CN105953207B - 一种高品质的电站锅炉汽温控制系统 - Google Patents

一种高品质的电站锅炉汽温控制系统 Download PDF

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Abstract

一种高品质的电站锅炉汽温控制系统，使用导前区蒸汽比焓信号作为快速回路反馈信号的双回路汽温控制系统，所述系统导前区蒸汽比焓反馈回路部分的控制逻辑为：导前汽温反馈值信号与经过一阶惯性滤波的导前区蒸汽压力反馈值信号同时输入到水蒸汽比焓计算模块，由水蒸汽比焓计算模块计算出导前区蒸汽比焓信号，然后将导前区蒸汽比焓信号作为快速回路反馈信号，代替导前汽温信号引入汽温控制系统。本发明利用导前区蒸汽比焓代替导前汽温作为快速回路反馈信号，不仅解决了火电机组大幅度、高速率变负荷工况下过热、再热汽温控制品质下降的问题，而且能够起到稳定锅炉蒸汽压力的作用。此外，本发明还具有组态、调试简单等优点。

Description

一种高品质的电站锅炉汽温控制系统
技术领域
本发明涉及一种以导前区蒸汽比焓作为反馈信号的电站锅炉蒸汽温度控制系统，属于锅炉技术领域。
背景技术
大型电站锅炉以喷水减温的方式控制过热、再热蒸汽温度，由于被控对象具有大惯性、大迟延特性，控制系统多采用串级或导前微分等双回路汽温控制系统。与单回路汽温控制系统相比，串级或导前微分控制增加了一个能够快速反映控制输入信号变化的导前区信号。为加以区分，被控信号也被称为惰性区信号。以串级汽温控制为例，如图1所示，控制系统包含内、外两个回路，内回路控制器为副调节器，被控参数为导前汽温；外回路控制器为主调节器，被控参数为过热器或再热器出口汽温，内回路的设定值为主调节器的输出。
根据串级或导前微分控制的特点，控制导前区对象的回路为快速回路，由于被控对象惯性很小非常容易控制，因此快速回路对被控对象增益的变化并不敏感；控制惰性区对象的回路为慢速回路，由于被控对象具有大惯性、大迟延特性，被控对象增益稍有变化就会明显影响控制系统动态性能。串级或导前微分控制的核心思想在于，通过增加导前区信号将对象非线性、变增益环节划分在快速回路内，并确保导前区信号对惰性区信号的增益即惰性区对象增益基本恒定，这样当快速回路形成闭环控制后，其闭环传递函数增益恒为1，慢速回路调节器的等效被控对象增益就仅仅为惰性区对象增益，因此串级或导前微分控制能够有效补偿执行机构非线性及快速回路对象增益的变化，并在一定程度上改善整个控制回路的动态特性，整体控制效果明显优于单回路控制系统。
当前火电机组参与电网调峰调频，发电负荷频繁大幅变化，导致锅炉过热、再热汽温经常性的大幅波动。与此相对应，控制系统也需要大幅度调整控制输出以维持被控参数的稳定。对于汽温控制系统，则表现为减温水调节阀开度及减温水流量的大幅度变化。由于水和水蒸汽的物理特性存在明显的非线性，实际上汽温控制系统中惰性区对象的增益并不恒定。蒸汽温度越低、压力越高，即蒸汽参数越接近饱和区，非线性特性就越明显。当减温水流量较小时，导前区蒸汽参数远离饱和区，惰性区对象增益略大于1；而当减温水流量很大时，导前区蒸汽参数接近饱和区，惰性区对象增益会明显大于1。例如亚临界机组的一级过热汽温控制系统，蒸汽压力16MPa，当减温水流量较小，导前汽温420℃，被控汽温500℃时，惰性区增益为1.34，即导前汽温变化1℃被控汽温变化1.34℃；而当减温水流量很大，导前汽温降为370℃，被控汽温仍为500℃时，惰性区增益变为2.73，即导前汽温变化1℃，被控汽温变化2.73℃。因此对于过热汽温控制系统，当减温水流量大幅度变化时，会导致汽温对象惰性区增益发生明显变化，进而影响控制品质。这也是火电机组发电负荷频繁变化时，汽温波动幅度变大的一个主要原因。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可在负荷发生剧烈变化时，确保过热、再热汽温的控制品质维持不变的电站锅炉汽温控制系统。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种高品质的电站锅炉汽温控制系统，包括使用导前区蒸汽比焓信号作为快速回路反馈信号的双回路汽温控制系统，所述系统导前区蒸汽比焓反馈回路部分的控制逻辑为：导前汽温反馈值信号与经过一阶惯性滤波的导前区蒸汽压力反馈值信号同时输入到水蒸汽比焓计算模块中(依据国际通用工业用水和水蒸气热力性质计算公式IAPWS-IF95设计的通用计算模块)，由水蒸汽比焓计算模块计算出导前区蒸汽比焓信号，然后将导前区蒸汽比焓信号作为快速回路反馈信号，代替导前汽温信号引入汽温控制系统。
上述高品质的电站锅炉汽温控制系统，所述使用导前区蒸汽比焓信号作为快速回路反馈信号的双回路汽温控制系统为串级或导前微分控制系统，导前区蒸汽比焓信号分别以内回路反馈信号或导前微分信号的形式代替导前汽温信号引入控制系统。
上述高品质的电站锅炉汽温控制系统，所述导前区蒸汽压力反馈值信号的取值如下：对于过热汽温控制系统，汽包锅炉采用汽包蒸汽压力信号，直流锅炉采用汽水分离器蒸汽压力信号；对于再热汽温控制系统，汽包锅炉和直流锅炉均采用再热器入口蒸汽压力信号。
上述高品质的电站锅炉汽温控制系统，对导前区蒸汽压力反馈值信号进行滤波的一阶惯性模块的惯性时间设置为30s。
本发明利用导前区蒸汽比焓代替导前汽温作为快速回路反馈信号，不仅解决了火电机组大幅度、高速率变负荷工况下过热、再热汽温控制品质下降的问题，而且能够起到稳定锅炉蒸汽压力的作用。此外，本发明还具有组态、调试简单等优点。
附图说明
下面结合附图以串级控制为例对本发明作进一步详述。
图1是串级汽温控制逻辑；
图2是改进前串级汽温控制系统涉及导前汽温部分的控制逻辑；
图3是本发明的串级汽温控制系统涉及导前区蒸汽比焓部分的控制逻辑。
