CN101338892B - 一种火电机组再热汽温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火电机组再热汽温控制方法，它根据锅炉再热器的运行特点和对锅炉汽温控制系统的理论研究，采用基于增量型状态观测器的状态反馈控制方法，并利用代数等价观测器的概念指导增量型状态观测器的参数整定，同时在汽温控制回路中针对再热汽温设定值改变时汽温调节过程较长、汽温控制中存在非线性、汽温变化过程较慢等问题设计了专门的控制回路，并结合变参数PID调节器共同组成一个综合型再热汽温自动调节系统。本发明不仅使再热汽温的控制在负荷大范围变动时能够脱离喷水，而且有效的克服了传统的PID调节对大滞后对象控制效果不理想的缺点，使再热汽温控制效果有了明显改善，为解决再热汽温这种大惯性大迟滞受控对象的控制难题提供了一个范例。

Description

一种火电机组再热汽温控制方法

技术领域

本发明涉及一种火电机组汽温控制方法，特别是关于一种火电机组再热汽温控制方法。

背景技术

在现代化火力发电厂自动控制中，再热汽温影响着机组的安全稳定和机组直接的经济效益，因此对于中间再热机组、再热汽温的控制是一个非常重要的控制环节。调节再热汽温的方法有：1、调节再热器或过热器挡板，通过改变再热器的烟气流量来改变再热汽温度。2、在紧急情况下，通过调节喷水来快速地把温度调节下去。3、通过调节燃烧器摆角改变锅炉的火焰中心来改变再热器温度。由于再热汽温的调节过程是一个存在大迟延大滞后的环节，而且过多地用喷水来调节再热汽温，会造成浪费能源，所以目前对于再热汽温的调节主要是通过调节烟气挡板和燃烧器摆角来实现。由于这两种调节手段都存在着较大的延迟，使得再热汽温的调节存在着一定的困难。尤其在电网产生大范围变动负荷时，再热汽温更难以控制，有时必须用喷水才能把再热汽温控制到合理的范围，显然这降低了机组的经济效益。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种脱离喷水并且响应速度快的火电机组再热汽温控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种火电机组再热汽温控制方法，其包括以下步骤：1)将烟气挡板指令、主蒸汽流量和再热汽温偏差作为增量型状态观测器的输入量，经过所述增量型状态观测器中的算法计算后得出状态反馈值，并将所述状态反馈值加到烟气挡板执行机构的控制指令中；2)利用概率统计方法，根据长期运行中负荷和烟气挡板实际对应关系求出的数学期望值，整定不同负荷下负荷和烟气挡板的函数关系，并运用代数等价观测器的概念指导所述增量式状态观测器的参数整定；3)在汽温控制回路中加入一个正踢控制回路，当运行人员修改设定值时，所述正踢控制回路根据设定值与实际值的偏差计算出此时对烟气挡板执行机构的前馈控制指令，所述前馈控制指令给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令，所述前馈控制指令的保持时间由设定值的偏差经函数发生器计算决定；4)在汽温控制回路中加入一个反踢控制回路，当再热汽温要达到设定值时，触发所述反踢控制回路并产生一个前馈控制指令，所述前馈控制指令给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令，所述前馈控制指令的保持时间由设定值变化幅度决定的，所述前馈控制指令的幅度是由当前再热汽温的偏差和偏差的微分来决定。

在汽温控制回路中加入一加速控制回路，所述加速控制回路包括一个函数发生器和一个阶惯性环节；在汽温偏差较大时，所述加速控制回路根据当前的汽温偏差经函数发生器计算输出给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令。

在汽温控制回路中加入一校正控制回路，所述校正控制回路包括微分发生器、高限报警器、低限报警器、切换模块、定值发生器和惯性模块；所述校正控制回路以再热汽温的偏差和偏差的微分作为输入信号，根据再热汽温的偏差和偏差的微分产生对烟气挡板执行机构的前馈控制指令。

