CN107780982B - 一种在线的间接空冷高背压供热机组背压控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种间接空冷高背压供热机组背压控制系统和方法，包括汽轮机低压缸、双温区凝汽器、间冷塔和DCS控制系统，从间冷塔进入双温区凝汽器B侧的循环水管道上设置有变频循环水泵、热电阻，变频循环水泵连接变频器，双温区凝汽器的B侧设置有压力变送器，变频器、热电阻、压力变送器均与DCS系统通过线缆连接。在DCS控制系统中使用PID控制器进行变频器的控制，背压实际值PV通过压力变送器测得，使PID控制器对作为执行单元的变频器输出信号调节变频器的频率，进而调节变频循环水泵的功率，调节循环水的流量，最终达到调节双温区凝汽器的压力的目的，本发明具有优化背压设定值，利用模糊自适应PID控制改善动态调节过程，减少普通PID控制的超调量。

Description

一种在线的间接空冷高背压供热机组背压控制系统及方法

技术领域

本发明属于高背压供热技术领域，特别涉及一种在线的间接空冷高背压供热机组背压控制系统及方法。

背景技术

高背压供热作为一种新型的供热方式在近年来逐渐兴起，具有节约能源，改善环境，提高供热质量等综合效益，是降低机组能耗的有效方式，符合国家节能减排相关政策。

间接空冷机组采用循环水冷却汽轮机低压缸排汽，循环水通过空冷岛向外散热，对于机组来说，此部分散失的热量为完全的热损失，未能有效利用。高背压供热改造目的就是为了充分回收此部分冷源损失，实现冷源损失为零，达到提升系统能量利用率，节能降耗的目的。

高背压供热改造后，机组运行原则为“以热定电”，在安全的设计范围内，背压升高有利于提升供热机组的供热效率，但随着背压的提升，汽轮机末级排汽口比容减小，将使汽轮机末级的容积流量大大减小，叶片动应力增加，末级叶片颤振值增大，颤振值越大，末级叶片越容易断裂损坏，影响机组安全运行。但背压值过低，将影响供热系统的经济效益。因此，综合衡量高背压供热机组的热经济性和机组安全因素，开发一种在线的间接空冷高背压供热机组背压控制系统及方法是很有必要的。

发明内容

本发明解决的技术问题：

解决高背压供热机组背压不能有效实现DCS在线调节的问题，同时，克服现阶段单纯依靠操作人员手动调节易出现调节不精确影响机组安全，背压值优化不足导致供热效率低的问题，提出一种在线的间接空冷高背压供热机组背压控制系统及方法，在DCS系统实现在线的背压控制，将背压控制在最优范围。

本发明采用以下技术方案：

一种间接空冷高背压供热机组背压控制系统，包括汽轮机低压缸1、双温区凝汽器2、间冷塔3和DCS控制系统，汽轮机低压缸1与双温区凝汽器2相连通，间冷塔3与双温区凝汽器2的B侧之间具有循环水管道，从间冷塔3进入双温区凝汽器2B侧的循环水管道上设置有变频循环水泵5、热电阻8，变频循环水泵5连接变频器6，所述双温区凝汽器2的B侧设置有压力变送器9，所述变频器6、热电阻8、压力变送器9均与DCS系统通过线缆连接。

所述变频循环水泵5后的循环水管道上还连接有流量测量装置7，所述流量测量装置7连接DCS控制系统。

一种背压控制的控制方法，包括在DCS控制系统中使用PID控制器进行变频器6的控制，背压实际值PV通过压力变送器9测得，使PID控制器对作为执行单元的变频器6输出信号调节变频器6的频率，进而调节变频循环水泵5的功率，调节循环水的流量7，最终达到调节双温区凝汽器2的压力的目的,其中，PID控制器的输入为背压设定值SP和背压实际值PV的压力差值。

