CN104791755A - 使用基于模型的温度平衡的蒸汽温度控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用基于模型的温度平衡的蒸汽温度控制。一种用于控制具有多个过热器部分的蒸汽生成锅炉系统的技术包括：确定多个控制信号以控制到涡轮的输出蒸汽的温度。该技术使用第一控制块以基于多个输入温度确定偏移值以及使用动态矩阵控制(DMC)块以基于输出温度和输出温度设置点确定输入蒸汽控制信号。该技术基于该偏移值修改其中一个输入蒸汽控制信号。已修改的输入蒸汽控制信号和未修改的输入蒸汽控制信号被提供给相应的现场设备以控制输入温度并且因此控制输出温度。

Description

使用基于模型的温度平衡的蒸汽温度控制

技术领域

本专利整体涉及锅炉系统的控制并且在一个具体实例中涉及使用基于模型的温度平衡进行用于生成锅炉系统的蒸汽的控制和优化。

背景技术

各种工业以及非工业应用使用燃料燃烧锅炉，其中，燃料燃烧锅炉一般进行操作以通过燃烧各种类型的燃料如煤、煤气、石油、废料等等中的一种来将化学能转换为热能。燃料燃烧锅炉的示例性的使用是在热力发电机中，其中，燃料燃烧锅炉从经过锅炉中的大量管子和管道传递的水生成蒸汽，并且生成的蒸汽然后用于操作一个或多个蒸汽涡轮以产生电。热力发电机的输出基于锅炉中生成的热量的数量，其中，热量的数量直接由例如每小时消耗(例如燃烧)的燃料的数量确定。

在许多情况中，发电系统包括锅炉，锅炉具有用于燃烧或以其他方式使用燃料来生成热量的炉子，热量又被传递给流经锅炉的各个部分中的管子或管道的水。典型的蒸汽生成系统包括具有过热器部分(其具有一个或多个子部分)的锅炉，其中，在该过热器部分中产生蒸汽并且蒸汽被提供给通常高压的第一蒸汽涡轮并且在第一蒸汽涡轮中使用。虽然基于热力的发电机的效率严重依赖于用于燃烧燃料并且传递热量给在锅炉的过热器部分或任意额外部分中流动的水的特定炉子/锅炉组合的热传递效率，但是该效率还依赖于用于控制锅炉的过热器部分或任意额外部分中的蒸汽的温度的控制技术。

然而，如我们将理解的，发电厂的蒸汽涡轮一般在不同的时间运行在不同的操作等级上，以基于能量或负载需求产生不同数量的电流。对于大部分使用蒸汽锅炉的发电厂，在锅炉的最终过热器出口处的期望蒸汽温度设置点是保持恒定的，并且在全部负载等级上必需保持蒸汽温度接近该设置点(例如在窄的范围之内)。具体地，在使用(例如发电)锅炉的操作中，蒸汽温度的控制是关键的，因为从锅炉流出的和进入蒸汽涡轮的蒸汽的温度处于最优期望温度是重要的。如果蒸汽温度过高，则蒸汽可能由于各种冶金学的原因导致蒸汽涡轮的叶片损坏。另一方面，如果蒸汽温度过低，则蒸汽可能包括水颗粒，这又可能在蒸汽涡轮的长时期操作后损坏蒸汽涡轮的组件以及降低涡轮的操作效率。此外，蒸汽温度的变化还导致金属材料疲劳，其导致管道泄漏。

一般，锅炉的每个部分(即过热器部分和任意附加部分如再热器部分)包括级联的热交换器部分，其中，从一个热交换器部分流出的蒸汽进入接下来的热交换器部分，使得在每个热交换器部分处蒸汽的温度增加直到蒸汽理想地以期望的蒸汽温度输出给涡轮为止。一些热交换器部分包括例如单独的主过热器，这些主过热器并行连接并且又可以串行连接到最终的过热器。在该级联配置中，主要通过控制在锅炉的第一级的输出处的水的温度(这主要通过改变提供给炉子的燃料/空气混合物或者通过改变提供给炉子/锅炉组合的燃烧速率对输入给水的比率来实现)来控制蒸汽温度。在不具有锅筒的直流式锅炉系统中，可以主要使用输入到系统的燃烧速率对给水比率来调节在涡轮的输入处的蒸汽温度。

虽然改变提供给炉子/锅炉组合的燃料/空气比率和燃烧速率对给水比率操作良好地随着时间实现蒸汽温度的期望控制，但是仅使用燃料/空气混合物控制和燃烧速率对给水比率控制难以控制在锅炉的各种部分处的蒸汽温度的短期波动。反之，为了执行短期(以及次级)蒸汽温度控制，在位于紧靠涡轮的上游、最终热交换器部分之前处将饱和水喷雾到蒸汽中。该次级蒸汽温度控制操作一般发生在每个主过热器的输出处并且在锅炉的最终热交换器部分之前。为了实现该操作，沿蒸汽流动路径并且在热交换器部分之间设置温度传感器以测量在沿流动路径的关键点处的蒸汽温度，并且为了蒸汽温度控制目的而将测量的温度用于调节向蒸汽中喷雾的饱和水的量。

在一些情况中，必须严重依赖喷雾技术来根据需要尽可能精确地控制蒸汽温度，以满足上述的涡轮温度约束。在一个实例中，经过锅炉中的一组导管来提供连续的水(蒸汽)流并且不使用锅筒以实际上将流出第一锅炉部分的蒸汽或水的温度进行平均化的直流式锅炉系统可能在蒸汽温度中经历更大的波动并且因此一般需要喷雾部分的更繁重的使用来控制到涡轮的输入处的蒸汽温度。在这些系统中，一般使用燃烧速率对给水比率控制连同过热器喷雾流动来调节炉子/锅炉系统。在这些以及其他锅炉系统中，分布式控制系统(DCS)使用级联PID(比例积分微分)控制器来控制提供给炉子的燃料/空气混合物和在涡轮上游执行的喷雾的量。