采用变参数PID调节器与汽温控制回路结合，利用负荷改变所述变参数PID调节器的控制参数，使所述变参数PID调节器根据不同的负荷来采用不同的调节参数。

采用磨煤机的启停状态作为烟气挡板执行机构的前馈控制指令。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明利用概率统计方法，根据长期运行中负荷和烟气挡板实际对应关系求出的数学期望值，整定不同负荷下负荷和烟气挡板的函数关系f₁(x)，并运用代数等价观测器的概念来指导增量型观测器的参数整定，从而使进入增量型状态观测器的信号误差缩小了，因此可以防止增量型状态观测器内局部波形过大进入算法饱和区而产生失真。2、本发明在汽温控制回路中加入一正踢控制回路和反踢控制回路，使其根据再热汽温设定值的变化幅度和汽温的变化速率来进行智能判断，提前给烟气挡板执行机构一个额外改变量，从而可以加快再热汽温的过渡过程和防止再热汽温的过调。3、本发明在汽温控制回路中加入一加速控制回路，在汽温偏差较大时，加速控制回路根据目前的汽温偏差经函数发生器计算输出一个指令信号给烟气挡板执行机构，令其额外的增加或减少，起到加速器的作用。4、本发明在汽温控制回路中加入一校正控制回路，以再热汽温的偏差和偏差的微分作为该校正器的输入信号，根据再热汽温的偏差和偏差的微分产生对烟气挡板执行机构的前馈控制信号，通过该校正控制回路的设置很好地改善了控制的动态特性。5、本发明采用变参数PID调节器，使其根据不同的负荷来采用不同的调节参数，提高了系统稳定的能力。6、本发明通过磨煤机启动数判断是启磨还是停磨来选择是开挡板还是关挡板，起到了超前调节的目的。综上所述，本发明不仅使再热汽温的控制在负荷大范围变动时能够脱离喷水，而且有效的克服了传统的PID调节对大滞后对象控制效果不理想的缺点，，使再热汽温控制效果有了明显改善，为解决再热汽温这种大惯性大迟滞受控对象的控制难题提供了一个范例。

附图说明

图1是本发明的总体结构布置图

图2是本发明再热汽温状态反馈逻辑图

图3是本发明再热汽温优化控制回路逻辑图

图4是本发明蒸汽流量和挡板开度指令的函数关系图

图5是本发明再热汽温磨煤机启停逻辑图

图6是本发明在以8MW/min的速率升降50MW负荷的工况下再热汽温趋势图

图7是本发明在定值扰动5℃时的再热汽温趋势图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明根据锅炉再热器的运行特点和对锅炉汽温控制系统的理论研究，采用基于增量型状态观测器的状态反馈控制方法，并利用代数等价观测器(AEO)的概念指导增量型状态观测器的参数整定，同时在汽温控制回路中针对再热汽温设定值改变时汽温调节过程较长、汽温控制中存在非线性、汽温变化过程较慢设计了专门的控制回路，并结合变参数PID调节器共同组成一个综合型再热汽温自动调节系统。

如图2所示，本发明采用的基于增量型状态观测器的状态反馈控制方法是把烟气挡板指令、主蒸汽流量和再热汽温偏差作为增量型状态观测器的输入量，经过增量型状态观测器中的算法计算后得出状态反馈值。烟气挡板指令与主蒸汽流量经函数发生器计算后的设定值相减，并作为增量型状态观测器的输入信号。增量型状态观测器中惯性环节的惯性时间由火电机组现在的负荷，即主蒸汽流量经函数发生器计算得出。汽温偏差与惯性环节的输出偏差相减后进入多阶惯性环节，对其输出值进行修正使得最终汽温偏差与惯性环节的输出偏差相等，最后由各个惯性环节的输出和汽温偏差的微分信号相加后得到增量式状态观测器的状态反馈值，并将该状态反馈值加到烟气挡板执行机构的控制指令中，使烟气挡板调门快速的开大或关小。

