CN102736640B - 用于除氧器水位控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于除氧器水位控制的系统和方法，所述系统包括水位采集模块和内模控制器，其中，所述水位采集模块用于采集所述除氧器的当前水位，并将采集到的当前水位传送给所述内模控制器；以及所述内模控制器用于根据所述除氧器的设定水位和所述除氧器的当前水位来调节所述除氧器调节阀的阀位，以改变凝结水的流量，从而实现对除氧器水位的控制。所述系统/方法对于稳态过程和动态过程都可以明显提高发电机组中除氧器水位的调节品质。

Description

用于除氧器水位控制的系统和方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种用于除氧器水位控制的系统和方法。

背景技术

除氧器在电厂热力系统中承担除氧任务，以防止设备腐蚀，同时，它又是回热系统中的混合式加热器之一，并作为凝结水泵和给水泵之间的缓冲和贮水装置。图1是用PID控制除氧器水位的发电机组中的热力系统。如图1所示，稳压水箱104中的化学补充水经过化学补充水调节阀107进入凝汽器102，再经过凝结水泵103进入凝结水母管108，经过轴封加热器111、低压加热器109和蒸汽加热器110后，经过除氧器调节阀105进入除氧器101，如果凝结水母管108压力过高，一部分凝结水经再循环调节阀106进入凝汽器102。

现有的发电机组的控制系统中，以除氧器101的水位为被调量，需要调节凝结水泵103出口至除氧器101的凝结水母管108上的除氧器调节阀105的阀位来改变凝结水的流量，凝汽器102水位的控制通过调节再循环调节阀106和化学补充水调节阀107来实现。现有控制系统采用的是PID控制器，实际运行中的可控性差，特别是不能满足变负荷工况的要求。除氧器水位属于无自平衡热工对象，具有大滞后、大惯性的特点，实际操作中，对除氧器水位的控制所需时间长达五分钟以上，而且，实际运行中可能有多台机组共用除氧器的情况，常规PID控制方案难以满足控制要求。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述缺陷，通过对除氧器水位、凝结水母管压力建立物理模型，搭建内模控制系统，并根据凝汽器无水运行要求，提供了一种对于稳态过程和动态过程都可以明显提高除氧器的水位的调节品质的控制系统和方法。

一种用于除氧器水位控制的系统，该系统包括水位采集模块和内模控制器，其中，所述水位采集模块用于采集所述除氧器的当前水位，并将采集到的当前水位传送给所述内模控制器；以及所述内模控制器用于根据所述除氧器的设定水位和所述除氧器的当前水位来调节除氧器调节阀的阀位。

一种用于除氧器水位控制的方法，该方法包括：采集所述除氧器的当前水位，并将采集到的当前水位传送给所述内模控制器；以及所述内模控制器根据所述除氧器的设定水位和除氧器的当前水位来调节所述除氧器调节阀的阀位。

由于本发明采用了在设定值跟踪性和扰动抑制性方面具有良好性能的内模控制器，所以本发明的系统和方法能够实现对除氧器水位设定值的良好跟踪并抑制扰动，能够缩短水位上升/下降时间和稳定时间。

附图说明

图1是用PID控制除氧器水位的发电机组中的热力系统；

图2是根据本发明的用内模控制器控制除氧器水位的发电机组中的热力系统；

图3是根据本发明的用于除氧器水位控制的系统的框图；

图4是根据本发明的内模控制器的原理图；

图5是根据本发明的用于除氧器水位控制的方法的流程图；

图6是根据本发明的内模控制阶跃仿真试验的曲线图；

图7是稳态时对除氧器水位进行手动控制时的曲线图；

图8是稳态时根据本发明的内模控制器的控制效果图；

图9是定值扰动时根据本发明的内模控制器的控制效果图；

图10是增负荷扰动时根据本发明的内模控制器的控制效果图；

图11是减负荷扰动时根据本发明的内模控制器的控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述根据本发明的用于除氧器水位控制的系统和方法。

如图2所示，凝汽器102一般采用低水位运行，并且凝结水泵103具有自调节功能，即当凝汽器102达到一定水位时，凝结水泵103自动工作改变其出口流量，保持凝汽器102的低水位运行。为了保证凝结水泵103运行的安全性，应维持凝结水泵103出口压力在一定范围内变化，主要是通过除氧器调节阀105和再循环调节阀106来实现。考虑到凝汽器102水容积小对凝汽器102的水位安全性能要求高的情况，可以在凝结水泵103的出口增加一个压力调节器，根据接收到的凝结水泵103出口的压力信号来调节除氧器调节阀105的阀位，达到维持凝结水泵103出口压力稳定的目的。

