CN111396847A - 一种锅炉的汽温控制方法 - Google Patents

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于会群
蔡雨晴
杨平
康英伟
徐春梅
彭道刚
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Abstract

本发明涉及一种锅炉的汽温控制方法，包括：步骤S1：利用多容惯性结构获得换热器各通道传递函数模型原型；步骤S2：利用换热器各通道传递函数模型原型，建立换热器各通道传递函数模型；步骤S3：获取换热器参数；步骤S4：计算得到换热器各通道传递函数模型中换热器各通道的阶数和时间常数；步骤S5：利用换热器参数、换热器各通道的阶数和时间常数，得到换热器各通道的传递函数；步骤S6：利用换热器各通道的传递函数实现锅炉的汽温控制。与现有技术相比，可更科学地解决模型结构确定和模型参数范围确定的问题，使锅炉的汽温控制更加精确。

Description

一种锅炉的汽温控制方法
技术领域
本发明涉及换热器建模领域，尤其是涉及一种锅炉的汽温控制方法。
背景技术
锅炉的每一个或几个串联的受热面可当作是一个换热器，并作为模型的一个环节，一台锅炉的本体主要就是几个串联的换热器。若是要设计锅炉的汽温控制系统，也就是要设计换热器的控制系统，即需要建立换热器的数学模型。
相关研究文献的检索结果表明，应用换热器机理建模的直接相关文献的数量很少，这表明这种方法并非那么简单实用，在推广应用上一定存在较大的瓶颈问题。而且，不科学地使用这种建模方法可能会造成较大的模型应用误差，甚至形成负面的应用经验，所以，业内常常存在一种片面的流行说法：机理建模方法根本是不准确和不实用的，实际工程应用所需模型只能靠试验建模方法来建立。事实上，只靠试验方法建模的众多工程实践案例已经表明：即便拥有非常庞大的大数据，也解决不了建模的盲目性问题。例如，模型结构的确定问题和模型参数范围确定问题。
基于机理分析建模得到的换热器传递函数模型有着独特的应用优势，那就是仅凭换热器的设计参数或运行参数就可计算出换热器模型，也就是说，依据机理分析方法建立的换热器数学模型在现代控制工程中的建模应用价值就在于可以更科学地解决模型结构确定和模型参数范围确定的问题。目前没有将机理分析这种方法与现代的模型辨识方法结合起来应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锅炉的汽温控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种锅炉的汽温控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：利用多容惯性结构获得换热器各通道传递函数模型原型；
步骤S2：利用换热器各通道传递函数模型原型，建立换热器各通道传递函数模型；
步骤S3：获取换热器参数；
步骤S4：计算得到换热器各通道传递函数模型中换热器各通道的阶数和时间常数；
步骤S5：利用换热器参数、换热器各通道的阶数和时间常数，得到换热器各通道的传递函数；
步骤S6：利用换热器各通道的传递函数实现锅炉的汽温控制。
所述的换热器参数包括换热面的物性参数、冷/热介质的物性参数和换热器的工作点参数。
所述的换热器各通道包括入口汽温输入通道、喷水流量输入通道、蒸汽流量输入通道和吸热量输入通道。
所述的入口汽温输入通道的传递函数
Figure BDA0002429480650000021
为：
Figure BDA0002429480650000022
其中，Kη为喷水减温器入口汽量占入口工质流量的比值，
Figure BDA0002429480650000023
为
Figure BDA0002429480650000024
Gη(s)为
Figure BDA0002429480650000025
Gts(s)为热电偶的传递函数，
Figure BDA0002429480650000026
为T20-T10，nη为入口汽温输入通道的阶数，Tη为入口汽温输入通道的时间常数，T20为稳态时介质出口的温度，T10为稳态时介质入口的温度。
所述的喷水流量输入通道的传递函数
Figure BDA0002429480650000027
为：
Figure BDA0002429480650000028
其中，Wsp为Wsp＝1/Dsp0，Ksp为喷水焓的相对变量与喷水减温水量相对变量的比值。
所述的蒸汽流量输入通道的传递函数
Figure BDA0002429480650000029
为：
Figure BDA00024294806500000210
其中，WD为WD＝1/D0，Gd(s)为
Figure BDA00024294806500000211
nd为蒸汽流量输入通道的阶数，Td为蒸汽流量输入通道的时间常数。
所述的吸热量输入通道的传递函数
Figure BDA00024294806500000212
为：
Figure BDA00024294806500000213
其中，WQ为WQ＝1/Q0，Gq(s)为
Figure BDA00024294806500000214
nq为吸热量输入通道的阶数，Tq为吸热量输入通道的时间常数，Q0为稳态工况下的热流量。
所述的换热器各通道传递函数模型原型经过归纳演绎得到换热器各通道传递函数模型。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)机理分析方法与现代的模型辨识方法结合，可更科学地解决模型结构确定和模型参数范围确定的问题。
(2)根据换热器的结构参数及热力参数，即可计算出换热器传递函数模型，计算方法简便，易于实施。
(3)锅炉的受热面就是由几个串联的换热器组成，换热器传递函数模型可以应用到锅炉的汽温控制系统中去，使锅炉的汽温控制更加精确，得到的模型可为控制器的设计与优化提供参考。
(4)计算结果更加准确可靠。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的换热器通道传递函数模型；
