CN107133433A - 一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法，通过建立顺序阀控制方式下汽轮机高调门流量特性数学模型，引入模型因子实现模型分段；再根据目标函数D(X)进行分段线性化；引入反馈机制ΔG，对分段模型误差进行校正，直到满足精度要求，获得最优调门控制函数H_i′(x)，最终实现汽轮机流量指令与实际流量之间正比例关系。本发明实现了调门流量特性线性度与重叠度的解耦，即所优化的结果近似理想的正比例函数关系的同时，获得最佳的调门重叠度；从理论上求得最优调门控制函数和最佳重叠度。避免机组反复进行流量特性试验，减少机组不稳定运行因素。

Description

一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮机自动控制技术，尤其涉及的是一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法。

背景技术

采用喷嘴调节的汽轮机，调门控制方式分为：单阀方式和顺序阀方式。单阀方式下，所有高压调门同时开启、保持同样的开度，节流损失大，机组效率低。顺序阀方式下，各高压调门按照调门控制函数，依次开启(一般前两个调门同时开启)，调门之间存在重叠度，即前一调门尚未达到全开状态，后一调门便开启。通常考虑到机组经济效益，采用顺序阀方式运行。因此，本发明所述汽轮机调门流量特性优化系指顺序阀方式下，优化调门控制函数，使得机组流量指令与实际流量成正比例函数关系，线性度为1。调门控制函数由机组流量指令与各调门开度，各调门开度与实际流量之间的函数映射组成。

现有的优化技术，大都采用试凑法和作图法，根据技术人员的经验，选取几个调门控制函数特征点进行整定，观测机组流量指令与实际流量之间的线性度，直到满足控制要求。但这种方法往往无法得到理论上最优的调门流量特性，也无法同时兼顾流量特性线性度和调门重叠度。通过采用无重叠度方式进行优化试验，每个调门逐点进行优化，工作量大。该方法获取原始数据时需要负荷从0至100％的负荷变化，影响机组运行的安全性。该方法的目标参数仅考虑了流量指令与实际流量的线性度，没能解决重叠度与线性度之间的耦合难题。

如图1所示，顺序阀方式下汽轮机流量指令与实际流量之间存在着非线性、强耦合的关系。各调门通过调门控制函数控制各调门开度，根据各调门开度最终计算实际流量。各调门之间存在着重叠区域(即重叠度)，由于调门的固有特性，当前一调门开启到一定值时，对应的调门流量便不再变化，对于汽轮机控制系统而言，需要此时开启下一调门来弥补该流量需求，即是调门重叠度。汽轮机调门流量特性优化目标是为了实现流量指令与实际流量之间的函数映射关系为正比例关系，即通过优化各调门控制函数来实现这种函数映射关系。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法，实现汽轮机流量指令与实际流量之间正比例关系。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)将各个调门控制函数整合成一个函数H_i(x)，各调门权值函数W_i(x)通常采用定值函数，即W_i(x)＝β_i，β_i根据顺序阀方式下调门流量特性试验数据求得：

Q(X)为实际流量，计算得到W_i(x)；

(2)引入控制因子ε作为分段模型控制量；

(3)设置各个调门的初始控制因子，将控制因子映射到输入X的维度上的值 记作模型因子，有

其中，H_i ^-1(·)指第i个调门控制函数H_i(x)的反函数，δ表示调门开度限值，求解第i个调门δ-ε_i开度值所对应的调门流量值；

(4)根据模型因子，将输入的流量指令X分为 各分段模型，其中，X₁＝X₂；

(5)各分段模采用线性目标函数D_i(X_i)＝X_i，实现分段线性优化，解出当前时刻模型最优解H_i′(x)，获得各分段模型的输出Q′[X_i(t)]，因此优化后各分段区间调门流量指令与模型输出成线性函数关系，

H_i′(x)＝D_i[X_i(t)]/W_i

Q_i′(X_i)＝W_i·(F_i(H_i(X_i)))；

(6)已知各调门的开度范围为[0,100]，各调门流量限值Q_ltd，计算ΔG，进行模型自适应校正，

进一步地，对模型因子进行调整，则有

(7)若ΔG满足精度要求，则调门流量特性优化结束，获得机组流量指令与实际流量成正比例关系，各调门间的重叠度得到优化，机组效率高；若不满足，则转至步骤(4)。

在各个调门控制函数整合之前，先计算单阀流量特性函数F(x)，F(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+…a_Nx^M，x表示调门开度值，F(x)的输出是调门的流量值，权值系数a₀、a₁…a_M，M不大于3。