中小型发电厂凝结水泵运行实践证明，采用汽蚀调节运行的凝结水泵，其过流部件损坏并不严重，却可使凝结水泵自动调节流量，提高凝结水泵调节效率，降低耗电量（可降低30%～40%）。实施凝结水泵汽蚀调节方式的具体方法是：开启凝结水泵103出口至除氧器101之间的所有阀门，使凝结水母管108处于不节流状态；凝结水泵103的出水量由凝汽器102水位高低自行调节，机组负荷升高时，凝汽器102水位升高，凝结水泵103出力增大，负荷降低时，凝汽器102水位降低，凝结水泵103出力减小。

如图3所示，根据本发明的用于除氧器水位控制的系统包括水位采集模块301和内模控制器302，其中，所述水位采集模块301用于采集除氧器101的当前水位，并将采集到的当前水位传送给所述内模控制器302；所述内模控制器302用于根据所述除氧器101的设定水位和除氧器101的当前水位来调节除氧器调节阀105的阀位，以改变凝结水的流量，从而实现对除氧器水位的控制。

下面结合图4来详细描述根据本发明的内模控制器302的原理。如图4所示，内模控制器302包括滤波器模块401、内模控制模块402和内部模型传递函数模块404，其中，内部模型传递函数模块404构建了内部模型传递函数，即除氧器101的水位随着除氧器调节阀105的阀位的变化模型。为了便于说明内模控制器302的仿真操作，图4中示出了受控对象模块403，本发明中受控对象指的是除氧器101的水位，其中除氧器101的水位会随着除氧器调节阀105的阀位的变化而变化。图4中，r表示除氧器101的设定水位，y表示除氧器101的当前水位，d表示外部扰动，G_m(s)是受控对象的名义数学模型，即控制系统的内部模型传递函数，G_c(s)代表内模控制传递函数，G_p(s)代表受控对象传递函数，F(s)代表滤波器传递函数。

内模控制器302的工作原理是：将除氧器101的当前水位y与所述内部模型传递函数模块404输出的估计水位y′作差，得到第一偏差水位△y1；将所述设定水位r与所述第一偏差水位△y1作差，得到第二偏差水位△y2；将所述第二偏差水位△y2依次经所述滤波器模块401和所述内模控制模块402调整后输出所述除氧器调节阀的阀位u；将所述除氧器调节阀的阀位u输入所述内部模型传递函数模块404。在计算机仿真时，将所述内模控制模块402的输出经所述受控对象模块403调整后与外部扰动d之和作为除氧器的当前水位y，在生产过程当中，所述除氧器的当前水位y由所述水位采集模块301采集得到。

对于内模控制器，只要将内模控制传递函数构建为内部模型传递函数的逆，则内模控制可获得理想的跟踪特性和抗扰特性。即G_c(s)＝G_m ^-1(s)。但是理想的内模控制器特性常难以获得，其原因在于：

1）若对象含有时滞特性，则G_c(s)＝G_m ^-1(s)中含有纯超前项，这在物理上是难以实现的。

2）若对象模型含有右半平面零点，则内模控制器G_c(s)中就有右半平面极点，这样，内模控制器本身不稳定，因而闭环系统也不稳定。

3）若对象模型G_m(s)严格有理，则理想控制器G_c(s)＝G_m ^-1(s)非有理，内模控制器G_c(s)中出现微分器，这样内模控制系统对于过程测量信号中的噪声极为敏感，因而不切实际。

4）采用理想内模控制器构成的系统，对于模型误差极为敏感，若G_c(s)≠G_m ^-1(s)，则无法确保闭环系统的鲁棒稳定性。

鉴于上述问题，首先设计一个稳定的理想控制器，而不考虑系统的鲁棒性和约束。其次引入滤波器，通过滤波器的结构和参数来获得期望的动态品质和鲁棒性。

一、控制策略的设计

（a）构建内部模型传递函数模块404，即构建内部模型传递函数。

将内部模型传递函数G_m(s)分为两部分：

G_m(s)＝G_m+(s)·G_m-(s)

此处G_m+(s)包含了所有时滞和右半平面零点，G_m-(s)是具有最小相位特征的传递函数，即G_m-(s)稳定且不包含预测项。

内部模型传递函数模块404根据除氧器调节阀105的阀位与相应的除氧器101的水位的对应关系，采用加纯滞后传递函数模型获得。本发明选取加纯滞后传递函数模型，选取内部模型传递函数为：

$G_m\left(s\right)=G_{m+}\left(s\right)\·G_{m-}\left(s\right)=\frac{k}{s(1+\mathrm{Ts})}{e}^{-\mathrm{\τs}}$

其中，s代表复数变量，k代表稳态增益系数，T代表时间常数，τ代表纯延时时间。G_m+(s)是时滞部分，G_m+(s)＝e^-τs，G_m-(s)是不包含时滞部分e^-τs的传递函数， $G_{m-}\left(s\right)=\frac{k}{s(1+\mathrm{Ts})}.$

