CN109164839A - 一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法 - Google Patents

一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法，所述方法包括以下步骤：a.采集阀门开度与通流量数据，绘制阀门开度与通流量标幺值之间的折线图；b.构建插值函数，对阀门开度与通流量标幺值之间的折线图进行拟合，得到阀门开度与通流量之间的函数关系；c.根据阀门开度与通流量之间的函数关系计算通流量的期望值所对应的阀门开度，将计算出的阀门开度作为阀门开度指令值，从而实现阀门开度指令的非线性补偿。本发明根据阀门的流量特性求得阀门开度与通流量之间的函数关系，对锅炉汽包水位进行控制时，根据阀门开度与通流量之间的函数关系对阀门开度指令进行修正，有效消除了阀门非线性的影响，提高了锅炉汽包水位的控制品质。

Description

一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法
技术领域
本发明涉及一种针对锅炉汽包水位控制系统的阀门补偿方法，属于锅炉技术领域。
背景技术
锅炉汽包水位的控制一直是发电机组的一个重要的任务。水位过高或过低都可能引发事故。水位过高时，由于汽包蒸汽空间高度减少，汽水分离效果差，会增加蒸汽携带水分，使蒸汽品质恶化，容易造成过热器管壁积盐垢，严重满水时会造成蒸汽大量带水，过热汽温急剧下降，引起主汽管道和汽轮机严重水冲击，损坏汽轮机叶片和推力瓦。汽包水位过低时，由于下降管带汽，引起水循环停滞或倒流，可能破坏正常的水循环，造成一部分水冷壁得不到循环水的冷却而过热烧坏，严重时还会导致干锅。但由于锅炉的水位调节过程具有时滞性、假水位现象等特点，给锅炉汽包的水位控制增加了难度。目前研究比较热门的方法是采用智能算法优化PID参数，先用工程整定法得到初始参数，再用各种智能算法作进一步优化。把优化得到的参数设置到锅炉汽包水位PID控制器系统中，其控制效果优于工程中常用的工程整定方法。
阀门作为控制工质流量的一种重要设备，被广泛运用于实际工业生产中。由于阀门的特点存在非线性，在仿真研究时，若不考虑此非线性环节，控制系统的预期控制效果和实际控制效果之间会存在较大的差异。许多学者对锅炉汽包水位进行了很多相关的探索和研究，但这些研究一般都忽略了阀门的非线性属性，而是直接将阀门当作线性阀门来研究,因此很难获得理想的控制效果。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法,以提高锅炉汽包水位的控制品质。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法，所述方法包括以下步骤：
a.采集阀门流量特性数值
采集阀门开度与通流量数据，将通流量的数值转换成标幺值，绘制阀门开度与通流量标幺值之间的折线图；
b.拟合曲线
构建插值函数，对阀门开度与通流量标幺值之间的折线图进行拟合，得到阀门开度与通流量之间的函数关系；
c.指令修正
根据阀门开度与通流量之间的函数关系计算通流量的期望值所对应的阀门开度，将计算出的阀门开度作为阀门开度指令值，从而实现阀门开度指令的非线性补偿。
上述锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法，对阀门开度与通流量标幺值之间的折线图进行拟合时所构建的插值函数为多项式函数，得到的拟合形式为：
其中q表示阀门通流量标幺值，η表示阀门开度，ki表示第i个阶次的系数，n为多项式函数的阶次。
上述锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法，所述多项式函数的阶次为9。
本发明根据阀门的流量特性求得阀门开度与通流量之间的函数关系，对锅炉汽包水位进行控制时，根据阀门开度与通流量之间的函数关系对阀门开度指令进行修正，有效消除了阀门非线性的影响，提高了锅炉汽包水位的控制品质。
下面结合附图对本发明作进一步详述。
附图说明
图1是根据采集到的阀门入口通流量绘制的阀门流量特性折线图；
图2是多项式阶次较为合适时，拟合得到的阀门入口通流量的函数关系；