图中和文中各符号清单为：PID为比例、积分、微分控制器模块；LAG为一阶惯性模块；SS-EHP为水蒸汽比焓计算模块；Kth为导前区蒸汽比焓对导前汽温的增益，KJ/Kg℃；tL为机组额定负荷工况下的导前汽温，℃；pL为机组额定负荷工况下的导前区蒸汽压力，MPa；f95()代表依据IAPWS-95水和水蒸汽热力性质由蒸汽温度和压力计算比焓的计算公式。
具体实施方式
针对火电机组在减温水流量大幅变化工况下过热、再热汽温控制品质变差的问题，本发明提出了一种利用导前区蒸汽比焓代替导前汽温作为快速回路反馈信号的锅炉蒸汽温度控制系统。所述控制系统针对原有控制系统的不足，利用导前区蒸汽温度和压力信号计算出导前区蒸汽比焓信号，并以此信号替换原控制系统中的导前汽温信号。利用导前区蒸汽比焓信号对惰性区汽温信号增益非常稳定的特点，在减温水流量大幅变化工况下保证被控对象惰性区增益稳定，进而保证在负荷剧烈变化时过热、再热汽温的控制品质维持不变。
本发明的原理
减温水调节过热、再热汽温的过程遵循能量守恒定律，比焓是描述水和水蒸汽能量状态的参数。当减温水喷入到蒸汽中时，在吸热量一定的情况下导前区蒸汽比焓的变化量等于惰性区蒸汽比焓的变化量。所以，导前区蒸汽比焓对惰性区蒸汽比焓的增益恒为1，理论上可以解决惰性区增益不恒定的问题。但实际上蒸汽温度才是决定设备安全性和经济性的关键参数，蒸汽温度比蒸汽比焓更适合作为汽温控制系统的实际被控参数。而对于导前区被控参数的选择则更加强调其快速性，温度和比焓都能够快速反映减温水流量的变化。这样问题的关键就在于寻找一个线性度和快速性都足够好的信号。
蒸汽压力越低温度越高，即蒸汽参数越接近理想气体时，温度与比焓的线性关系越好；而蒸汽压力越高温度越低，即蒸汽参数越接近饱和区时，温度与比焓的线性关系越差。蒸汽在过热器、再热器中吸热温度升高，被控汽温都高于导前汽温。所以被控汽温侧蒸汽温度与比焓的线性关系很好，而导前汽温侧蒸汽温度与比焓的线性关系则比较差，电站锅炉中一级过热器和再热器的导前汽温尤其如此。这样，利用导前区蒸汽比焓同被控汽温的线性关系好而且能够快速反映减温水流量变化的特点，可以用导前区蒸汽比焓信号替代导前汽温信号，从而保证导前汽温大幅变化工况下惰性区增益的稳定。
根据水和水蒸汽热力性质，过热蒸汽在温度不变压力降低时比焓会增加。对于汽温控制系统，这意味着当蒸汽压力降低时，导前区蒸汽比焓增加，控制系统会瞬时增加部分减温水流量以维持导前区蒸汽比焓不变，而增加的减温水会在管道内迅速汽化使蒸汽压力升高。因此，利用导前蒸汽比焓代替导前汽温作为内回路反馈信号在一定程度上还可以发挥稳定锅炉蒸汽压力的作用。
本发明的技术方案
传统串级控制系统中，涉及导前汽温部分的控制逻辑如图2所示，PID控制器接收导前汽温设定值信号和导前汽温反馈值信号，输出减温水阀开度指令信号。改进的汽温控制系统如图3所示，图3虚线框内逻辑为导前区蒸汽比焓计算逻辑，利用导前汽温反馈值信号和经过一阶惯性滤波后的导前区蒸汽压力反馈值信号，经过蒸汽比焓计算模块得到导前区蒸汽比焓信号，然后用导前区蒸汽比焓信号作为PID控制器反馈值，由于在控制系统中，PID设定值信号的物理意义随反馈值信号变化而变化，因而设定值物理意义变为导前区蒸汽比焓设定值。
图2、3中，PID为比例、积分、微分控制器模块；LAG为一阶惯性模块；SS-EHP为水蒸汽比焓计算模块，输入分别为蒸汽压力、蒸汽温度，输出为蒸汽的比焓。
对于过热汽温控制系统的导前区蒸汽压力，汽包锅炉为汽包蒸汽压力信号，直流锅炉为汽水分离器蒸汽压力信号；对于再热汽温控制系统的导前区蒸汽压力为再热器入口蒸汽压力信号。
本发明的实施步骤
(1)实施条件确认
应用本发明前需要分析原汽温控制逻辑，找出导前汽温信号的位置。本发明不仅仅限于串级控制及导前微分控制，对任何使用导前汽温信号的汽温控制系统都适用。
确认各个输入信号的工程单位，温度为℃；压力为MPa；比焓为KJ/Kg。
(2)逻辑组态
对照图3所示逻辑修改原汽温控制逻辑，将导前汽温信号替换为导前区蒸汽比焓信号。对导前区蒸汽压力进行滤波的一阶惯性模块，惯性时间设置为30s。
(3)参数修改
由于导前区被控参数物理意义和量纲发生变化，需要对原控制系统中的部分参数进行修改以适应新的控制系统。汽温控制系统被控对象分为导前区对象和惰性区对象两部分，原控制方案中导前区增益是减温水调节阀开度对导前汽温的增益，改进控制方案中导前区增益是减温水调节阀开度对导前区蒸汽比焓的增益；原控制方案中惰性区增益是导前汽温对被控汽温的增益，改进控制方案中惰性区增益是导前区蒸汽比焓对被控汽温的增益。需要计算导前区蒸汽比焓对导前汽温的增益Kth，则原方案导前区对象增益乘以Kth后即为改进控制方案导前区对象增益，原方案惰性区对象增益乘以1/Kth后即为改进控制方案惰性区对象增益。
Kth计算公式为：
其中：Kth为导前区蒸汽比焓对导前汽温的增益，KJ/Kg℃；tL为机组额定负荷工况下的导前汽温，℃；pL为机组额定负荷工况下的导前区蒸汽压力，MPa；f95()代表IAPWS-95依据水和水蒸汽热力性质由蒸汽温度和压力计算比焓的计算公式。
由于导前区对象增益变为原数值的Kth倍，因此导前区对象控制回路中的控制器增益需要变为原数值的1/Kth；由于惰性区对象增益变为原数值的1/Kth，因此惰性区对象控制回路中的控制器增益需要变为原数值的Kth倍。
例如串级控制系统，需要修改参数包括：副调PID控制器增益为原数值乘以1/Kth、主调PID控制器增益为原数值乘以Kth。
例如对于导前微分控制系统，需要修改参数为：导前微分环节的增益为原数值乘以1/Kth。
本发明的优点
(1)控制效果好。本发明能够有效避免火电机组大幅度、高速率变负荷工况下因减温水流量波动大导致过热、再热汽温控制品质下降的问题，同时也能发挥稳定锅炉蒸汽压力的作用。
(2)组态、调试简单。本发明所涉及控制逻辑物理意义明确、组态实现简单。逻辑修改后，只需要简单的计算即可获得新的控制器参数，不需要重新调试控制系统参数。