（b）构建内模控制模块402，即构建内模控制传递函数。

将内模控制传递函数构建为内部模型传递函数的逆。即，

G_c(s)＝G_m ^-1(s)

并且在最小相位的G_m-(s)的逆上增加滤波器传递函数F(s)，以确保系统的稳定性和鲁棒性，则内模控制传递函数为：

G_c(s)＝G_m- ^-1(s)F(s)

由图4可得，内模控制模块402中包括正向微分项s(1+s)、PI控制器和反向比例反馈环节k，反向比例反馈环节k为对象模型稳态增益系数，当正向PI调节作用非常强时，不难推断，内模控制器近似等同于s(1+s)/k，定义的内模控制传递函数为：

G_c(s)＝G_m- ^-1(s)F(s)＝s(1+s)/k

其中，s代表复数变量，k代表稳态增益系数。

选取滤波器传递函数为：

$F\left(s\right)=\frac{1}{{(1+\mathrm{\αs})}^n}$

式中，α为滤波器的时间常数，是内模控制器仅有的设计参数。n为滤波器的阶次。滤波器采用低通滤波器，其阶次一般与受控对象的阶次相等。

在本控制组态中，PI控制器具有与滤波器类似的作用，相对而言，PI控制器参数的选取更为灵活和方便。引入PI控制器的另一个重要作用是解决设定值不可微分的困难。对于测量值，可以通过数值差分算法解决微分项问题，但对于设定值作阶跃扰动情况，采用数值微分将出现无理项。在实际组态中，将设定值与测量值进行分离，测量值采用数值微分算法，而对于设定值，采用构建设定值变化率来近似模拟设定值微分项，解决了设定值作阶跃扰动时不可微分的问题。

这种内模控制器的设计方法与取对象模型逆的方法在主要方面具有相似的应用效果，同时可以调整控制回路的动态品质和鲁棒性。在内模控制器302中包括正向微分项，在组态中采用数值差分算法实现。

这种控制方法具有内模控制系统基本性质中的两点：1）对偶稳定性。设模型精确，即G_p＝G_m，则当G_p与G_m都稳定时，内模控制系统闭环稳定。2）当闭环系统稳定时，由于内模控制器和模型的稳态增益乘积为1，则系统对于阶跃输入和阶跃干扰d均不存在输出静差。

图5是根据本发明的用于除氧器水位控制的方法的流程图。该控制方法包括：采集除氧器101的当前水位，并将采集到的当前水位传送给所述内模控制器302（S501）；以及所述内模控制器302根据所述除氧器101的设定水位和除氧器101的当前水位来调节除氧器调节阀105的阀位（S502）。

由于已经描述了根据本发明的用于控制除氧器水位的控制系统的结构及工作流程，所以与其相对应的用于控制除氧器水位的控制方法于此不再赘述。

二、内模控制仿真组态和调试

内模控制仿真组态在APACS系统控制仿真器中进行。在组态中，考虑了对由于汽水损失导致除氧器水位缓慢下降特性的模拟。在内模控制回路中，通过调整滤波器时间常数以及PID调节器比例系统和积分时间可以对回路的动态特性和鲁棒性进行优化调整。在机组运行时，在不同条件下对除氧器101的水位控制回路进行扰动试验，得到对象响应数据，利用控制回路优化软件进行除氧器101水位和凝汽器102水位的热工对象模型辨识，对控制器参数进行设定，在不同负荷和工况的情况下，进行现场调试，直到取得满意效果。

在实际组态中，由于采用正向PI控制器和反向比例反馈环节代表1/k，对滤波器中参数选择比较简单，优选地，n为1，α为15s。

在实际组态中，将设定值与测量值进行分离，测量值采用数值微分算法，而对于设定值，采用构建设定值变化率来近似模拟设定值微分项，解决了设定值作阶跃扰动时不可微分的问题。

仿真测试平台中，进行定值扰动试验，将除氧器水位设定值由2000mm阶跃减少至1500mm，除氧器水位响应曲线如图6所示。从除氧器水位响应曲线可以看出，基本不存在超调量，稳定时间只有3.5min。

三、现场试验结果

以下将结合附图来说明所构建的内模控制器302对除氧器101的水位的控制效果。

图7是稳态时对除氧器水位进行手动控制时的曲线图。其中，发电机组负荷稳定在150MW时，除氧器水位处于手动控制状态，除氧器水位变化范围为1819mm至2000mm，变化比较滞后，稳定时间较长。

图8是稳态时根据本发明的内模控制器的控制效果图。使发电机组负荷基本稳定在180MW，除氧器水位采用根据本发明的基于内模原理的控制方法进行控制，除氧器的设定水位为3010mm，除氧器水位变化范围为1993mm至2035mm，如图8所示。可以看出采用本发明的内模控制器302之后，除氧器水位波动较小。