然而，级联PID控制器一般以反作用的方式响应于待控制的从属过程变量(如待被传递到涡轮的蒸汽的温度)的实际值或等级与设置点之间的差或误差。即，控制响应发生在从属过程变量已经从其设置点漂移之后。例如，仅在传递给涡轮的蒸汽的温度已经从其目标漂移之后位于涡轮的上游的喷雾阀才被控制以重新调整它们的喷雾流。无疑，该反作用控制响应结合改变锅炉操作条件可能导致大的温度摆动，该大的温度摆动导致对锅炉系统的压力并且缩短管道、喷雾控制阀和系统的其他组件的寿命。

发明内容

本文描述的系统、方法和控制器的实施方式包括用于控制蒸汽生成系统的技术，包括使用动态矩阵控制来控制蒸汽生成系统的至少一部分，如输入蒸汽生成系统的最终过热器组件的蒸汽的温度。最终过热器组件加热输入蒸汽以产生输入到涡轮的输出蒸汽。本文所使用的术语“输出蒸汽”是指从蒸汽生成系统立即传递到涡轮中的蒸汽。本文所使用的“输出蒸汽温度”是离开蒸汽生成系统并且进入涡轮的输出蒸汽的温度。

用于控制蒸汽生成系统的技术可以包括第一控制块，该第一控制块接收两个信号作为输入，该两个信号中的每个信号对应于该蒸汽生成系统的中间部分的实际值、等级或测量值。该技术进一步包括动态矩阵控制块，该动态矩阵控制块接收与该蒸汽生成系统的待被控制的部分的实际值、等级或测量值相对应的信号(例如实际输出蒸汽温度)作为其输入；以及该蒸汽生成系统的待被控制的部分的设置点(例如输出蒸汽温度设置点)。第一控制块基于其输入生成用于表示两个输入信号的实际值、等级或测量值之间的差的偏移值。动态矩阵控制块基于其输入生成与多个现场设备相关联的控制信号以控制中间部分的值、等级或测量值。该技术还包括用于根据该动态矩阵控制的控制信号生成第一控制信号和第二控制信号的模块。附加模块基于偏移值修改该第一控制信号。该技术被配置为将修改的第一控制信号提供给第一现场设备以控制该中间部分的一部分并且提供该第二控制信号给第二现场设备以控制该中间部分的附加部分。该第一现场设备和第二现场设备朝着蒸汽生成系统的至少一部分的期望输出蒸汽温度设置点影响该至少一部分。因此，延长了蒸汽生成系统的管道、阀和其他内部组件的寿命，因为该技术将由于系统中的温度和其他变量的摆动导致的压力最小化。

附图说明

图1示出了具有用于一组典型的蒸汽动力涡轮的过热器部分的典型的锅炉蒸汽循环的方框图，该过热器部分具有并行连接到最终过热器的两个主过热器；

图2示出了用于以现有方式控制如图1的蒸汽动力涡轮的锅炉蒸汽循环的过热器部分的示意图；

图3示出了以有助于优化系统的效率来控制图1的过热器部分的锅炉蒸汽循环的示意图；

图4示出了一个用于控制蒸汽生成锅炉系统的示例性方法。

具体实施方式

虽然以下文本描述了本发明的多个不同实施方式的详细描述，但是应该理解本发明的法律范围是由本专利所附权利要求的文字限定的。详细描述仅被理解为示例性的并且不是描述本发明的每个可能的实施方式，因为描述每个可能的实施方式即使可能的也是不切实际的。可以使用当前技术或在本发明的递交日之后开发的技术实现多个可替换实施方式，这将仍然落入用于限定本发明的权利要求的范围中。

图1示出了可以例如在热力发电厂中使用的典型的锅炉100的直流式锅炉蒸汽循环的方框图。锅炉100可以包括各种部分，蒸汽或水可以以各种形式流经该各种部分。图1的锅炉100描述了多个过热器部分，过热蒸汽流经该过热器部分，但是应该理解，还构思了其他部分，如再热器部分。虽然图1中示出的锅炉100具有各种水平放置的锅炉部分，但是在实际实现中，这些部分中的一个或多个可以彼此垂直地放置，特别是因为用于加热各种不同锅炉部分(如水墙吸收部分)中的蒸汽的燃料气体垂直地上升(或者垂直地盘旋)。

在任意情况中，如图1中所示的，锅炉100包括炉子和主水壁吸收部分102、第一主过热器吸收部分104、第二主过热器吸收部分105以及最终过热器吸收部分106。另外，锅炉100可以包括第一减温器或者喷雾器部分110、第二减温器或者喷雾器部分111和节能器(ecomonizer)部分114。在操作期间，由锅炉100生成并且由最终过热器吸收部分106输出的主蒸汽用于驱动高压(HP)涡轮116。在一些情况中，锅炉100也可以用于驱动低压或中压涡轮，如在图1中未示出的在再热器吸收部分中包括的低压或中压涡轮。

主要负责生成蒸汽的水壁吸收部分102包括大量导管，来自节能器部分114的水或蒸汽通过该导管在炉子中加热。当然，进入水壁吸收部分102的给水可以通过节能器部分114泵送，并且该水当处于水壁吸收部分102中时吸收大量热量。在水壁吸收部分102的输出处提供的蒸汽或水供给到第一主过热器吸收部分104和第二主过热器吸收部分105。

如图1中所示的，第一主过热器吸收部分104与第二主过热器吸收部分105并行连接(即水同时流经第一主过热器吸收部分104和第二主过热器吸收部分105)。第一主过热器吸收部分104和第二主过热器吸收部分105中的每一个被配置为加热进入其中的水并且输出已加热的水。流出第一主过热器吸收部分104和第二主过热器吸收部分105的水被供给到最终过热器吸收部分106。具体地，来自第一主过热器吸收部分104的水与来自第二主过热器吸收部分105的水在被供给到最终过热器吸收部分106之前被组合。第一主过热器吸收部分104、第二主过热器吸收部分105和最终过热器吸收部分106的使用将蒸汽温度共同地升高到非常高的等级。来自最终过热器吸收部分106的主蒸汽输出驱动高压涡轮116生成电流。

