CN111765447B - 一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法和系统 - Google Patents

一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法和系统 Download PDF

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CN111765447B CN202010674985.1A CN202010674985A CN111765447B CN 111765447 B CN111765447 B CN 111765447B CN 202010674985 A CN202010674985 A CN 202010674985A CN 111765447 B CN111765447 B CN 111765447B
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Abstract

本发明公开一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法和系统，属于火力发电锅炉燃烧优化技术领域。针对现有技术对于主汽温的控制难以在实际工业现场推广应用的问题，本发明提供了一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法，信号获取模块获取炉膛煤气量设定流量信号、低温过热器出口设定温度信号和高温过热器出口设定温度信号，解耦模块对信号获取模块获取到的信号进行解耦，解耦后的输出信号采用前馈‑反馈复合控制器进行调节控制，实现通过调节信号阀门控制输出信号。本发明适用于DCS分布式控制系统，实现对主汽温的稳定控制，能减轻现场运行人员的工作强度，提高机组运行经济性，并使系统具有较强的稳定性。

Description

一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法和系统
技术领域
本发明涉及火力发电锅炉燃烧优化技术领域，尤其涉及一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法和系统。
背景技术
发电锅炉的过热器是在高温高压下的环境运行的，其出口的过热蒸汽温度是锅炉运行的主要参数之一，对电厂的安全经济运行有重大影响。主汽温过高会使机组的运行安全性降低。主汽温过低则会降低机组的热效率，经济性得不到保障。同时，主汽温偏低会使蒸汽含水量增加，从而缩短汽轮机使用寿命。因此，必须严格控制锅炉主蒸汽温度在给定数值范围内。
目前火电机组主汽温度控制系统普遍采用传统的PID串级控制，这种控制方案虽然现场调试简单，但是不能适应主汽温度控制系统的变参数、大惯性、大时滞的特性，这导致主汽温度自动控制系统普遍存在负荷平稳时自动控制品质良好，但在负荷变化、启/停磨煤机等过程中，主汽温度波动大，甚至自动不能投入，导致运行人员劳动强度增加，机组出力和安全经济性降低。
南京科远自动化集团股份有限公司的中国专利申请，申请号CN201410633524.4，公开日2015年3月25日，公开了一种火力发电厂主汽温预估优化控制方法，包括有改进前馈补偿量和修正系数的自整定功能，对前馈补偿量进行了改进，引入末级过热器对流后烟温作为前馈补偿信号，并留有修正系数，两者相乘作为最终的前馈补偿量；根据主汽温不同的变化趋势，考虑现场减温水阀门特性，将修正系数细化，满足不同工况下的稳定调节。其增加了修正系数的自整定功能，当主汽温每经历一次震荡，修正系数就会自动进行相应的调整，确保下一周期的调节性能优于本周期。
河南华润电力古城有限公司的中国专利申请，申请号CN201510173719.X，公开日2015年7月15日，公开了一种汽包锅炉主汽温度控制方法，将II级减温器前的温度作为I级减温控制的主被调量、将过热器分隔屏管壁温度和I级减温器出口汽温进行耦合控制计算后，作为副回路的被调量，引入四段加速的预估控制及增加锅炉热量微分作为调节器前馈，I级减温水调节阀为执行器；主汽温度作为II级减温控制的主被调量、II级减温器后的温度作为II级减温控制的首级副被调量、II级减温水流量作为II级减温控制的末级副被调量，引入防超温PID回路及增加锅炉热量微分作为调节器前馈，II级减温水调节阀为执行器。
现有主流技术主要包括基于主汽温度模型的优化与自动控制。基于主汽温度模型的优化自动控制技术其主要特征是依据I级和II级温度需求，在主汽温度为设定值时，增加前馈补偿，提前预测主汽温度的变化趋势，并对I级减温水流量和II级减温水流量进行调整，并没有考虑炉膛的出口温度调节负荷上升的情况，负荷上升，汽包上水流量相对应的增加，炉膛的出口温度由于燃料的增多也会提高，因为减温水回路与汽包上水回路供水的总水管是同一根，汽包上水流量的增加，必然导致供应减温水的回路的水管压力下降，需要的减温水的量也在同时下降，I级和II级温度也会间接性的升高，造成主汽温度不能及时的调整。
目前，虽然有不少关于主汽温度的先进控制技术，例如预测技术、模糊技术、神经网络技术等，但上述技术偏重理论性，学术文章多，以仿真验证为主，工程现场应用性差，有些虽然有现场应用实例，但是针对个案性强，普及推广性差，不利于工程现场调试。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术对于主汽温的控制难以在实际工业现场推广应用的问题，本发明提供了一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法和系统，该方法适用于DCS分布式控制系统，能减轻现场运行人员的工作强度，提高机组运行经济性，并使系统具有较强的稳定性。
2.技术方案
