CN108386829A - 一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法、装置和系统，该温度控制方法包括下列步骤：步骤1：获取本级减温器出口温度，获取本级过热器出口温度；步骤2：计算本级减温器的温度前馈值；步骤3：计算本级过热器出口的温度偏差值；步骤4：将温度前馈值和温度偏差值相加的结果发送给PID控制器，通过PID控制器控制本级减温器喷水量。通过本发明，可以更真实、准确地反映出过热器系统中过热蒸汽经过减温器后的温度变化趋势，使控制器精准预判和控制减温器的喷水量，最终维持过热蒸汽温度在锅炉运行要求范围。

Description

一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及锅炉智能控制技术，更具体地，涉及一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法、装置和系统。

背景技术

锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5-10℃，热效率约降低1％，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热汽温的降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的焓值减小，引起反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机安全运行带来不利的影响。所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。

锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛中的最高的温度没有多大的变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性，即当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性，但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内，仍随锅炉负荷的增加有所升高。过热汽温的控制就是维持过热出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。

过热蒸汽的温度一般可以看作是多容分布参数的受控对象，其动态特性描述可用多容惯性环节表示，该对象具有明显的滞后特性。过热汽温对象除了具有多容、大惯性、大延迟的特性之外，往往还表现出一定的非线性和时变特性。

目前，过热蒸汽的减温器控制系统通常为串级双回路控制系统，其原理方框图如图1所示，它具有内外两个回路。内回路由减温器出口汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器串接组成；外回路由主蒸汽温变送器、主调节器及整个内回路串接组成。过热器出口的主蒸汽温度为主环调节回路的被调变量，其实际温度反馈值送入主回路与其设定值进行比较，形成过热器出口的蒸汽温度的温度偏差值。减温器出口温度为副环调节回路的被调变量，其温度的测量值送入副回路与其给定值进行比较，形成减温器出口蒸汽温度的温度偏差值。副回路的给定值是由主回路控制器的输出与温度前馈值叠加形成。为了改善变负荷时的动态调节品质，控制系统通常会引入一个温度前馈值，例如蒸汽流量的微分值、燃料指令的微分值、主蒸汽压力值以及燃烧风量值等。减温器控制器的温度设定值为锅炉正常运行方式下的负荷函数曲线，或者由运行人员根据锅炉运行状态手动输入温度设定值。

过热汽温调节通常采用喷水减温作为主要调节手段。由于锅炉给水品质较高，所以减温器通常采用给水作为冷却工质。喷水减温的方法是将水呈雾状直接喷射到被调过热蒸汽中去与之混合，吸收过热蒸汽的热量使本身加热、蒸发、过热，最后也成为过热蒸汽的一部分。被调温的过热蒸汽由于放热，所以汽温降低，达到了调温的目的。

喷水减温调节操作简单，只要根据汽温的变化适当的变更相应的减温水调节阀门开度，改变进入减温器的减温水量即可达到调节过热汽温的目的。当汽温偏高时，开大减温器调节阀增加减温水量；当汽温偏低时，关小调节阀门减少减温水量，或者根据需要将减温器退出运行。

常规的减温器串级双回路控制方法通常会存在以下问题：

1)常规的减温器控制方法为两个PID控制器的串级控制，由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。一旦发生了共振，系统就失去控制。另外因为两个PID控制器为串联结构，在一个系统中工作，相互之间或多或少的有些影响，因此在串级控制系统中参数的整定要比单PID控制器系统复杂，调试难度更大。特别是对于生物质锅炉中，燃料的种类、水分、热值等时刻都会发生变化且无法预估，以此常规的减温器控制方法在生物质锅炉控制中是无法达到控制要求的。

2)通常火力发电锅炉过热系统采用两级的减温器设计，两级减温器的控制过程及控制目标是完全独立的。但在生物质锅炉等种类的锅炉中为了更加灵活地控制过热蒸汽温度，可能会采用多级减温系统，比如三级减温系统，如果使用三个常规的串级双回路控制方法分别控制三个减温器系统，使用中就会发生不同减温器之间在过热蒸汽温度发生变化时系统中各级减温器调节方向不一致，前后作用矛盾的现象，使过热蒸汽温度出现大幅度的波动。例如，当一级减温器喷水量突然减少，则一级减温器后的一级过热器出口温度就会上升，同时，二级、三级减温器的喷水量不变，这时对应的过热器出口温度都会上升，因此，为了维持设定的过热器出口温度保持不变，第一、第二、第三级减温器都会增加喷水量，经过几个控制周期，一级减温器后的过热器出口温度恢复到设定值，这时后面的二级、三级减温器后的过热器出口温度就会因喷入过量的减温水而造成温度低于设定值。于是二级、三级减温器就会同时快速减少喷入的减温水量，当二级减温器后的过热器出口温度恢复到设定值时，三级减温器后的过热器温度又会超过设定值，第三级减温器就会增加喷水量，最终使过热器温度恢复到设定值。整个变化过程中，因为三个减温器之间相互独立，造成调节过程中实际动作与预期目标不一致的情况。