第一喷雾器部分110和第二喷雾器部分111可用于控制从第一主过热器吸收部分104和第二主过热器吸收部分105输出的蒸汽的相应的温度，并且因此控制输入到最终过热器吸收部分106中的蒸汽的温度，以及在次要程度上控制在涡轮116的输入处的最终蒸汽温度。因此，可以控制第一喷雾器部分110和第二喷雾器部分111以将在涡轮116的输入处的最终蒸汽温度调整到期望设置点。对于第一喷雾器部分110和第二喷雾器部分111中的每一个，喷雾供给可以用作提供给阀(如所示的阀122和124)的水(或其他液体)源，该阀用于控制应用于来自相应的喷雾器部分110或111的输出蒸汽的喷雾的量并且因此用于调整输出蒸汽的温度。通常，使用的喷雾越多(即阀122或124打开得越大)，则越多来自相应的喷雾器部分110或111的输出蒸汽被冷却或降低温度。在一些情况中，提供给喷雾器部分110和111的喷雾供给可以从供给线路分接到节能器部分114中。

应该认识到，来自涡轮116的蒸汽可以路由到再热器吸收部分(图1中未示出)，并且从再热器吸收部分输出的热的再热蒸汽可以经过一个或多个附加涡轮系统(图1中未示出)供给并且/或者供给到蒸汽冷凝器(图1中未示出)，其中，在该蒸汽冷凝器中蒸汽冷凝成液体形式，并且随着各个锅炉供给泵经过级联的给水加热器链泵送给水并且随后泵送到节能器部分114以用于下一个循环来再次开始循环。节能器部分114位于从锅炉100流出的热废气的流中并且在给水进入水壁吸收部分102之前使用热的气体传递附加热量给给水。

如图1中所示的，控制器或控制器单元120可通信地耦接到水壁部分102内的炉子并且耦接到分别控制提供给第一喷雾器部分110和第二喷雾器部分111中的喷雾器的水的量的阀122和124。控制器120也可以可通信地耦接到在阀122、124的输出处的流量传感器(图1中未示出)。控制器120还耦接到各种传感器，包括位于水壁吸收部分102的输出处的中间温度传感器125、分别位于第一喷雾器部分110和第二喷雾器部分111的输出处的多个主温度传感器126、127，以及位于最终过热器吸收部分106的输出处的输出温度传感器128。控制器120还接收其他输入，包括燃烧速率、用于指示和/或导出发电厂的实际或期望负载的负载信号(一般被称为前馈信号)以及用于指示锅炉的设置或特征(包括例如节气闸设置、火炉倾斜位置等等)的信号。控制器120可以生成并且发送其他控制信号到系统的各种锅炉和炉子部分，并且可以接收其他测量值如阀位置、测量的喷雾流量、其他温度测量值等等。虽然在图1中未具体示出，但是控制器或控制器单元120可以包括独立的部分、例程和/或控制设备以控制锅炉系统的过热器部分和可选择的再热器部分。

图2是显示图1的锅炉系统100的各种部分并且示出在现有技术中在各种该类型锅炉中当前执行控制的典型方式的示意图200。具体地，图200示出了节能器214、主炉子或水壁部分202、过热器部分A204、过热器部分B205、耦接到过热器部分A204的第一喷雾器部分210以及耦接到过热器部分B205的第二喷雾器部分211。过热器部分A204与过热器部分B205并行连接，其中的每一个具有连接到最终过热器部分206的输出。图2还示出了级联的基于比例积分微分(PID)的控制环路230，其可由图1的控制器120或一个或多个其他DCS控制器实现以控制炉子202的燃料和给水操作以实现(即控制)从最终过热器部分206输出并且由锅炉系统传递到待处于设置点的涡轮216的蒸汽的温度228。

具体地，控制环路230包括以PID控制块的形式示出的第一控制块232，第一控制块232使用与控制变量的期望或最佳值相对应的因子或信号形式的设置点233和锅炉系统的实际或测量温度值234作为主输入。如图2中所示的，实际参数值234可以对应于输出蒸汽温度228(即从最终过热器部分206输出的蒸汽的温度)，因而实际参数值234可以是实际或测量的输出蒸汽温度228或基于此的值。此外，设置点233可以对应于例如从最终过热器部分206输出的蒸汽的期望温度或者基于此的值。在其他情况中，设置点233可以对应于可能影响输出蒸汽温度228的其他条件如锅炉系统中的节气闸的节气闸位置、喷雾阀位置、喷雾量、用于控制锅炉系统的一个或多个部分或者与锅炉系统的一个或多个部分相关联的一些其他控制、操作或干扰变量或其组合。通常，设置点233可以对应于锅炉系统的控制变量或操作变量，并且可以一般由用户或操作员设置。

第一控制块232可以将设置点233与实际参数值234的测量值进行比较，以产生期望输出值。为了讨论清楚起见，图2示出了在第一控制块232处的设置点233对应于期望的输出蒸汽温度的情况。控制块232将输出蒸汽温度设置点233与实际参数值234(即当前正在从最终过热器部分206输出的蒸汽的实际温度228的测量值)比较，以产生输出温度信号235。输出温度信号235指示一个或多个现场设备为了影响从最终过热器部分206输出的蒸汽以实现期望的温度设置点233的设置或位置。

一般，输出温度信号235用于确定第一喷雾器部分210和第二喷雾器部分220各自的设置或位置(即与控制第一喷雾器部分210和第二喷雾器部分220处的喷雾器相关联的阀位置)。具体地，输出温度信号235被提供给控制环路230的平衡器模块236，其可以处理输出温度信号235以生成、确定或计算温度A值237和温度B值238。平衡器模块236通常进行操作以生成值237、238，使得值237、238相等(即平衡)。温度A值237可以指示从过热器部分A204输出的蒸汽的温度A243的期望值，并且温度B值238可以指示从过热器部分B205输出的蒸汽的温度B244的期望值。

