CN102607006B - 一种抗积分饱和及智能积分的锅炉汽温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗积分饱和及智能积分的锅炉汽温控制方法，该方法将导前汽温的控制偏差，按一定的比例反馈叠加在主汽温与其定值的偏差通道中，防止发生锅炉在喷水减温调门全关但主汽温仍达不到其定值时所引起的主调节器的积分饱和问题，确保在主汽温超过其定值时能及时打开喷水调门，有效抑制主汽温度的超温。该方法还在原来串级汽温控制方案的基础上，根据主汽温控制偏差的变化方向来自动调整主调节器中的积分作用，实现当主汽温控制偏差扩大时增加积分作用，加强喷水调节，抑制主汽温的动态偏差；当主汽温控制偏差回调时减小积分作用，防止喷水过调而引起系统振荡，提高锅炉汽温控制系统的稳定性。

Description

一种抗积分饱和及智能积分的锅炉汽温控制方法

技术领域

本发明属于热能动力工程和自动控制领域，涉及一种锅炉汽温控制方法。

背景技术

锅炉的主蒸汽温度是通过喷水减温器在蒸汽中喷入冷水来进行控制的(如附图1所示)，它是火电厂最关键的控制系统之一。几乎所有的锅炉主汽温控制均采用传统的串级控制方案(如附图2所示)，所调整的喷水调门开度指令U_pso(n)为：

U_pso(n)＝PI[K₂(T_a(n)-T_asp(n))]

式中，U_pso(n)为当前采样时刻的喷水调门开度指令；PI是串级汽温控制系统的副调节器，为比例积分调节器；K₂为可设定的系数；T_a(n)为当前采样时刻的导前汽温；T_asp(n)为当前采样时刻导前汽温的设定值，为PID主调节器的输出：T_asp(n)＝PID[K₁(T_sp(n)-T(n))]

式中，T_asp(n)为当前采样时刻导前汽温的设定值；K₁为可设定的系数；T(n)，T_sp(n)分别为当前采样时刻的主汽温度及其设定值；PID是串级汽温控制系统的主调节器，为比例积分微分调节器。

传统的串级汽温控制系统，常会出现如下二个问题：

(1)许多锅炉在低负荷运行时(特别是蒸发量为220t/h及其以下容量的锅炉)，即使喷水调门全关，主汽温度仍达不到定值，始终存在主汽温偏差(T_sp-T)，从而使PID主调节器始终存在正的输入偏差，在积分作用下，使PID的输出即导前汽温的定值T_asp变得越来越大(存在积分饱和)，从而使PI副调节器的入口偏差K₂(T_a-T_asp)变为一个很大的负数。随着锅炉负荷的提升，主汽温不断升高，当主汽温超过其定值后，尽管PID的输出T_asp开始逐步下降，但由于PI副调节器的入口偏差K₂(T_a-T_asp)是一个很大的负数，要经过很长一段时间才变为正数，使喷水调门在此时间段内始终无法开启，从而导致主汽温的严重超温。

(2)对于PID主调节器，积分作用的主要功能是消除主汽温度的静态偏差，确保主汽温度最终与其定值相等。但积分作用会使系统的稳定性变差，主要原因：

积分作用 $U_1=\frac{1}{T_1}\∫\mathrm{edt}$

式中，U₁为在PID调节器中由积分作用所计算的部分；∫为积分算式；e为PID主调节器的入口偏差。

从上式中可知，U₁只取决于偏差e的大小，而与偏差e的变化方向无关，当主汽温升高使偏差扩大时，U₁增加使喷水阀开大，有利于汽温偏差快速回调，抑制汽温的动态偏差，此时积分作用的调整是合理的；当偏差e回调时，合理的调整应该是适当关小喷水调门，但由于U₁与偏差e的变化方向无关，U₁会继续增加而开大喷水调门，从而导致喷水调门过调，使控制系统变得振荡、不稳定。

到目前为止，还未见过针对上述任何一类问题而改进锅炉汽温控制方案的报道。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种可有效防止锅炉在喷水减温调门全关但主汽温仍达不到其定值时所引起的主调节器的积分饱和问题，及防止由于积分作用容易引起喷水过调而使控制系统振荡的抗积分饱和及智能积分的锅炉汽温控制方法。