3)常规的减温器串级双回路控制系统中，虽然考虑到过热器系统中，减温器距离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主蒸汽温度的变化滞后和惯性较大，因此增加了减温器出口温度这个过程变量及一个PID控制器，但是串级控制双回路系统无法定量的描述出过热蒸汽变化的滞后和惯性。因此在实际中还是无法准确快速的调节减温器的喷水量，控制过热蒸汽温度。

PID控制器(比例-积分-微分控制器)，由比例单元P、积分单元I和微分单元D串接组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个设定值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在设定值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

生物质锅炉通过燃烧生物质固态燃料，将能量从燃料产生的烟气转移到给过热蒸汽中。过热蒸汽被输送到蒸汽轮机发电系统，将热能转换为电能。

生物质锅炉的过热器系统包含四级过热器，如图2所示。饱和蒸汽由锅筒上的饱和蒸汽连接管引入饱和蒸汽汇集集箱，沿连接管进入初级过热器，过热器逆流顺列布置，从初级过热器出来后经过一级减温器减温后进入一级过热器，然后再经过二级减温器、二级过热器、三级减温器、三级过热器后进入主蒸汽管，最后由主蒸汽管进入汽轮机。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法、装置和系统。

根据本发明提出了一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法，包括：步骤1：获取本级减温器出口温度，获取本级过热器出口温度；步骤2：计算本级减温器的温度前馈值；步骤3：计算本级过热器的温度偏差值；步骤4：将温度前馈值和温度偏差值相加的结果发送给PID控制器，通过PID控制器控制本级减温器的喷水量。

进一步的，步骤2包括：步骤21：设置一阶函数Pt(x)和积分函数I(x)，一阶函数的时间系数和积分函数的时间系数与锅炉负荷值为线性关系；步骤22：计算本级温度前馈值，公式为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

其中，X_t为t时刻所述本级减温器出口温度，K为比例系数，Z的初值为本级减温器出口温度。

减温器出口的温度前馈值可以用来预判本级减温器的温度变化趋势，给出预判量，叠加到PID控制器上后可以更加精准地控制减温水量，使得减温器出口的温度变化平稳。

进一步的，步骤2还包括：步骤23：输出本级减温器出口的温度反馈值Z_t+1，用于计算上级过热器出口的温度偏差值。

其中，步骤3包括：步骤31：设置设定值或计算设定值；步骤32：计算本级过热器出口温度与设定值之差作为温度偏差值。

设定值可以人工设定，也可以计算，计算方法有两种，分别为：

(1)设定值＝min((f(x)+Δt),本级过热器出口温度的上限值)

其中，min为取小函数，f(x)为函数器，x代表锅炉负荷的主蒸汽流量，

Δt为人工设定的修正值。

(2)获取下级减温器预期的前后温差、下级减温器温度反馈值；将获取的值相加并与本级过热器出口的上限温度相比较，取较小的值作为本级减温器的设定值。进一步的，下级减温器预期的前后温差由代表锅炉负荷的主蒸汽流量值经函数器产生，并能够叠加人工给予的修正值。

根据本发明的另一方面，提出一种锅炉过热蒸汽的温度控制装置，包括减温器、与减温器相连的过热器、连接在减温器出口的前馈模块、连接在过热器出口的偏差计算模块、加法器、PID控制器、与PID控制器和减温器相连的减温器调节阀，其中，

前馈模块，连接在减温器出口和加法器模块之间，用于获取减温器出口的温度，计算温度前馈值并输出给加法器；前馈模块包含一阶函数Pt(x)和积分函数I(x)，一阶函数的时间系数和积分函数的时间系数与锅炉负荷值成线性关系；温度前馈值的计算公式为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

