CN110779075B

CN110779075B - 一种热网加热器水位前馈控制方法

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Publication number: CN110779075B
Application number: CN201910883542.0A
Authority: CN
Inventors: 丁志波; 裴小军; 乔龙; 刘相宏; 张伦; 战永胜; 田亮
Original assignee: Xinjiang Changji Tebian Energy Co ltd; North China Electric Power University
Current assignee: Xinjiang Changji Tebian Energy Co ltd; North China Electric Power University
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2039-09-18
Also published as: CN110779075A

Abstract

一种热网加热器水位前馈控制方法，所述方法利用热网加热器压力、热网疏水温度和热网循环水出水温度共同计算热网加热器内的虚假水位强度系数；同时，对热网加热器压力信号进行微分运算得到热网加热器压力变化速率信号；再对热网加热器压力变化速率信号进行单向化处理后乘以虚假水位强度系数，得到前馈控制信号；最后将该前馈控制信号乘以前馈增益后与热网加热器水位设定值求和，再与热网加热器水位反馈值求差后输入PID控制器，得到热网加热器水位自动指令。本发明在传统反馈控制系统的基础上引入了前馈控制信号，有效克服了热网加热器虚假水位现象对水位控制造成的影响，提高了变负荷运行工况下热网加热器水位的控制品质，而且调试过程快捷、风险低，现场实施方便。

Description

一种热网加热器水位前馈控制方法

技术领域

本发明涉及一种供热机组快速变负荷运行工况下的热网加热器水位的控制方法，属于发电技术领域。

背景技术

以风电为代表的可再生能源规模化并网，其发电负荷大幅随机变化的特性对电网稳定运行造成了不利影响，电网需要调度网内火电等机组快速调整发电负荷运行，以维持电网频率稳定。我国北方地区冬季供热机组为电网调峰调频的主力，深度调峰、快速变负荷运行造成供热机组自身的稳定性、经济性、环保性指标显著降低。

抽汽式供热机组供热部分热力系统结构如图1所示。汽轮机中压缸排汽分成两部分，一部分作为低压缸进汽经过低压缸进汽调节蝶阀(LV)进入汽轮机低压缸继续做功；另外一部分作为供热抽汽经过供热抽汽调节蝶阀(EV)进入热网加热器释放热量，冷凝成水后作为热网疏水，经过热网疏水调节阀和热网疏水泵进入除氧器；热网循环水回水经过热网循环水泵升压后，在热网加热器内吸收热量，作为热网循环水出水提供供热热源。

供热机组增加发电负荷时需增加汽轮机进汽流量，因此中压缸排汽流量相应增加，供热抽汽流量也会随之增加，这时需要关小EV开大LV维持供热负荷不变；机组增加供热负荷时需开大EV关小LV增加供热抽汽流量，这样会导致汽轮机低压缸进汽流量减小，造成发电负荷降低，因此需要增加汽轮机进汽流量维持发电负荷不变。所以，从设备结构及工作原理上决定了供热机组的发电负荷与供热负荷之间存在强耦合，发电负荷的变化必然会导致供热负荷变化，导致供热抽汽压力和供热抽汽流量波动。而供热抽汽压力和供热抽汽流量的波动又会导致热网加热器水位出现剧烈波动。

热网加热器为非混合式换热器，分为壳侧和管侧。热网循环水在管侧流动吸收热量，供热抽汽在壳侧冷凝释放热量变化为水，热网加热器水位指壳侧冷凝水的水位。热网加热器水位必须控制在一定范围内。水位过高，汽轮机快速降负荷时中压缸排汽压力迅速降低，可能导致热网加热器内的冷凝水反冲入汽轮机内危及汽轮机运行安全；水位过低，热网加热器运行效率降低，同时也会使得热网加热器壳侧金属温度偏高导致热膨胀超出设计范围。机组通过热网加热器疏水调节阀开度控制热网加热器水位，采用单回路PID(比例、积分、微分)控制方式。