技术方案：本发明的一种抗积分饱和及智能积分的锅炉汽温控制方法，包括以下步骤：

1)在过热汽温的流程上，实时采集当前采样时刻的主汽温度T(n)、喷水减温器后的导前汽温T_a(n)，并设定锅炉主汽温的设定值为T_sp；

2)计算当前采样时刻PID主调节器的入口偏差e(n)，e(n)＝K₁[(T_sp-T(n))+K₂(T_a(n)-T_asp(n-1))]。

式中，K₁为第一比例系数；K₂为第二比例系数；T_asp(n-1)为上一个采样时刻的导前汽温的设定值；n为当前采样时刻编号；

3)计算当前采样时刻导前汽温的设定值T_asp(n)，该设定值T_asp(n)是以e(n)，e(n-1)，e(n-2)为输入偏差的PID主调节器的输出，即：

$T_{\mathrm{asp}}\left(n\right)=K_p[e\left(n\right)-e(n-1)]+K_p\frac{T}{T_{\mathrm{iv}}}e\left(n\right)+K_p\frac{T_D}{T}[e\left(n\right)-2e(n-1)+e(n-2)]$

式中，K_p为比例系数；T_iv为积分时间；T_D为微分时间；T为采样周期；e(n)为当前采样时刻的输入偏差；e(n-1)，e(n-2)分别为上推第一个及上推第二个采样时刻的输入偏差；

将当前时刻导前汽温的设定值T_asp(n)保存到存储单元中，取代上一采样时刻导前汽温设定值T_asp(n-1)；

4)计算当前采样时刻喷水调门的开度指令U_pso(n)，U_pso(n)是以K₃(T_a(n)-T_asp(n))为输入信号的PI副调节器的输出，即T_asp(n)＝PI[K₃(T_a(n)-T_asp(n))]；

式中，K₃为第三比例系数；T_a(n)，T_asp(n)为当前采样时刻的导前汽温及其设定值；PI是串级汽温控制系统的副调节器，为比例积分调节器；

5)由喷水调门的开度指令U_pso(n)，输出转化为+4～+20mA范围内的控制电流信号，该电流信号按正负极性控制执行器接通不同的回路，并由电流大小正比例确定阀门阀位开度大小，控制喷入锅炉过热蒸汽中的喷水流量，从而达到调节过热蒸汽温度的目的。

本发明中，步骤3)中的PID主调节器的积分时间T_iv可根据主汽温控制偏差的变化方向来自动调整：

式中，A₁预先设定的第一积分时间；A₂预先设定的第二积分时间；K₄为第四比例系数；T(n)，T_sp为当前采样时刻的主汽温及其设定值；HL为预先设定的阀值；LED[T(n)]是指以T(n)为输入信号的实际微分模块LED的输出，其传递函数为

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

由于将导前汽温的控制偏差，按一定的比例反馈叠加在主汽温与其定值的偏差通道中，防止了在锅炉喷水减温调门全关但主汽温仍达不到其定值时所引起的主调节器的积分饱和问题，确保在主汽温超过其定值时能及时打开喷水调门，有效抑制主汽温度的超温；还根据主汽温控制偏差的变化方向来自动调整主调节器中的积分作用，实现当主汽温控制偏差扩大时增加积分作用，加强喷水调节，抑制主汽温的动态偏差；当主汽温控制偏差回调时减小积分作用，防止喷水过调而引起系统振荡，提高锅炉汽温控制系统的稳定性。

附图说明

图1为锅炉主蒸汽温度控制的设备流程图。

图2锅炉传统串级汽温控制方案。

图3本发明的锅炉汽温控制方案。

图4本发明的锅炉汽温控制方法的流程图。

图中有：K1为第一比例模块；K2为第二比例模块；K3为第三比例模块；K4为第四比例模块；MUL为乘法器模块；PID为比例积分微分模块；PI为比例积分模块；LED为实际微分模块；H/为高值监视器模块；T为逻辑切换模块。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明提出的锅炉汽温控制方法的一种抗积分饱和智能积分的锅炉汽温控制方法，将导前汽温的控制偏差，按一定的比例反馈叠加在主汽温与其定值的偏差通道中，防止发生锅炉在喷水减温调门全关但主汽温仍达不到其定值时所引起的主调节器的积分饱和问题，确保在主汽温超过其定值时能及时打开喷水调门，有效抑制主汽温度的超温。还在原来串级汽温控制方案的基础上，根据主汽温控制偏差的变化方向来自动调整主调节器中的积分作用，实现当主汽温控制偏差扩大时增加积分作用，加强喷水调节，抑制主汽温的动态偏差；当主汽温控制偏差回调时减小积分作用，防止喷水过调而引起系统振荡，提高锅炉汽温控制系统的稳定性。本发明的一种抗积分饱和及智能积分的锅炉汽温控制方法，流程图如附图4所示，具体包括以下步骤：

