CN101899996A - 用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法，包含如下步骤：a.采集过热蒸汽温度和减温水量的值；b.建立过热蒸汽温度与减温水量之间的函数关系：A(q^-1)y_t＝B(q^-1)u_t-d+ξ_t/Δ；c.辨识出系数A(q^-1)和B(q^-1)；d.计算下一步应投入的减温水量：

；e.判断过热蒸汽温度的最大值是否离上限还有安全距离，若是，则提高过热蒸汽温度的设定值，之后循环执行步骤a～e。

Description

用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法

技术领域

本发明涉及火力发电机组技术领域，尤其涉及一种火力发电机组中用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法。

背景技术

火力发电机组的工作目的是把燃料(通常是煤)中的化学能转化为电能。机组设备分为三大部分：锅炉、汽轮机、发电机。

锅炉设备可分为锅设备和炉设备两部分。锅设备中的工作物质是水，炉设备中的工作物质是燃料。燃料在炉设备中燃烧，将化学能转化为热能，热能被锅设备中的水吸收。水被加热并蒸发形成饱和蒸汽，经进一步加热成为具有一定压力和温度的过热蒸汽。

过热蒸汽进入汽轮机，膨胀做功，高速汽流冲动汽轮机的转子旋转，热能转化为机械能。

发电机与汽轮机同轴，汽轮机的转子旋转，也带动了发电机转子的旋转发电，机械能转化为电能。这就是火力发电的过程。

在火力发电机组的运行过程中，提高汽轮机的蒸汽初参数(压力、温度)可以提高装置的循环热效率，从而提高汽轮机的效率。但是过热蒸汽温度也不能无限制的提高，因为：受到金属材料特性的限制，温度高过一定的值就会引起锅炉爆炸。也就是说出于安全性的考虑，过热蒸汽温度有一个上限。

过热蒸汽温度在运行过程中，实际值是围绕着设定值上下波动的，而设定值要比安全上限低一定的值，我们称其为安全阈值。安全阈值要根据过热蒸汽温度的控制精度来设置，要保证即使出现最大的波动，温度的实际值也不会超过安全上限。以某300MW火电机组为例，其过热蒸汽温度安全上限为550℃，而过热蒸汽温度的控制精度为±5℃，那么可以将设定值设为543℃，这样，过热蒸汽温度的实际值在538℃到548℃的范围内，不会超过安全上限。

如果可以提高过热蒸汽温度的控制精度，如上例，提高至±2℃，那么，可以将设定值设为546℃，这样，过热蒸汽温度的实际值在544℃到548℃的范围内，仍然不会超过安全上限，而过热蒸汽温度的运行水平提高了3℃，汽轮机的效率也得到了提高。

由上述可见，为了保证生产过程的安全、质量与效率，工艺参数必须满足相应的工艺指标。所以，必须要对这些工艺参数进行控制。而同样的安全阈值下，控制精确越高，设定值可以越高，因此汽轮机效率也越高。

火力发电机组的运行过程中，过热蒸汽温度的控制需要由一个控制回路来完成。控制回路的原理如图1所示。

根据工艺要求，过热蒸汽温度被赋予一个设定值101，这是我们希望其达到的值。比较器107将过热蒸汽温度的设定值101和实际值相比较，产生一个偏差值102，送往控制器103。

控制器103是运行控制算法、计算减温水量的部件，其根据过热蒸汽温度偏差值102、减温水量的以前值以及其它相关值，通过控制算法，计算出接下来该投用的减温水量的值104，送往蒸汽温度对象105。控制器103是控制回路最关键的部分，而控制器103中最重要的是其采用的控制算法。不同的控制算法所产生控制能力和效果也不同。

减温水量的值104送往被控对象105，蒸汽温度对象105投用减温水，因此调整了过热蒸汽温度实际值106，这个值又被引回比较器107与设定值101比较，形成一个负反馈回路。当温度偏低时，减小减温水量，温度偏高时，增大减温水量。减温水送往蒸汽温度对象，使对象输出新的温度值。

控制回路都要完成如下工作：1)数据的采集，包括被控量、控制量以及其它相关量的采集，所以要有传感器、数据通讯网络等设备。2)控制算法的运行，所以要有控制器这样的逻辑运算部件。3)控制量的执行，所以要有电机、阀门、电液转换元件等设备。可见，一个控制回路的实现包括很多复杂的内容。

