CN104949094B - 用于蒸汽发电厂的蒸汽产生器的多参量状态调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节蒸汽发电厂(2)的蒸汽产生器(1)的多个状态参量的方法和装置。为了实现多个状态参量的稳定和精确调节，本发明在多个状态参量的调节中从多参量调节/调节器(3)出发并且对于该多参量调节/调节器采用线性二次型调节器。

Description

用于蒸汽发电厂的蒸汽产生器的多参量状态调节器

技术领域

本发明涉及一种用于调节蒸汽发电厂的蒸汽产生器的多个状态参量的方法和装置。

背景技术

蒸汽发电厂例如从http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfkraftwerk(在2014年3月21日获得的)广泛公知。

蒸汽发电厂是一种从化石燃料产生电流的电厂，其中水蒸气的热能在通常多部分的汽轮机中被转换为动能并且进一步在发电机中转换为电能。

在这样的蒸汽发电厂中，在燃烧室中燃烧燃料，例如煤，由此释放热。

由此释放的热被蒸汽产生器，即，在由蒸发器(部分)，简称为蒸发器，和(必要时多级的)过热器(部分)，简称为过热器组成的发电厂锅炉中，被吸收。

在蒸发器中，馈入到那里的事先清洁的和处理的(给)水被转换为水蒸气/高压蒸汽。

通过水蒸气/高压蒸气在过热器中的进一步加热，蒸汽被带入到对于“消耗器”所需的温度，其中蒸汽的温度和特定体积上升。蒸汽的过热通过如下进行，即，蒸汽在多个级中通过加热的集束管引导，即所谓的过热级。

这样产生的高压(新)蒸汽进一步进入到蒸汽发电厂中的通常多部分的蒸汽涡轮机并且在那里在减压和冷却的条件下做机械功。

公知的是，为了调节蒸汽发电厂，即，为了调节如给水或(新)蒸汽的那里的(物理的)状态参量，诸如温度或压力，对于每个调节任务，原则上设置单个和唯一对应的调节器(单参量状态调节器/调节；单输入-单输出-调节器/调节回路(SISO))。

在蒸汽发电厂中蒸汽温度(调节参量)的这样的(单参量状态)调节例如经过喷射冷却器的相应的喷射阀喷射通过将水(调整参量)喷射到在蒸汽产生器之前的或在蒸发器和过热器级之前的蒸汽管道中来进行。在蒸汽发电厂中蒸汽压力的(另)一个(单参量状态)调节例如通过将燃料/质量流输送到蒸汽产生器的燃烧室中进行。

从EP 2 244 011 A1公知一种蒸汽发电厂中蒸汽温度(以喷射质量流作为调整参量)的这样的(单参量)状态调节。

在EP 2 244 011 A1中该(单参量)状态调节设置线性二次型调节器(LQR)。

LQR是状态调节器，这样确定其参数，使得对于调节质量的品质因数被优化。

对于线性二次型调节的品质因数在此也关注参量、即调整参量u和调节参量y的关系。在此，通过Q_y和R矩阵确定优先性。品质值J按照如下确定：

为此的通过线性二次型调节解决的静态优化问题为：

(其中K作为调节矩阵并且x₀作为初始状态)。此外公知，在(单参量)状态调节情况下使用的、但是不可测量的状态参量，诸如过热器中蒸汽状态/温度，借助观察器电路或借助观察器(状态观察器)来估计。

作为观察器，(对于蒸汽发电厂的过热器中的这些不可测量的蒸汽状态/温度)，在EP 2 244 011 A1中使用卡尔曼滤波器，其同样按照LQR原理设计。LQR与卡尔曼滤波器的共同作用被称为LQG(线性二次型高斯)算法。

但是，按照EP 2 244 011 A1采用的，LQG方法涉及线性调节问题，而喷射质量流作为(单参量)状态调节的调整参量以非线性方式作用于调节参量温度。

通过，按照EP 2 244 011 A1进一步还设置的、所有温度测量和额定值到焓的前后一致的换算，实现调节问题的线性化，因为在喷射质量流和蒸汽焓之间存在线性关系。

从温度到焓的换算在此借助相应的水/蒸汽-表-关系，在使用测量的蒸汽压力的条件下进行。

在EP 2 244 011 A1中始终在线地在使用分别当前的测量值的条件下进行在状态调节器中反馈矩阵(调节矩阵)的计算，以及在相应地按照状态调节器的LQR原理构建的、最终通过其示出调节器的观察器中的相应的反馈矩阵(观察器矩阵)的计算。

在EP 2 244 011 A1中，调节器由此始终与蒸汽发电厂的实际的运行条件匹配。例如动态的过热器特性的取决于负荷的变化由此被自动考虑。

通过反馈矩阵的该在线计算，在EP 2 244 011 A1中实现了调节算法的鲁棒性的提高。

直接作用于过热器的干扰，通过如下来表达：逐渐加热全长即，在过热器出口和入口之间焓的比，发生改变。

在此EP 2 244 011 A1中在此设置，不仅沿着过热器的状态或温度被估计(状态观察器)，而且附加地将干扰或干扰参量作为其他状态来定义并且借助观察器来估计(干扰参量观察器)。

由此对于相应的干扰可以非常快、精确但是同时鲁棒地反应。

基于按照EP 2 244 011 A1的该调节算法通过描述的措施(线性化、在线计算、干扰参量估计)而是非常鲁棒的这一事实，在蒸汽发电厂启动时仅必须调整非常少的参量。启动时间和开销由此被明显降低。