如图3所示，下面对本发明的各个优化控制回路进行介绍。

1、由于烟气挡板再热汽温调节系统其受控对象没有导前区，调节系统中也没有副调节器，并且主蒸汽流量和挡板开度指令的函数关系f(x)，由于物理上的原因，很不容易确定，这就给增量型状态观测器的参数整定带来了实际的困难。调试时，本发明利用概率统计方法，根据长期运行中负荷和烟气挡板实际对应关系求出的数学期望值，整定不同负荷下负荷和烟气挡板的函数关系f₁(x)，并运用代数等价观测器(AEO)的概念来指导增量型状态观测器的参数整定，其中增量型状态观测器的传递函数取为：

$W_T\left(s\right)={\left[\frac{k_2}{\mathrm{\β}}\right]}^4{\left[\frac{\mathrm{\β}}{1+T_{b}s}\right]}^4=K_a{\left[\frac{\mathrm{\β}}{1+T_{b}s}\right]}^4$

其中增量型状态观测器的参数整定为：

$k_2=1,\mathrm{\β}=\sqrt{2},$ k_a＝0.25，T_b＝8，

L和K的参数整定分别为：

L＝[5 5 5 5]^T，

K＝[0.065 0.2 60.39 0.26 0.065]。

虽然主蒸汽流量和挡板开度指令的函数关系f(x)具有不确定性，但是由于K_a缩小了4倍，从而进入增量型状态观测器的信号误差也同样缩小了，因此可以防止增量型状态观测器内局部波形过大进入算法饱和区而产生失真。如图4所示，它给出了一个直观的映象，可以看出一定的主蒸汽流量对应烟气挡板的位置不是很固定。

2、增量型状态观测器虽然能够预测汽温的变化趋势，有效克服汽温过调或震荡的现象，但这种预测行为有赖于引入到增量型状态观测器输入端信号的变化。在实际运行工作中，当运行人员修改设定值时，为使烟气挡板执行机构快速动作，在汽温控制回路中加入一现有技术中的正踢控制回路和反踢控制回路，使其根据设定值的变化幅度和汽温的变化速率来进行智能判断。当运行人员修改设定值时，该正踢控制回路根据设定值与实际值的偏差计算出此时对烟气挡板执行机构的前馈控制指令，该前馈控制指令给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令，该前馈控制指令的保持时间也是由设定值的偏差经函数发生器计算决定的，经该时间后该前馈控制指令消失。同理，当再热汽温要达到设定值时，此时要求汽温变化的过程已结束，但由于锅炉迟滞的作用，此时进入再热器的烟气量将在随后的过程中对再热汽温产生调节过量的影响，因此设计了一个反踢控制回路，它根据设定值的偏差计算出当汽温偏差减小到多少时触发反踢控制回路并产生一个前馈控制指令，该前馈控制指令给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令，该前馈控制指令的保持时间也是由设定值变化幅度决定的，而该前馈控制指令的幅度是由当前再热汽温的偏差和偏差的微分来决定的。通过反踢控制回路可以很好的防止再热汽温的过调。

3、锅炉正常运行过程中，由于某种不确定因素，将造成汽温偏差变化，鉴于此，在汽温控制回路中加入了一加速控制回路，它包括一个函数发生器和一个一阶惯性环节，是一个非线性比例调节器。在汽温偏差较大时，加速控制回路根据当前的汽温偏差经函数发生器计算输出给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令，起到快速控制的作用。

4、为了改善再热汽温的控制特性，缩短稳定时间，在汽温控制回路中加入了一校正控制回路，它包括微分发生器、高限报警器、低限报警器、切换模块、定值发生器、惯性模块。校正控制回路的工作原理为：以再热汽温的偏差e和偏差的微分作为校正器的输入信号，根据e和产生对烟气挡板执行机构的前馈控制指令。通过该校正控制回路的设置很好地改善了再热汽温控制的动态特性。

5、根据长期运行中负荷和烟气挡板实际对应关系，本发明引入了负荷和烟气挡板的函数关系f₁(x)作为烟气挡板执行机构的前馈信号，从而大大减轻了PID调节器的负担，并且由于烟气挡板再热汽温调节系统在不同负荷下，其挡板与汽温的关系不是线性关系。因此本发明采用变参数PID调节器与汽温控制回路结合，使其根据不同的负荷来采用不同的调节参数，提高了系统稳定的能力。

