全有关。在极高水位跳脱的情况下，如果它是组合循环的多轴配置，则蒸汽涡轮离线跳脱。如果蒸汽涡轮是单轴配置，则该单元整体跳脱。为了保护锅炉不被加热源的高温损坏，还可能发生低水位跳脱，而水没有覆盖锅炉的热敏部件。对于低水位跳脱，加热源(例如组合循环电厂中的燃气轮机)是跳脱的。
给水流量的振荡导致从鼓筒产生的蒸汽发生变化。在多鼓筒或压力锅炉中，系统连接在一起，因此一个鼓筒中的中断和振荡可能导致其它鼓筒中的中断。在节水器上游，鼓筒具有给水控制的情况下，当流量减小时流进节水器的水蒸汽减少。这种蒸汽导致节水器内的管内结垢。对于给水控制阀位于节水器和鼓筒之间的鼓筒，节水器在低水流量下不产生蒸汽，但是节水器中的水可以加热到饱和温度以上，因此水灌入给水控制阀中，这会侵蚀它的垫子(seat)。
在至少一个公知的用于鼓型锅炉的控制系统中，在低蒸汽流量下，启动控制来作为单要素控制模式，即，仅监测控制进入鼓筒的给水流量和控制水位所需的水位。由于水位变化滞后于蒸汽流量变化，因此该控制可能是缓慢的。然而，在低蒸汽流量下，单要素控制模式是适当的，因为范围低端的流量转变较不准确，这是由于从用于测量流量的不同压力传送器中提取的平方根所造成。因此，在蒸汽流量的此范围内，蒸汽流量的小的变化不会对鼓筒水位控制产生很大程度影响。
当蒸汽流量到达该流量范围的较高级别(例如，达到20-30％的量级)时，该控制模式切换到三要素控制。在该控制模式中，给水流量由控制器控制，所述控制器监视三个信号，即鼓筒水位、给水流量、蒸汽流量。使用两个控制器。主控制器控制流量，原因在于，该主控制器试图使流入鼓筒的给水流量与蒸汽流量紧密匹配。鼓筒水位从正常工作水位的变化或偏离为该控制提供修整功能。该配置称为级联控制回路。
通过使给水PID(比例积分微分)控制器很快跟上高积分分量(highintegral component)，在至少一个已知配置中执行级联控制回路的调谐。水位PID大部分是比例内容。向这种配置增加高积分分量可能产生高度响应于流量变化的控制。此外，当水位偏差误差保持为高时，积分分量随时间增加以校正或修整给水流量，从而校正鼓筒水位。增加积分分量不仅为稳态条件也为具有高偏差的过程扰动条件提供令人满意的水位控制，在稳态条件中与正常水位的偏差低。然而，给水控制趋向于振荡并且花费很长时间稳定。
发明内容
因此，本发明的一些方面提供用于控制鼓筒型锅炉的鼓筒水位的方法。该方法包括根据代表一组调谐常量的信号、代表鼓筒水位的信号以及代表鼓筒水位设定点的信号来调整鼓筒水位PID(例如比例积分微分控制器)的增益。该方法还包括使用流量控制PID来调整鼓筒水位控制阀，其中流量控制PID根据鼓筒水位PID的输出、代表蒸汽流量的信号以及代表鼓筒给水流量的信号来调整鼓筒水位控制阀。
在其它方面，本发明提供用于控制鼓筒型锅炉的鼓筒水位的控制装置。该装置被配置成根据代表一组调谐常量的信号、代表鼓筒水位的信号以及代表鼓筒水位设定点的信号来调整鼓筒水位PID的增益。该装置进一步配置成使用流量控制PID调整鼓筒水位控制阀，其中流量控制PID根据鼓筒水位PID的输出、代表蒸汽流量的信号以及代表鼓筒给水流量的信号来调整鼓筒水位控制阀。
应当理解的是，本发明的配置通过允许电厂的热利用系统提供更高的效率而提供了提高的性能。通过提供智能鼓筒水位控制，本发明的一些配置提供了正常稳态操作期间的平稳控制以及过程扰动条件期间的高响应控制。此外，本发明的一些配置还通过降低给水流量的振荡减少了对给水控制阀的侵蚀效应。另外，通过稳定一个鼓筒中的流量，促进了电厂中其它鼓筒中的稳定性。
附图说明
图1是本发明的控制装置的至少一个结构的示意性表示。
图2是现有技术控制装置结构的示意性表示。
图3曲线图示出了相对于图2现有技术控制装置结构中的设定点的水位绝对误差的PI的比例控制。