但是因为各个(单参量)状态调节的多个，但是单个的调节回路(例如在蒸汽发电厂中)经过共同的调节系统，如蒸汽产生器，互相耦合，所以必定发生各个调节器的互相影响。

例如在蒸汽发电厂的燃烧室中的压力经过抽风机(Saugzug)的调节，受到经过蒸汽发电厂的新空气通风装置进行的新空气输送的调节的强烈影响。在蒸汽发电厂中提高的燃料质量流不仅导致提高的蒸汽生产，而且其还影响在蒸汽发电厂中的蒸汽温度，其应当借助喷射保持恒定。给水质量流借助给水泵的调节和给水压力借助给水调节阀的调节也互相依赖。

用于考虑在各个调节之间的这些出现的横向影响的方案在于有针对地考虑耦合和其有针对的施加。

这在调节技术上通过使用具有在调节结构中或在调节回路之间的退耦分支的所谓的退耦网络进行。

退耦支路的设计，即，参数化，取决于所考察的系统的实际上动态的处理特性并且在(发电厂)调节的启动时必须被考虑。

在参数化中进行设备试验。试验结果的评估然后提供关于如下的知识，即哪些参数要被改变到什么程度。参数然后被一直手动调整，直到调节达到了尽可能好的退耦。

参数化(在时间上)麻烦并且相应贵。

用于考虑在各个调节器/调节之间出现的横向影响的另一个方案在于使用多参量调节器，其中多个状态参量同时被调节(多输入多输出调节器/调节回路(MIMO))。

在此，即，在这些已知的多参量调节器的情况中，证明为不利的是，通常大多只能通过麻烦的测试来确定在(多个)输入参量和多个输出参量以及必要时(多个)干扰参量之间的传输函数。此外，在此只能困难地考虑非线性或负荷依赖关系。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出在蒸汽发电厂的蒸汽产生器中的调节，其克服现有技术的缺陷，特别是其可以精确以及稳定地调节蒸汽发电厂的蒸汽产生器中的多个状态参量以及其也可以成本低和时间高效地实现和应用。

该技术问题通过按照本发明的用于调节在蒸汽发电厂的蒸汽产生器中的多个状态参量的方法和装置解决。

按照本发明的装置特别地适合于执行按照本发明的方法或其后解释的扩展，以及按照本发明的方法特别地适合于，在按照本发明的装置或其后面解释的扩展上执行。

本发明的优选扩展从实施例中得到。扩展既涉及按照本发明的方法也涉及按照本发明的装置。

本发明和描述的扩展既可以按照软件也可以按照硬件，例如在使用特殊电路或(计算)部件的条件下实现。

此外本发明或描述的扩展可以通过基于计算机的存储介质实现，在其上存储了执行本发明或扩展的计算机程序。

本发明和/或每个描述的扩展也可以通过计算机程序产品实现，其具有存储介质，在其上存储了执行本发明和/或扩展的计算机程序。

在按照本发明的用于调节在蒸汽发电厂的蒸汽产生器中的多个状态参量的方法中或在按照本发明的用于调节在蒸汽发电厂的蒸汽产生器中的多个状态参量的装置中，多个状态参量在使用多参量状态调节器(简称为多参量调节器)的条件下被调节或设置多参量状态调节器(也简称为多参量调节器)，其调节多个状态参量。多参量调节器在此是线性二次型调节器。

作为多参量状态调节器(MIMO)，可以理解为这样的调节器，在所述调节器中多个状态参量同时被调节，其中取消多个调整参量与多个调节参量的清晰对应。全部的调整和调节参量(在多参量状态调节器中)互相(经过各自的调节误差)相关联，由此在单个调节(SISO)之间的物理的耦合被考虑。

多参量调节器按照本发明方法或本发明装置是线性二次型调节器。

本发明在对蒸汽发电厂的蒸汽产生器中的多个状态参量，诸如(新)蒸汽温度或过热器出口温度、(新)蒸汽压力和蒸发器出口焓进行调节时从多参量调节/调节器出发。对于该多参量调节/调节器，在此采用线性二次型调节器。

这样的线性二次型调节器(LQR)是(状态)调节器，其参数可以这样被确定，即，对于调节质量的品质因数被优化。由此可以实现既精确的又稳定的调节。

为了计算调节矩阵，可以将多参量状态调节中的LQR的反馈矩阵转换为一组标量方程，即所谓的矩阵-里卡蒂方程。

由此以有利的方式可以使得“数学(计算)部件”简单。

当人们如在此那样利用“反馈”方案，即，利用(状态)反馈，着手该问题时，该矩阵-里卡蒂方程由在连续、单侧无限的时间区间上的线性二次型优化控制问题组成。

即，本发明以在多参量调节中的其线性二次型调节器(LQR)，对于(整个)蒸汽产生器的高度复杂的状态调节，这样实现“干净执行的”非线性MIMO方案。由此(蒸汽产生)过程的所有耦合可以被考虑，并且这样省去了经典的退耦，所述退耦是否则会需要的，以优化每个单个SISO调节回路。

通过按照本发明的方法以及通过按照本发明的装置，由此将线性二次型调节器提供的优点(一方面)，即，其调节质量，其鲁棒性以及用于启动的小的开销，包括或“转用”到多参量状态调节中，连同另一方面在那里的优点，如：耦合的状态参量的同时的可调节性，并且由此克服初始的、公知的多参量状态调节的公知的缺陷，如传输函数的麻烦的确定和对非线性或负荷依赖性的限制的可考虑性。