其中，X_t为t时刻所述本级减温器出口温度，K为比例系数，Z的初值为本级减温器出口温度。

进一步的，前馈模块还输出减温器出口的温度反馈值Z_t+1给上级减温器的偏差计算模块。

偏差计算模块，连接在过热器的出口与加法器之间，用于获取过热器出口温度，并与设定值进行比较，将过热器出口温度与设定值之差作为温度偏差值，然后将温度偏差值送入加法器。

偏差计算模块中的设定值可以人工设定，也可以按下面公式之一计算：

(1)设定值＝min((f(x)+Δt),本级过热器出口温度的上限值)

其中，min为取小函数，f(x)为函数器，x代表锅炉负荷的主蒸汽流量，

Δt为人工设定的修正值。

(2)设定值＝min((下级减温器预期的前后温差+下级减温器前馈模块输出的减温器温度反馈值)，本级过热器出口的温度上限值)

min(x,y)的结果为x、y中小者的值。下级减温器预期的前后温差由代表锅炉负荷的主蒸汽流量值经函数器产生，运行人员能够对前后温差设置修正值。

加法器，用于接收前馈模块和偏差计算模块发送的值，对值求和并将结果发送到PID控制器。

PID控制器，用于接收加法器发来的温度值求和结果，通过计算输出阀位开度值，控制减温器调节阀调节减温器的喷水量。

根据本发明的又一方面，提出一种锅炉过热蒸汽的温度控制系统，包括顺次连接的一级减温器、一级过热器、二级减温器、二级过热器、三级减温器和三级过热器，一级减温器出口还顺次连接第一前馈模块、第一加法器、第一PID控制器、一级减温器调节阀，二级减温器出口还顺次连接第二前馈模块、第二加法器、第二PID控制器、第二减温器调节阀，三级减温器出口还顺次连接第三前馈模块、第三加法器、第三PID控制器、第三减温器调节阀；一级过热器顺次连接第一偏差计算模块、第一加法器，二级过热器顺次连接第二偏差计算模块、第二加法器，三级过热器顺次连接第三偏差计算模块、第三加法器；

第一前馈模块，用于获取所连接的一级减温器出口温度，发送第一温度前馈值给第一加法器；

第二前馈模块，用于获取二级减温器出口温度，发送第二温度前馈值给第二加法器，还能够发送二级减温器出口的温度反馈值给第一偏差计算模块；

第三前馈模块，用于获取三级减温器出口温度，发送第三温度前馈值给第三加法器，还能够发送三级减温器出口的温度反馈值给第二偏差计算模块；

第一偏差计算模块，将一级过热器出口温度与第一设定值之差作为温度偏差值，然后将温度偏差值送入第一加法器；

第二偏差计算模块将二级过热器出口温度与第二设定值之差作为温度偏差值，然后将温度偏差值送入第二加法器；

第三偏差计算模块，将三级过热器出口温度与第三设定值之差作为温度偏差值，然后将温度偏差值送入所述第三加法器；

加法器，用于输出输入值相加的结果；

PID控制器，用于将温度信息转换为控制值；

减温器调节阀，接收PID控制的控制值，调节减温器的喷水量。

其中，前馈模块，包含一阶函数Pt(x)和积分函数I(x)，一阶函数的时间系数和积分函数的时间系数与锅炉负荷值为线性关系；各级前馈模块的温度前馈值和温度反馈值的计算公式为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

温度反馈值＝Z_t+1

其中，K为比例系数，各级模块可以根据需求分别设置各级函数和比例系数，X_t为t时刻前馈模块所连接的减温器的出口温度，Z的初始值为减温器的出口温度。

其中，第一设定值＝min((二级减温器预期的前后温差+二级减温器前馈模块输出的减温器温度反馈值)，一级过热器出口的温度上限值)；

第二设定值＝min((三级减温器预期的前后温差+三级减温器前馈模块输出的减温器温度反馈值)，二级过热器出口的温度上限值)；

第三设定值＝min((f(x)+Δt),三级过热器出口温度的上限值)