图4适用于本发明各种结构的控制和调谐模块的结构框图。
图5曲线图示出了在由图1和4代表的本发明的结构中，水位控制PID和流量控制PID作为水位设定点的水位绝对误差函数的相对优势。
具体实施方式
此处使用的术语“PID”不限于比例积分微分控制。相反，此处使用的术语“PID”是指选自：比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制的组中的控制。
在本发明的一些配置中并且参照图1，为鼓型锅炉控制200提供控制和调谐模块300，该控制和调谐模块300在稳态条件和过程扰动条件下提供对锅炉的调谐。
在图2所示的现有技术三要素控制系统100中，鼓筒水位、给水流量和蒸汽流量用作变量。鼓筒水位PID控制102使用选定的鼓筒水位设定点、代表鼓筒水位的信号以及恒定比例增益Kp来提供输出，所述输出与加法器104处的代表蒸汽流量的信号取和以提供用作给水流量设定点的输出。(可以从多个冗余传感器得到例如代表鼓筒水位的信号的输入以增强可靠性)。加法器104的输出与代表流到流量控制PID 106的鼓筒给水流量一起作为输入提供。流量控制PID 106的输出驱动给水器/鼓筒水位控制阀(LCV)108的位置。LCV 108控制流到鼓筒的给水量，接着控制鼓筒水位。为了保持恒定回路增益，LCV 108上的微分压力保持恒定。在图2中示出了恒定微分压力保持装置(CDPMM)110的一个适合的已知配置。CDPMM 110包括PID控制器112，其输入为微分压力选定设定点和代表LCV 108上的微分压力的信号。PID控制器112产生控制压力控制阀114的输出，接着控制LCV108上的微分压力。图3示出了PID 102的比例增益的Kp的变化。注意，Kp保持恒定，而PID控制器102的比例分量的值随误差的增加线性增加。线116的斜率(其代表比例分量)依赖于常量Kp，Kp控制三要素控制系统100的响应。
在本发明的一些配置中并且参照图1和4，使用控制和调谐模块300向PID 102提供可变比例增益。PID 102的输出与加法器104处的代表蒸汽流量的信号取和以在级联配置中将给水器流量设定点提供给PID 106。流量控制PID 106的输出控制给水器/LCV 108。为了保持恒定回路增益，类似于图2所示的(或任何适当类型的)CDPMM 110用于控制LCV 108上的微分压力以便甚至在鼓筒压力变化的情况下提供恒定回路增益。在本发明的一些配置中，使用4个调谐常量来确定级联到流量控制PID 106中的鼓筒水位PID 102的比例调谐常量。这4个调谐常量包括最小比例增益KpMIN、最大比例增益KpMAX、最小误差ErrorLO以及最大误差ErrorHI。KpMAX和KpMIN的单位是每单位，且ErrorLO和ErrorHI的单位是与鼓筒水位相同的单位，例如mm或英寸。
同样，在本发明的一些配置中，鼓筒水位PID 102的Kp变化在图5中用虚线202表示。在图5中实线204表示鼓筒水位PI控制器102的比例分量作为鼓筒水位误差的函数。对于低鼓筒水位误差，比例增益(用虚线202表示)是KpMIN，直到鼓筒水位误差小于ErrorLO。当鼓筒误差增加超过ErrorLO时，比例增益线性增加，直到达到鼓筒水位ErrorHI处的KpMAX。在越过该鼓筒水位误差后，比例增益保持在KpMAX。
当鼓筒水位的偏差绝对值小于ErrorLO时，鼓筒水位控制器PID102的增益(由虚线202表示)是KpMIN。在一些配置中，KpMIN设定为很低的数以保证PID 102的输出(由实线204表示)没有任何影响，只是保持在其最终值。流量控制PID 106在该条件下是主PID。随着鼓筒水位与正常操作水位的偏差增加超过ErrorLO，水位控制PID 102的增益开始向KpMAX线性增加，这至少在一个操作点处将控制的主导从流量控制转变为流量控制器和水位控制器的等同主导。随着水位偏差增加，进一步远离正常水位，当该偏差的绝对值等于ErrorHI时，水位控制PID 102的增益增加到KpMAX。在此条件下，水位控制PID 102的增益饱和到KpMAX。任何绝对值大于ErrorHI的偏差都导致鼓筒水位PID 102的增益为KpMAX。