通过本发明大大减少了计算时间、计算部件和存储容量需求，这由此也得到明显的成本降低。

按照一种扩展，作为在多参量状态调节器中的调节系统，可以使用蒸汽发电厂的蒸汽产生器的模型。

待建模的蒸汽产生器，以及相应的模型，在此可以包括至少一个蒸发器(部件)、简称为蒸发器，和(必要时多级的，例如三、四或五级的)过热器(部件)，简称为过热器。必要时蒸汽产生器，以及一起建模地，可以具有加热器(部件)，简称为加热器，和/或锅炉。特别优选地，在蒸汽产生器模型中蒸汽产生器在空间上离散到多个(具有质量和/或体积的)元件，特别是具有恒定的体积。

对于(体积)元件，可以设立或求解能量和/或质量平衡。(体积)元件也可以通过分别一个焓描述(能量存储器)。

为了反映蒸汽产生器中的管道布置(Berohrung)，和由此反应从烟气到蒸汽的热传输的延迟，可以将(体积)元件分别对应于一个铁块(Eisenmasse)。

(体积)元件可以互相经过质量流以及焓耦合/被耦合。

如果基于这样的由这些可耦合的(体积)元件构成的蒸汽产生器模型，则由此可以实现可任意缩放的模型，其可以对于不同构建的蒸汽产生器(过热器的数量和大小，喷射的数量，多股设备(Anlagen))被配置。

压力p在蒸汽产生器模型中可以通过集中式的压力存储器来建模。

优选地，还可以设置，多个通过多参量状态调节器调节的状态参量(调节参量)是至少一个(新)蒸汽温度或过热器出口温度(温度调节器/调节)、(新)蒸汽压力(压力调节器/调节)和蒸发器出口焓(焓调节器/调节)。

换言之，在该情况中多参量状态调节器包括/“组合”(新)用于(经过喷射)蒸汽温度或过热器出口温度、(新)蒸汽压力和蒸发器出口焓的(多个)调节回路。

特别地当要“组合”(为多参量状态调节器)的各个调节回路/调节器，具有如示例地在前面提到的同类结构(诸如对于状态参量和/或干扰参量的观察器)，如干扰参量的作为用于避免剩余调节偏差的静态预控制的、“准静态的”施加，按照预控制对额定状态的计算，或者调节到额定状态并带入为此期望的动态的状态调节器时，其组合时特别简单的。

在多参量状态调节器中调整参量的数量可以取决于蒸汽产生器模型的构造。优选地，多参量状态调节器的调整参量可以是至少一个燃料质量流、喷射质量流(或多个喷射质量流)和给水质量流。

至少一个、两个或多个调整参量，特别是所有调整参量，在此，特别地可以被静态或动态地预控制。

即，例如在静态预控制的情况下，静态预控制产生调整参量，其使得蒸汽产生器保持在当前的工作点。于是设置多参量状态调节器，其由两个“独立的部件”组成，即，静态预控制和(本来的)多参量状态调节器，其中其然后将(来自静态预控制的)“其余”偏移修正(ausregelt)到当前工作点。

以这种方式，将(多参量)状态调节关于将干扰调节掉的优点与经典的PI调节的静态精确性组合。

也可以，特别地对于与静态预控制结合的多参量状态调节，设置，将调节参量的额定值集中式地预先给出(集中式的额定值预先给出)。

集中式的额定值预先给出于是可以满足两种任务：一个是，其由静态的引导和干扰参量施加组成。这产生调整参量，其将调节系统带入到额定状态。另一个是，对于模型的每个状态计算所属的额定值。这些额定值然后对于在多参量状态调节中的额定值-实际值-比较被使用。

因为多参量状态调节的反馈的介质状态，特别是蒸汽沿着特别是多级的过热器的温度、压力和/或焓，是不可测量的，所以蒸汽的多个介质状态可以借助观察器确定或“估计”(状态观察器)，特别是借助独立于多参量状态调节器工作的观察器。

此外也可以将定义为其他(过程)状态的干扰或干扰参量借助这样的观察器来估计(干扰参量观察器)。

这些干扰参量在此例如既可以是在蒸汽产生器中的实际的干扰参量，诸如从烟气被传输的具有波动的热流，也可以是其他未精确建模的参量，诸如喷射质量流或输出质量流。

虽然可以被测量但是其测量具有不精确性的状态，也可以借助观察器来估计。

该(状态/干扰参量)观察器具有任务，即，通过基础的模型，诸如蒸汽产生器模型，借助测量数据，观察或估计系统的状态参量和/或干扰参量。

术语“估计”、“计算”和“确定”在以下关于观察器作为同义词使用。

该“观察器概念”的优点在于，可以非常快速和精确地对作用于蒸汽产生器的干扰做出反应，人们作为模型使用该蒸汽产生器。

如果人们将多参量状态调节器理解为基于状态空间显示对调节参量进行调节的调节回路，则调节系统的状态可以通过观察器被传输、也就是反馈到调节系统。

与调节系统一起形成调节回路的反馈，通过代替测量装置的观察器和本来的多参量状态调节器发生。

观察器于是可以计算系统的状态，在该情况中例如是在蒸汽产生器中或沿着蒸汽产生器的蒸汽的状态，以及干扰参量。

观察器可以包括状态-差分方程、输出方程和观察器矢量。观察器的输出与调节系统的输出比较。差通过观察器矢量作用于状态-差分方程。

优选地，作为观察器，可以使用卡尔曼滤波器(简称KF)。

如果(简单/经典的)卡尔曼滤波器以线性系统为前提并且然而模型、诸如蒸汽产生器的模型，大多是非线性的，则可以使用扩展的卡尔曼滤波器(简称KF)，其显示KF线性模型到非线性模型的扩展。