所述背压设定值SP的获取包括以下两种途径，通过选择模块13选择以下两中途径中的一个作为最终的背压设定值SP获取途径：

<1>获取背压限制曲线，将该曲线与低压缸进汽压力拟合为函数，同时设置对背压设定值SP进行修改的系数模块11，通过不同的低压缸进汽压力值获取当前的背压设定值，同时通过系数模块11调整背压设定值获取最终的背压设定值SP；

<2>通过操作员人工手动操作，在输入模块12直接输入最终的背压设定值SP。

通过模糊自适应PID控制的方法对PID控制器进行比例、积分、微分参数调整，所述模糊自适应PID控制方法通过模糊自适应推理模块14，以背压设定值SP和压力变送器获取的实际背压值PV的压力差值和压力差值的变化率作为输入，利用设定的模糊规则，对PID控制器的参数进行修改。

通过专家前馈模块对PID控制器的输出进行调整后，再输出信号给变频器6；

所述专家前馈模块的建立过程为：

设置循环水冷却水的基准温度为T0，同时循环水冷却水的实际温度为T，T与T0的差值为ΔT，根据专家经验，设置专家规则：即在ΔT为不同值时，设置不同的前馈系数K；

通过热电阻8测得流入双温区凝汽器2B侧的循环水的冷却水实际温度T后，与基准温度T0计算差值ΔT，进而获取前馈系数K，通过前馈系数对PID控制器输出给变频器(6)的频率指令值进行修正。

本发明的有益效果：

本发明具有优化背压设定值，利用模糊自适应PID控制改善动态调节过程，减少普通PID控制的超调量，利用专家前馈控制消除温度干扰，提升控制质量，提高供热经济效益。同时，优化配置，在DCS实现在线控制，无需外置控制器，节约投资。

附图说明

图1为间接空冷高背压供热机组背压控制系统设备连接图。其中1为汽轮机低压缸，2为双温区凝汽器，3为间冷塔，4为DCS，5为变频循环水泵，6为变频器，7为流量测量装置，8为热电阻，9为压力变送器。

图2为间接空冷高背压供热机组背压在线控制策略图。

图3为模糊自适应推理器的原理框图。

图4为控制系统手自动切换跟踪示意图。

图5为某330MW超临界间接空冷机组背压限制曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明提供的间接空冷高背压供热机组背压控制系统的设备包括汽轮机低压缸1，双温区凝汽器2，间冷塔3，DCS控制系统4，变频循环水泵5，变频器6，流量测量装置7，热电阻8，压力变送器9。

高背压供热工况下，双温区凝汽器2的A侧冷却介质为热网循环水，B侧冷却介质为循环水，变频循环水泵5为高背压供热改造在原扩大单元制循环水系统基础上新增的水泵，变频循环水泵5与变频器6相连，变频器6用于调节循环水泵5的转速，进而控制循环水流量，循环水流量通过流量测量装置7测得；流量测量装置7设置于变频循环水泵5后的循环水管道上，用于测量进入凝汽器B侧的循环水流量。循环水管道上还设置一个热电阻8用于测量进入凝汽器B侧的循环水温度，凝汽器B侧设置有压力变送器9测量凝汽器压力。变频器6、流量测量装置7、热电阻8、压力变送器9均与DCS 4通过硬接线相连，变频器6的频率反馈、变频循环水泵出口流量、循环水温度、凝汽器压力均远传至机组DCS，同时，DCS 4可以下发频率指令至变频器6。

本发明的控制系统在机组DCS 4上实现，包括进行数据库组态、控制策略组态、画面组态和调试等。如图2所示，本发明的DCS控制系统采用模糊自适应PID控制的方法，对背压实际输出值进行调整。PID控制回路采用前馈+反馈的控制方式，调节对象为机组背压，执行装置为变频器6，引入专家前馈16，消除循环冷却水温度对背压的影响。