供热机组变工况运行时热网加热器内会出现严重的“虚假水位”现象。热网加热器压力指热网加热器壳侧压力，在设计压力工况点，供热抽汽释放热量的85％以上来自饱和水蒸汽凝结为饱和水时释放的汽化潜热，所以热网加热器壳侧工质的主要形态为非常接近饱和状态冷凝水。根据水和水蒸汽的热力性质，饱和压力与饱和温度呈正向对应关系，压力越低温度越低。当热网加热器壳侧压力突然降低时，饱和温度也相应降低导致加热器内冷凝水的温度高于饱和温度，冷凝水突然沸腾，产生大量汽泡推举水位迅速升高，待压力稳定后，汽泡消失水位又会迅速降低。这就是“虚假水位”现象形成的原因。当热网加热器壳侧压力突然升高时，虽然会有一部分饱和蒸汽迅速凝结为饱和水，但加热器内饱和蒸汽质量占比很小而且没有水面下汽泡推举水位的效应，所以对水位的影响相对较小。

因此，“虚假水位”出现的条件及现象是：热网加热器内的冷凝水处于饱和状态或非常接近于饱和的状态，当热网加热器压力突然降低时，热网加热器水位快速大幅升高然后快速大幅降低，整个过程持续20～40s左右。虽然被称为“虚假水位”，但其反映的也是热网加热器内液面位置的真实变化。供热机组变负荷运行时调整供热负荷会导致供热抽汽压力和供热抽汽流量大幅频繁波动，引起热网加热器压力波动，进而导致热网加热器内“虚假水位”现象频繁出现，为确保机组运行的安全性和经济性，有必要对现有的控制策略进行改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种热网加热器水位前馈控制方法，以克服热网加热器“虚假水位”现象对水位控制造成的不良影响，提高热网加热器水位的控制品质。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种热网加热器水位前馈控制方法，所述方法利用热网加热器压力、热网疏水温度和热网循环水出水温度共同计算热网加热器内的虚假水位强度系数；同时，对热网加热器压力信号进行微分运算得到热网加热器压力变化速率信号；再对热网加热器压力变化速率信号进行单向化处理后乘以虚假水位强度系数，得到前馈控制信号；最后将该前馈控制信号乘以前馈增益后与热网加热器水位设定值求和，再与热网加热器水位反馈值求差后输入PID控制器，得到热网加热器水位自动指令。

上述热网加热器水位前馈控制方法，所述虚假水位强度系数的计算方法如下：对热网循环水出水温度信号和热网疏水温度信号求平均值，得到热网加热器内冷凝水平均温度信号；热网加热器压力信号经过一阶惯性模块滤波后加上当地大气压，得到热网加热器的绝对压力信号，继而根据饱和温度与压力的关系得到热网加热器当前压力下的饱和温度信号，饱和温度信号减去热网加热器内冷凝水平均温度信号，得到热网加热器内冷凝水过冷度信号，继而根据虚假水位的强度与过冷度的关系得到虚假水位强度系数。

上述热网加热器水位前馈控制方法，所述饱和温度与压力的关系由第一多点折线函数表示，所述第一多点折线函数的八个压力输入值分别选为：0.08MPa、0.10MPa、0.13MPa、0.17MPa、0.22MPa、0.28MPa、0.35MPa和0.43MPa，对应的八个饱和温度输出值分别为：93.5℃、99.6℃、107.1℃、115.1℃、123.3℃、131.2℃、138.9℃和146.2℃。

上述热网加热器水位前馈控制方法，所述的一种热网加热器水位前馈控制方法，其特征是，所述虚假水位的强度与过冷度的关系由第二多点折线函数表示，所述第二多点折线函数的九个输入点分别为：-50℃、-4℃、-1℃、0℃、1℃、4℃、9℃、16℃和50℃，对应的输出点分别为：1、1、0.9、0.8、0.7、0.4、0.1、0和0。

上述热网加热器水位前馈控制方法，所述热网加热器压力的变化速率通过第三多点折线函数实现单向化处理，所述第三多点折线函数的五个输入点分别为-10MPa/min、-1MPa/min、0MPa/min、1MPa/min和10MPa/min，与之对应的五个输出点分别为-1MPa/min、-1MPa/min、0MPa/min、0.1MPa/min和0.1MPa/min。

本发明在传统反馈控制系统的基础上引入了前馈控制信号，有效克服了热网加热器“虚假水位”现象对水位控制造成的不良影响，提高了快速变负荷运行工况下热网加热器水位的控制品质，而且调试过程快捷、风险低，现场实施非常方便。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为抽汽式供热机组供热部分热力系统结构示意图；