1)在过热汽温的流程上，实时采集当前采样时刻的主汽温度T(n)、喷水减温器后的导前汽温T_a(n)，并设定锅炉主汽温的设定值为T_sp；T_sp一般由运行人员在操作画面上设定，对亚临界机组设定值为535-540℃，超临界机组的设定值为570-600℃；

2)计算当前采样时刻PID主调节器的入口偏差e(n)，e(n)＝K₁[(T_sp-T(n))+K₂(T_a(n)-T_asp(n-1))]，

式中，K₁为第一比例系数；K₂为第二比例系数；T_asp(n-1)为上一个采样时刻的导前汽温的设定值。K₁可根据主汽温度的响应情况来整定，若主汽温过于波动、振荡，则可适当减小系数K₁；反之，则增加系数K₁。K₂一般在0.5-1.5的数值范围选取。

3)计算当前采样时刻导前汽温的设定值T_asp(n)，该设定值T_asp(n)是以e(n)，e(n-1)，a(n-2)为输入偏差的PID主调节器的输出，即：

$T_{\mathrm{asp}}\left(n\right)=K_p[e\left(n\right)-e(n-1)]+K_p\frac{T}{T_{\mathrm{iv}}}e\left(n\right)+K_p\frac{T_D}{T}[e\left(n\right)-2e(n-1)+e(n-2)]$

式中，K_p为比例系数；T_iv为积分时间；T_D为微分时间；T为采样周期；e(n)为当前采样时刻的输入偏差；e(n-1)，e(n-2)分别为上推第一个及上推第二个采样时刻的输入偏差，可在各个采样时刻上对信号平移获得，即e(n-2)＝e(n-1)；e(n-1)＝e(n)。

将当前时刻导前汽温的设定值T_asp(n)保存到存储单元中，取代上一采样时刻导前汽温设定值T_asp(n-1)；

在工程上，系数K_p可根据主汽温度的响应情况来整定，若主汽温过于波动、振荡，则可适当减小系数K_p；反之，则增加系数K_p。

微分时间T_D可根据喷水调门指令的抖动情况来选取，只要调门的开度指令没有出现高频的抖动，就可以适当增加T_D，有利于提高控制系统的稳定性，并有效抑制汽温的动态偏差。

采样时间T直接取为分散控制系统DCS的扫描时间，一般选取范围为0.1-0.5sec，由于汽温被控过程是一个慢过程，本发明中取为T＝0.5sec。

4)计算当前采样时刻喷水调门的开度指令U_pso(n)，U_pso(n)是以K₃(T_a(n)-T_asp(n))为输入信号的PI副调节器的输出，即

U_pso(n)＝PI[K₃(T_a(n)-T_asp(n)]；

式中，K₃为第三比例系数；T_a(n)，T_asp(n)为当前采样时刻的导前汽温及其设定值；PI是串级汽温控制系统的副调节器，为比例积分调节器；

在工程上，系数K₃可根据副回路导前汽温的响应情况来整定，若导前汽温过于波动、振荡，则可适当减小系数K₃；反之，则增加系数K₃。

5)由喷水调门的开度指令U_pso(n)，输出转化为+4～+20mA范围内的控制电流信号，该电流信号按正负极性控制执行器接通不同的回路，并由电流大小正比例确定阀门阀位开度大小，控制喷入锅炉过热蒸汽中的喷水流量，从而达到调节过热蒸汽温度的目的。

在本发明的另一个实施例中，上述步骤3)中的PID主调节器的积分时间T_iv可根据主汽温控制偏差的变化方向来自动调整：

式中，A₁预先设定的第一积分时间；A₂预先设定的第二积分时间；K₄为第四比例系数，本发明中，K₄＝-1；T，T_sp为主汽温及其设定值；HL为预先设定的阀值(本例设为0，也可设为一个很小的正数，如：0.01等)；LED[T(n)]是指以T(n)为输入信号的实际微分模块LED的输出，其传递函数为