在EKF中的该扩展在于(非线性)模型的线性化，其在每个时间步骤中可以重新被计算，即，模型以其当前的状态被线性化。

该扩展的卡尔曼滤波器于是可以作为状态和干扰参量观察器被使用。

在本发明的一种特别有利的实施方式中，观察器是根据线性二次型或线性状态反馈设计的卡尔曼滤波器。简化/修改的线性二次型、即线性调节器，与卡尔曼滤波器的共同作用被称为LQG(线性二次型高斯)算法。

按照另一个构造可以设置，在用来确定蒸汽的多个介质状态(状态观察器)和/或干扰参量(干扰参量观察器)的观察器中，使用蒸汽产生器的调节系统的模型。

对其他干扰的观察，例如在吹煤灰，燃料更换等的情况下，在此不受限制。

卡尔曼滤波器可以通过以权重矩阵形式的两个(恒定的)权重系数来调整。

占据第一对角线的协方差矩阵可以说明观察器模型的状态噪声的协方差(第一权重矩阵)。对于通过模型方程很好描述的状态，可以选择较小的值。较不精确建模的状态以及纯的干扰参量可以基于较高的随机偏差而对应于协方差矩阵中较大的值。

测量噪声的协方差矩阵(第二权重矩阵)同样可以占据对角线。大的值在此意味着具有强烈噪声的测量，从而宁愿相信通过模型的预测在小的值(和由此可靠的测量)的情况下可以相应地更尖锐地修正观察器误差。

为了调整观察器的速度，可以特别是借助系数改变两个权重/协方差矩阵的比。矩阵内部各个状态和测量参量的权重也可以调谐。然而共同作用是复杂的，从而出于可简单参数化的原因，可以为通过系数的调谐给出优先。

有利地，通过蒸汽发电厂的控制技术执行与按照本发明的多参量状态调节有关的计算。控制技术在此可以是在其常规运行中控制蒸汽发电厂的控制系统。

至此给出的对本发明的有利的构造的描述包含大量特征，所述特征在各个实施例中部分地综合为多个地被反映。然而本领域技术人员也可以将这些特征按照目的单个地考虑并且综合为有意义的其他组合。

特别地，这些特征可以分别单个地和按照与按照本发明的方法和/或与按照本发明的装置的任意合适的组合而被组合。

附图说明

以下根据在附图中示出的实施例详细描述本发明。其中：

图1示出了在具有蒸发器和三个过热器(以及调节系统)的发电厂模块/蒸汽发电厂中的蒸汽产生器(以及蒸汽产生器模型)的原理图，

图2示出多参量状态调节的示意图，

图3示出具有静态预调节和多参量状态调节以及具有总系统观察器(状态/干扰参量观察器)的多参量状态调节/调节器的总调节结构，

图4示出蒸汽产生器模型的原理图，

图5示出作为总系统观察器的扩展的卡尔曼滤波器的原理图，

图6示出多参量状态调节/调节器的参量列表，

图7示出具有煤燃烧的扩展的蒸汽产生器模型，

图8示出了具有测量的和观察的(虚线)参量的温度调节器/过热器出口温度调节器(调节技术的过程模型)，

图9示出了具有测量的和观察的(虚线)参量的蒸发器出口焓调节器(调节技术的过程模型)，和

图10示出了具有测量的和观察的(虚线)参量的新蒸汽压力调节器(调节技术的过程模型)。

具体实施方式

用于燃煤发电厂模块的模块调节的多参量状态调节

-蒸汽产生器结构

图1示出了蒸汽发电厂2的，在该情况中是燃煤发电厂模块的部分的示意图，具有蒸汽产生器1(图1也模型示出蒸汽产生器1)。

蒸汽产生器1由蒸发器(VD,7)和过热器(UH,4,5,6)组成，所述过热器在此是三级的过热器((UH,4,5,6)以下为简单起见称为第一、第二和第三过热器(UH14,UH25,UH36)))，具有两个喷射(在第二和第三过热器中，Einsp1/喷射1 14，Einsp2/喷射2 15)。

给水(SPW)流入到蒸发器7中并且在那里通过热Q的吸收而被蒸发。通过调节阀(未示出)可以调整流入的给水质量流(m(P)_SPW)。

进一步地，(继续流动的)蒸汽(D)，通过热Q的进一步吸收，在蒸汽产生器1的三个过热器4,5,6中被过热为新蒸汽(FD)并且从过热器4,5,6/第三过热器6或从蒸汽产生器1流出(m(p)_FD)。

热的吸收或传输或其在蒸发器VD 7或在过热器4,5,6中的水平可以通过燃料质量流(m(p)_b)调整。

然后，在从过热器4,5,6、第三过热器6或蒸汽产生器1出来后，新蒸汽(FD)被传输到蒸汽涡轮机(未示出)。

借助喷射冷却15、16，将水，在第二和第三过热器5，6中，喷射到蒸汽中并且这样使得蒸汽冷却。喷射到各自的(第二或第三)过热器5，6中的水的量(喷射质量流，m(P)_Einsp1或2)通过相应的调节阀(未示出)调整。

仅为了更好区分，在以下将(在蒸发器7之后和)在过热器/第一过热器4之前的蒸汽称为蒸汽(D)和在过热器4、5、6/第三过热器6之后的蒸汽称为新蒸汽(FD)，(在蒸发器7之前介质是给水(SPW))，其中强调，本发明在以下描述的实施方式中当然同样可以应用于人们可能不会称为新蒸汽的蒸汽。

