CN107144150A - 一种凝汽器真空度的分程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凝汽器真空度的分程控制方法，涉及汽轮机控制技术领域，包括计算当前真空度偏差、比较当前真空度偏差与设置阈值、将真空度偏差分解为冷却水量调节偏差和抽气量调节偏差之和，判断并选择冷却水量和抽气量依次调节。本发明的凝汽器真空度的分程控制方法通过联合使用冷却水量调节和抽气量调节的方式，通过将真空度偏差分解为冷却水分量和抽气分量，并分别予以控制的方式实现凝汽器真空度的控制。相比现有凝汽器真空度控制方法具有更好的真空度控制精度和快速性。

Description

一种凝汽器真空度的分程控制方法

技术领域

本发明涉及汽轮机控制技术领域，具体涉及一种凝汽器真空度的分程控制方法。

背景技术

凝汽器是汽轮机装置的重要组成部分，其作用是收集汽轮机的排气。为充分地收集汽轮机的排气，同时保证汽轮机的工作效率，凝汽器内部需要保持一定的负压环境(相对于标准大气压)，即真空度。凝汽器内部的真空度通过及时消除或转移其内部的汽轮机排气实现，具体包括两种方式：冷却和抽气；前者采用低温水冷却的方式将汽轮机排气凝结为水(同质量的水蒸气与水的体积比约为1200:1)，后者通过抽气泵直接将汽轮机排气导出凝汽器。工程上，冷却水量通常由冷却水泵提供，其转速通过冷却水泵工作蒸汽调节阀实现；相应的，抽气泵的转速通过抽气泵工作蒸汽调节阀实现。汽轮机凝汽器真空度控制涉及的相关物理系统合称为凝汽器真空度控制系统，其系统布置如图1所示。

当前工业实际中，主要通过调节冷却水量的方式实现凝汽器真空度的控制。抽气泵则采用恒定转速运行的方式，目的是将汽轮机排气中的不凝结气体抽出，并不参与凝汽器真空度的控制。鉴于冷却水量调节具体通过冷却水泵转速调节实现，因此冷却水量的调节过程具有较长的时间延迟和较粗的调节精度，其结果直接反映到凝汽器真空度的控制品质。因此，当前这种“单一手段调节”的凝汽器真空度控制方法具有如下缺点：1)快速性较差，其原因在于冷却水泵具有的较大转动惯量；2)精确度较低，决定于冷却水泵的转速调节精度；另外，3)冷却水泵的转速调节频繁，不仅影响冷却水泵的使用寿命，而且对于冷却水泵和汽轮机共用凝汽器的情况，其冷却水泵频繁的转速调节本身也会引起凝汽器真空度的波动。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种凝汽器真空度的分程控制方法，相比现有凝汽器真空度控制方法具有更好的真空度控制精度和快速性。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种凝汽器真空度的分程控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、根据上一周期凝汽器真空度测量值P_(n-1)，计算当前真空度偏差P_e＝P^*-P_(n-1)，其中P^*为真空度控制目标值；

S2、设置真空度控制目标范围为P^*±P_d，其中P_d>0，比较|P_e|与P_d大小，如|P_e|≤P_d，保持当前周期的抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)和当前周期冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)不变，转至步骤S8；如|P_e|＞P_d，将真空度偏差P_e分解为冷却水量调节偏差和抽气量调节偏差之和，计算出抽气量调节对应的真空度正偏差α和负偏差β，转至步骤S3；

S3、根据当前的抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n-1)，计算当前抽气器正作用余量a和负作用的余量b；

S4、比较真空度正偏差α、负偏差β对应的抽气器调节余量，取min{|α-a|，|-β-b|}确定控制方案，并计算冷却水泵的转速设定值改变量r，以及计算抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)；

S5、针对冷却水泵的转速设定值改变量r，更新转速设定值Ω_(n)＝Ω_(n-1)+r；

S6、计算冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)；

S7、输出抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)、冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)；

S8、测量并输出凝汽器真空度测量值P_n，进入下一周期，重复步骤S1-S7。

在上述技术方案的基础上，当|P_e|＞P_d时，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201、将真空度偏差P_e分解为P_e＝i×Δ+α，其中α>0；