图3是多项式阶次较高时，拟合得到的阀门入口通流量的函数关系；
图4是多项式阶次较低时，拟合得到的阀门入口通流量的函数关系；
图5是线性阀门控制系统、未经补偿的非线性阀门控制系统和补偿后的非线性阀门控制系统控制效果对比图。
文中各符号为：
q:阀门通流量标幺值
η:阀门开度
ki:第i个阶次的系数，
n:多项式函数的阶次。
Q:工质流量
C:调节阀流量系数,
ρ:工质密度，
P1-P2:工质前后压差。
h:汽包水位的高度；
Tw:给水流量项的时间常数,
TD:蒸汽流量项的时间常数；
KD:蒸汽流量项的静态增益系数；
Kw:给水流量项的静态增益系数；
T1、T2:时间常数；
蒸气流量变化量相对于最大蒸气流量的标定值，
ΔD:蒸气流量变化量；
Dmax:最大蒸气流量；
给水流量变化量相对于最大蒸气流量的标定值，
Δw:给水流量变化量。
G1(s):理想阀门传递函数，
Tvalve:阀门的时间常数。
Q:通流量，
Qmax:最大通流量，
R:阀门最大通流量与最小通流量之比，
η:阀门开度。
具体实施方式
本发明针对现有仿真研究中存在的不足，提供了一种针对锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性的补偿方法。该方法在一定程度上削弱了阀门非线性影响，提高了锅炉汽包水位的控制品质。
本发明包括以下步骤：
a.采集阀门流量特性数值
阀门的流量特性是指阀门通流量和阀门开度之间的关系。因此，整个补偿方法的第一步是采集阀门的阀门开度和通流量数据。
对于阀门流过的任意工质，其前后压差、工质密度、调节阀流量系数和工质流量满足：
其中：Q表示工质流量，C表示调节阀流量系数，ρ表示工质密度，P1-P2表示前后压差。
在式(1)中，阀门开度的变化可以体现为C的数值变化，因此，在工质参数不变的前提下，记录阀门不同开度下的开度值以及系统稳定后对应的的通流量数值，将通流量的数值转换成标幺值之后，得到的数据如表1所示。
表1阀门开度与通流量对应表
得到阀门开度和通流量数据后，可以在此基础上绘制阀门开度与通流量标幺值之间的折线图；
b.拟合曲线
利用得到的流量特性折线图，根据数值分析中的插值思想，构建插值函数以拟合阀门开度与通流量之间的函数关系，本文使用多项式函数对折线图进行拟合。
根据数值分析的相关知识可知，当多项式阶次过高时，拟合得到的曲线会出现过拟合的现象；当多项式阶次过低时，整体的拟合效果会变差。在选定一个较为合适的阶次后，可以得到拟合效果较好的曲线来描述阀门开度与通流量之间的函数关系。
c.指令修正
在控制系统中，控制阀门开度的控制器会根据自身的运算规则对阀门开度进行实时调整。根据阀门开度与通流量之间的函数关系，将控制量看作是通流量的期望值，根据上一步得到的阀门开度与通流量之间的函数关系，反解出对应的阀门开度，得到经过补偿之后的阀门开度指令。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
根据物料平衡和热平衡的关系，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化成：
式(2)中：h为汽包水位的高度；Tw为给水流量项的时间常数；TD为蒸汽流量项的时间常数；KD为蒸汽流量项的静态增益系数；Kw为给水流量项的静态增益系数；T1、T2为时间常数；为蒸气流量变化量相对于最大蒸气流量的标定值，其中ΔD表示蒸气流量变化量，Dmax表示最大蒸气流量；为给水流量变化量相对于最大蒸气流量的标定值，其中Δw表示给水流量变化量。
对式(2)做拉普拉斯变化后，得到在蒸汽流量不变的条件下，给水流量发生变化时，汽包水位的动态特性微分方程可以表示为：
在给水流量不变的条件下，外界所给蒸气负荷发生变化时，汽包水位的动态特性微分方程可以表示为：
理想阀门的理想阀门的传递函数可由式(5)表示：
式(5)中，G1(s)表示理想阀门传递函数，Tvalve是阀门的时间常数。
快开型阀门的流量特性曲线可由式(6)表示：
式(6)中q表示阀门通流量标幺值，Q表示通流量，Qmax表示最大通流量，R表示阀门最大通流量与最小通流量之比，η表示阀门开度。
本发明的思路是根据阀门的流量特性曲线，找到与每个流量指令对应的阀门开度，进而设计完成非线性阀门补偿器。下面使用仿真数来据验证补偿器的效果。整个过程分为采集数据、拟合曲线和指令修正三个部分。