温度传感器(未示出)和压力传感器(未示出)测量在蒸发器7之前和之后的给水或蒸汽的温度T_SPW,T_VD或压力p_SPW,p_VD。温度传感器(未示出)和压力传感器(未示出)测量在过热器4,5,6之后的蒸汽的新蒸汽温度T_FD或新蒸汽压力p_FD。传感器(未示出)测量给水质量流m(P)_SPW。

焓值h可以借助水-蒸汽-表从温度和压力值计算，从而通过该传感技术也可以间接“测量”给水焓或蒸发器入口焓h_SPW和新蒸汽焓或过热器出口焓h_FD。

其设备技术的(模型)结构在图1中被示出的蒸汽产生器模型，基于(由蒸发器7和三个过热器4、5、6组成的)蒸汽产生器1到具有恒定体积的元件(以下利用“VE”表示体积元件)的空间离散化等。

蒸发器7可以包括未示出的预热器。然而这对于本发明是不重要的，并且在以下将术语“蒸发器”也理解为由具有预热器的蒸发器组成的系统。

-模块调节

在燃煤发电厂模块中的模块调节通过多参量状态调节3进行，其包括调节回路，新蒸汽压力，蒸发器出口焓和过热器出口温度(通过喷射)(参见图8至10)。

图2示出了具有其调节和调整参量的该多参量状态调节器3的原理。

在该多参量状态调节器(MIMO)3中，状态或调节参量、新蒸汽压力p_FD、蒸发器出口焓h_VD和过热器出口温度T_UH1/2/3同时被调节，其中取消从调整参量，即，燃料质量流m(P)_b、过热器喷射质量流m(P)_i,UH2/UH3和给水质量流m(P)_spw到调节参量，即，新蒸汽压力、蒸发器出口焓和过热器出口温度的清楚对应。

全部调整和调节参量(在多参量状态调节器3中)互相(通过各自的调节误差)相关联，由此在单调节(SISO，新蒸汽压力调节、蒸发器出口焓调节和过热器出口温度调节)之间的物理耦合被考虑。

多参量状态调节器3，如图2还示出的，是线性二次型调节器或“Linear QuadraticRegulator”(LQR)。即，这样确定多参量状态调节器的反馈矩阵，即，其具有线性二次型调节器的调节品质。

这样的线性二次型调节器或“Linear Quadratic Regulator”(LQR)是(状态)调节器，可以这样确定其参数，即，对于调节质量的品质因数被优化。

对于线性二次型调节的品质因数在此还注意参量，即调整参量u和调节参量y，的关系。在此，优先性可以通过Q_y和R矩阵确定。品质值J按照如下确定：

通过线性二次型调节解决的对此的静态优化问题是：

(其中K作为调节矩阵并且x₀作为初始状态)。为了计算调节矩阵，在多参量状态调节3中将LQR的反馈矩阵转换为一组标量方程，所谓的矩阵-里卡蒂-方程并且求解。

当人们如在此那样利用“反馈”方案，即，利用(状态)反馈，着手该问题时，该矩阵-里卡蒂方程由在连续、单侧无限的时间区间上的线性二次型优化控制问题组成。

图3示出了多参量状态调节/调节器3的总调节结构，具有其部件、蒸汽产生器/模型9、总系统观察器(状态/干扰参量观察器)10、集中式的额定值预先给出11和(本来的)多参量状态调节器(于是仅简称为状态调节器12)。

在以下列出也使用以下术语的参量：

测量的参量通过名词“mess”、额定值通过名词“soll”，控制参量通过名词“steuerung”，调节参量通过名词“regelung”和观察参数通过名词“obs”表示。“b”代表燃料,“SPW”代表给水,“FD”代表新蒸汽,“p”代表压力,“h”代表焓,“m”代表质量,“Q”代表热并且“T”代表温度。流通过(P)表示。

图6还列出了对于多参量状态调节/调节器3的总调节结构的使用的参量。

-蒸汽产生器模型9(图1、图4)

其设备技术的(模型)结构在图1中被示出的蒸汽产生器模型9，基于(由蒸发器7和三个过热器4、5、6组成的)蒸汽产生器1到具有恒定体积的(以下利用“VE”表示体积元件)以及中央的压力存储器DSP的元件的空间离散化等。

图4示出了蒸汽产生器模型9的该“VE/DSP”结构。在蒸汽产生器模型9中或在体积元件VE和压力存储器DSP中的输入参量和状态参量通过相对的实线表示(输入参量(\)、状态参量(/))。

具有下标k的VE由通过焓h_a,k描述的储能器组成。此外其通过其质量m_a,k和其体积V_a,k定义。

为简单起见，“流”在状态参量/输入参量中通过(P)或通过上面的点表示。

输入参量是通过烟气的外部的热输送Q(P)_k、从外部流入的或向外部流出的质量流m(P)_i,k和m(P)_o,k以及属于质量流m(P)_i,k的比焓h_i,k。

焓值可以借助水-蒸汽-表从温度和压力值计算。

为了反映蒸汽产生器中的管道布置，和由此从烟气到蒸汽的热传输的延迟，可以将每个VE分别对应于一个铁块。铁块通过其温度T_E,k和其质量m_E,k表示。

然而它们不是蒸汽产生器模块9的其他状态参量，而是可以理解为计算中的辅助参量。

由铁块作用于蒸汽的热流，利用Q(P)_E,k表示。每个VE的焓由此附加地取决于Q(P)_E,k。

压力p通过中央的压力存储器DSP建模。VE互相通过质量流m(P)_VE,k以及焓h_a,k耦合：在n个VE的情况下，由此在单个VE之间存在n+1个状态(压力和焓)和n-1个质量流。