图3为本发明的换热器机理分析数学模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提出了一种传递函数模型建模框架，并提出了计算换热器传递函数的完整计算方法，用来进行锅炉的汽温控制。如图1所示，该方法的实施步骤为：
1)在合理的假设条件设定下，利用机理分析的方法来解决过/再热器等这一类换热器的换热器各通道传递函数模型原型确定和模型参数范围确定的问题；
2)提供一套适用于换热器各通道传递函数计算的通用公式；
3)利用换热器各通道的传递函数实现锅炉的汽温控制。
具体步骤为：
1、换热器各通道传递函数模型原型确定和模型参数范围确定
换热器各通道包括用η下标表示的入口汽温输入通道、用sp下标表示的喷水流量输入通道、用d下标表示的蒸汽流量输入通道和用q下标表示的吸热量输入通道。
设Gη(s)、Gd(s)、Gq(s)都采用如下多容惯性结构(属于机理分析)的传递函数形式：
Figure BDA0002429480650000041
Figure BDA0002429480650000042
Figure BDA0002429480650000043
η1(s)和η2(s)是没有实际物理量纲的标幺值，Gη(s)、Gd(s)、Gq(s)即为换热器各通道传递函数模型原型，各通道传递函数模型原型只含有2个参数，即阶数n和时间常数T。它们的计算公式可由单相受热管线性分布参数模型的解析解应用传递函数模型的近似计算方法得到；单相受热管线性分布参数模型的解析解应用传递函数模型的近似计算方法为现代的模型辨识方法。
单相受热管分布参数模型解析解的简化结果如下：
Figure BDA0002429480650000044
其中：
Figure BDA0002429480650000045
解析解中包含不便计算的超越函数，故在实际使用前需要线性函数化的简化处理。利用泰勒级数展开后的低阶逼近简化方法，可得到单相受热管分布参数模型的线性化解，如下：
Figure BDA0002429480650000046
其中：
Figure BDA0002429480650000051
Figure BDA0002429480650000052
式中：
Figure BDA0002429480650000053
Figure BDA0002429480650000054
由式(7)和式(8)可知，这两个参数只与ad、τ0和Tm有关，且ad＝α2A2/D0cp；
Figure BDA0002429480650000055
Tm＝Mjcj/α2A2。也就是说，仅凭锅炉的设计参数或运行参数(放热系数α2、总内表面积A2、工质流量D、工质比热容cp、受热管总长l、工质平均流速
Figure BDA0002429480650000056
金属总质量Mj、金属比热容cj)，便可计算出单相受热管的分布参数模型的参数值。
2、建立换热器各通道传递函数模型，得到换热器各通道的传递函数
设各通道的传递函数为
Figure BDA0002429480650000057
则具体通道的传递函数计算公式和各通道的增益计算公式如下所述：
对于入口汽温输入通道，该通道传递函数的计算公式为：
Figure BDA0002429480650000058
其中，nη为入口汽温输入通道的阶数，Tη为入口汽温输入通道的时间常数，ΔT2(s)为出口汽温的扰动值，ΔT1(s)为入口汽温的扰动值。
入口汽温输入通道的增益为：
Figure BDA0002429480650000059
其中，Dsp0为稳态工况下的喷水流量，D0为稳态工况下的工质流量。
喷水流量输入通道的传递函数
Figure BDA00024294806500000510
为：
Figure BDA00024294806500000511
其中，ΔDsp(s)为喷水流量的扰动值。
喷水流量输入通道的增益
Figure BDA0002429480650000061
为：
Figure BDA0002429480650000062
其中，cp为工质比热容，H10为稳态工况下工质的入口焓，Hsp0为稳态工况下减温水的焓。
蒸汽流量输入通道的传递函数
Figure BDA0002429480650000063
为：
Figure BDA0002429480650000064
nd为蒸汽流量输入通道的阶数，Td为蒸汽流量输入通道的时间常数，ΔD1(s)为工质入口流量的扰动值。
蒸汽流量输入通道的增益
Figure BDA0002429480650000065
为：
Figure BDA0002429480650000066
其中，T10和T20为稳态时的介质进、出口的温度。
吸热量输入通道的传递函数
Figure BDA0002429480650000067
为：
Figure BDA0002429480650000068
其中，nq为吸热量输入通道的阶数，Tq为吸热量输入通道的时间常数，ΔQ1(s)为热流量的扰动值。
吸热量输入通道的增益
Figure BDA0002429480650000069
为：
Figure BDA00024294806500000610
Figure BDA00024294806500000611
Wsp、WD、WQ和
Figure BDA00024294806500000612
代表的是标幺值与实际值之间的转换关系，其表达式如下：
Figure BDA00024294806500000613
其中，Q0为稳态工况下的热流量。
Ksp为喷水焓的相对变量与喷水减温水量相对变量的比值；Kη为喷水减温器入口汽量占入口工质流量的比值。其表达式如下：
Figure BDA0002429480650000071
Figure BDA0002429480650000072
其中，H20为稳态工况下工质的出口焓。
在换热器模型的实际工程应用中，还应当考虑热电偶的惯性特性。假定热电偶传递函数的表达式为：
Figure BDA0002429480650000073
换热器参数包括结构参数及热力参数。所需参数主要有：换热面的物性参数、换热面积、换热系数；冷、热介质的物性参数，如定压比热容；换热器的工作点参数，冷、热介质流量及焓值等。
本实施例给出了换热器的传递函数模型框架，并给出一套锅炉的汽温控制方法，根据换热器的结构参数及热力参数，即可计算出换热器传递函数。