S202、将真空度偏差P_e分解为P_e＝(i+1)×Δ+β，其中β<0；

上述步骤中，i为整数，Δ为冷却水泵转速调节最小值ω时，对应的真空改变量；α为冷却水量调节(i×Δ)后的真空度正偏差，β为冷却水量调节((i+1)×Δ)后的真空度负偏差，|α|<Δ，|β|<Δ。

在上述技术方案的基础上，步骤S3中，正作用余量a和负作用余量b通过以下公式计算：

a＝δ×[100％-μ_(n-1)]/[100％-μ_min]；

b＝δ×[μ_(n-1)-μ_min]/[100％-μ_min]；

其中，δ为抽气器在开度范围[μ_min，100％]内总的真空度调节能力，μ_min为抽气器最小转速时对应的工作蒸汽调节阀最低开度。

在上述技术方案的基础上，步骤S4具体包括以下步骤：

S401、比较|α-a|和|-β-b|大小，如|α-a|较小，转入步骤S402；如|-β-b|较小，转入步骤S403；

S402、将真空度偏差Pe分解为Pe＝i×Δ+α，判断i值，若i≠0，设定冷却水泵的转速设定值改变量和抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)＝μ_(n-1)，转入步骤S5；若i＝0，设定冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)＝u_(n-1)，设定当前抽气器工作蒸汽调节阀开度，转入步骤S7；

S403、将真空度偏差P_e分解为P_e＝(i+1)×Δ+β，判断i+1的值，若i+1≠0，设定冷却水泵的转速设定值改变量r＝(i+1)×ω，抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)＝μ_(n-1)，转入步骤S5；若i+1＝0，设定冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)＝u_(n-1)，设定当前抽气器工作蒸汽调节阀开度，转入步骤S7；

在上述技术方案的基础上，步骤S402中，i＝0时，判断抽气量调节对应的真空度正偏差α和当前抽气器正作用余量a的大小，若α≥a，则将抽气器工作蒸汽调节阀开度设置为μ_(n)＝100％；若α<a，将设置当前抽气器工作蒸汽调节阀最大开度为μ_(n)＝μ_(n-1)+α/a*[100％-μ_(n-1)]。

在上述技术方案的基础上，步骤S403中，i+1＝0时，判断抽气量调节对应的真空度负偏差的绝对值-β和当前抽气器负作用余量b的大小，若-β≥b，将抽气器工作蒸汽调节阀设定为最小开度μ_min；若-β<b，将抽气器工作蒸汽调节阀设定为μ_(n)＝μ_(n-1)+β/b*[μ_(n-1)-μ_min]。

在上述技术方案的基础上，步骤S6具体包括以下步骤：

S601、计算冷却水泵转速偏差e_(n)＝Ω_(n)-omega_(n-1)，其中omega_(n-1)为上一周期转速测量值；

S602、计算冷却水泵工作蒸汽调节阀开度增量：

Δu＝k_p*[e_(n)-e_(n-1)]+k_i*e_(n)；

S603、更新冷却水泵工作蒸汽调节阀开度：u_(n)＝u_(n-1)+Δu。

在上述技术方案的基础上，步骤S602中使用PID控制或bangbang控制控制冷却水水泵工作蒸汽调节阀开度增量Δu。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S1-S7由计算机控制系统以相同的时间间隔循环执行。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的凝汽器真空度的分程控制方法通过联合使用冷却水量调节和抽气量调节的方式，通过将真空度偏差分解为冷却水分量和抽气分量，并分别予以控制的方式实现凝汽器真空度的控制。相比现有凝汽器真空度控制方法具有更好的真空度控制精度和快速性。

(2)本发明的凝汽器真空度的分程控制方法大大降低了冷却水泵的转速调节频率，提高了冷却水泵的使用寿命，降低了冷却水泵频繁的转速调节引起的凝汽器真空度的波动。

附图说明

图1为本发明实施例中使用的凝汽器的工作原理示意图；

图2为本发明实施例中正、负真空度偏差与抽气器正、负作用余量的逻辑关系图；

图3为本发明实施例中凝汽器真空度的分程控制方法的逻辑流程图；

图4为本发明实施例中冷却水泵转速PI控制逻辑流程图；

图5为本发明实施例中冷却水泵转速bangbang控制逻辑流程图。

图中：1-冷却水入口，2-冷却水泵，3-冷却水泵工作蒸汽调节阀，4-凝汽器，5-抽气泵，6-凝结水，7-汽轮机排气，8-冷却水出口，9-抽气器工作蒸汽调节阀，10-气汽混合物。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