·采集数据
本文提到的阀门开度指令修正，是在已经知道阀门的流量特性曲线的前提下进行修正的，因此，在设计补偿器之前，需要先得到待补偿阀门的流量特性曲线。
在这里使用表1中的数据作为待补偿阀门的流量特性数据。
·拟合曲线
根据得到的流量特性折线图，根据数值分析中的插值思想，构建插值函数以拟合阀门开度与通流量之间的函数关系，本文使用多项式函数对折线图进行拟合。保证指令修正这种方法切实可行的关键是保证拟合得到的曲线是严格单调的。由图3和图4可以看出，多项式阶次过高时，拟合得到的曲线会出现过拟合的现象；多项式阶次过低时，整体的拟合效果会变差。
因此，影响拟合效果的一个重要因素就是多项式的阶次。经过多次拟合后经过发现，当多项式阶次为9时，得到的拟合曲线较合适。得到的拟合曲线表达式为：
q＝890.2η9-4170.3η8+9056.4η7-10294η6+6979.6η5-2877.1η4+705.5η3-97.7η2+8.1η (7)
拟合得到的曲线如图2所示：
·指令修正
在控制系统中，控制阀门开度的控制器会根据自身的运算规则对阀门开度进行实时调整。根据阀门开度与通流量之间的函数关系，将控制量看作是通流量的期望值，根据上一步得到的阀门开度与通流量之间的函数关系，反解出对应的阀门开度，这就是经过补偿之后的阀门开度指令。
先根据上文得到的拟合曲线，对开度指令进行修正补偿。
假定当前开度指令为20％，将这个数据看作是通流量q的值，求解方程0.2＝890.2η9-4170.3η8+9056.4η7-10294η6+6979.6η5-2877.1η4+705.5η3-97.7η2+8.1η得到:η1＝1.0937+0.1209i，η2＝1.0937-0.1209i，η3＝0.8309+0.2911i，η4＝0.8309-0.2911i，η5＝0.4290+0.2900i，η6＝0.4290-0.2900i，η7＝0.0829+0.1305i，η8＝0.0829-0.1305i，η9＝0.0364。
对于η1到η8这8个解，虽然都是方程的数值解，但没有物理意义，因此略去。故上述方程的解为η＝η9＝0.0364。最终阀门开度指令经过修正后，由20％变化成了3.64％。
至此已经完成了非线性补偿器的设计。
在控制系统中使用线性阀门，整定PID控制器参数，当仿真时间为10s时，给系统加入一个幅值为1cm的汽包水位设定值扰动，记录控制系统输出的控制曲线；在控制器参数保持不变的前提下，将控制系统中的线性阀门变成非线性阀门，当仿真时间为10s时，给系统加入一个幅值为1cm的汽包水位设定值扰动，记录控制系统输出的控制曲线；之后在控制器参数保持不变的前提下，将控制系统中的线性阀门变成非线性阀门，并在非线性阀门前加入非线性补偿器，当仿真时间为10s时，给系统加入一个幅值为1cm的汽包水位设定值扰动，记录控制系统输出的控制曲线。将三条控制曲线绘制在同一张图中，结果如图5所示。
根据图5所示的结果可见，阀门的非线性会引起控制品质的下降，而加入补偿器之后，控制品质下降的现象得到的一定程度上的缓解。

Claims (3)

1.一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
a.采集阀门流量特性数值
采集阀门开度与通流量数据，将通流量的数值转换成标幺值，绘制阀门开度与通流量标幺值之间的折线图；
b.拟合曲线
构建插值函数，对阀门开度与通流量标幺值之间的折线图进行拟合，得到阀门开度与通流量之间的函数关系；
c.指令修正
根据阀门开度与通流量之间的函数关系计算通流量的期望值所对应的阀门开度，将计算出的阀门开度作为阀门开度指令值，从而实现阀门开度指令的非线性补偿。
2.根据权利要求1所述的一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法，其特征是，对阀门开度与通流量标幺值之间的折线图进行拟合时所构建的插值函数为多项式函数，得到的拟合形式为：
其中q表示阀门通流量标幺值，η表示阀门开度，ki表示第i个阶次的系数，n为多项式函数的阶次。