图2为控制系统结构示意图。

图中和文中各符号为：1-汽轮机中压缸；2-低压缸进汽调节蝶阀(LV)；3-汽轮机低压缸；4-供热抽汽调节蝶阀(EV)；5-热网加热器；6-热网疏水调节蝶阀；7-热网疏水泵；8-热网循环水泵；AVG为求平均值计算模块；P0为常数模块，输出当地大气压，单位MPa；LAG为一阶惯性模块；SUM1～SUM5为第一求和计算模块～第五求和计算模块；F(x)1～F(x)3为第一多点折线函数模块～第三多点折线函数模块；MUL为乘法计算模块；K为增益计算模块；PID为比例积分微分控制器模块；t_cw为热网加热器内冷凝水的过冷度，℃；p_hk为热网加热器内饱和水的表压力，MPa；p₀为当地大气压，MPa；f()为利用利用压力计算饱和温度的函数；t_ok为热网疏水温度，℃；t_og为热网加热器循环水出水温度，℃；p_shk为热网加热器压力的变化速率，MPa/s；T_d为微分时间，s；s为拉氏变换的复变量，无量纲。

具体实施方式

针对供热机组快速变负荷运行时供热抽汽压力和抽汽流量频繁波动，导致热网加热器“虚假水位”现象严重、水位难以控制的问题，本发明提供了一种热网加热器水位前馈控制方法。其特点是：利用热网加热器压力信号、热网疏水温度信号和热网循环水出水温度信号共同计算热网加热器内的冷凝水的平均过冷度，再经过多点折线函数计算产生虚假水位强度系数；对热网加热器压力信号进行微分计算后得到其变化速率信号，进行单向化处理后，乘以虚假水位强度系数，作为热网加热器水位控制系统的前馈控制信号。前馈信号乘以前馈增益后，通过与热网加热器水位设定值信号求和的方式引入控制系统，同原热网加热器水位反馈控制一起，构成前馈-反馈复合控制系统。能够在供热机组快速变负荷过程中，维持热网加热器水位稳定，提高机组运行安全性和经济性。

本发明的技术原理

(1)虚假水位强度系数计算

产生“虚假水位”的条件之一是热网加热器内冷凝水的温度达到或非常接近饱和温度，衡量这一状态的参数为过冷度。过冷度的物理意义是水在当前压力下对应的饱和温度与水实际温度之差，过冷度越小水越接近饱和状态。水的饱和温度与压力之间存在一一对应关系，在供热机组热网加热器设计压力附近，饱和温度与压力的关系如表1所示。由于热网加热器内冷凝水温度的分布不是均匀的，最高为当前压力下饱和温度，最低为热网加热器循环水出水温度或热网疏水温度，其平均值更接近热网加热器循环水出水温度或热网疏水温度。用热网加热器循环水出水温度和热网疏水温度的平均值代表热网加热器内冷凝水的平均温度是合适的。

表1饱和温度与压力的关系(第一多点折线函数)

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									输入点-压力(MPa)	0.08	0.10	0.13	0.17	0.22	0.28	0.35	0.43
输出点-饱和温度(℃)	93.5	99.6	107.1	115.1	123.3	131.2	138.9	146.2

过冷度的计算方法为：

t_cw＝f(p_hk+p₀)-(t_ok+t_og)/2 (1)

其中：t_cw为热网加热器内冷凝水的过冷度，℃；p_hk为热网加热器内饱和水的表压力，MPa；p₀为当地大气压，MPa；f()为饱和温度与压力的函数，可以用表1的数据构造多点折线函数实现；t_ok为热网疏水温度，℃；t_og为热网加热器循环水出水温度，℃。

“虚假水位”的强度与过冷度密切相关，过冷度越小表示热网加热器的冷凝水越接近饱和状态，“虚假水位”现象越严重。当过冷度为负时，表示热网加热器内存在大量的过热态的水，“虚假水位”现象最为严重。由过冷度经过多点折线函数计算虚假水位强度系数，过冷度越小，虚假水位强度系数越大。多点折线函数的设置方式见表2。

表2虚假水位的强度与过冷度的关系(第二多点折线函数)

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										输入点-过冷度(℃)	-50	-4	-1	0	1	4	9	16	50
输出点-强度系数(无单位)	1	1	0.9	0.8	0.7	0.4	0.1	0	0

(2)前馈信号及逻辑

热网加热器压力突然变化是导致“虚假水位”出现的直接原因，因此采用热网加热器压力信号作为前馈信号。

首先对热网加热器压力信号进行实际微分计算，得到热网加热器压力的变化速率信号，变化速率为正代表热网加热器压力正在升高、为负代表热网加热器压力正在降低。实际微分计算的方法如式2所示，可通过信号本身减去经过一阶惯性滤波后的信号实现。根据“虚假水位”的特性，惯性时间设置为10秒。