Claims (8)

1.一种锅炉的汽温控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：利用多容惯性结构获得换热器各通道传递函数模型原型；
步骤S2：利用换热器各通道传递函数模型原型，建立换热器各通道传递函数模型；
步骤S3：获取换热器参数；
步骤S4：计算得到换热器各通道传递函数模型中换热器各通道的阶数和时间常数；
步骤S5：利用换热器参数、换热器各通道的阶数和时间常数，得到换热器各通道的传递函数；
步骤S6：利用换热器各通道的传递函数实现锅炉的汽温控制。
2.根据权利要求1所述的一种锅炉的汽温控制方法，其特征在于，所述的换热器参数包括换热面的物性参数、冷/热介质的物性参数和换热器的工作点参数。
3.根据权利要求1所述的一种锅炉的汽温控制方法，其特征在于，所述的换热器各通道包括入口汽温输入通道、喷水流量输入通道、蒸汽流量输入通道和吸热量输入通道。
4.根据权利要求3所述的一种锅炉的汽温控制方法，其特征在于，所述的入口汽温输入通道的传递函数
Figure FDA0002429480640000011
为：
Figure FDA0002429480640000012
其中，Kη为喷水减温器入口汽量占入口工质流量的比值，
Figure FDA0002429480640000013
为
Figure FDA0002429480640000014
Gη(s)为
Figure FDA0002429480640000015
Gts(s)为热电偶的传递函数，
Figure FDA0002429480640000016
为T20-T10，nη为入口汽温输入通道的阶数，Tη为入口汽温输入通道的时间常数，T20为稳态时介质出口的温度，T10为稳态时介质入口的温度。
5.根据权利要求3所述的一种锅炉的汽温控制方法，其特征在于，所述的喷水流量输入通道的传递函数
Figure FDA0002429480640000017
为：
Figure FDA0002429480640000018
其中，Wsp为Wsp＝1/Dsp0，Ksp为喷水焓的相对变量与喷水减温水量相对变量的比值。
6.根据权利要求3所述的一种锅炉的汽温控制方法，其特征在于，所述的蒸汽流量输入通道的传递函数
Figure FDA0002429480640000021
为：
Figure FDA0002429480640000022
其中，WD为WD＝1/D0，Gd(s)为
Figure FDA0002429480640000023
nd为蒸汽流量输入通道的阶数，Td为蒸汽流量输入通道的时间常数。
7.根据权利要求3所述的一种锅炉的汽温控制方法，其特征在于，所述的吸热量输入通道的传递函数
Figure FDA0002429480640000024
为：
Figure FDA0002429480640000025
其中，WQ为WQ＝1/Q0，Gq(s)为
Figure FDA0002429480640000026
nq为吸热量输入通道的阶数，Tq为吸热量输入通道的时间常数，Q0为稳态工况下的热流量。
8.根据权利要求1所述的一种锅炉的汽温控制方法，其特征在于，所述的换热器各通道传递函数模型原型经过归纳演绎得到换热器各通道传递函数模型。
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