Claims (4)

1.一种高品质的电站锅炉汽温控制系统，其特征是，使用导前区蒸汽比焓信号作为快速回路反馈信号的双回路汽温控制系统，所述系统导前区蒸汽比焓反馈回路部分的控制逻辑为：导前汽温反馈值信号与经过一阶惯性滤波的导前区蒸汽压力反馈值信号同时输入到水蒸汽比焓计算模块，由水蒸汽比焓计算模块计算出导前区蒸汽比焓信号，然后将导前区蒸汽比焓信号作为快速回路反馈信号，代替导前汽温信号引入汽温控制系统。
2.根据权利要求1所述的高品质的电站锅炉汽温控制系统，其特征是，所述使用导前区蒸汽比焓信号作为快速回路反馈信号的双回路汽温控制系统为串级或导前微分控制系统，导前区蒸汽比焓信号分别以内回路反馈信号或导前微分信号的形式代替导前汽温信号引入控制系统。
3.根据权利要求1或2所述的高品质的电站锅炉汽温控制系统，其特征是，所述导前区蒸汽压力反馈值信号的取值如下：对于过热汽温控制系统，汽包锅炉采用汽包蒸汽压力信号，直流锅炉采用汽水分离器蒸汽压力信号；对于再热汽温控制系统，汽包锅炉和直流锅炉均采用再热器入口蒸汽压力信号。
4.根据权利要求3所述的高品质的电站锅炉汽温控制系统，其特征是，对导前区蒸汽压力反馈值信号进行滤波的一阶惯性模块的惯性时间设置为30s。
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