其中，min为取小函数，f(x)为函数器，x代表锅炉负荷的主蒸汽流量，

Δt为人工设定的修正值。

进一步的，减温器预期的前后温差由代表锅炉负荷的主蒸汽流量值经函数器产生，运行人员能够对前后温差设置修正值。

通常，生物质锅炉都由四级过热器构成，即在一级减温器前连接有过热器，由此即可串接组成具有四级过热器加三级减温器结构的过热蒸汽的温度控制系统。

通过本发明提出的系统中，可以在上述的三级减温器前增/减一套减温器、过热器及相应的前馈模块、偏差计算模块，以满足实际需求。

本发明的技术方案采用了一个PID控制器代替了串级双回路控制系统中的两个PID控制器，简化了控制器结构，使控制回路在应用中变得更加简单。另外，本发明的三级减温器控制回路之间都是相互关联、控制目标一致的，将一级、二级减温器的设定值由控制过热器出口温度变为后一级减温器前后的温差与过热器入口温度之和，使不同的减温器之间不会因为某一级减温器调节过程中出现的过热蒸汽温度波动而引起其他过热器出现调节作用相反的情况。同时，本发明的控制系统还引进了前馈模块，以反映出减温器喷水后，过热汽温变化的滞后和惯性特性，使过热汽温能够快速准确地调节到设定值。

附图说明

图1为锅炉过热汽温串级双回路控制系统的原理方框图；

图2为锅炉过热蒸汽温度控制系统的四级结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的锅炉过热蒸汽的温度控制方法的流程图；

图4为根据本发明一个实施例的锅炉过热蒸汽的温度控制装置或系统的前馈模块结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的锅炉过热蒸汽的温度控制装置或系统的前馈模块中函数的时间系数取值示意图；

图6为根据本发明一个实施例的锅炉过热蒸汽的温度控制装置或系统的前馈模块中过热蒸汽温度动态曲线图；

图7为根据本发明一个实施例的锅炉过热蒸汽的温度控制装置或系统的偏差计算模块中计算预期温差的示意图；

图8为根据本发明一个实施例的锅炉过热蒸汽的温度控制装置的结构示意图；

图9为根据本发明另一个实施例的锅炉过热蒸汽的温度控制装置的结构示意图；

图10为根据本发明一个实施例的锅炉过热蒸汽的温度控制系统的结构示意图；

为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种锅炉过热蒸汽温度控制系统和方法进行详细描述。

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

根据本发明提出了一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法，如图3所示，包括：步骤1：获取本级减温器出口温度，获取本级过热器出口温度；步骤2：计算本级减温器出口的温度前馈值；步骤3：计算本级过热器出口的温度偏差值；步骤4：将温度前馈值和温度偏差值相加的结果发送给PID控制器，通过PID控制器控制本级减温器喷水量。

在步骤2中，温度前馈值用于模拟反映喷水减温后过热蒸汽的温度在过热器中的变化过程。其计算方法如下：

(1)设置一阶函数Pt(x)和积分函数I(x)，如图4所示，一阶函数的时间系数Tu与锅炉负荷值成线性关系。在一个实施例中，Tu为分段函数，在锅炉负荷为0时，Tu＝300，在锅炉负荷为20％时，Tu＝300s，在锅炉负荷为80％时，Tu＝180s，在锅炉负荷为100％时，Tu＝180s，如图5左图所示，类似的，如图5右图所示，积分函数的时间系数Tg与锅炉负荷也成线性关系。

(2)计算本级温度前馈值，公式为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

其中，X_t为t时刻前馈模块所连接的减温器的出口温度，Z的初始值为减温器的出口温度。

进一步的，如果有多级过热器和减温器相连，比如在图2中所示的4级过热器和3级减温器结构中，还要计算和输出本级减温器出口的温度反馈值Z_t+1。

在步骤3中，温度偏差值表示过热器的出口温度与预期的偏差。计算方法为：

(1)设置出口温度设定值，比如预期出口温度为520度,或者计算设定值。设定值的计算可以有两种方法：

1)获取下级减温器预期的前后温差、下级减温器出口温度反馈值；

下级减温器预期的前后温差由代表锅炉负荷的主蒸汽流量值经函数器f(x)产生，还可以人工给出修正值。在一个实施例中，函数器f(x)如图7所示，具体可以根据锅炉实际运行工况修正。

将在上面步骤中获取的前后温差和修正值相加并与本级过热器出口的上限温度相比较，取较小的值作为本级减温器的设定值。

2)设定值＝min((f(x)+Δt),本级过热器出口温度的上限值)

其中，min为取小函数，f(x)为函数器，x代表锅炉负荷的主蒸汽流量，

Δt为人工设定的修正值。

(2)计算本级过热器出口温度与设定值之差作为温度偏差值。

在步骤4中，将温度前馈值和温度偏差值相加的结果发送给PID控制器，PID控制器控制减温器喷水量。具体地说，PID输入大于0，则PID输出持续增加，减温水调阀开度不断变大，喷水量不断增加；当PID输入等于0时，PID输出保持不变，减温水调阀开度也保持不变，喷水量也维持不变；如果PID输入小于0，则PID输出持续减少，减温水调阀开度不断变小，喷水量将不断减少。通过这样的控制，就可以调节减温器的喷水量，从而调节过热蒸汽的温度。