3.根据权利要求2所述的一种锅炉汽包水位控制系统的阀门非线性补偿方法，其特征是，所述多项式函数的阶次为9。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109508046A (zh) * 2018-12-29 2019-03-22 绥中泰德尔自控设备有限公司 一种物联网温度平衡阀及其二次网温度平衡系统及流量调节方法
CN109885107A (zh) * 2019-01-22 2019-06-14 浙江工业大学 一种用于修正控制阀流量系数的方法及其装置
CN110593966A (zh) * 2019-08-12 2019-12-20 岭澳核电有限公司 核电站汽轮机调节阀死区测试方法及装置
CN112180877A (zh) * 2020-10-19 2021-01-05 浙江工业大学 一种用于确定前馈系数补偿的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000357015A (ja) * 1999-06-15 2000-12-26 Chikuma Denki Kk 水位計及び水位計を用いた水位制御装置
CN105485716A (zh) * 2015-12-25 2016-04-13 中冶南方工程技术有限公司 高炉煤气燃烧控制方法
CN105786035A (zh) * 2016-03-29 2016-07-20 东南大学 基于试探式预测控制技术的火电机组scr脱硝优化控制系统
CN207122891U (zh) * 2017-06-30 2018-03-20 中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司 一种燃气‑蒸汽联合循环发电机组高压汽包水位控制系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000357015A (ja) * 1999-06-15 2000-12-26 Chikuma Denki Kk 水位計及び水位計を用いた水位制御装置
CN105485716A (zh) * 2015-12-25 2016-04-13 中冶南方工程技术有限公司 高炉煤气燃烧控制方法
CN105786035A (zh) * 2016-03-29 2016-07-20 东南大学 基于试探式预测控制技术的火电机组scr脱硝优化控制系统
CN207122891U (zh) * 2017-06-30 2018-03-20 中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司 一种燃气‑蒸汽联合循环发电机组高压汽包水位控制系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
魏乐，徐珮宸: "Boiler drum water level control based on nonlinear valve characteristic compensation", 《2018 CHINESE CONTROL AND DECISION CONFERENCE (CCDC)》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109508046A (zh) * 2018-12-29 2019-03-22 绥中泰德尔自控设备有限公司 一种物联网温度平衡阀及其二次网温度平衡系统及流量调节方法
CN109885107A (zh) * 2019-01-22 2019-06-14 浙江工业大学 一种用于修正控制阀流量系数的方法及其装置
CN109885107B (zh) * 2019-01-22 2021-10-15 浙江工业大学 一种用于修正控制阀流量系数的方法及其装置
CN110593966A (zh) * 2019-08-12 2019-12-20 岭澳核电有限公司 核电站汽轮机调节阀死区测试方法及装置
CN112180877A (zh) * 2020-10-19 2021-01-05 浙江工业大学 一种用于确定前馈系数补偿的方法
CN112180877B (zh) * 2020-10-19 2021-11-30 浙江工业大学 一种用于确定前馈系数补偿的方法

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