如图2中所示的控制环路230进一步包括均显示为PID控制块形式的第二控制块240和第三控制块241。第二控制块240使用由平衡器模块236输出的温度A值237以及从过热器部分A204输出的蒸汽的实际温度A243作为主输入。第三控制块241使用由平衡器模块236输出的温度B值238和从过热器部分B205输出的蒸汽的实际温度B244作为主输入。第二控制块240将温度A值237与实际温度A243比较，以产生期望阀A控制信号245，并且第三控制块241将温度B值238与实际温度B244比较，以产生期望阀B控制信号246。阀A控制信号245驱动阀222，阀222控制第一喷雾器部分210到期望阀位置，并且因此调整喷雾到从过热器部分A204输出的蒸汽上的水的量。类似地，阀B控制信号246驱动阀224，阀224控制第二喷雾器部分211到期望阀位置，并且因此调整喷雾到从过热器部分B205输出的蒸汽上的水的量，并且将温度B244从当前温度B244调整到更接近温度B值238。

然而，在当前过程控制系统中的控制环路230具有一些缺点。具体地，阀控制信号245、246是基于锅炉系统100中的当前条件相对于根据各种修改所确定的预测或建模的条件来确定的。结果，使用三个PID控制块232、240、241输出的阀控制信号245、246可能导致输出蒸汽温度228永远不能到达其设置点233的情况。在其他情况中，可能导致震荡效应，因而，相应的温度A和B243、244在相应的温度A和B值237、238之上和之下震荡导致值A和B(222、224)被过于频繁地调整。因此，图2中描述的控制系统经历大量波动和总体过度使用。

图3示出了用于控制蒸汽生成锅炉系统100的控制系统或控制方案300。控制系统300可以控制锅炉系统100的至少一部分，如锅炉系统100的一个或多个控制变量或其他从属过程变量。在图3中所示的实例中，控制系统300控制输出蒸汽温度228，但是应该认识到，控制系统300可以控制锅炉系统100的另一个部分(例如系统输出、输出参数或者输出控制变量，如在涡轮118处的输出蒸汽的压力)。具体地，控制系统300控制阀A控制信号259和阀B控制信号257，阀A控制信号259和阀B控制信号257控制分别向从过热器部分A204和过热器部分B205输出的蒸汽提供水的相应的阀喷雾器组件对(210、222和211、224)。此外，如图3中所示的，过热器部分A204与过热器部分B205并行连接，两者都连接到最终过热器部分206，最终过热器部分206输出具有最终蒸汽温度228的蒸汽。

控制系统300可以在锅炉系统100的控制器或控制器单元120中执行或者可以可通信地耦接到锅炉系统100的控制器或控制器单元120。控制系统300的至少一部分可以例如包括在控制器120中。在其他实现中，整个控制系统300可以包括在控制器120中。

控制系统300的组件可以降低如关于图2讨论的在基于PID的控制环路230中经历的平顶曲线和/或振荡效应。事实上，图3的控制系统300可以是图2的基于PID的控制环路230的替代。代替像控制环路230那样反作用(例如直到在锅炉系统100的期望被控制的部分与对应设置点之间检测到差或误差之后才开始控制调整)，控制系统300本质上至少部分地是前馈的，因而可以在检测到锅炉系统100的该部分的差或误差之前开始控制调整。

如图3中所示的，炉子202生成蒸汽并且将蒸汽并行提供给过热器部分A204以加热和提供给过热器部分B205以加热。应该认识到多个炉子可以分别提供蒸汽到过热器部分A204和过热器部分B205。阀A222可以控制第一喷雾器部分210以控制向从过热器部分A204输出的蒸汽提供的水的量，并且因此控制从过热器部分A204输出的蒸汽的温度(243)。阀A224可以控制第二喷雾器部分211以控制向从过热器部分B205输出的蒸汽提供的水的量，并且因此控制从过热器部分B205输出的蒸汽的温度(244)。来自过热器部分A204和过热器部分B205的输出蒸汽(在由相应的喷雾器部分210、211进行任意冷却之后)被组合并且作为输入提供给最终过热器部分206，因而，最终过热器部分206被配置为加热组合的输出蒸汽。来自最终过热器部分206的输出蒸汽可以提供给涡轮216以生成电流。

如图3中所示的，控制系统300的控制环路330包括输入控制器250和输出控制器251。输入控制器250可以是基于PID的控制器或者动态矩阵控制器(DMC)，并且输出控制器251可以是DMC。在由相应的喷雾器部分210、211进行的任意冷却之后，输入控制器250可以接收从过热器部分A204输出的蒸汽的温度A243(或者与温度A243相关联的控制值)以及从过热器部分B205输出的蒸汽的温度B244(或者与温度B244相关联的控制值)作为输入。

通常，随着用于基于DMC的输出控制器(例如输出控制器251)的输入的数量的增加，用于编程该输出控制器的模型由于对其计数的潜在输入组合的数量而指数地增加。为了降低输出控制器251的模型的复杂度，输出控制器251及其模型考虑与温度A243和温度B244都对应的单个温度值。具体地，该单个温度值表示用于温度A243和温度B244二者的相等的温度(即输出控制器251“假设”温度A243等于温度B244)。因此，与模型要考虑温度A243和温度B244的输入组合所需要的复杂度相比，该模型较不复杂得多。

为了确保温度A243等于温度B244，控制环路330包括输入控制器250以计算用于助于温度A243和温度B244的相等值的温度差或偏移。因为输入控制器250简单地基于温度A243和温度B244之间的差或偏移来操作，所以输入控制器250的编程无需复杂，并且当然不如对基于模型的输出控制器251进行编程来考虑温度A243和温度B244二者那么复杂。输入控制器250和输出控制器251的组合因此使得控制环路330能够有效地并且实际地控制温度A243和温度B244，而不需要考虑多个参数的基于模型的控制器所需要的复杂的编程。

参考图3，输入控制器250可以基于温度A243和温度B244确定偏移值输出252。在一些情况中，偏移值输出252可以反映温度A243和温度B244之间的差。例如，如果温度A243是200℉并且温度B244是215℉，则偏移值输出252可以是根据多种惯例中的一种来反映15℉的温度差的值或量。在关于图3所讨论的实例中，偏移值输出252可以是对应于阀位置(例如阀A222和/或阀B224的阀位置)的值或量，并且可以是正的或负的。用于偏移值输出252的负的量可以对应于阀的闭合，用于偏移值输出252的正的量可以对应于阀的打开(反之亦然)。应该认识到偏移值输出252可以与温度A243和温度B244之间的差具有线性的、指数的或者其他的数学关系，并且输入控制器250可以根据各种技术或计算来计算偏移值输出252。