根据本发明的一个方面，提出一种锅炉过热蒸汽的温度控制装置，包括减温器、与减温器相连的过热器，连接在过热器出口的偏差计算模块，连接在减温器出口的前馈模块、PID控制模块、加法器模块和与减温器连接的减温水调节阀。

加法器模块连接PID控制模块、偏差计算模块和前馈模块，用于将偏差计算模块的输出与前置反馈模块的输出值相加，并结果发送给PID控制模块。

PID控制模块，用于接收加法器模块发送的结果，控制所连接的减温水调节阀，从而控制喷水量以达到调节减温器的目的。减温器的喷水流量可以通过减温器的前后蒸汽焓值计算得出。

前馈模块是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来工作的，其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。前馈模块运用得当，可以使被控变量的扰动消灭在萌芽之中，使被控变量不会因扰动作用或给定值变化而产生偏差，它较之反馈控制能更加及时地进行控制，并且不受系统滞后的影响。

前馈模块，连接在减温器出口和加法器模块之间，用于获得减温器出口的温度，计算温度前馈值然后将温度前馈值输出给加法器，在如图2所示的多级结构中，前馈模块还可以输出减温器出口的温度反馈值给上级减温器的偏差计算模块。

前馈模块DT主要由一阶函数Pt(x)和积分函数I(x)串接组成，前馈模块实时进行循环运算，即这是一个周期循环计算过程，下一个周期计算要用到上一周期的结果。Pt(x)的输入值X为所连接的减温器的出口温度，输入值X与Z(Z＝I(Pt(X-Z)，Z的初值设定为X，之后即可自动计算)的差值进入一阶函数Pt和积分函数I中参与运算，一阶函数Pt和积分函数I的时间系数T_u和T_g与不同负荷下过热器的特性有关，可以由锅炉负荷值经过函数f1(x)和f2(x)生成(x为锅炉负荷，f(x)可以为线性函数，如图5所示)，一阶函数Pt的作用是反映出过热蒸汽经过喷水减温后在过热器中的滞后特性，积分函数I的作用是可以反映出过热蒸汽经过喷水减温后在过热器中的惯性及平衡过程，因此两个函数合在一起后就可以模拟反映出过热蒸汽喷水减温后在过热器中的变化过程，其输入值X在DT模块中的动态变化曲线如图6所示。

输入值经过积分函数I的出口后，分裂成两个值，一个为减温器出口的温度反馈值Z，输出到上级减温器的偏差模块中，用于上级减温器的设定值计算。另一个输出值Y与输入值X的差值，再乘以比例系数K，形成温度前馈值输出给加法器。

如上所述，减温器的温度前馈值和温度反馈值的计算方法为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

温度反馈值＝Z_t+1

其中，X_t为t时刻前馈模块所连接的减温器的出口温度，Z的初始值为减温器的出口温度。

前馈模块DT可以用来模拟反映出减温器喷水后，过热汽温变化的滞后和惯性特性。当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点(过热器入口)与测量过热蒸汽温度的地点(过热器出口)之间有着较大的距离，此时过热器可以看作是一个有纯滞后的多容对象。当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大。因此，为了减少变化滞后和惯性的影响，加快系统的调节速度，多级结构中，每个减温器都应包含前馈模块。

偏差计算模块，连接过热器的出口与加法器模块，用于获得过热器出口的温度，并与设定值进行比较，将出口温度与设定值之差作为过热器的出口温度的温度偏差值，之后将温度偏差值送入加法器模块。根据不同的结构，设定值可以设定，也可以计算，计算方法在上面已有描述。

温度控制装置包含一级减温器和过热器及其相连的模块，通过扩展级联，就可以串接组成多级的、带有温度反馈的温度控制系统。

根据本发明的又一方面，提出一种锅炉过热蒸汽的温度控制系统，包括顺次连接的一级减温器、一级过热器、二级减温器、二级过热器、三级减温器和三级过热器，一级减温器出口还顺次连接第一前馈模块、第一加法器、第一PID控制器、一级减温器调节阀，二级减温器出口还顺次连接第二前馈模块、第二加法器、第二PID控制器、第二减温器调节阀，三级减温器出口还顺次连接第三前馈模块、第三加法器、第三PID控制器、第三减温器调节阀；一级过热器顺次连接第一偏差计算模块、第一加法器，二级过热器顺次连接第二偏差计算模块、第二加法器，三级过热器顺次连接第三偏差计算模块、第三加法器；