积分时间A₁和A₂，一般根据现场的经验来选取，对于锅炉的汽温控制，A₁的选择范围为150-200sec，A₂的选择范围为500-700sec。

某热电厂八台蒸发量为220t/h锅炉的主蒸汽温度控制采用本专利的控制方法，上式的相关参数选为：

主回路参数：

K₁＝1.0，K₂＝0.85

PID主调节器参数：K_p＝1.8，T_D＝80Sec，T_iv由积分切换模块计算。

副回路参数：

K₃＝0.6

PI副调节器参数：K_p＝2.0，T_i＝60Sec

积分切换回路参数：

$\mathrm{LED}\left(s\right)=\frac{K_D{T}_{D}s}{1+T_{D}s}=\frac{6.0\×10s}{1+10s}$

K₄＝-1.0，HL＝0.0，A₁＝160Sec，A₂＝650Sec

本发明的抗积分饱和智能积分的锅炉汽温控制方法可在各类分散控制系统DCS中直接通过组态方式实现，该控制系统已在某热电厂#1-#8蒸汽量为220t/h锅炉的主汽温度控制中成功应用。在采用本发明之前，由于主调节器存在积分饱和问题，导致主汽温度超温时无法及时打开喷水调门，汽温的最大动态偏差达15℃。而采用本发明后，消除了汽温主调节器的积分饱和，在各种扰动下，将汽温的最大动态偏差控制在5℃之内，且由于采用了智能积分，有效提高了锅炉汽温控制系统的稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种抗积分饱和及智能积分的锅炉汽温控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）在过热汽温的流程上，实时采集当前采样时刻的主汽温度T(n)、喷水减温器后的导前汽温T_a(n)，并设定锅炉主汽温的设定值为T_sp；

2）计算当前采样时刻PID主调节器的入口偏差e(n)，

e(n)＝K₁[(T_sp-T(n))+K₂(T_a(n)-T_asp(n-1))];

式中，K₁为第一比例系数；K₂为第二比例系数；T_asp(n-1)为上一个采样时刻的导前汽温的设定值，n为当前采样时刻编号；

3）计算当前采样时刻导前汽温的设定值T_asp(n)，该设定值T_asp(n)是以e(n),e(n-1)，e(n-2)为输入偏差的PID主调节器的输出，即：

$T_{\mathrm{asp}}\left(n\right)=K_p[e\left(n\right)-e(n-1)]+K_p\frac{T}{T_{\mathrm{iv}}}e\left(n\right)+K_p\frac{T_D}{T}[e\left(n\right)-2e(n-1)+e(n-2)]$

式中，K_p为比例系数;T_iv为积分时间;T_D为微分时间;T为采样周期;e(n)为当前采样时刻的输入偏差；e(n-1)，e(n-2)分别为上推第一个及上推第二个采样时刻的输入偏差；

将当前时刻导前汽温的设定值T_asp(n)保存到存储单元中，取代上一采样时刻导前汽温设定值T_asp(n-1);

4）计算当前采样时刻喷水调门的开度指令U_PSO(n),U_PSO(n)是以K₃（T_a(n)-T_asp(n))为输入信号的PI副调节器的输出，即U_PSO(n)＝PI[K₃(T_a(n)-T_asp(n))]；

式中，K₃为第三比例系数；T_a(n)，T_asp(n)为当前采样时刻的导前汽温及其设定值；PI是串级汽温控制系统的副调节器，为比例积分调节器；

5）由喷水调门的开度指令U_PSO(n)，输出转化为＋4～＋20mA范围内的控制电流信号，该电流信号按正负极性控制执行器接通不同的回路，并由电流大小正比例确定阀门阀位开度大小，控制喷入锅炉过热蒸汽中的喷水流量，从而达到调节过热蒸汽温度的目的。

2.根据权利要求1所述的一种抗积分饱和及智能积分的锅炉汽温控制方法，其特征在于，所述步骤3）中的PID主调节器的积分时间T_iv根据主汽温控制偏差的变化方向来自动调整：

式中，A₁预先设定的第一积分时间；A₂预先设定的第二积分时间；K₄为第四比例系数；T（n)，T_sp为当前采样时刻的主汽温及其设定值；HL为预先设定的阀值；LED[T(n)]是指以T(n)为输入信号的实际微分模块LED的输出，其传递函数为 $\mathrm{LED}\left(s\right)=\frac{K_D{T}_{D}S}{1+T_{D}s}.$

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