其中：p_shk为热网加热器压力的变化速率，MPa/min；T_d为微分时间，s；s为拉氏变换的复变量，无量纲。

因为压力降低时“虚假水位”比压力升高时要严重得多，所以需要对热网加热器压力的变化速率信号进行单向化处理，即变化速率信号为负时增益为1，使输出等于输入；变化速率信号为正时增益为一个明显小于1的数，使输出明显小于输入。可以通过多点折线函数实现信号的单向化处理的功能，多点折线函数的设置方式见表3。

表3单向化处理多点折线函数(第三多点折线函数)

序号	1	2	3	4	5
						输入点-压力的变化速率(MPa/min)	-10	-1	0	1	10
输出点-单向化处理输出(MPa/min)	-1	-1	0	0.1	0.1

对热网加热器压力的变化速率信号进行单向化处理后的信号，乘以虚假水位强度系数后得到热网加热器水位的前馈控制信号，乘以前馈控制增益K_f后，通过与热网加热器水位反馈控制系统中的水位设定值信号相加，将前馈控制引入到原控制系统中，构成热网加热器水位的前馈-反馈复合控制系统。

本发明的技术方案

下面详细描述本发明的技术方案。实现本发明的控制系统的结构示意图如图2所示，图中：AVG为求平均值计算模块；P0为常数模块，输出当地大气压，单位MPa；LAG为一阶惯性模块；SUM1～SUM5为第一求和计算模块～第五求和计算模块；F(x)1～F(x)3为第一多点折线函数模块～第三多点折线函数模块；MUL为乘法计算模块；K为增益计算模块；PID为比例积分微分控制器模块。虚线框内为原热网加热器水位单回路PID控制系统。

下面按功能介绍各部分控制逻辑。

(1)虚假水位强度系数计算逻辑

其中AVG、P0、LAG、SUM1、SMU2、F(x)1、F(x)2模块构成虚假水位强度系数计算逻辑。热网循环水出水温度信号同热网疏水温度信号经过AVG模块求平均值后，得到热网加热器内冷凝水平均温度信号；热网加热器压力信号经过一阶惯性模块LAG滤波后，加上P0模块输出的当地大气压，得到热网加热器的绝对压力信号，再经过第一多点折线函数模块F(x)1后得到热网加热器当前压力下的饱和温度信号，经过第二求和计算模块SUM2减去热网加热器内冷凝水平均温度信号后，得到热网加热器内冷凝水过冷度信号；冷凝水过冷度信号经过第二多点折线函数模块F(x)2后得到虚假水位强度系数。其中：F(x)1的设置方式见表1，F(x)2的设置方式见表2；一阶惯性模块LAG的作用是对参与过冷度计算的热网加热器压力信号进行滤波，惯性时间设置为10s。

(2)前馈控制逻辑

其中LAG、SUM3、F(x)3、MUL、K模块构成前馈控制逻辑。热网加热器压力信号通过第三求和模块SMU3减去经过一阶惯性模块LAG滤波后的热网加热器压力信号后得到热网加热器压力变化速率信号，再经过第三多点折线函数模块F(x)3后得到经过单向化处理的热网加热器压力变化速率信号；经过MUL模块乘以虚假水位强度系数后，再经过增益模块K后得到热网加热器水位前馈控制信号。其中：F(x)3的设置方式见表3；一阶惯性模块LAG的作用是构造实际微分计算功能；增益模块K中设置的前馈控制增益K_f需要现场调试。

(3)前馈控制引入

热网加热器水位前馈控制信号通过求和模块SUM4与原热网加热器水位反馈控制系统中的热网加热器水位设定值信号相加的方式引入到控制系统中，构成热网加热器水位的前馈-反馈复合控制系统。

本发明的处理步骤

(1)实施条件确认

本发明适用于抽汽式供热机组热网加热器的水位控制，控制系统的执行机构可以是热网加热器疏水流量调节阀，也可以是热网疏水泵变频器；原水位控制采用单回路PID控制系统；现场热网加热器压力、热网疏水温度、热网循环水出水温度测量信号正常。