图9是定值扰动时根据本发明的内模控制器的控制效果图。使发电机组负荷基本稳定在160MW，除氧器水位采用根据本发明的基于内模原理控制方法进行控制，除氧器的设定水位由3010mm阶跃增加至2060mm，除氧器水位由2005mm升至2035mm，于5:09增加到2060mm，最大值达到2069mm。6:35水位定值由2060mm减小到3010mm，7:16除氧器水位降低到3020mm。如图9所示。可以看出，采用本发明的内模控制器302之后，除氧器水位能够很好地跟踪水位设定值。

图10是增负荷扰动时根据本发明的内模控制器的控制效果图。发电机组负荷由151MW增加到198MW，除氧器水位采用根据本发明的基于内模原理控制方法进行控制，除氧器的设定水位为3010mm，变负荷前水位变化范围为2003mm-3023mm，变负荷过程中水位最低为2005mm，最高为2047mm。如图10所示。可以看出，采用本发明的内模控制器302之后，除氧器水位基本不受发电机组负荷增加的影响。

图11是减负荷扰动时根据本发明的内模控制器的控制效果图。发电机组负荷由192MW增加到150MW，除氧器水位采用根据本发明的基于内模原理控制方案进行控制，除氧器的设定水位为3010mm，变负荷前水位变化范围为2000mm-3020mm，变负荷过程中水位最低为1998mm,最高为2032mm。如图11所示。可以看出，采用本发明的内模控制器302之后，除氧器水位基本不受发电机组负荷减小的影响。

现场试验表现：稳定工控下，采用基于内模原理控制的方法，除氧器水位波动小于±20mm，在动态扰动情况下，除氧器水位与设定值的最大偏差小于40mm，满足项目所提出的各项技术性能和指标。

现场调试和机组运行结果表明这种基于内模控制原理的控制系统结构简单，在线调整参数少，可以明显提高控制回路的鲁棒性及抗干扰能力。采用根据本发明的内模控制器302的进一步的有益效果是节省能源消耗，提高工作人员的工作效率。

以上结合本发明的优选实施方式对本发明进行了详细描述，但是本领域技术人员应当理解，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形。

Claims (8)

1.一种用于除氧器水位控制的系统，该系统包括水位采集模块和内模控制器，其中：

所述水位采集模块用于采集所述除氧器的当前水位，并将采集到的当前水位传送给所述内模控制器；以及

所述内模控制器用于根据所述除氧器的设定水位和所述除氧器的当前水位来调节所述除氧器调节阀的阀位，

其中，所述内模控制器包括滤波器模块、内模控制模块和内部模型传递函数模块，其中，

将所述当前水位与所述内部模型传递函数模块输出的估计水位作差，得到第一偏差水位；

将所述设定水位与所述第一偏差水位作差，得到第二偏差水位；

将所述第二偏差水位依次经所述滤波器模块和所述内模控制模块调整后输出所述除氧器调节阀的阀位；

将所述除氧器调节阀的阀位输入所述内部模型传递函数模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述内部模型传递函数模块所采用的内部模型传递函数根据所述阀位与相应的除氧器水位的对应关系，采用加纯滞后传递函数模型获得。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述内部模型传递函数的加纯滞后传递函数为其中，s代表复数变量，k代表稳态增益系数，T代表时间常数，τ代表纯延时时间。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述内模控制模块的传递函数为G_c(s)＝s(1+s)/k，其中，s代表复数变量，k代表稳态增益系数。

5.一种用于除氧器水位控制的方法，该方法包括：

采集所述除氧器的当前水位，并将采集到的当前水位传送给内模控制器；以及

所述内模控制器根据所述除氧器的设定水位和所述除氧器的当前水位来调节所述除氧器调节阀的阀位，

其中，所述内模控制器包括滤波器模块、内模控制模块内部模型传递函数模块，并且所述内模控制器根据所述除氧器的设定水位和所述除氧器的当前水位来调节所述除氧器调节阀的阀位的步骤包括：

将所述当前水位与所述内部模型传递函数模块输出的估计水位作差，得到第一偏差水位；

将所述设定水位与所述第一偏差水位作差，得到第二偏差水位；

将所述第二偏差水位依次经所述滤波器模块和所述内模控制模块调整后输出所述除氧器调节阀的阀位；

将所述除氧器调节阀的阀位输入所述内部模型传递函数模块。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述内部模型传递函数模块所采用的内部模型传递函数根据所述阀位与相应的除氧器水位的对应关系，采用加纯滞后传递函数模型获得。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述内部模型传递函数的加纯滞后传递函数为其中，s代表复数变量，k代表稳态增益系数，T代表时间常数，τ代表纯延时时间。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述内模控制模块的传递函数为G_c(s)＝s(1+s)/k，其中，s代表复数变量，k代表稳态增益系数。