在一个实施例中，在一级减温器前增加一个初级过热器，从而符合图2所示的锅炉过热蒸汽的温度控制系统结构，整个减温器系统中的三级减温器控制的原理方框图如图8、9、10所示。

其中，第一前馈模块，用于获取所连接的一级减温器出口温度，发送第一温度前馈值给第一加法器；在此处，第一前馈模块不再产生出口温度反馈值。但如果还需要再增加级别，也可以输出温度反馈值给前级偏差计算模块；

第二前馈模块，用于获取二级减温器出口温度，发送第二温度前馈值给第二加法器，还能够发送二级减温器出口温度反馈值给第一偏差计算模块；

第三前馈模块，用于获取三级减温器出口温度，发送第三温度前馈值给第三加法器，还能够发送三级减温器出口温度反馈值给第二偏差计算模块；

第一偏差计算模块，将一级过热器出口温度与第一设定值之差作为温度偏差值，然后将温度偏差值送入第一加法器；

第二偏差计算模块将二级过热器出口温度与第二设定值之差作为温度偏差值，然后将温度偏差值送入第二加法器；

第三偏差计算模块，将三级过热器出口温度与第三设定值之差作为温度偏差值，然后将温度偏差值送入第三加法器；

各级加法器，用于输出输入值相加的结果；

各级PID控制器，用于将温度信息转换为控制值；

各级减温器调节阀，接收PID控制的控制值，调节减温器的喷水量。

其中，前馈模块，包含串接的一阶函数Pt(X)和积分函数I＝(X)，一阶函数的时间系数和积分函数的时间系数与锅炉负荷值成线性关系；温度前馈值和温度反馈值的计算公式为：

减温器的温度前馈值的计算方法为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

温度反馈值＝Z_t+1

其中，X_t为t时刻前馈模块所连接的减温器的出口温度，Z的初始值为开始时刻减温器的出口温度。每个前馈模块中的函数和比例系统可以根据需要设置。

其中，第一设定值＝min((二级减温器预期的前后温差+二级减温器前馈模块输出的减温器温度反馈值)，一级过热器出口的温度上限值)；

第二设定值＝min((三级减温器预期的前后温差+三级减温器前馈模块输出的减温器温度反馈值)，二级过热器出口的温度上限值)；

第三设定值为最后一级，因此采用另一种计算方法：

第三设定值＝min((f(x)+Δt),本级过热器出口温度的上限值)

其中，min为取小函数，f(x)为函数器，x代表锅炉负荷的主蒸汽流量，

Δt为人工设定的修正值。

进一步的，减温器预期的前后温差由代表锅炉负荷的主蒸汽流量值经函数器产生，运行人员能够对前后温差设置修正值。

这种设定值计算方法不仅可以使不同减温器之间建立起相互联系，而且将本级、下级减温器的绝对温度值控制转换为相对温度值控制，调节过程中，设定值都会跟随减温器出口温度动态变化，这样当其中一级减温器在调节过程中的过热蒸汽温度出现波动时，其他的减温器的设定值也会自动修正，从而不会影响其他的减温器的温度控制，避免了整个减温器系统调节出现大的波动，使所有减温器都处于稳定可控状态。

整个系统的工作流程描述如下：

如图10所示，锅炉正常运行中，根据锅炉负荷生成三级减温器的设定值(如540℃)，设定值与三级过热器的出口温度(如图中T₀)的偏差与前馈模块D_T输出温度前馈值(如图中[1])之和形成总温度偏差，如果总温度偏差大于0，则PID输出持续增加，三级减温器水调阀开度不断变大；当总温度偏差等于0时，PID输出保持不变，三级减温水器调阀开度也保持不变；如果温度偏差小于0，则PID输出持续减少，三级减温器水调阀开度不断变小。三级减温器的前馈模块D_T的温度反馈值(如图中[2]的490℃)与三级减温器前后预期温降(如30℃)之和与高限值S_p的最小值为二级减温器的设定值，设定值与二级过热器的出口温度(如图中T₂)的偏差与前馈模块D_T的温度前馈值(如图中[3])之和形成总温度偏差，如果总温度偏差大于0，则二级减温器水调阀开度不断变大；当总温度偏差等于0时，二级减温器水调阀开度也保持不变；如果温度偏差小于0，二级减温器水调阀开度不断变小。二级减温器的前馈模块D_T的温度反馈值(如图中[4]420℃与二级减温器前后预期温降(如图中50℃)之和与高限值S_p的最小值为一级减温器的设定值，设定值与一级过热器的出口温度(如图中T₄)的偏差与前馈模块D_T的温度前馈值(如图中[5])之和形成总温度偏差，如果总温度偏差大于0，则一级减温器水调阀开度不断变大；当总温度偏差等于0时，一级减温器水调阀开度也保持不变；如果温度偏差小于0，一级减温器水调阀开度不断变小。