在一些配置中，KpMAX图足够高，使得当鼓筒水位与正常水位的偏差远大于ErrorHI时，控制模式基本上是水位控制。当控制模式是水位控制PID的模式时，在这种情况下不考虑流量，并且控制依赖于任何包含的给水流量限制逻辑。在很多配置中，如果给水流量超过锅炉的最大连续额定功率(MCR)25％(或其它比例)，到阀108的控制输出被限制进一步打开。因此，超过某一限度的给水附带造成鼓筒收缩效应，导致系统以更高的速率进水。该效应持续直到鼓筒中的水被抑制(quenched)并且水位开始升高。水位可能升高到跳脱极限以上并且使设备跳脱消耗蒸汽。在鼓筒水位控制模块200的下游增加给水流量限制模块110的好处在于：在扰动导致初始低鼓筒水位的情况下，不发生所述抑制和随后的高水位跳脱。在正常稳态条件下，在处理和测量噪声存在时，给水流量趋向于稳定和稳固。
在低流量期间，蒸汽水可能污染节水器内管道的内部。本发明的配置通过减少给水流量中的振荡降低了对节水器管道的污染。
对于给水控制阀108在节水器和鼓筒之间的鼓筒，节水器不在低水流量下产生蒸汽，但是节水器内的水可能被加热到饱和温度以上使得水灌入给水控制阀108。这些灌入的水可能腐蚀阀108的垫子。本发明的各种配置通过降低给水流量的振荡减少了这种腐蚀效应。
在本发明的一些配置中并且参照图4，鼓筒水位信号D和选定鼓筒水位设定点Ds输入减法器302，其产生差信号D-Ds。该差信号输入到绝对值模块304以产生差信号的绝对值|D-Ds|。同时，选定值KpMAX和选定值KpMIN的负值输入加法器306以产生信号A＝KpMAX-KpMIN。同样，选定值ErrorHI和ErrorLO的负值输入加法器308以产生信号B＝ErrorHI-ErrorLO。通过除法器310推导出信号A/B，其中A/B＝(KpMAX-KpMIN)/(ErrorHI-ErrorLO)。该A/B信号和鼓筒水位绝对值差信号|D-Ds|被输入到乘法器312以产生信号A|D-Ds|B。同时，使用乘法器314用ErrorLO乘以信号A/B以产生信号(AxError)/B，通过加法器316从KpMIN减去该信号以产生信号KpMIN-(AxErrorLo)/B。通过加法器318将后一信号加到信号A|D-Ds|/B以产生信号A|D-Ds|/B+KpMIN-(AxErrorLo)/B。块320选择该信号或KpMIN中较大的作为输出。块322选择块320或KpMAX的信号输出中较小的。因此，由比例增益确定块300输出的可变比例增益依赖于鼓筒水位D、鼓筒水位设定点Ds、KpMIN、KpMAX、ErrorLO和ErrorHI，但是被限制为不小于KpMIN且不大于KpMAX。当不被限制时，输出值是A|D-Ds|/B+KpMIN-(AxErrorLo)/B，其可以写作：
KpMIN+[(KpMAX-KpMIN)(|D-Ds|-ErrorLO)]/ErrorHI-ErrorLO
虽然图4中示出的控制和调谐模块300的配置适于用作图1中表示的控制和调谐模块300，仅通过示例的方式给出图4所示的配置。此外，由适当的控制和调谐模块300提供的功能不必与图5所示的相同，并且实际上甚至不需要是线性的。更一般的，控制和调谐模块300的输出Kp(可变比例增益)是如下所写的函数：
Kp＝f(D，Ds，KpMIN，KpMAX，ErrorHI，ErrorLO).