通常而言，由基于DMC的输出控制器251执行的模型预测控制是多输入单输出(MISO)控制策略，其中，多个过程输入中的每一个的改变对于多个过程输出中的每一个的影响被测量并且然后这些测量的响应用于创建过程的模型。但是在一些情况中，可以应用多输入多输出(MIMO)控制策略。无论MISO还是MIMO，过程的模型在数学上是可逆的，并且然后用于基于对过程输入做出的改变来控制过程输出或多个过程输出。在一些情况中，过程模型包括或者开发自用于每个过程输入的过程输出响应曲线，并且这些曲线可能是基于例如传递到每个过程输入的一系列伪随机步骤改变而创建的。这些响应曲线可用于以已知方式建模过程。模型预测控制是本领域已知的，因此在本文不具体描述。但是，Qin,S.Joe和Thomas A.Badgwell在1996年AIChE会议上的工业模型预测控制技术概述(An Overview ofIndustrial Model Predictive Control Technology)中大体描述了模型预测控制。

此外，高级控制例如模型预测控制(MPC)控制例程的生成和使用可以集成到用于蒸汽生成锅炉系统的控制器的配置过程中。例如，以参考的方式明确并入本文的Wojsznis等人的标题为“IntegratedAdvanced Control Blocks in Process Control Systems”的美国专利No.6,445,963公开了使用当配置过程工厂时从过程工厂采集的数据来生成高级控制块如高级控制器(例如MPC控制器或神经网络控制器)的方法。更具体地，美国专利No.6,445,963公开了以与使用具体控制范例(如现场总线范例)进行其他控制块的创建和下载相集成的方式来在过程控制系统中创建高级多输入多输出控制块的配置系统。在该情况中，通过创建分别将被连接到过程输出和输入的期望输入和输出的控制块(例如输出控制器251)来启动高级控制块，以控制过程，如在蒸汽生成锅炉系统中使用的过程。控制块包括数据采集例程和与之相关的波形生成器，并且可以具有控制逻辑，该控制逻辑由于该逻辑缺少调谐参数、矩阵系数或对实现所必要的其他控制参数而未调谐或者未开发。控制块放置在过程控制系统中，其中，限定的输入和输出以这样一种方式可通信地耦接在控制系统中，其中，在该方式中如果高级控制块正在用于控制过程则将连接这些输入和输出。接下来，在测试程序期间，控制块使用由具体设计用于开发过程模型的波形生成器生成的波形，经由控制块输出，系统地打乱每个过程输入。然后，经由控制块输入，控制块协调与每个过程输出对于传递到每个过程输入的每个生成波形的响应相关的数据采集。该数据可以例如被发送到数据历史库以进行存储。在已对于每个过程输入/输出对采集了足够数据之后，运行过程建模程序，其中，使用例如任意已知的或期望的模型生成或确定例程，根据采集的数据生成一个或多个过程模型。作为该模型生成或确定例程的一部分，模型参数确定例程可以开发控制逻辑用于控制该过程所需要的模型参数，例如矩阵系数、死亡时间、增益、时间常数等等。模型生成例程或过程模型创建软件可以生成不同类型的模型，包括非参数模型如有限脉冲响应(FIR)模型和参数模型如带有外部输入的自回归(ARX)模型。控制逻辑参数以及根据需要，过程模型然后被下载到控制块以完成高级控制块的形成，使得具有模型参数和/或过程模型的高级控制块可以用于在运行时间期间控制过程。当期望时，存储在控制块中的模型可以被重新确定、改变或更新。

输出控制器251可以接收从最终过热器部分206输出的蒸汽的输出蒸汽温度228(或者与输出蒸汽温度228相关联的控制值)以及可能与例如从最终过热器部分206输出的蒸汽的期望温度相对应的设置点233，作为输入。在其他情况中，设置点233可以对应于可能影响输出蒸汽温度228的其他条件，如锅炉系统中的节气闸的节气闸位置、喷雾阀的位置、喷雾量、用于控制锅炉系统的一个或多个部分或者与锅炉系统的一个或多个部分相关联的一些其他控制、操作或干扰变量或其组合。通常，设置点233可以对应于锅炉系统的控制变量或操作变量，并且可以一般由用户或操作员设置。

输出控制器251可以将设置点233与当前正在从最终过热器部分206输出的蒸汽的实际温度228的测量值进行比较，以生成、确定或计算输入蒸汽控制信号253。输入蒸汽控制信号253可以指示阀A222和阀B224的位置，这样，当与过热器部分A204、过热器部分B205和最终过热器部分206的操作组合时可以实现从最终过热器部分206输出的蒸汽的期望温度(即设置点233)。具体地，输入蒸汽控制信号253可以对应于用于控制第一喷雾器部分210的阀A222的阀设置(即物理阀位置)和用于控制第二喷雾器部分211的阀B224的阀设置(即物理阀位置)。应该认识到，输出控制器251可以根据如本文所讨论的各种基于模型的技术或计算来计算输入蒸汽控制信号253。

输入蒸汽控制信号253可以提供给平衡器模块254，平衡器模块254可以处理输入蒸汽控制信号253以生成、确定或计算临时阀A控制信号255和期望阀B控制信号257。平衡器模块254可以包括硬件和/或软件组件，并且可以可选择地集成为输出控制器251的一部分。在一些实现中，平衡器模块254可以生成临时阀A控制信号255和期望阀B控制信号257，使得控制信号255、257是等效的(即平衡的)，但是应该认识到平衡器模块254可以基于控制系统300的阀222、224或其他组件的物理配置或设置，生成控制信号255、257的不同值。临时阀A控制信号255可以对应于阀A222为了实现从过热器部分A204输出的蒸汽的温度A243的期望值的设置或位置，并且阀B控制信号257可以驱动阀B224以实现从过热器部分B205输出的蒸汽的温度B244的期望值。温度A243和温度B244的期望值当然基于设置点233和实际温度228的测量值。平衡器模块254(或另一个模块或组件，如输出控制器251)可以至少提供阀B控制信号257到阀B224，以控制第二喷雾器组件211并且从而控制从过热器部分B205输出的蒸汽的温度244。