(2)控制逻辑组态

在机组DCS(分散控制系统中)，采用组态方式实现图2所示的控制逻辑。按照本发明技术原理中描述的方式设置多点折线函数模块F(x)1～F(x)3中的参数和一阶惯性模块LAG中的惯性时间。

先将增益模块K中的前馈控制增益设置为0，这时前馈控制没有发挥作用，系统实际上仍然工作在单回路PID反馈控制方式下。

(3)参数调试

在变负荷工况下调试增益模块K中的前馈控制增益K_f，由0一点一点增加。在出现“虚假水位”时，观察热网加热器水位和热网加热器水位自动控制指令的变化。随着前馈控制增益K_f增加，热网加热器水位的波动幅度会减小，但自动控制指令的波动幅度会增加。自动控制指令大幅频繁波动易导致执行机构损坏。所以调试前馈控制增益K_f时要兼顾热网加热器水位控制品质和执行机构动作幅度。前馈控制增益K_f调试完成后控制系统可投入正常使用。

本发明的优点

(1)控制效果好。本控制方法能够有效克服热网加热器“虚假水位”现象造成的影响，显著提高供热机组频繁快速变负荷工况下热网加热器水位的控制品质。

(2)现场实施方便。本发明提出的前馈信号物理意义明确，控制逻辑组态简单，只有前馈控制增益一个参数需要进行现场调试，并且调试前馈控制参数不影响系统闭环稳定性，调试过程快捷、风险低。本发明技术方案现场实施方便。

Claims

1.一种热网加热器水位前馈控制方法，其特征是，所述方法利用热网加热器压力、热网疏水温度和热网循环水出水温度共同计算热网加热器内的虚假水位强度系数；同时，对热网加热器压力信号进行微分运算得到热网加热器压力变化速率信号；再对热网加热器压力变化速率信号进行单向化处理后乘以虚假水位强度系数，得到前馈控制信号；最后将该前馈控制信号乘以前馈增益后与热网加热器水位设定值求和，再与热网加热器水位反馈值求差后输入PID控制器，得到热网加热器水位自动指令；

对热网加热器压力信号进行如下微分计算：

式中：p _shk为热网加热器压力的变化速率，MPa/min；T _d为微分时间，s；s为拉氏变换的复变量，无量纲；

所述热网加热器压力的变化速率通过第三多点折线函数实现单向化处理，所述第三多点折线函数的五个输入点分别为-10MPa/min、-1 MPa/min、0 MPa/min、1 MPa/min和10MPa/min，与之对应的五个输出点分别为-1 MPa/min、-1 MPa/min、0 MPa/min、0.1 MPa/min和0.1 MPa/min；

对热网加热器压力的变化速率信号进行单向化处理后的信号，乘以虚假水位强度系数后得到热网加热器水位的前馈控制信号，乘以前馈控制增益K _f后，通过与热网加热器水位反馈控制系统中的水位设定值信号相加，将前馈控制引入到原控制系统中，构成热网加热器水位的前馈-反馈复合控制系统；

所述虚假水位强度系数的计算方法如下：对热网循环水出水温度信号和热网疏水温度信号求平均值，得到热网加热器内冷凝水平均温度信号；热网加热器压力信号经过一阶惯性模块滤波后加上当地大气压，得到热网加热器的绝对压力信号，继而根据饱和温度与压力的关系得到热网加热器当前压力下的饱和温度信号，饱和温度信号减去热网加热器内冷凝水平均温度信号，得到热网加热器内冷凝水过冷度信号，继而根据虚假水位的强度与过冷度的关系得到虚假水位强度系数。

2.根据权利要求1所述的热网加热器水位前馈控制方法，其特征是，所述饱和温度与压力的关系由第一多点折线函数表示，所述第一多点折线函数的八个压力输入值分别选为：0.08 MPa、0.10 MPa、0.13 MPa、0.17 MPa、0.22 MPa、0.28 MPa、0.35 MPa和0.43 MPa，对应的八个饱和温度输出值分别为：93.5℃、99.6℃、107.1℃、115.1℃、123.3℃、131.2℃、138.9℃和146.2℃。

3.根据权利要求1所述的热网加热器水位前馈控制方法，其特征是，所述虚假水位的强度与过冷度的关系由第二多点折线函数表示，所述第二多点折线函数的九个输入点分别为：-50℃、-4℃、-1℃、0℃、1℃、4℃、9℃、16℃和50℃，对应的输出点分别为：1、1、0.9、0.8、0.7、0.4、0.1、0和0。