目前火电厂的控制回路通常采用PID控制器，它由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。

比例(P)调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分(I)调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

微分(D)调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

PID控制器因为原理简单、便于实现，成为应用最广泛的控制器，但它的缺点在于：PID是一种误差控制律，本身就存在控制精度低的缺点，并且需要人工整定P、I、D三个参数，由于整定人员的水平和能力有很大差异，加之当前企业高素质人才短缺，P、I、D三个参数普遍整定得不好，进一步在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，控制效果会更加不好，因而普遍存在控制精度不高，过热蒸汽温度波动范围大的问题，因此过热蒸汽温度的设定值低，汽轮机效率低。

因此，业内存在一种技术需求：在保证汽轮机的安全运行的前提下，提高过热蒸汽温度的控制精度，进而提高过热蒸汽温度设定值与过热蒸汽温度，从而提高汽轮机的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法，其通过过热蒸汽温度的预测控制，来提高过热蒸汽温度的控制精度，进而提高过热蒸汽温度设定值与过热蒸汽温度，从而提高火电机组汽轮机的效率。本发明的技术方案如下：

一种用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法，其特征在于，包含如下步骤：

a、采集过热蒸汽温度和减温水量的值；

b、建立过热蒸汽温度与减温水量之间的函数关系：

A(q^-1)y_t＝B(q^-1)u_t-d+ξ_t/Δ其中，

y_t为t时刻的过热蒸汽温度，

u_t为t时刻的减温水量，

{ξ_t}是零均值方差有界不相关的随机噪声序列，

d是系统最小纯时延步数，

Δ为差分算子，Δ＝1-q^-1，

q^-1为向后一步平移因子；

c、辨识出系数A(q^-1)和B(q^-1)；

d、计算下一步应投入的减温水量：

$u_t=u_{t-1}+\frac{G_2^T(W-H)}{G_2^T{G}_2+\mathrm{\λ}(1+{\mathrm{\γ}}^2+...+{\mathrm{\γ}}^{2(\mathrm{NU}-1)})}$ 其中，

u_t为下一步应投用的减温水量，

u_t-1为上一步已投用的减温水量，

W为柔化跟踪轨迹矩阵，

H为已知温度与减温水量值的线性组合矩阵，

G₂为模型参数系数矩阵，

λ为控制加权系数，

γ为阶梯因子，

NU为控制步长；

e、判断过热蒸汽温度的最大值是否离上限还有安全距离，若是，则执行步骤f；

f、提高过热蒸汽温度的设定值，之后循环执行步骤a～e。

本发明的优点是：

1.提高汽轮机效率，减少能耗，提高火电机组的经济效益；

2.提高了过热蒸汽温度的控制精度，有利于生产的平稳与安全；

3.控制效果的提高，有助于降低操作人员的劳动强度。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式的详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。

图1为现有技术的过热蒸汽温度控制的流程示意图；

图2为本发明用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法流程图。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图2所示，为本发明用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法流程图：

步骤201：传感器采集锅炉中的过热蒸汽温度和减温水量的值。在本发明的其中一个实施例中，采样时间间隔定为2秒，即每2秒采集一对过热蒸汽温度和减温水量的值，一共采集10000组数据。

步骤202：建立过热蒸汽温度与减温水量之间的函数关系，函数关系如下：

A(q^-1)y_t＝B(q^-1)u_t-d+ξ_t/Δ            (1)

其中：参数A(q^-1)和参数B(q^-1)表达为：

$A\left(q^{-1}\right)=a_0+a_1{q}^{-1}+...+{a_n}_a{q}^{-1};---\left(2\right)$

$B\left(q^{-1}\right)=b_0+b_1{q}^{-1}+...+{b_n}_b{q}^{-1};---\left(3\right)$

y_t为t时刻的过热蒸汽温度；

u_t为t时刻的减温水量；

{ξ_t}是零均值方差有界不相关的随机噪声序列；

d是系统最小纯时延步数；

Δ为差分算子，Δ＝1-q^-1；

q^-1为向后一步平移因子。

在如上函数关系式中，若求出A(q^-1)和B(q^-1)，就建立了过热蒸汽温度y_t与减温水量u_t之间的函数关系。

步骤203：根据步骤201所采集的值，采用最小二乘法辨识出系数A(q^-1)和B(q^-1)，从而建立过热蒸汽温度y_t与减温水量u_t之间的函数关系。

步骤204：计算下一步应投入的减温水量，本发明采用如下公式：

$u_t=u_{t-1}+\frac{G_2^T(W-H)}{G_2^T{G}_2+\mathrm{\λ}(1+{\mathrm{\γ}}^2+...+{\mathrm{\γ}}^{2(\mathrm{NU}-1)})}---\left(4\right)$