所述汽轮机调门的控制方式为顺序阀方式。

所述步骤(5)中，假设流量指令随时间变化，x＝X(t)，x∈[0,100]，当t时刻顺序阀方式下汽轮机前两个调门率先同时开启，则汽轮机高调门总进汽量为：

式中，模型因子的取值为：

在顺序阀方式下前两个调门开闭动作一致，故W₁₂、x₁₂分别为前两个调门的流量权值均值和流量指令均值，表达式为：

W₁₂＝(W₁+W₂)/2

x₁₂＝(x₁+x₂)/2。

本发明通过建立顺序阀控制方式下汽轮机高调门流量特性数学模型，引入模型因子实现模型分段；再根据目标函数D(X)进行分段线性化；引入反馈机制ΔG，对分段模型误差进行校正，直到满足精度要求，获得最优调门控制函数H_i′(x)，最终实现汽轮机流量指令与实际流量之间正比例关系。结合汽轮机调门顺序阀控制方式的特征，以及调门固有的物理特性，提出一种计算单输入单输出汽轮机调门流量特性非线性系统的简化方法。本发明不仅解决了顺序阀方式下调门流量特性线性度和重叠度之间复杂的耦合关系，而且实现了汽轮机流量指令与实际流量之间的正比例关系，获得最佳重叠度，提高汽轮机机组经济性。本发明提升了调门流量特性优化的精度和质量，具备自动优化的能力。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明实现了调门流量线性度与重叠度的强耦合关系，即优化结果近似理想的正比例函数关系，且获得最佳的调门重叠度；通过数学模型，提高汽轮机调门流量特性优化的效率和质量，避免了现有技术采用试凑法存在的精度较差，优化工作量大等缺点；首次提出模型自适应汽轮机流量特性优化方法，从理论上求得最优调门控制函数和最佳重叠度。避免机组反复进行流量特性试验，减少机组不稳定运行因素。

附图说明

图1是现有汽轮机调门控制示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是优化结果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本实施例以四个高调门类型的汽轮机为例，顺序阀方式下预设阀序为：第一个和第二个调门同时开启，然后开启第三个调门，最后开启第四个调门。

考虑将一个单输入单输出的非线性系统转化为线性系统，采用反馈来实现精确线性化。通过将系统的输入坐标变换，对模型进行分段线性化，再构造模型反馈因子，消除各模型间误差。

顺序阀方式下，汽轮机调门流量特性实际物理模型属于典型的单输入单输出非线性系统。输入流量指令X，X＝[0,100]作为系统的输入，100表示机组满负荷工况下的流量指令，其中，实际流量Q为系统的输出，则有

其中，W_i(·)为第i个调门流量占总流量的权值函数，N为调门个数，F_i(·)为第i个调门的单阀流量特性函数，H_i ^(K)(·)为第i个调门的第K个调门控制函数，K值视机组DEH的类型而定，一般K∈{1，2}。

单阀流量特性函数一般采用多项式来表示，F(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+…a_Nx^M，x表示调门开度值，F(x)的输出是调门的流量值。一般根据试验数据，采用最小二乘法进行拟合，获得较优的权值系数a₀、a₁…a_M，M一般不大于3。

具体的优化方法如下：

(1)将各个调门控制函数整合成一个函数H_i(x)，各调门权值函数W_i(x)通常采用定值函数，即W_i(x)＝β_i，β_i根据顺序阀方式下调门流量特性试验数据求得：

Q(X)为实际流量，计算得到W_i(x)；

(2)引入控制因子ε作为分段模型控制量；

(3)设置各个调门的初始控制因子ε₁、ε₂、ε₃、ε₄，将控制因子映射到输入X的维度上的值 记作模型因子，有

其中，H_i ^-1(·)指第i个调门控制函数H_i(x)的反函数，δ表示调门开度限值，求解第i个调门δ-ε_i开度值所对应的调门流量值，获得各模型初始界限第一个和第二个调门同时开启，故