控制环路330进一步包括被配置为与平衡器模块254、输入控制器250并且可选择地与输出控制器251接口的加法器模块256。加法器模块256可以包括硬件和/或软件组件并且可以可选择地集成为输入控制器250或者输出控制器251的一部分。如图3中所示的，加法器模块256可以接收由输入控制器250输出的偏移值输出252以及由平衡器模块254输出的临时阀A控制信号255，作为输入。加法器模块256可以生成用于控制阀A222的期望阀A控制信号259。

具体地，加法器模块256可以通过将偏移值输出252应用(例如增加、减去等)到临时阀A控制信号255来修改临时阀A控制信号255。例如，如果临时阀A控制信号255指定量100并且偏移值输出252是5，则加法器模块256可以将偏移值(5)增加到临时控制信号(100)以确定为105的期望阀A控制信号259。应该认识到，可以利用其他计算、应用、确定等等来确定期望阀A控制信号259。加法器模块256(或另一个组件如输出控制器251)可以提供期望阀A控制信号259到阀A222以控制第一喷雾器部分210并且从而控制从过热器部分A204输出的蒸汽的温度243。

如本文所讨论的，平衡器模块254可以确定阀B控制信号257并且提供阀B控制信号257到阀B224以控制第二喷雾器部分211，并且加法器模块256可以确定阀A控制信号259并且提供阀A控制信号259到阀A222以控制第一喷雾器部分210。锅炉系统可能受到改进的温度控制，如通过产生温度A243、温度B244和输出蒸汽温度228所测量的改进的温度控制。在操作中，第一喷雾器部分210和第二喷雾器部分211的调整导致接近和/或满足设置点233的输出蒸汽温度228。输入控制器250、输出控制器251、平衡器模块254和加法器模块256在控制环路330中的使用降低了调整阀A和阀B的频率，因而降低总体温度差异和总体系统使用。此外，控制环路330的使用帮助增加了锅炉系统的响应时间。另外，如果存在设置点233改变，则控制环路330确定新的阀B控制信号257和新的阀A控制信号259，使得锅炉系统有效地并且实际地以降低的时间量实现期望的输出蒸汽温度228。

通常，如本文所讨论的，图3的控制环路330能够将复杂度最小化，同时仍然实现有效的锅炉系统控制。输出控制器251可以包括矩阵或其他模型，其包括用于输出控制器251的值以用于基于输出蒸汽温度288和设置点233确定单个输入蒸汽控制信号。例如如果输出蒸汽温度228是200℉并且设置点233是220℉，则输出控制器251可以确定(例如通过使用矩阵值)正在输入到最终过热器206中的蒸汽的温度应该是180℉并且因此输入阀应该被设置到50％以实现180℉的输入蒸汽温度。然而，为了控制喷雾器部分210、211，需要两个阀，即阀A222和阀B224。向输出控制器251的矩阵或模型增加附加阀的数据将指数地增加在矩阵或模型中需要的条目和/或数据的数量。通过根据偏移值252来杠杆调节用于确定偏移值252的输入控制器250和用于修改临时阀A控制信号255的加法器模块256，控制环路330可以考虑阀B控制信号257和阀A控制信号259二者，而无需输出控制器251的过于复杂的编程。换句话说，输入控制器250和加法器模块256的包括使得输出控制器251能够即使要控制两个阀也仅需要确定单个阀控制信号。

图4示出了用于控制蒸汽生成锅炉系统(如图1的蒸汽生成锅炉系统100)的示例性方法400。方法400也可以结合图3的控制系统或控制方案300来操作。方法400可以例如由控制环路330或控制器120的一个或多个组件来执行。为了清楚起见，下文同时参考图1的锅炉100以及图3的控制系统或方案300来描述方法400。

在方框480处，可以获得或接收第一输入蒸汽的第一温度243(或与之相关联的控制值)。第一输入蒸汽可以对应于从第一过热器组件204输出的蒸汽并且用作到最终过热器组件206的输入。在方框482处，可以获得或接收第二输入蒸汽的第二温度244(或与之相关联的控制值)。第二输入蒸汽可以对应于从第二过热器组件205输出的蒸汽并且还用作到最终过热器组件206的输入。在方框484处，可以获得或接收输出温度228(或与之相关联的控制值)。输出温度228可以对应于从最终过热器组件206输出的蒸汽的温度。

在方框486处，可以确定或计算基于第一温度243和第二温度244的偏移值252。具体地，控制环路330或控制器120可以基于第一温度243和第二温度244之间的差计算偏移值252，其中，在一些情况中偏移值252可以表示分别控制分别在具有第一温度243和第二温度244的蒸汽上操作的喷雾器的控制信号的差。应该认识到，可以利用对于偏移值252的其他计算。在方框488处，可以基于输出蒸汽温度228和输出温度设置点233，生成、确定或计算用于控制第一温度243和第二温度244的输入蒸汽控制信号253。输入蒸汽控制信号253可以是表示分别用于控制第一喷雾器部分210和第二喷雾器部分211的第一阀控制信号245和第二阀控制信号246并且从而控制第一温度243和第二温度244的值。

在方框490处，可以生成、确定或计算基于输入蒸汽控制信号253的第一控制信号255。在方框492处，可以生成、确定或计算基于输入蒸汽控制信号253的第二控制信号257。具体地，平衡器模块254可以基于输入蒸汽控制信号253确定第一控制信号255和第二控制信号257，因而，第一控制信号255和第二控制信号257可以相似或相等或者可以以其他方式指定用于对应的阀A222和阀B224的相同的或相等的位置，其中阀A222和阀B224分别控制分别从第一过热器组件204和第二过热器组件205输出的蒸汽的相应的喷雾器210、211。

在方框494处，可以基于偏移值252修改第一控制信号255。具体地，可以将偏移值252应用(例如增加、减少等等)于第一控制信号255。在方框496处，可以将已修改的第一控制信号259提供给第一现场设备210以控制第一温度243。在方框498处，可以将第二控制信号257提供给第二现场设备211以控制第二温度244。第一现场设备210和第二现场设备211中的每一个是用于喷雾器组件的阀(例如阀A222和阀B224)，但是应该认识到还构思了用于控制温度243、244的其他现场设备。