其中，

u_t为下一步应投用的减温水量，

u_t-1为上一步已投用的减温水量，

W为柔化跟踪轨迹矩阵，

H为已知温度与减温水量值的线性组合矩阵，

G₂为模型参数系数矩阵，

λ为控制加权系数，

γ为阶梯因子，

NU为控制步长。

步骤205：将减温水量的计算值u_t发送到控制器103，再由控制器103操纵执行机构，改变减温水量，实现过热蒸汽温度的控制。

执行步骤206，通过观察过热蒸汽温度的波动范围，判断过热蒸汽温度的最大值是否离上限还有安全距离。若是，适当提高过热蒸汽温度的设定值。此时，提高设定值能够保证过热蒸汽温度波动不会超过安全上限。之后返回步骤201，循环执行步骤201～步骤206，逐步提高过热蒸汽温度的设定值，使得锅炉中的过热蒸汽的温度设定值实现卡边优化。

若否，说明过热蒸汽温度的最大值已经逼近上限，对汽轮机效率的优化已达到最高，则不必再提高过热蒸汽温度的设定值，因此直接返回步骤201，循环执行步骤201～步骤205，控制减温水量106，实现过热蒸汽温度的控制。

由上述对本发明实施例的说明可以看到，使用本发明方法可以实现对过热蒸汽温度的卡边优化，可以提高对过热蒸汽的控制精度，提高过热蒸汽温度设定值，从而提高了汽轮机的效率。

应当理解的是，上述对实施例的详细说明仅为了理解本发明，对本领域普通技术人员而言，可以根据上述说明加以改进或变换。只要是达到此目的的所有改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法，其特征在于，包含如下步骤：

a、采集过热蒸汽温度和减温水量的值；

b、建立过热蒸汽温度与减温水量之间的函数关系：

A(q^-1)y_t＝B(q^-1)u_t-d+ξ_t/Δ其中，

y_t为t时刻的过热蒸汽温度，

u_t为t时刻的减温水量，

{ξ_t}是零均值方差有界不相关的随机噪声序列，

d是系统最小纯时延步数，

Δ为差分算子，Δ＝1-q^-1，

q^-1为向后一步平移因子；

c、辨识出系数A(q^-1)和B(q^-1)；

d、计算下一步应投入的减温水量：

$u_t=u_{t-1}+\frac{G_2^T(W-H)}{G_2^T{G}_2+\mathrm{\λ}(1+{\mathrm{\γ}}^2+...+{\mathrm{\γ}}^{2(\mathrm{NU}-1)})}$ 其中，

u_t为下一步应投用的减温水量，

u_t-1为上一步已投用的减温水量，

W为柔化跟踪轨迹矩阵，

H为已知温度与减温水量值的线性组合矩阵，

G₂为模型参数系数矩阵，

λ为控制加权系数，

γ为阶梯因子，

NU为控制步长；

e、判断过热蒸汽温度的最大值是否离上限还有安全距离，若是，则执行步骤f；

f、提高过热蒸汽温度的设定值，之后循环执行步骤a～e。

2.根据权利要求1所述的用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法，其特征在于，该a步骤的具体方法包括：

由设置在锅炉中的传感器采集该过热蒸汽温度和减温水量的值。

3.根据权利要求1所述的用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法，其特征在于，该c步骤为用最小二乘法辨识出系数A(q^-1)和B(q^-1)。

4.根据权利要求1所述的用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法，其特征在于，该参数A(q^-1)和参数B(q^-1)为：

$A\left(q^{-1}\right)=a_0+a_1{q}^{-1}+...+{a_n}_a{q}^{-1}$

$B\left(q^{-1}\right)=b_0+b_1{q}^{-1}+...+{b_n}_b{q}^{-1}.$

5.根据权利要求1所述的用蒸汽温度预测控制提高火电机组汽轮机效率的方法，其特征在于，该e步骤中，若判断结果为否，则循环执行该步骤a～d。

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