利用本发明能够：

1).解决生物质锅炉减温器控制中无法跟随锅炉负荷、锅炉燃料变化而自动调节过热蒸汽温度的问题。

2).解决生物质锅炉减温器控制中减温水调节速度慢，无法跟随过热蒸汽设定值的问题。

3).解决生物质锅炉减温器控制中过热蒸汽温度波动大、不稳定的问题。

4).解决生物质锅炉减温器控制中各级减温器因调节过程、控制目标完全独立，而使整个减温器系统运行不稳定、各个减温器调节方向互斥的问题。

同时，参考发明的、方法装置和系统，可以增加、减少相应减温器、过热器及相关模块，以满足实际需求。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (17)

1.一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法，包括下列步骤：

步骤1：获取本级减温器出口温度，获取本级过热器出口温度；

步骤2：计算本级减温器的温度前馈值；

步骤3：计算本级过热器出口的温度偏差值；

步骤4：将所述温度前馈值和温度偏差值相加的结果发送给PID控制器，PID控制器生成控制值，控制本级减温器喷水量。

2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其中，所述步骤2包括：

步骤21：设置一阶函数Pt(x)和积分函数I(x)，一阶函数的时间系数和积分函数的时间系数与锅炉负荷值为线性关系；

步骤22：计算本级温度前馈值，公式为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

其中，X_t为t时刻所述本级减温器出口温度，K为比例系数，Z的初值为本级减温器出口温度。

3.根据权利要求2所述的温度控制方法，其中，还包括：

步骤23：输出本级减温器出口的温度反馈值Z_t+1,用于计算上级过热器出口的温度偏差值。

4.根据权利要求1所述的温度控制方法，其中，所述步骤3包括：

步骤31：设置设定值或计算设定值；

步骤32：计算所述本级过热器出口温度与设定值之差作为温度偏差值。

5.根据权利要求4所述的温度控制方法，其中，所述计算设定值的计算公式为：

设定值＝min((f(x)+Δt),本级过热器出口温度的上限)

其中，min为取小函数，f(x)为函数器，x代表锅炉负荷的主蒸汽流量，

Δt为人工设定的修正值。

6.根据权利要求4所述的温度控制方法，其中，所述计算设定值包括下列步骤：

获取下级减温器预期的前后温差、下级减温器出口的温度反馈值；

将获取的值相加并与本级过热器出口的上限温度相比较，取较小的值作为本级减温器的设定值。

7.根据权利要求6所述的温度控制方法，其中，下级减温器预期的前后温差由代表锅炉负荷的主蒸汽流量值经函数器产生，并能够叠加人工给予的修正值。

8.一种锅炉过热蒸汽的温度控制装置，包括减温器、与减温器相连的过热器、连接在所述减温器出口的前馈模块、连接在所述过热器出口的偏差计算模块、加法器、PID控制器、与所述PID控制器和所述减温器相连的减温器调节阀，其中，

所述前馈模块，连接在减温器出口和加法器模块之间，用于获取减温器出口的温度，计算输出温度前馈值给所述加法器；

偏差计算模块，连接在过热器的出口与加法器之间，用于获取过热器出口温度，并与设定值进行比较，将所述过热器出口温度与设定值之差作为温度偏差值，然后将所述温度偏差值送入所述加法器；

加法器，用于接收所述前馈模块发送的温度前馈值和所述偏差计算模块发送的温度偏差值，对值求和并将结果发送到所述PID控制器；

PID控制器，用于接收所述加法器发来的温度值求和结果，通过计算输出阀位开度值，控制所述减温器调节阀，调节减温器的喷水量。

9.根据权利要求8所述的温度控制装置，其中，所述前馈模块包含一阶函数Pt(x)和积分函数I(x)，一阶函数的时间系数和积分函数的时间系数与锅炉负荷值为线性关系；温度前馈值的计算公式为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