本文所述的控制方案、系统和方法中的每一个可应用于使用与本文所示或所述的不同的其他类型的过热器部分配置的蒸汽生成系统。因此，虽然图1-3示出了三个过热器部分，但是可以利用具有更多或更少过热器部分并且在过热器部分中使用任意其他类型的配置的锅炉系统来使用本文所述的控制方案。

此外，本文所述的控制方案、系统和方法不限于仅控制蒸汽生成锅炉系统的输出蒸汽温度。蒸汽生成锅炉系统的其他从属过程变量可以另外地或者可替换地受本文所述的控制方案、系统和方法中的任意一个控制。本文所述的控制方案、系统和方法中的每一个可以例如用于控制用于氧化氮降低的氨水的量、锅筒液面、炉子压力、节流杆压力和蒸汽生成锅炉系统的其他从属过程变量。

虽然前文描述了本发明的大量不同实施方式的详细描述，但是应该理解本发明的范围是由本专利所附的权利要求的词语限定的。详细描述被理解为仅仅是示例性的并且不是描述本发明的每个可能的实施方式，因为描述每个可能的实施方式即使不是不可能的也是不切实际的。可以使用当前技术或在本发明的递交日之后开发的技术实现多个可替换实施方式，这将仍然落入用于限定本发明的权利要求的范围中。

因此，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以在本文所述和所示的技术和结构中做出修改和变形。因此，应该理解本文所述的方法和装置仅仅是说明性的并且不是将本发明的范围限于此。

Claims (38)

1.一种用于控制蒸汽生成锅炉系统的方法，所述蒸汽生成锅炉系统具有形成到最终过热器部分的并行连接的两个主过热器部分，所述方法包括：

获得1)所述蒸汽生成锅炉系统的第一输入蒸汽的第一温度，2)所述蒸汽生成锅炉系统的第二输入蒸汽的第二温度，以及3)使用所述第一输入蒸汽和所述第二输入蒸汽生成的输出蒸汽的输出温度，所述输出蒸汽被传递到涡轮；

由控制器基于所述第一温度和所述第二温度确定偏移值；

基于所述输出温度和输出温度设置点生成用于控制所述第一温度的第一控制信号和用于控制所述第二温度的第二控制信号；

基于所述偏移值修改所述第一控制信号；

根据已修改的所述第一控制信号控制所述第一温度；并且

根据所述第二控制信号控制所述第二温度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述第一温度包括：提供已修改的所述第一控制信号给所述蒸汽生成锅炉系统的第一现场设备以控制所述第一温度；并且其中，控制所述第二温度包括：提供所述第二控制信号给所述蒸汽生成锅炉系统的第二现场设备以控制所述第二温度。

3.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述偏移值包括：使用比例积分微分(PID)控制器确定所述偏移值。

4.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述偏移值包括：使用动态矩阵控制器(DMC)确定所述偏移值。

5.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述偏移值包括：基于所述第一温度和所述第二温度确定差值。

6.如权利要求5所述的方法，其中，基于所述偏移值修改所述第一控制信号包括：将所述差值应用于与所述第一控制信号相关联的等级。

7.如权利要求1所述的方法，其中，基于所述输出温度生成用于控制所述第一温度的所述第一控制信号和用于控制所述第二温度的所述第二控制信号包括：

由动态矩阵控制器(DMC)基于所述输出温度和所述输出温度设置点生成输入蒸汽控制信号；并且

基于所述输入蒸汽控制信号生成所述第一控制信号和所述第二控制信号。

8.如权利要求7所述的方法，其中，生成所述第一控制信号和所述第二控制信号包括：分割所述输入蒸汽控制信号，使得所述第一控制信号对于所述蒸汽生成锅炉系统的第一现场设备指定与所述第二控制信号对于所述蒸汽生成锅炉系统的第二现场设备指定相同的等级。

9.如权利要求1所述的方法，其中，获得1)所述第一输入蒸汽的所述第一温度和2)所述第二输入蒸汽的所述第二温度包括：获得1)与所述第一温度相对应的第一控制值和2)与所述第二温度相对应的第二控制值。

10.一种用于蒸汽生成锅炉系统中的控制器系统，所述蒸汽生成锅炉系统具有形成到输出过热器部分的并行连接的第一输入过热器部分和第二输入过热器部分，所述控制器系统可通信地耦接到第一现场设备和第二现场设备，并且所述控制器系统包括：

控制器模块，所述控制器模块包括：

第一输入端，用于接收所述第一输入过热器部分的第一输入蒸汽的第一温度，

第二输入端，用于接收所述第二输入过热器部分的第二输入蒸汽的第二温度，

第三输入端，用于接收由所述输出过热器部分使用所述第一输入蒸汽和所述第二输入蒸汽生成的输出蒸汽的输出温度，

第四输入端，用于接收输出温度设置点，

处理逻辑，其被配置为基于所述第一温度和所述第二温度确定偏移值的，

控制例程，所述控制例程被配置为：

基于所述输出温度和所述输出温度设置点生成用于控制所述第一温度的第一控制信号和用于控制所述第二温度的第二控制信号；

基于所述偏移值修改所述第一控制信号；

第一输出端，用于提供已修改的所述第一控制信号给所述第一现场设备以控制所述第一温度；以及

第二输出端，用于提供所述第二控制信号给所述第二现场设备以控制所述第二温度。

11.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述处理逻辑实现为比例积分微分(PID)控制器。

12.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述处理逻辑实现为动态矩阵控制器(DMC)。

13.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述控制例程实现为动态矩阵控制器(DMC)。

14.如权利要求10所述的控制器系统，其中，为了确定所述偏移值，所述处理逻辑基于所述第一温度和所述第二温度确定差值。

15.如权利要求14所述的控制器系统，其中，所述控制例程包括加法器模块以修改所述第一控制信号，所述加法器模块将所述差值应用于与所述第一控制信号相关联的等级。

16.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述控制例程包括动态矩阵控制器(DMC)和平衡器模块，其中，所述DMC基于所述输出温度和所述输出温度设置点生成输入蒸汽控制信号，并且其中，所述平衡器模块基于所述输入蒸汽控制信号生成所述第一控制信号和所述第二控制信号。

