CN111561693B - 一种电站锅炉状态空间汽温控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电站锅炉状态空间汽温控制的方法，涉及汽温自动控制技术领域，可根据现场机组控制DCS系统的不同，选择不同的PID控制类型采用状态空间控制汽温及参数整定自寻优，选定优化控制指标，优化控制参数，对整个控制系统进行测试和优化，快速实现汽温优化控制。本发明使发电机组长期平均汽温值得到提升，最低汽温控制能提高10℃以上；并使发电机组的煤耗率降低1.20g/kw.h；本发明能使电站锅炉一直保持自动控制状态，大幅度减轻了运行人员的劳动强度；过热汽温变化过小提高了机组的安全运行率以及延长了设备使用寿命。

Description

一种电站锅炉状态空间汽温控制的方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种电站锅炉状态空间汽温控制的方法。

背景技术

火电机组的自动控制系统大多采用常规经典控制理论来实现，对于复杂的控制回路系统较难达到理想的控制效果。目前，电厂锅炉过热汽温和再热汽温控制几乎都采用常规的串级控制系统，不少机组汽温被控对象的滞后很大，且喷水阀存在严重的非线性。当机组负荷(蒸汽流量)变化时，汽温偏离设定值8～10℃以上，超温很频繁。主、再热汽温是机组热力系统中的重要参数，其控制品质的优劣直接影响到机组的安全性和经济性；另外，随着电网容量的增大,针对系统的控制成为重中之重,对控制策略的研究也提出了更高的要求,如何提高控制系统的可靠性,如何根据被控对象的特征设计出最优的控制方案。

经对现有的技术文献检索发现：

申请号为CN201710828915.5的一种采用状态观测器的发电机组过热汽温控制系统，是通过过热器入口汽温与过热器入口汽温设定值进行比较后得出的，过热器入口汽温设定值的确定是关键点，过热器入口汽温设定值的确定的过程是：过热器入口汽温依次通过四阶滞后模块后，得到一个模拟的出口汽温，将该模拟的出口汽温与过热器出口汽温设定差值比较后，分别送给四阶滞后模块前进行闭环反复修正，从而实现了对过热器工况发生变化时的动态特性的及时响应和修正，克服了过热器动态特性变化大，控制部分不能及时跟进的问题。

申请号为CN201710455617.6的一种锅炉主蒸汽温度多参量智能控制系统，包括给水系统和主蒸汽系统，所述主蒸汽系统设置有锅炉汽包，以及锅炉汽包输出蒸汽气路上依次设置的一级过热器、一级减温器、屏式过热器、二级减温器、二级过热器和集汽联箱，通过内模控制器、减温控制系统、第三干扰模块、内部模型模块和自适应PID修正模块相互影响和配合，实现对主蒸汽温度的控制，稳定主蒸汽温度，降低主蒸汽温度的累积偏差。

现有的一种电站锅炉主蒸汽温度减温喷水控制方法及系统(专利申请号：CN201810123838.8)通过对主蒸汽温度偏差进行预处理得到预处理后的主蒸汽温度偏差，以预处理后的主蒸汽温度偏差为输入变量结合具有快速返回特性的微分算法计算获得主控制输出，将导前温度减去主控制输出的值得到导前温度控制偏差，副调PI控制器根据导前温度控制偏差输出副控制输出送到减温喷水调节阀进行控制，并且监测导前温度控制偏差，若导前温度控制偏差超过预设的阈值并持续预设的时间，则触发跟踪使能信号使得副调PI控制器的输出强制保持不变，并将主调PID控制器输出的主控制输出设置为导前温度的值。提高系统调节的响应速度，提高主蒸汽温度减温喷水控制系统的调节品质。

发明内容

本发明的目的在于，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电站锅炉状态空间汽温控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：导出与锅炉汽温相关的测点的运行历史数据；

步骤二：导出的运行历史数据文件进行均值、平滑和滤波处理，得到一个采样周期为10S的处理后的数据库；

步骤三：用EXCEL数据透视表透视机组蒸汽流量与导前汽温、过再热汽温数据量，并曲线拟合关系式作为导前、出口汽温设定值F(X)函数关系式；

步骤四：除信号中直流成分，只对信号的交流成分进行线性度和残差分析，计算喷水后的导前汽温与主汽温的稳态函数模型；

步骤五：根据步骤四的状态模型，转化为四阶等容对象，进行汽温状态反馈极点配置；

步骤六：根据上面得到的四阶等容对象函数的根求解多项式特征值，根据错开稳定性原则，观测器特征值实部应远大于控制系统的特征值，以保证观测器的状态重构响应快于整个控制系统响应，计算配置希望的观测器特征多项式；

步骤七：确定状态反馈系数f₁～f₄；观测器的模型表达式为：G(S)＝K₀ ⁴/(1+T₀S)⁴，设加入状态反馈后等效对象传递函数为G(S)＝(βK₀)⁴/(1+βT₀S)⁴，β为加速因子，O.2<β<0.98,依据等效方法计算得到状态反馈系数f₁～f₄；