首先给出进一步通过对于体积元件VE设立的质量和能量平衡而设立的蒸汽产生器模型9的模型方程，其然后被转换为矩阵表示。

--模型方程

通过具有质量m_a,k的体积元件VE的质量平衡：

以及对于体积元件VE的能量平衡：

对于每个体积元件VE，对于状态方程得到：

其中，在质量和能量平衡中的未知参量是在VE m(P)_VE,k-1和m(P)_VE,k之间的质量流，其可以通过在VE中存储的质量的压力依赖关系，借助于水蒸汽表被确定。

在三个体积元件的情况下，人们由此得到对于三个未知数的三个方程，即，在VE之间的两个质量流和压力的时间导数。

由此唯一地确定所有参量。

从模型方程中，蒸汽产生器模型9可以任意缩放。这意味着，蒸汽产生器模型9可以对于不同构建的蒸汽产生器(过热器的数量和大小、喷射的数量、多股的设备)被配置。

--矩阵表示

质量平衡到矩阵表示的转换提供：

能量平衡到矩阵表示的转换提供：

从中可以利用以下来给出模型的矩阵方程：

D_i＝[-C_pB^-1 _pmB_i；A_i-A_mC_mB^-1 _pmB_i]

D₀＝[-C_pB^-1 _pmB₀；A₀-A_mC_mB^-1 _pmB₀]

D_Q＝[-C_pB^-1 _pmB_Q；A_Q-A_mC_mB^-1 _pmB_Q]

矩阵D_i,D_o和D_Q取决于焓和压力，也就是状态，然而既不取决于来回流动的质量流也不取决于热流。如果人们将参量综合到一个矢量中，则对于非线性蒸汽产生器模型9得到：

对于(总)观察器设计，必须将蒸汽产生器模型9围绕当前的工作点x_o,u_o线性化17。线性化后的方程为：

-总系统观察器(图5)10

图5示出了作为状态观察器以及作为干扰参量观察器10(总系统观察器，简称为观察器10)被采用的扩展的卡尔曼滤波器(EKF)13。

(经典的)卡尔曼滤波器是状态和干扰参量观察器。其任务是，通过基础的模型，借助测量数据，观察或估计系统的状态参量以及干扰参量。

经典的卡尔曼滤波器以线性系统为前提。

因为蒸汽产生器的模型是非线性的，所以在本情况中采用扩展的卡尔曼滤波器13。

图5以实线示出了经典的“线性”卡尔曼滤波器的结构；虚线的信号路径和模块表示到非线性模型的扩展。

该扩展在于模型17的线性化，其在每个时间步骤中被重新计算，即，(非线性)模型21围绕其当前状态被线性化17。换言之，观察器方案基于非线性观察器21，其在每个时间步骤中围绕工作点被线性化17并且于是对于观察器10和调节器3或12提供系统矩阵。

EKF 13的输入参量是系统的测量的输入和输出参量。由观察器10输出的状态和干扰参量是，燃烧(x_Feuer)、压力(p)、焓(h)-状态参量；喷射((m(p)_Einsp,新蒸汽质量流(m(P)_FD)，热流(Q(P)_n)-干扰参量)。

如图5示出的，由线性化模型17(A_de,B_de)、燃烧模型18以及干扰参量模型19形成观察器模型(A_ds′,B_ds′)20。

基于该观察器模型20，计算观察器放大L。

通过该观察器放大L，观察器误差e_obs，即，在测量数据和模型输出之间的偏差，被施加到非线性模型17。

该施加的校正项Le_obs一方面由非线性模型的状态的校正，另一方面由作用于模型的估计的干扰参量组成。

通过该施加，在模型和实际过程之间的偏差被补偿。

卡尔曼滤波器的设计可以通过双系统的概念而援用LQR的设计。该设计基于矩阵-里卡蒂-差分方程22的解：

其中L从解P_obs中按照：

L＝(R_obs ^-1B_ds'P_obs)′

而得到。

在观察器10中使用描述的蒸汽产生器模型9(参见图1)。

因为热流Q(P)仅是一个内部的参量并且从燃料质量流m(P)_b得到，所以蒸汽产生器模型9必须与此相关地相应被扩展。

图7示出与此相关被扩展的蒸汽产生器模型9'。

煤燃烧和热传递，即，燃料质量流m(P)_b到热流Q(P)的传输特性，通过具有时间常数T_feuer的三阶延迟单元14描述。

本来的PT3单元14的输出是一个标量，但是通过恒定的分布矩阵Q₀被分布到各个VE。

燃烧模型18或PT3单元14的差分方程如下：

其中PT3单元的状态在此利用x_feuer(燃烧)表示。

观察器10中的状态矢量由此被扩展了x_feuer并且由此按照以下构造：

其中:

除了状态观察，EKF 13还用作为干扰参量观察器。

作为干扰参量，在此既有实际的干扰参量，诸如由烟气传输的具有波动的热流，又有其他未精确建模的参量。这在此符合喷射质量流。喷射质量流虽然被测量，但是由于缺少精度，在此优选通过EKF 13进行估计。等效物对于同样被估计的输出质量流m(P)_FD同样成立。

观察的状态参量以及估计的干扰参量同时是观察器10的输出参量。

占据第一对角线的协方差矩阵Q_obs可以说明观察器模型的状态噪声的协方差。对于通过模型方程很好描述的状态，可以选择较小的值。较不精确建模的状态以及纯的干扰参量可以由于较高的随机偏差而对应于协方差矩阵中较大的值。

测量噪声的协方差矩阵R_obs同样可以占据对角线。大的值在此意味着具有强烈噪声的测量，从而宁愿相信通过模型的预测。在小的值(和由此可靠的测量)的情况下可以相应地更尖锐地校正观察器误差。