考虑到工程实际中的物理约束，对本说明书提及的凝汽器真空度控制系统作如下假设：

(1)冷却水泵转速调节为非连续的，其转速调节最小分辨率为ω，对应真空改变量记为Δ，为确定已知的；

(2)抽气器存在最小转速限制，其对应的工作蒸汽调节阀最低开度为μ_min，目的在于保证抽出凝汽器内部的不凝结气体。在抽气器工作蒸汽调节阀开度范围[μ_min，100％]内，抽气器总的真空度调节能力为δ，其中包括正作用余量a、负作用余量b，均为确定可计算。

本说明书涉及的物理变量统一为离散采样获取，并用时间序列的方式表示。当前周期的物理量带时间标签(n)，上一周期的物理量带时间标签(n-1)。例如，当前周期的凝汽器的真空度P记为P_(n)，上一周期凝汽器真空度记为P_(n-1)。在进入步骤S1时，默认过程参数P_(n-1)、μ_(n-1)、u_(n-1)的测量已经完成。

本说明书涉及的物理变量的符号标志以第一次出现为准，无特殊说明情况下后文一律沿用。

实施例一：

本发明实施例提供一种凝汽器真空度的分程控制方法，具体实施步骤如下：

该实施方式中，数据采样周期为T＝1s，真空度设定值P^*＝25kPa，真空度偏差控制要求P_d＝2kPa，上一周期真空度测量值P_(n-1)＝37kPa。冷却水泵调速的分辨率为ω＝100rpm，其对应的真空度该变量为Δ＝5kPa；抽气器的最小工作开度μ_min＝40％，在开度范围[40％，100％]内，抽气器总的真空调节能力为δ＝6kPa；抽气器上一周期的开度为μ_(n-1)＝55％；冷却水泵上一周期的转速值为Ω_(n-1)＝950rpm，对应的上一周期工作蒸汽调节阀开度为u_(n-1)＝63％，转速设定值Ω_(n-1)＝945rpm。

S1、根据凝汽器真空度测量值P_(n-1)，计算相对目标值P*的偏差，Pe＝P*-P_(n-1)＝25-37＝-12kPa。

S2、分解真空度偏差值。

因为真空度偏差|P_e|＝12kPa>P_d＝2kPa，则将真空度偏差值P_e分解为冷却水量调节和抽气量调节之和，相应的两种分解方式为：

S201、真空度偏差分解方式一，抽气量调节为正作用，即P_e＝-3×5+3＝-12kPa，这里i＝-3，α＝3kpa为冷却水量调节(-3×5)kPa后的正偏差；

S202、真空度偏差分解方式二，抽气量调节负作用，即P_e＝-2×5-2＝-12kPa，这里i+1＝-2，β＝-2kPa为冷却水量调节(-2×5)kPa后的负偏差；

S3、根据当前的抽气器工作阀位μ_(n-1)＝55％，计算其正向调节和反向调节的能力：

正作用余量：a＝6×[100％-55％]/[100％-40％]＝4.5kPa；

负作用余量：b＝6×[55％-40％]/[100％-40％]＝1.5kPa；

S4、以上步骤中的正偏差α＝3kpa对应抽气器的正作用余量a＝4.5kpa，负偏差β＝-2kpa对应抽气器的正作用余量b＝1.5kpa。将真空度正偏差α、负偏差β对应的调节能力进行比较，即min{|3-4.5|，|-2-1.5|}＝min{1.5，3.5}，|α-a|＝1.5kPa距离较小，确定为控制方案。

因为步骤S4中计算结果为|α-a|较小，则确定真空度偏差的分解方式为P_e＝-3×5+3＝-12kPa。

因为i＝-3≠0，则冷却水泵的转速设置改变r＝i×ω＝-3×100＝-300rpm，抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)＝μ_(n-1)＝55％，转入步骤S5；

S5、针对冷却水泵的转速设定值改变量r，更新转速设定值Ω_(n)＝omega_(n-1)+r＝945-300＝645rpm；

S6、计算工作蒸汽调节阀开度。

S601、计算转速偏差e_(n)＝Ω_(n)-omega_(n-1)＝645-950＝-305rpm；

S602、计算工作蒸汽调节阀开度偏差Δu＝k_i*e_(n)＝0.0007*(-305)＝-0.235；

S603、冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)＝u_(n-1)+Δu＝0.63-0.235＝40.5％；