具体来说，在DCS控制系统中，使用PID控制器进行变频器6的控制进而最终控制凝汽器的压力值，其中，PID控制器的输入为背压设定值SP，PID控制器的输出端为背压实际输出值PV，通过压力变送器9测得不同时刻的压力值，并获取相邻时刻或者设定时间间隔的压力值的差值和压力差值的变化率对PID控制器进行参数调整，通过现有的PID控制器进行计算，输出给作为执行单元的变频器6需要的信号，用于调节变频器6的频率，进而调节变频循环水泵5的功率，调节进入双温区凝汽器2的循环水的流量，达到背压调节的目的。

在本发明的DCS控制系统中，背压设定值SP的确定采用背压自动在线计算方法，根据汽轮机厂家提供的背压限制曲线可知，参见图5，在“以热定电”运行原则下，背压接近报警限制值时，机组热经济效益越高，此种情况下的背压为在安全范围内经济性最佳背压。由现有技术可知，该背压与低压缸进汽压力P具有一定函数关系，记为SP1＝f(P)，为一个连续函数，其中该函数中，低压缸进汽压力由DCS数据库取得。但在实际运行中，低压缸进汽压力P测量值为一个连续变化的量，若将其与背压值直接拟合函数，因低压缸排汽压力P变化频繁，则背压设定值SP1变化亦频繁，这在运行中是不合理的，因此本发明的控制系统中，背压设定值SP1与低压缸排汽压力P的关系拟合采用分区间折线的方式，设置背压限制函数模块10，将低压缸排气压力P以设定的区间长度进行划分，在设定的一个区间长度内变化的不同低压缸排气压力P对应相同的背压设定值SP1。例如将低压缸排汽压力P以0.05MPa为区间长度进行分割，即P∈[0,0.05)时，SP1＝f(0)，P∈[0.05,0.1)时，SP1＝f(0.05)，P∈[0.1,0.15)时，SP1＝f(0.1)，以此类推。同时，由现有技术可知，被控对象在动态调节过程中，初始阶段一般均会有一定程度的超调量，跟调节系统参数设置有较大关系，为保证调试过程中背压超调不影响系统安全，在背压设定值SP的发生环节设置一个系数模块11，参见图2，作为一个实施例，系数值初始值定为1，可以根据需要在0.9～1的范围内修改，用以校正变工况调试中超调量较大时的背压设定值，使系统背压始终处于安全范围内，本控制方案要求控制超调在10％以内。

本发明的控制系统中设置操作员输入模块12，操作人员可以根据实际需求直接设定背压设定值SP。同时设置选择模块13，可以在背压自动计算和操作员直接输入给定背压值之间进行切换，最终有两种方式确定背压设定值SP，参见图2。

对PID控制器参数的调整，使用的是模糊自适应PID控制器。模糊自适应PID控制器能够解决操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示的问题。参见图3，运用模糊数学的理论和方法，将规则条件、操作用模糊规则集表示，即为模糊化过程，并把这些模糊规则集及评价指标、PID初始参数等存入计算机知识库，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可自动实现对PID控制器15参数的最佳调整，即为去模糊化过程。所述模糊自适应推理模块14以压力差值和压力差值的变化率作为输入，可以满足不同时刻的压力差值和压力差值的变化率对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。

其中压力差值e的论域为e＝{-3,-2.4,-1.8,-1.2,-0.6,0,0.6,1.2,1.8,2.4,3}，压力差值的变化率ec的论域设置为ec＝{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}；其模糊子集为e,ec＝{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}，分别表示负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。图3中的PID控制器15的三个参数kp,ki,kd采用如下模糊规则。

kp模糊规则为:

ki模糊规则为:

kd模糊规则为:

控制系统在线运行过程中，通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID控制参数的在线自动修正。

由于高背压供热改造后，系统真空系统可认为无变化，影响凝汽器背压的主要参数为循环冷却水流量和温度，循环水的流量通过PID控制方法控制变频器进行控制，而在本发明背压控制方案中，冷却循环水的温度影响凝汽器中换热过程，是一个重要扰动参数，同时温度变化具有较大迟延和惯性，本发明设置专家前馈模块，可以根据对象的换热过程，计算出扰动量的前馈系数，利用专家前馈模块16，在干扰出现时，立即进行校正，在干扰影响被调量之前就被抵消掉。