17.如权利要求16所述的控制器系统，其中，所述第一控制信号对于所述第一现场设备指定与所述第二控制信号对于所述第二现场设备指定相同的等级。

18.如权利要求10所述的控制器系统，其中，为了接收所述第一输入蒸汽的所述第一温度，所述第一输入端接收与所述第一温度相对应的第一控制值，并且其中，为了接收所述第二输入蒸汽的所述第二温度，所述第二输入端接收与所述第二温度相对应的第二控制值。

19.如权利要求10所述的控制器系统，其中，所述第一现场设备和所述第二现场设备中的每一个均是用于控制喷雾器组件的阀。

20.一种蒸汽生成锅炉系统，包括：

锅炉；

第一现场设备和第二现场设备；以及

控制器，其可通信地耦接到所述锅炉、所述第一现场设备和所述第二现场设备，所述控制器包括例程，所述例程：

获得1)到所述锅炉的第一输入蒸汽的第一温度，2)到所述锅炉的第二输入蒸汽的第二温度，以及3)由所述锅炉使用所述第一输入蒸汽和所述第二输入蒸汽生成的输出蒸汽的输出温度；

基于所述第一温度和所述第二温度确定偏移值；

基于所述输出温度和输出温度设置点生成用于控制所述第一温度的第一控制信号和用于控制所述第二温度的第二控制信号；

基于所述偏移值修改所述第一控制信号；

提供已修改的所述第一控制信号给所述第一现场设备以控制所述第一温度；并且

提供所述第二控制信号给所述第二现场设备以控制所述第二温度。

21.如权利要求20所述的蒸汽生成锅炉系统，其中，所述第一现场设备和所述第二现场设备中的每一个均是用于控制喷雾器组件的阀。

22.如权利要求20所述的蒸汽生成锅炉系统，其中，所述控制器使用比例积分微分(PID)控制器和动态矩阵控制器(DMC)实现。

23.如权利要求20所述的蒸汽生成锅炉系统，其中，所述偏移值基于所述第一温度和所述第二温度的差值。

24.如权利要求23所述的蒸汽生成锅炉系统，其中，所述控制器包括加法器模块，并且其中，所述加法器模块将所述差值应用于与所述第一控制信号相关联的等级以修改所述第一控制信号。

25.如权利要求20所述的蒸汽生成锅炉系统，其中，所述控制器包括动态矩阵控制器(DMC)，并且其中，所述DMC基于所述输出温度和所述输出温度设置点生成输入蒸汽控制信号。

26.如权利要求25所述的蒸汽生成锅炉系统，其中，所述控制器包括平衡器模块，并且其中，所述平衡器模块基于所述输入蒸汽控制信号生成第一控制信号和第二控制信号。

27.如权利要求26所述的蒸汽生成锅炉系统，其中，所述第一控制信号对于所述第一现场设备指定与所述第二控制信号对于所述第二现场设备指定相同的等级。

28.如权利要求20所述的蒸汽生成锅炉系统，其中，为了获得1)所述第一输入蒸汽的所述第一温度和2)所述第二输入蒸汽的所述第二温度，所述控制器获得1)与所述第一温度相对应的第一控制值和2)与所述第二温度相对应的第二控制值。

29.一种用于控制具有连接到输出流的两个并行设置流的系统的方法，包括：

获得1)与所述系统的第一输入流相关联的第一测量值，2)与所述系统的第二输入流相关联的第二测量值，和3)使用所述第一输入流和所述第二输入流生成的输出流的输出测量值；

由控制器基于所述第一测量值和所述第二测量值确定偏移值；

基于所述输出测量值和输出测量值设置点生成用于控制所述第一测量值的第一控制信号和用于控制所述第二测量值的第二控制信号；

基于所述偏移值修改所述第一控制信号；

根据已修改的第一控制信号控制所述第一测量值；并且

根据所述第二控制信号控制所述第二测量值。

30.如权利要求29所述的方法，其中，控制所述第一测量值包括：提供已修改的所述第一控制信号给所述系统的第一现场设备以控制所述第一测量值，并且其中，控制所述第二测量值包括：提供所述第二控制信号给所述系统的第二现场设备以控制所述第二测量值。

31.如权利要求29所述的方法，其中，确定所述偏移值包括：使用比例积分微分(PID)控制器确定所述偏移值。

32.如权利要求29所述的方法，其中，确定所述偏移值包括：使用动态矩阵控制器(DMC)确定所述偏移值。

33.如权利要求29所述的方法，其中，确定所述偏移值包括：基于所述第一测量值和所述第二测量值确定差值。

34.如权利要求33所述的方法，其中，基于所述偏移值修改所述第一控制信号包括：将所述差值应用于与所述第一控制信号相关联的等级。

35.如权利要求29所述的方法，其中，基于所述输出测量值生成用于控制所述第一测量值的第一控制信号和用于控制所述第二测量值的第二控制信号包括：

由动态矩阵控制器(DMC)基于所述输出测量值和所述输出测量值设置点生成输入控制信号；并且

基于所述输入控制信号生成所述第一控制信号和所述第二控制信号。

36.如权利要求35所述的方法，其中，生成所述第一控制信号和所述第二控制信号包括：分割所述输入控制信号，使得所述第一控制信号对于所述系统的第一现场设备指定与所述第二控制信号对于所述蒸汽生成锅炉系统的第二现场设备指定相同的等级。

37.如权利要求29所述的方法，其中，获得1)与所述第一输入流相关联的第一测量值和2)与所述第二输入流相关联的第二测量值包括：获得1)第一温度或第一流速中的一个和2)第二温度或第二流速中的一个。

38.如权利要求29所述的方法，其中，获得1)与所述第一输入流相关联的第一测量值和2)与所述第二输入流相关联的第二测量值包括：获得1)与所述第一测量值相对应的第一控制值和2)与所述第二测量值相对应的第二控制值。