6、如图5所示，磨煤机的启停对再热汽温调节系统存在着不小的扰动，原风量信号不能提前反映此种扰动，因此，本发明采用磨煤机的启停状态作为烟气挡板执行机构的前馈控制指令。当磨煤机启动数变化时，即有磨启停时，通过磨煤机启动数判断是启磨还是停磨来选择是开挡板还是关挡板，起到了超前调节的目的。

如图6所示，是采用本发明方法在电厂调试过程中得到的控制效果图。从图中各曲线可以看出，在以8MW/min的速率升降50MW负荷的工况下，再热器蒸汽温度控制系统连续处于自动方式，增量型状态观测器根据负荷和再热汽温的变化控制输出，取得了蒸汽温度最大偏差控制在5℃以内的优良控制效果。由此可见本发明方法使再热汽温的控制克服了机组负荷变化对它的影响。

如图7所示，是另一采用本发明方法在电厂调试过程中得到的控制效果图。从图中各曲线可以看出，在定值扰动5℃情况下，再热汽温能够很快的收敛并稳定，动态偏差为1.4℃的较好效果。由此可见本发明方法最终使得再热汽温很快的到达设定值，克服了再热汽温的大惯性。

尽管为说明目的公开了本发明的较佳实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种火电机组再热汽温控制方法，其包括以下步骤：

1)将烟气挡板指令、主蒸汽流量和再热汽温偏差作为增量型状态观测器的输入量，经过所述增量型状态观测器中的算法计算后得出状态反馈值，并将所述状态反馈值加到烟气挡板执行机构的控制指令中；

2)利用概率统计方法，根据长期运行中负荷和烟气挡板实际对应关系求出的数学期望值，整定不同负荷下负荷和烟气挡板的函数关系，并运用代数等价观测器指导所述增量式状态观测器的参数整定；

3)在所述增量式状态观测器的汽温控制回路中加入一个正踢控制回路，当运行人员修改预设值时，所述正踢控制回路根据预设值与实际值的偏差计算出此时对烟气挡板执行机构的前馈控制指令，所述前馈控制指令给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令，所述前馈控制指令的保持时间由预设值的偏差经函数发生器计算决定；

4)在所述增量式状态观测器的汽温控制回路中加入一个反踢控制回路，当再热汽温要达到预设值时，触发所述反踢控制回路并产生一个前馈控制指令，所述前馈控制指令给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令，所述前馈控制指令的保持时间由预设值变化幅度决定的，所述前馈控制指令的幅度是由当前再热汽温的偏差和偏差的微分来决定。

2.一种如权利要求1所述的火电机组再热汽温控制方法，其特征在于：在所述增量式状态观测器的汽温控制回路中加入一加速控制回路，所述加速控制回路包括一个函数发生器和一个阶惯性环节；所述加速控制回路根据当前的汽温偏差经函数发生器计算输出给烟气挡板执行机构一个额外的增减指令。

3.一种如权利要求1所述的火电机组再热汽温控制方法，其特征在于：在所述增量式状态观测器的汽温控制回路中加入一校正控制回路，所述校正控制回路包括微分发生器、高限报警器、低限报警器、切换模块、定值发生器和惯性模块；所述校正控制回路以再热汽温的偏差和偏差的微分作为输入信号，根据再热汽温的偏差和偏差的微分产生对烟气挡板执行机构的前馈控制指令。

4.一种如权利要求2所述的火电机组再热汽温控制方法，其特征在于：在所述增量式状态观测器的汽温控制回路中加入一校正控制回路，所述校正控制回路包括微分发生器、高限报警器、低限报警器、切换模块、定值发生器和惯性模块；所述校正控制回路以再热汽温的偏差和偏差的微分作为输入信号，根据再热汽温的偏差和偏差的微分产生对烟气挡板执行机构的前馈控制指令。

5.一种如权利要求1或2或3或4所述的火电机组再热汽温控制方法，其特征在于：采用磨煤机的启停状态作为烟气挡板执行机构的前馈控制指令。

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