其中，X_t为t时刻所述本级减温器出口温度，K为比例系数，Z的初值为本级减温器出口温度。

10.根据权利要求9所述的温度控制装置，其中，所述前馈模块向上级减温器的偏差计算模块输出减温器出口的温度反馈值Z_t+1。

11.根据权利要求8所述的温度控制装置，其中，所述偏差计算模块中的设定值人工设定，或者按下面公式计算：

设定值＝min((f(x)+Δt),本级过热器出口温度的上限)

其中，min为取小函数，f(x)为函数器，x代表锅炉负荷的主蒸汽流量，Δt为人工设定的修正值；

或

设定值＝min((下级减温器预期的前后温差+下级减温器前馈模块输出的减温器温度反馈值)，本级过热器出口的温度上限值)

其中，min为取小函数。

12.根据权利要求11所述的温度控制装置，下级减温器预期的前后温差由代表锅炉负荷的主蒸汽流量值经函数器产生，运行人员能够对所述前后温差设置修正值。

13.一种锅炉过热蒸汽温度控制系统，包括顺次连接的一级减温器、一级过热器、二级减温器、二级过热器、三级减温器和三级过热器，所述一级减温器出口还顺次连接第一前馈模块、第一加法器、第一PID控制器、一级减温器调节阀，所述二级减温器出口还顺次连接第二前馈模块、第二加法器、第二PID控制器、第二减温器调节阀，所述三级减温器出口还顺次连接第三前馈模块、第三加法器、第三PID控制器、第三减温器调节阀；所述一级过热器顺次连接第一偏差计算模块、所述第一加法器，所述二级过热器顺次连接第二偏差计算模块、所述第二加法器，所述三级过热器顺次连接第三偏差计算模块、所述第三加法器；

所述第一前馈模块，用于获取所连接的一级减温器出口温度，发送第一温度前馈值给所述第一加法器；

所述第二前馈模块，用于获取二级减温器出口温度，发送第二温度前馈值给所述第二加法器，还能够发送二级减温器出口的温度反馈值给第一偏差计算模块；

所述第三前馈模块，用于获取三级减温器出口温度，发送第三温度前馈值给所述第三加法器，还能够发送三级减温器出口的温度反馈值给第二偏差计算模块；

所述第一偏差计算模块，将所述一级过热器出口温度与第一设定值之差作为温度偏差值，然后将所述温度偏差值送入所述第一加法器；

所述第二偏差计算模块将所述二级过热器出口温度与第二设定值之差作为温度偏差值，然后将所述温度偏差值送入所述第二加法器；

所述第三偏差计算模块，将所述三级过热器出口温度与第三设定值之差作为温度偏差值，然后将所述温度偏差值送入所述第三加法器；

所述加法器，用于输出输入值相加的结果；

所述PID控制器，用于将温度信息转换为控制值；

所述减温器调节阀，接收所述PID控制的控制值，调节减温器的喷水量。

14.根据权利要求13所述的控制系统，其中，所述前馈模块，包含一阶函数Pt(X)和积分函数I(X)，一阶函数的时间系数和积分函数的时间系数与锅炉负荷值为线性关系；温度前馈值和温度反馈值的计算公式为：

Z_t+1＝I(Pt(X_t-Z_t))

温度前馈值＝K*(X_t+1-Z_t+1)

温度反馈值＝Z_t+1

其中，X_t为t时刻所述本级减温器出口温度，K为比例系数，Z的初值为本级减温器出口温度。

15.根据权利要求13所述的控制系统，其中，

所述第一设定值＝min((二级减温器预期的前后温差+二级减温器前馈模块输出的减温器温度反馈值)，一级过热器出口的温度上限值)；

所述第二设定值＝min((三级减温器预期的前后温差+三级减温器前馈模块输出的减温器温度反馈值)，二级过热器出口的温度上限值)；

所述第三设定值＝min((f(x)+Δt),三级过热器出口温度的上限值)

其中，min为取小函数，f(x)为函数器，x代表锅炉负荷的主蒸汽流量，

Δt为人工设定的修正值。

16.根据权利要求15所述的控制系统，所述减温器预期的前后温差由代表锅炉负荷的主蒸汽流量值经函数器产生，运行人员能够对所述前后温差设置修正值。

17.根据权利要求13-16所述的任一温度控制系统，其中，在一端与所述一级过热器连接的所述一级减温器的另一端连接过热器。