S7、输出抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)＝55％、冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)＝40.5％。

实施例二：

该实施方式中，设定上一周期真空度测量值P_(n-1)＝21kPa，抽气器调节阀开度μ_(n-1)＝82％，其他参数、物理量与实施例一保持一致。

S1、根据凝汽器真空度测量值P_(n-1)，计算相对目标值P_*的偏差，P_e＝P_*-P_(n-1)＝25-21＝4kPa；

S2、分解真空度偏差值。

因为真空度偏差|P_e|＝4kPa>P_d＝2kPa，则将真空度偏差值P_e分解为冷却水量调节和抽气量调节之和，相应的两种分解方式为：

S201、真空度偏差分解方式一，抽气量调节为正作用，即P_e＝0×5+4＝4kPa。这里i＝0，α＝4kpa为冷却水量调节(0×5)kPa后的正偏差；

S202、真空度偏差分解方式二，抽气量调节为负作用，即Pe＝1×5-1＝4kPa。这里i+1＝1，β＝-1kPa为冷却水量调节(1×5)kPa后的负偏差；

S3、根据上一周期抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n-1)＝82％，计算其正作用余量和负作用余量：

正作用余量：a＝6×[100％-82％]/[100％-40％]＝1.8kPa；

负作用余量：b＝6×[82％-40％]/[100％-40％]＝4.2kPa；

S4、以上步骤中的正偏差α＝3kpa对应抽气器的正作用余量a＝1.8kpa，负偏差β＝-1kpa对应抽气器的负作用余量b＝4.2kpa。将真空度正偏差α、负偏差β对应的抽气器调节余量进行比较，即min{|4-1.8|，|-1-4.2|}＝min{2.2，5.2}，|α-a|＝2.2kPa距离较小，确定为控制方案。

因为步骤S4中计算结果为|α-a|较小，则确定真空度偏差的分解方式为P_e＝0×5+4＝4kPa。

因为i＝0，将冷却水泵工作蒸汽调节阀开度设定值u_(n)＝u_(n-1)＝63％；又因为α≥a，则抽气器开度设置为μ_(n)＝100％。转入步骤S7。

S7、更新抽气器调节阀μ_(n)＝100％、汽轮泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)＝63％。

在上述技术方案中，步骤S201、S202中真空度偏差值的两种分解方式属于广义描述。对于下列情况：(I)P_e大于冷却水泵最大转速对应真空度调节量；(II)P_e小于冷却水泵最小转速对应真空度调节量；(III)P_e等于冷却水泵转速调节精度的整数倍，真空度偏差值只存在一种分解方式。以上情况下，步骤S201、S202中两种偏差分解方式的结果是相同的。

在上述技术方案中，步骤S3中当抽气器工作蒸汽调节阀的上一周期开度μ_(n-1)＝100％时，不存在正作用余量；同理，当抽气器工作蒸汽调节阀的上一周期开度μ_(n-1)＝μ_min时，不存在负作用余量。

在本发明步骤S602中工作蒸汽调节阀开度偏差Δu的计算采用的是PI控制，也可根据实际情况采用其他控制方式，如用PID控制，此时Δu＝k_p*[e_(n)-e_(n-1)]+k_i*e_(n)k_d*[e_(n)-2e_(n-1)+e_(n-2)]；对于冷却水泵转速调节精度较差的情况，冷却水泵工作蒸汽调节阀开度增量Δu可以采用BangBang控制，即控制Δu＝恒定值。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、根据上一周期凝汽器真空度测量值P_(n-1)，计算当前真空度偏差P_e＝P^*-P_(n-1)，其中P^*为真空度控制目标值；

S2、设置真空度控制目标范围为P^*±P_d，其中P_d>0，比较|P_e|与P_d大小，如|P_e|≤P_d，保持当前周期的抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)和当前周期冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)不变，转至步骤S8；如|P_e|＞P_d，将真空度偏差P_e分解为冷却水量调节偏差和抽气量调节偏差之和，计算出抽气量调节对应的真空度正偏差α和负偏差β，转至步骤S3；