步骤八：确定状态矩阵系数K₁～K₄；

四阶汽温过程用状态方程描述形式为:

θ₄＝C*θ，其中A、B、C、θ为相关矩阵式，汽温状态观测器用状态方程描述形式为:

其中A、B、

为相关矩阵式；

M＝[K₀K₄/T₀ K₀K₃/T₀ K₀K₂/T₀ K₀K₁/T₀]^T，选择M将观测器的极点即(A-M*C)的特征值配置在左半S平面上；

计算(A-M*C)特征多项式对比希望的观测器特征多项式，根据多项式系数相等得到矩阵系数K₁～K₄。

步骤九：求取导前区一阶惯性函数，

导前区的一阶惯性函数特性为：

其中，K、τ、T分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数；

步骤十：求取惯性区多阶惯性函数；

惯性区多阶惯性函数特性为：

其中，K₁、T₁、n₁分别为对象模型的开环增益、惯性时间常数和多阶次数；

步骤十一：求解内环控制器PI参数；

PID控制器的理想算法为:

其中，K_P、T_i、T_d分别为PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数；

时间与误差平方乘积积分(ISTE)性能指标:

由此ISTE性能指标整定计算公式及τ/T取值查表法，计算PID控制器参数；

根据导前区一阶惯性函数，根据不同DCS控制系统PID算法公式，利用ISTE最优整定法求解PID控制器中的PI参数；

步骤十二：求解主环控制器PID控制参数；

通过时间与误差平方乘积积分ISTE计算方法转换为近似的一阶惯性函数；与求解内环控制器PI参数相同的方法，根据惯性区多阶惯性函数转换成一阶惯性函数，根据不同DCS控制系统PID算法公式，利用ISTE最优整定法求解主环控制器PID控制器中的PID参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

一、本发明提供的方法使发电机组长期平均汽温值得到提升，最低汽温控制能提高10℃以上，汽温波动范围明显变小，稳态负荷状况下，汽温控制范围在±3℃以内；

二、汽温提高10℃，发电机组的煤耗率降低1.20g/kw.h；

三、常规串级PID控制汽温过调易引起汽温超温问题，迫使运行人员解除汽温自动，进行人工干预调整，导致汽温波动范围大，须反复调整，因此劳动强度大；本发明提供的方法能一直保持自动控制状态，由于控制品质高，大幅度减轻了运行人员的劳动强度；

四、过热汽温变化过大，除使管材及有关部件易产生疲劳外，还将引起汽轮机中转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行，因此本发明提高了机组的安全运行率以及延长了设备使用寿命。

附图说明

图1为控制回路测试与参数整定自动寻优仿真图；

图2为仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种电站锅炉状态空间汽温控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，导出与锅炉汽温相关的测点的运行历史数据，采样周期为1S；

步骤二，导出的运行历史数据文件进行均值、平滑和滤波处理，得到一个采样周期为10S的处理后的数据库；

具体方法为：用EXCEL打开导出的记录文件，生成原库工作表；添加另一个工作表，利用工具软件提取数据行如10行的均值，得到一个10S采样周期的数据库。

第三步：用EXCEL数据透视表透视机组蒸汽流量与导前汽温、过再热汽温数据量，并曲线拟合关系式作为导前、出口汽温设定值F(X)函数关系式；

具体方法为，利用步骤二中的数据库，采用EXCEL数据透视表，透视机组负荷即蒸汽流量对应喷水后导前汽温、主汽温度数据量，曲线拟合负荷对应喷水后导前汽温和主汽温的线性关系式，结果生成F(X)函数表，作为实际控制逻辑组态中的机组滑压运行设定输入函数。

第四步：除信号中直流成分，只对信号的交流成分进行线性度和残差分析，数据拟合稳态函数模型，得到稳态函数模型为：

通过极点配置转换，转化为状态空间函数模型为:

步骤五：根据步骤四的状态函数模型，转化为四阶等容对象，进行汽温状态反馈极点配置特征多项式为：

L0(S)＝S4+0.4S3+0.06S2+0.004S+0.0001

步骤六：根据上面得到的四阶等容对象函数的根求解多项式特征值，根据错开稳定性原则，观测器特征值实部应远大于控制系统的特征值，以保证观测器的状态重构响应快于整个控制系统响应，计算配置希望的观测器特征多项式；

步骤七：确定状态反馈系数f₁～f₄；观测器的模型表达式为：G(S)＝K₀ ⁴/(1+T₀S)⁴，设加入状态反馈后等效对象传递函数为G(S)＝(βK₀)⁴/(1+βT₀S)⁴，β为加速因子，O.2<β<0.98,依据等效方法计算得到状态反馈系数f₁～f₄；

预设β＝0.75，求取状态空间模块的反馈系数f1～f4和矩阵系数k1～k4。

步骤八：在原库工作表里选取稳定负荷段减温水调门动作的运行数据段，数据拟合导前区和惯性区的函数模型。

导前区传递函数为:

惯性区多阶传递函数为:

第八步：根据导前区的多阶惯性函数,通过时间与误差平方乘积积分ISTE计算方法转换为近似的一阶惯性函数。

近似的惯性区一阶惯性传递函数为:

步骤八：根据导前区传递函数和惯性区传递函数，利用ISTE最优参数整定法，选择新华PID类型，分别计算PI和PID控制参数。

(ITSE最优整定法___新华PID)

(ISTE最优整定法___新华PID)

步骤九：选择新华PID类型，进行控制回路的测试与参数整定自寻优程序仿真，如图1和图2。

通过加速因子β寻优，原β＝0.75优化为β＝0.774，经过寻优后的阶跃响应曲线比串级控制品质得到明显的改善。

本实施例选择华电某发电厂300MW亚临界锅炉，DCS分散控制系统为GE新华的XDPS-400+系统。在投产近10年的运行过程中，中间也经过多次常规PID串级控制优化，使用优化后状态空间控制的汽温品质得到明显改善，喷水后的汽温变化幅度也变小，说明整个减温水过程控制平稳。通过优化前后历史曲线图导出的数据值，经过EXCEL透视表分析数据结果如下：

上表中：平均主汽温提高5.13℃，最高温度减小1.77℃，最低汽温提高21℃，由于自动控制品质的提高，运行人员有意将设定值提高了1.9℃，串级控制的汽温波动范围为：＝550.63-507.51＝43.12℃，状态空间控制的汽温波动范围为：548.87-528.64＝20.23℃，几乎是原控制波动范围的一半都不到；同时，整个状态空间控制过程中，只有一次要超温切手动的操作，而原串级PID控制多达有六次超温切手动操作，加大了运行的劳动强度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种电站锅炉状态空间汽温控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：导出与锅炉汽温相关的测点的运行历史数据；

步骤二：导出的运行历史数据文件进行均值、平滑和滤波处理，得到一个采样周期为10S的处理后的数据库；

步骤三：用EXCEL数据透视表透视机组蒸汽流量与导前汽温、过再热汽温数据量，并曲线拟合关系式作为导前、出口汽温设定值F(X)函数关系式；

步骤四：除信号中直流成分，只对信号的交流成分进行线性度和残差分析，计算喷水后的导前汽温与主汽温的稳态函数模型；

步骤五：根据步骤四的状态函数模型，转化为四阶等容对象，进行汽温状态反馈极点配置；

步骤六：根据上面得到的四阶等容对象函数的根求解多项式特征值，根据错开稳定性原则，观测器特征值实部应远大于控制系统的特征值，以保证观测器的状态重构响应快于整个控制系统响应，计算配置希望的观测器特征多项式；

步骤七：确定状态反馈系数f_1～f₄；观测器的模型表达式为：G(S)＝K₀ ⁴/(1+T₀S)⁴，设加入状态反馈后等效对象传递函数为G(S)＝(βK₀)⁴/(1+βT₀S)⁴，β为加速因子，O.2<β<0.98,依据等效方法计算得到状态反馈系数f_1～f₄；

步骤八：确定状态矩阵系数K_1～K₄；

四阶汽温过程用状态方程描述形式为:

其中A、B、C、θ为相关矩阵式，汽温状态观测器用状态方程描述形式为:

其中A、B、

为相关矩阵式；

M＝[K₀K₄/T₀ K₀K₃/T₀ K₀K₂/T₀ K₀K₁/T₀]^T，选择M将观测器的极点即(A-M*C)的特征值配置在左半S平面上；

计算(A-M*C)特征多项式对比希望的观测器特征多项式，根据多项式系数相等得到矩阵系数K₁～K₄。

步骤九：求取导前区一阶惯性函数，

导前区的一阶惯性函数特性为：

其中，K、τ、T分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数；

步骤十：求取惯性区多阶惯性函数；

惯性区多阶惯性函数特性为：

其中，K₁、T₁、n₁分别为对象模型的开环增益、惯性时间常数和多阶次数；

步骤十一：求解内环控制器PI参数；

PID控制器的理想算法为:

其中，K_P、T_i、T_d分别为PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数；

时间与误差平方乘积积分(ISTE)性能指标:

由此ISTE性能指标整定计算公式及τ/T取值查表法，计算PID控制器参数；

根据导前区一阶惯性函数，根据不同DCS控制系统PID算法公式，利用ISTE最优整定法求解PID控制器中的PI参数；

步骤十二：求解主环控制器PID控制参数；

通过时间与误差平方乘积积分ISTE计算方法转换为近似的一阶惯性函数；与求解内环控制器PI参数相同的方法，根据惯性区多阶惯性函数转换成一阶惯性函数，根据不同DCS控制系统PID算法公式，利用ISTE最优整定法求解主环控制器PID控制器中的PID参数。

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