由于该过程被控制的特点，比例增益确定块300的处理需要不大。例如，比例增益确定块300以长达0.5s的间隔更新其输出是足够的，并且在一些配置中甚至更长的更新间隔也是可容忍的。(不言而喻，可以使用更短的间隔)。因此，可以使用单个现成的数字微处理器或微控制器与足够数量的适当存储器(如果处理器或微控制器内没有包括足够的存储器)一起来实现比例增益确定块300。在一些配置中，作为额外的功能是通过对现有数字或集成控制系统的修改和再编程实现的，这些功能作为更新结合到现有系统中或提供在具有改进功能的新系统中。还可能以模拟方式来实现，在这种情况下可以进行连续地更新。
因此，可以理解的是，在本发明的各种配置中使用可变比例增益可增加稳定性。给水流量中的振荡引起鼓筒中产生的蒸汽发生变化。在多鼓筒或压力锅炉中，一个鼓筒的中断和振荡可能导致其它鼓筒的中断。因为稳定一个鼓筒还趋向于稳定其它鼓筒，所以本发明的各种配置产生提高的多鼓筒或压力锅炉的稳定性。
虽然已经就各种具体实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到在不脱离权利要求的精神和范围的情况下可以修改本发明。

Claims (8)

1、一种控制鼓型锅炉中鼓筒水位的方法，包括：
根据代表一组调谐常量的信号、代表鼓筒水位的信号以及代表鼓筒水位设定点的信号来调整鼓筒水位PID(102)的增益；
使用流量控制PID(106)调整鼓筒水位控制阀(108)，其中所述流量控制PID根据鼓筒水位PID的输出、代表蒸汽流量的信号和代表鼓筒给水流量的信号来调整鼓筒水位控制阀；以及
保持跨越鼓筒水位控制阀(108)的恒定微分压力。
2、根据权利要求1的控制鼓型锅炉中鼓筒水位的方法，其中所述调谐常量包括最小比例增益KpMIN、最大比例增益KpMAX、最小鼓筒水位误差ErrorLO和最大鼓筒水位误差ErrorHI。
3、根据权利要求2的控制鼓型锅炉中鼓筒水位的方法，还包括将代表蒸汽流量的信号与鼓筒水位控制PID(102)的输出相加以产生和信号，以及使用该和信号作为流量控制PID(106)的设定点。
4、根据权利要求3的控制鼓型锅炉中鼓筒水位的方法，还包括保持跨越鼓筒水位控制阀(108)的恒定微分压力。
5、根据权利要求1的控制鼓型锅炉中鼓筒水位的方法，还包括至少每0.5s更新鼓筒水位控制PID(102)的增益。
6、一种控制鼓型锅炉中鼓筒水位的控制装置，该装置配置成：
根据代表一组调谐常量的信号、代表鼓筒水位的信号以及代表鼓筒水位设定点的信号来调整鼓筒水位PID(102)的增益；
使用流量控制PID(106)调整鼓筒水位控制阀(108)，其中所述流量控制PID根据鼓筒水位PID的输出、代表蒸汽流量的信号和代表鼓筒给水流量的信号来调整鼓筒水位控制阀；以及
保持跨越鼓筒水位控制阀(108)的恒定微分压力。
7、根据权利要求6的控制鼓型锅炉中鼓筒水位的控制装置，其中所述调谐常量包括最小比例增益KpMIN、最大比例增益KpMAX、最小鼓筒水位误差ErrorLO和最大鼓筒水位误差ErrorHI。
8、根据权利要求7的控制鼓型锅炉中鼓筒水位的控制装置，还配置成将代表蒸汽流量的信号与鼓筒水位控制PID(102)的输出相加以产生和信号，以及使用该和信号作为流量控制PID(106)的设定点。
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