(4)根据模型因子，将输入的流量指令X分为 各分段模型，其中，X₁＝X₂；

(5)假设流量指令随时间变化，x＝X(t)，x∈[0,100]。当t时刻顺序阀方式下汽轮机DEH前两个调门率先同时开启，则汽轮机高调门总进汽量为：

式中，模型因子的取值为：

考虑到实际汽轮机控制系统中，在顺序阀方式下前两个调门开闭动作一致，故W₁₂、x₁₂分别为前两个调门的流量权值均值和流量指令均值，表达式为：

W₁₁₂＝(W₁+W₂)/2

x₁₂＝(x₁+x₂)/2，

各分段模采用线性目标函数D_i(X_i)＝X_i，实现分段线性优化，解出当前时刻模型最优解H_i′(x)，获得各分段模型的输出Q′[X_i(t)]，因此优化后各分段区间调门流量指令与模型输出成线性函数关系，

H_i′(x)＝D_i[X_i(t)]/W_i

Q_i′(X_i)＝W_i·(F_i(H_i(X_i)))；

(6)已知各调门的开度范围为[0,100]，各调门流量限值Q_ltd，计算ΔG，进行模型自适应校正，

进一步地，对模型因子进行调整，则有

(7)若ΔG满足精度要求，则调门流量特性优化结束，获得机组流量指令与实际流量成正比例关系，各调门间的重叠度得到优化，机组效率高；若不满足，则转至步骤(4)。

优化结果如图3所示，图中第一个调门控制函数和第二个调门控制函数相同，并且，第一个调门控制函数、第二个调门控制函数、第三个调门控制函数、第四个调门控制函数都是非线性的函数。而使用本发明优化后的调门控制函数，实现了流量指令经调门控制函数映射后，与实际流量的线性比例。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将各个调门控制函数整合成一个函数H_i(x)，各调门权值函数W_i(x)通常采用定值函数，即W_i(x)＝β_i，β_i根据顺序阀方式下调门流量特性试验数据求得：

<mrow> <mi>Q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>...</mo> <mi>N</mi> </mrow>

Q(X)为实际流量，计算得到W_i(x)；

(2)引入控制因子ε作为分段模型控制量；

(3)设置各个调门的控制因子初始值，将控制因子映射到输入X的维度上的值 记作模型因子，有

其中，H_i ^-1(·)指第i个调门控制函数H_i(x)的反函数，δ表示调门开度限值，求解第i个调门δ-ε_i开度值所对应的调门流量值；

(4)根据模型因子，将输入的流量指令X分为 各分段模型，其中，X₁＝X₂；

(5)各分段模采用线性目标函数D_i(X_i)＝X_i，实现分段线性优化，解出当前时刻模型最优解H_i′(x)，获得各分段模型的输出Q′[X_i(t)]，因此优化后各分段区间调门流量指令与模型输出成线性函数关系，

H_i′(x)＝D_i[X_i(t)]/W_i

Q_i′(X_i)＝W_i·(F_i(H_i(X_i)))；

(6)已知各调门的开度范围为[0,100]，各调门流量限值Q_ltd，计算ΔG，进行模型自适应校正，

进一步地，对模型因子进行调整，则有

(7)若ΔG满足精度要求，则调门流量特性优化结束，获得机组流量指令与实际流量成正比例关系，各调门间的重叠度得到优化，机组效率高；若不满足，则转至步骤(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法，其特征在于，在各个调门控制函数整合之前，先计算单阀流量特性函数F(x)，F(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+…a_Nx^M，x表示调门开度值，F(x)的输出是调门的流量值，权值系数a₀、a₁…a_M，M不大于3。

3.根据权利要求1所述的一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法，其特征在于，所述汽轮机调门的控制方式为顺序阀方式。

4.根据权利要求1所述的一种基于模型自适应汽轮机调门流量特性优化方法，其特征在于，所述步骤(5)中，假设流量指令随时间变化，x＝X(t)，x∈[0,100]，当t时刻顺序阀方式下汽轮机前两个调门率先同时开启，则汽轮机高调门总进汽量为：

式中，模型因子的取值为：

在顺序阀方式下前两个调门开闭动作一致，故W₁₂、x₁₂分别为前两个调门的流量权值均值和流量指令均值，表达式为：

W₁₂＝(W₁+W₂)/2

x₁₂＝(x₁+x₂)/2。