项Q_obs和R_obs在此分别本身仍然是对角线矩阵，其维度取决于状态的数量或温度测量点的数量。

为了调整观察器10的速度，通过系数α_obs，改变协方差矩阵之间的比。矩阵内部各个状态和测量参量的权重理论上也可以调谐。然而共同作用是复杂的，从而出于可简单参数化的原因，应当仅通过系数α_obs调谐。

-概念多参量状态调节器3(参见图2)

多参量状态调节器3(图2)的调节概念基于对于单调节、新蒸汽压力、蒸发器出口焓和过热器出口温度(通过喷射)(参见图8至10)的单个LQG观察器调节器的概念，其相应地被扩展为本多参量系统(总观察器10替代单个LQR-观察器-调节器的观察器)。

调节参量是新蒸汽压力、蒸发器出口焓和过热器出口温度。

功率(或新蒸汽质量流)通过假定为理想的涡轮机阀调节。由此新蒸汽质量流和由此系统的输入参量被预先给出。

除了燃料和给水质量流之外，(到过热器5、6中的)多个喷射作为调整参量。对于喷射质量流，还存在额定值，其在静态状态中应当被遵守。

-单调节(新蒸汽压力、蒸发器出口焓和过热器出口温度(通过喷射))(图8至10)

--过热器出口温度调节器/(简称)温度调节器(图8)

在温度调节(过热器出口温度调节)的级联结构中，如图8所示，温度调节器对于每个过热器级的喷射冷却的基础调节产生额定值。

温度调节器以焓参量工作，从而，首先需要(只要已测量/可测量，否则通过观察器)从测量的/观察的温度值和所属的压力中，借助水-蒸汽-表计算其。

为了观察器估计，在过热器4、5、6中在三个点上的蒸汽焓通过观察器重建(在将过热器的长度在空间上分成三份的情况下)。

图8示出了温度调节器(调节技术的过程模型(具有调节器单元14))，其中由温度调节器使用的观察的参量用虚线标记。

在喷射冷却之后的蒸汽焓h_NK或在蒸发器之后的蒸汽焓h_VD以及出口焓h_FD(h₁)此外作为测量参量呈现，中间参量h₂和h₃是通过观察器估计的参量。

然而关于烟气q_F的热功率存在区别。其不是由观察器作为特殊的参量确定，而是作为绝对值。但是因为温度调节器期望特殊的参量，所以值必须首先借助在体积元件VE之间的同样观察的质量流m(p)来计算。

--蒸发器出口焓调节器/(简称)焓调节器(图9)

焓调节器的任务是，将在蒸发器出口处的焓借助给水质量流调节到额定值。

类似于温度调节器，焓调节器需要在蒸发器7中三个点处的焓值。除了在蒸发器出口处的测量的值，存在的观察器重建在蒸发器7的长度的1/3或2/3处的焓值。

为了多参量状态调节器3的总系统观察器10也已知相应的焓值，模型必须以三个状态(即体积元件)的多倍来参数化。

图9示出了焓调节器的调节技术的过程模型，其中由其使用的观察的参量用虚线标记。

输入和输出焓h_vECO和x₁作为测量参量呈现给调节器，中间焓x₂和x₃和质量流m(P)₁,m(P)₂,m(P)₃由观察器估计。

--新蒸汽压力调节器/(简称)压力调节器(图10)

燃料质量流m(P)_b用作为用于调节新蒸汽压力的调整参量引导到涡轮机上的新蒸汽质量流m(P)_FD作为干扰参量作用于压力。

燃料到热功率的转换的动力学通过三阶延迟单元14反映。

图10示出了压力调节器的调节技术的过程模型，其中由其使用的观察的参量用虚线标记。

该单个LQG观察器状态-调节器被这样匹配，使得其可以利用总系统观察器10替代其本来的观察器来仿真。因为其基于相似的模型，所以仅需要较小的匹配。

多测量状态调节器3的调节概念拟定由两个独立的部件，即，静态的预控制器8和(本来的)多参量状态调节器12(仅简称为状态调节器12)组成的调节器(参见图3)。

以这种方式，状态调节的关于将干扰调节掉的优点与经典的PI调节的静态精确性组合。

-预控制8/集中式的额定值预先给出11

集中式的额定值预先给出11如图3所示满足两种任务。

一个是，其由静态的引导和干扰参量施加(Führungs-und )组成。这基于引导参量和观察器输出产生调整参量(u_控制)，其将调节系统带入8到额定状态。

另一个是，仍然基于引导参量和估计的干扰参量，对于模型的每个状态计算所属的额定值。这些额定值包括燃烧模型的状态、压力以及体积元件的焓。这些额定值对于在状态调节12中的额定值-实际值-比较是需要的。

总之，由此得到集中式的额定值预先给出11的以下输出：

其中:

在此根据模型方程计算额定值或控制分量。从(给出的)新蒸汽质量流和对于喷射质量流的额定值中，得到在体积元件VE之间的所有质量流以及给水质量流。这在以下方程中描述(矩阵的维度在以下被部分地给出)：

从中可以借助估计的热流Q(P)计算所有VE的焓额定值。为此首先将质量流引入到矩阵形式：

由此通过焓平衡，可以计算全部的焓额定值(h_soll)：

焓额定值由此得到为：

对于压力的额定值(p_soll)，从外部被预先给出并且由此不必被计算。燃烧模型18的三个状态在静止情况中具有相同的期望值，从而成立：

控制分量是计算的输入质量流m(P)_spw和m(P)_i,soll。对于燃料质量流，控制分量等于燃烧模型18的额定值乘以燃烧模型18的观察的输出

-状态调节器12

在完美模型以及无干扰的系统的情况下集中式的额定值预先给出11将是足够的。但是因为并非如此，所以如图3所示，预控制8被补充以(本来的)多参量状态调节器12(也仅简称为状态调节器12)。