S3、根据当前的抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n-1)，计算当前抽气器正作用余量a和负作用的余量b；

S4、比较真空度正偏差α、负偏差β对应的抽气器调节余量，取min{|α-a|，|-β-b|}确定控制方案，并计算冷却水泵的转速设定值改变量r，以及计算抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)；

S5、针对冷却水泵的转速设定值改变量r，更新转速设定值Ω_(n)＝Ω_(n-1)+r；

S6、计算冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)；

S7、输出抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)、冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)；

S8、测量并输出凝汽器真空度测量值P_n，进入下一周期，重复步骤S1-S7。

2.如权利要求1所述的凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于：当|P_e|＞P_d时，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201、将真空度偏差P_e分解为P_e＝i×Δ+α，其中α>0；

S202、将真空度偏差P_e分解为P_e＝(i+1)×Δ+β，其中β<0；

上述步骤中，i为整数，Δ为冷却水泵转速调节最小值ω时，对应的真空改变量；α为冷却水量调节(i×Δ)后的真空度正偏差，β为冷却水量调节((i+1)×Δ)后的真空度负偏差，|α|<Δ，|β|<Δ。

3.如权利要求1所述的凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于：步骤S3中，正作用余量a和负作用余量b通过以下公式计算：

a＝δ×[100％-μ_(n-1)]/[100％-μ_min]；

b＝δ×[μ_(n-1)-μ_min]/[100％-μ_min]；

其中，δ为抽气器在开度范围[μ_min，100％]内总的真空度调节能力，μ_min为抽气器最小转速时对应的工作蒸汽调节阀最低开度。

4.如权利要求2所述的凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：

S401、比较|α-a|和|-β-b|大小，如|α-a|较小，转入步骤S402；如|-β-b|较小，转入步骤S403；

S402、将真空度偏差Pe分解为Pe＝i×Δ+α，判断i值，若i≠0，设定冷却水泵的转速设定值改变量和抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)＝μ_(n-1)，转入步骤S5；若i＝0，设定冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)＝u_(n-1)，设定当前抽气器工作蒸汽调节阀开度，转入步骤S7；

S403、将真空度偏差P_e分解为P_e＝(i+1)×Δ+β，判断i+1的值，若i+1≠0，设定冷却水泵的转速设定值改变量r＝(i+1)×ω，抽气器工作蒸汽调节阀开度μ_(n)＝μ_(n-1)，转入步骤S5；若i+1＝0，设定冷却水泵工作蒸汽调节阀开度u_(n)＝u_(n-1)，设定当前抽气器工作蒸汽调节阀开度，转入步骤S7。

5.如权利要求4所述的凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于：步骤S402中，i＝0时，判断抽气量调节对应的真空度正偏差α和当前抽气器正作用余量a的大小，若α≥a，则将抽气器工作蒸汽调节阀开度设置为μ_(n)＝100％；若α<a，将设置当前抽气器工作蒸汽调节阀最大开度为μ_(n)＝μ_(n-1)+α/a*[100％-μ_(n-1)]。

6.如权利要求4所述的凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于：步骤S403中，i+1＝0时，判断抽气量调节对应的真空度负偏差的绝对值-β和当前抽气器负作用余量b的大小，若-β≥b，将抽气器工作蒸汽调节阀设定为最小开度μ_min；若-β<b，将抽气器工作蒸汽调节阀设定为μ_(n)＝μ_(n-1)+β/b*[μ_(n-1)-μ_min]。

7.如权利要求1所述的凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于：步骤S6具体包括以下步骤：

S601、计算冷却水泵转速偏差e_(n)＝Ω_(n)-omega_(n-1)，其中omega_(n-1)为上一周期转速测量值；

S602、计算冷却水泵工作蒸汽调节阀开度增量：

Δu＝k_p*[e_(n)-e_(n-1)]+k_i*e_(n)；

S603、更新冷却水泵工作蒸汽调节阀开度：u_(n)＝u_(n-1)+Δu。

8.如权利要求7所述的凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于：步骤S602中使用PID控制或bangbang控制控制冷却水水泵工作蒸汽调节阀开度增量Δu。

9.如权利要求1所述的凝汽器真空度的分程控制方法，其特征在于：所述步骤S1-S7由计算机控制系统以相同的时间间隔循环执行。