专家前馈模块16利用专家知识，确定前馈系数。本实施例中背压前馈为静态前馈。间冷塔冬季运行规程对冷却扇区的出水温度有严格限制，一般将最低出水温度限制在20℃～30℃之间，本实施例机组高背压改造后汽轮机采用高背压方式运行时，间冷塔出水温度控制在50±2℃左右，在本实施例中，冷却水温度以50℃为基准进行前馈环节的设计，记为T₀，冷却水的实际温度与T₀之差记为△T，根据专家经验，设置专家规则，△T＝{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}时，对应的前馈系数K＝{-10,-8,-6,-4,-2,0,2,4,6,8,10}，通过前馈系数对PID控制器输出给变频器6进行修改，用以减弱因冷却水温度变化对背压调节的影响，此值不要求十分精确。

本发明的控制系统设置手自动切换功能，参见图4，通过手自动切换模块(M/A)实现手动、自动的切换，系统投入自动控制的条件为机组处于高背压供热工况且运行稳定；当系统热网泵全跳闸，热网大量失水工况时，所述背压控制系统切手动，由操作员手动进行相应设备操作。系统由自动切换为手动状态时，PID变为跟踪状态，PID输出始终跟踪变频器执行装置反馈值，即变频器频率值，手动输出值等于实际变频器当前频率值；系统由手动状态切换为自动状态时，PID控制器的设定值输入SP始终跟踪被调量实际测量值PV，通过PV与SP的偏差计算和PID计算，切换时变频器的频率增量指令为0，使得变频器不会出现大的动作，实现手自动无扰切换。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种间接空冷高背压供热机组背压控制系统进行背压控制的控制方法，其特征在于，包括：

在DCS控制系统中使用PID控制器进行变频器（6）的控制，背压实际值PV通过压力变送器（9）测得，使PID控制器对作为执行单元的变频器（6）输出信号调节变频器（6）的频率，进而调节变频循环水泵（5）的功率，调节循环水的流量（7），最终达到调节双温区凝汽器（2）的压力的目的, 其中，PID控制器的输入为背压设定值SP和背压实际值PV的压力差值；

通过模糊自适应PID控制的方法对PID控制器进行比例、积分、微分参数调整，所述模糊自适应PID控制方法通过模糊自适应推理模块（14），以背压设定值SP和压力变送器获取的实际背压值PV的压力差值和压力差值的变化率作为输入，利用设定的模糊规则，对PID控制器的参数进行修改；

通过专家前馈模块对PID控制器的输出进行调整后，再输出信号给变频器（6）；

所述专家前馈模块的建立过程为：

设置循环水冷却水的基准温度为T₀，同时循环水冷却水的实际温度为T，T与T₀的差值为ΔT，根据专家经验，设置专家规则：即在ΔT为不同值时，设置不同的前馈系数K；

通过热电阻（8）测得流入双温区凝汽器（2）B侧的循环水的冷却水实际温度T后，与基准温度T₀计算差值ΔT，进而获取前馈系数K，通过前馈系数对PID控制器输出给变频器（6）的频率指令值进行修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述背压设定值SP的获取包括以下两种途径，通过选择模块（13）选择以下两中途径中的一个作为最终的背压设定值SP获取途径：

<1>获取背压限制曲线，将该曲线与低压缸进汽压力拟合为函数，同时设置对背压设定值SP进行修改的系数模块（11），通过不同的低压缸进汽压力值获取当前的背压设定值，同时通过系数模块（11）调整背压设定值获取最终的背压设定值SP；

<2>通过操作员人工手动操作，在输入模块（12）直接输入最终的背压设定值SP。