图3示出了其与蒸汽产生器模型9、总系统观察器10和集中式的额定值预先给出11的连接。

状态的额定值与观察的状态比较并且从中形成调节误差ε。由此调节误差不是标量，例如在经典的PI调节的情况下那样，而是矢量化的参量。

从该矢量中，如图3所示，计算调整参量(u_regelung)，其被加到控制分量上。

调节规律在此由按照以下方程的调节误差ε的加权和组成：

u_regelung＝-K'ε

其中

调节放大K在此通过在其中找到在高的调节品质和小的调整开销之间的折衷的优化问题的解来计算。在该优化问题中将品质泛函数最小化，其满足以下方程：

状态调节器12的参数化通过两个权重矩阵Q_lqr和R_lqr进行。

两个权重矩阵Q_lqr和R_lqr是二次型品质泛函数的组成部分。调节器12或反馈矩阵K是其中找到在调节品质和调整开销的折衷的优化问题的结果。在此通过Q_lqr评估调节品质，通过R_lqr评估调整开销。

Q_lqr的较强加权(R_lqr的较小加权)相应地导致状态实际值与额定值的较小的二次型偏差。但是这通过较高的调整开销换取(erkauft)。相反，Q_lqr的较小的值导致较差的调节品质，但是同时也实现更安静的调整参量走向。

权重矩阵是对角矩阵，其维度相应于状态参量的数量或调整参量的数量。在非标准化的情况下在选择权重时状态变量(各自的调整参量)的数量级也起作用。原则上，所有权重可个别选择，但是有意义的是，在一个系统片段(例如蒸发器7)内部相同地评估权重。

类似于观察器设计，在此也求解矩阵-里卡蒂-差分方程(22)：

解允许调节放大K的确定

K'＝R_lqr ^-1B'P_lqr

其中P_lqr是矩阵-里卡蒂-差分方程的解。

尽管详细通过优选实施例详细示出和描述了本发明，但是本发明不受公开的例子限制并且专业人员可以从中导出其他变化而不脱离本发明的范围。

附图标记列表

1 蒸汽产生器

2 蒸汽发电厂

3 多参量状态调节器/调节

LQR多参量状态调节器

4 (第一)过热器

5 (第二)过热器

6 (第三)过热器

7 蒸发器

8 静态的预控制

9 (空间上离散的)蒸汽产生器模型

9' ((9))的扩展的蒸汽产生器模型

10 (总)观察器、状态/干扰参量观察器

11 集中式的额定值预先给出

12 (在(3)中的)状态调节

13 卡尔曼滤波器，扩展的卡尔曼滤波器

14 调节器、调节单元、三阶延迟单元、PT3单元

15 (第一)喷射

16 (第二)喷射

17 (围绕工作点的)线性化、线性化的模型

18 燃烧模型

19 干扰参量模型

20 观察器模型

21 线性卡尔曼滤波器、线性模型/观察器

22 里卡蒂-求解器

DSP 压力存储器

VE 体积元件

L 观察放大/放大器

[/] 状态参量

[\] 输入参量

P 过程

Claims (13)

1.一种用于调节蒸汽发电厂(2)的蒸汽产生器(1)中的多个状态参量的方法，其中，

所述多个状态参量在使用多参量状态调节器(3)的条件下被调节并且所述多参量状态调节器(3)是线性二次型调节器，其特征在于，

在所述多参量状态调节器(3)中使用空间上离散化的蒸汽产生器模型(9)，

其中，在所述空间上离散化的蒸汽产生器模型(9)中通过所述空间上离散化的蒸汽产生器模型(9)的离散化的体积元件(VE)设立能量和/或质量平衡。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

多个通过所述多参量状态调节器(3)调节的状态参量是蒸汽产生器的蒸汽产生器介质的温度、压力和/或焓。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

多个通过所述多参量状态调节器(3)调节的状态参量是蒸汽产生器(1)的至少一个新蒸汽压力、蒸发器出口焓和过热器出口温度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述多参量状态调节器(3)的调整参量是蒸汽产生器的质量流。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述蒸汽产生器的质量流是至少一个燃料质量流、给水质量流和到一个过热器(4,5,6)中的喷射质量流或到多个过热器(4,5,6)中的喷射质量流。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述多参量状态调节器(3)的调整参量被静态地预控制(8)。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述多参量状态调节器(3)中使用总观察器(10)，在使用所述总观察器的条件下，估计蒸汽产生器(1)中的状态参量和/或干扰参量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

在所述总观察器(10)中使用卡尔曼滤波器(13)或扩展的卡尔曼滤波器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述卡尔曼滤波器根据线性二次型状态反馈构造。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述扩展的卡尔曼滤波器根据线性二次型状态反馈构造。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，

在所述总观察器(10)中使用空间上离散化的蒸汽产生器模型(9)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

在所述多参量状态调节器(3)中集中式地预先给出额定值(11)，所述额定值在所述多参量状态调节器(3)中被用于预控制(8)和被用于状态调节(12)。

13.一种用于调节在蒸汽发电厂的蒸汽产生器中的多个状态参量的装置，其特征在于：多参量状态调节器(3)，其按照权利要求1至12中任一项调节所述多个状态参量并且其是线性二次型调节器。