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法，信号获取模块获取炉膛煤气量设定流量信号、低温过热器出口设定温度信号和高温过热器出口设定温度信号，解耦模块对信号获取模块获取到的信号进行解耦，解耦后的输出信号采用前馈-反馈复合控制器进行调节控制，实现通过调节信号阀门控制输出信号。
更进一步的，信号获取模块获取炉膛煤气量设定流量信号和低温过热器出口设定温度信号并发送给解耦模块解耦，得到解耦后的炉膛煤气量设定流量信号和低温过热器出口设定温度信号；信号获取模块获取低温过热器出口输出温度信号和高温过热器出口设定温度信号并发送给解耦模块解耦，得到解耦后的低温过热器出口输出温度信号和高温过热器出口设定温度信号。炉膛煤气量对于低温过热器的温度和高温过热器的温度会产生影响，即对低温过热器出口温度的主蒸汽温度和高温过热器主蒸汽温度产生耦合作用。因此，需要首先设计解耦控制器，实现各级之间的分部解耦，以确保对主蒸汽温度准确及时高效的控制。在锅炉汽水系统中，一般分为甲乙两条线路用于控制主汽温度，两者结构相同，因此以下技术方案以一条线为例。
更进一步的，解耦模块中解耦控制器采用对角阵解耦控制方法，对角阵解耦控制方法表达式根据阶跃响应曲线得到的传递函数简化后得到。解耦模块使用解耦控制器实现各级之间的分部解耦，以确保对主汽温准确及时高效的控制，考虑到工程实现上的便利性，采用解耦控制中常用的对角阵解耦控制方法。对角阵解耦控制方法表达式根据阶跃实验过程中的阶跃响应曲线得到的传递函数，通过合理的简化后得到，进一步得到工程应用的解耦控制器。
更进一步的，解耦模块的解耦控制器为
Figure BDA0002583737440000031
GP11(S)、GP12(S)、GP22(S)、GP21(S)表示低温过热器控制矩阵对应的解耦控制器。
更进一步的，耦合系统为
Figure BDA0002583737440000032
其中
Figure BDA0002583737440000033
Figure BDA0002583737440000034
K11，K12，K21，K22均为传递函数过程增益，T11，T12，T21，T22均为时间常数，参数S是传递函数的指零初始条件下线性系统响应量的拉普拉斯变换/z变换与激励量的拉普拉斯变换之比。
更进一步的，前馈-反馈复合控制器对解耦后的低/高温过热器出口输出温度信号进行调节，进而通过调节低/高温过热器阀门调节输出信号。主蒸汽温度控制中给水流量存在严重的滞后以及阀门的非线性问题，这就导致了不能直接对于整个主蒸汽温度控制流程施加PID作用，这给实现主蒸汽温度的稳定控制带来了挑战。在控制领域中，对于可测的干扰，为消除其对被控变量的影响，可以考虑采用前馈控制方案；实际的生产过程中，往往同时存在着若干个干扰，尚有一些扰动量至今无法对其实现在线测量，而若仅对某些可测扰动进行前馈控制，则无法消除其它扰动对被控参数的影响，为了获得满意的控制效果，合理的控制方案是把前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈-反馈复合控制系统。
更进一步的，所述前馈控制器为
Figure BDA0002583737440000035
其中GPD(S)为干扰通道传递函数，GPC(S)为控制通道传递函数。前馈-反馈复合控制器中的前馈控制器，控制可测干扰信号时使用动态前馈补偿方法，获得消除可测干扰后的信号。动态前馈补偿为常用的前馈控制方案，其依据不变性原理。在扰动发生后，必将经过过程的扰动通道引起被控量的变化，与此同时，前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以抵消扰动对被控量的影响。要实现干扰的完全补偿，需要准确地掌握过程扰动通道特性及控制通道特性，这在工业现场中是实现的，同时，实际的生产过程中，往往同时存在着若干个干扰，尚有一些扰动量至今无法对其实现在线测量，而若仅对某些可测扰动进行前馈控制，则无法消除其它扰动对被控参数的影响。
前馈控制的基本原理是测量进入过程的干扰量，并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使被控制变量维持在设定值上。以控制低温过热器出口温度为例，假设低温过热器出口温度值为y(t)，r(t)为出口温度设定值，测量变送环节与控制阀传递函数都是1，则系统的传递函数可表示为
Figure BDA0002583737440000041
其中F(s)为干扰，GPD(S)为干扰通道传递函数，GPC(S)为控制通道传递函数，GFF是前馈控制器的传递函数。系统对扰动实现全补偿的条件是F(s)不为0且Y(s)等于0，即得
Figure BDA0002583737440000042
该前馈控制器是一种动态前馈控制器。他追求的目标是被控变量的绝对不变性。
更进一步的，所述反馈控制器为PI反馈控制器
Figure BDA0002583737440000043
其中KP为比例系数，Ki为积分时间常数。s是传递函数的指零初始条件下线性系统响应(即输出)量的拉普拉斯变换(或z变换)与激励(即输入)量的拉普拉斯变换之比。记作G(s)＝Y(s)/U(s)，其中Y(s)、U(s)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。
本发明发电锅炉的主汽温控制方法，针对发电锅炉中变量耦合严重问题进行多变量解耦，针对主汽温度存在非线性、大滞后的情况，利用前馈-反馈控制实现对每阶段主汽温的稳定控制，实现对主汽温的稳定控制。
一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制系统，使用所述的一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法。
更进一步的，所述系统包括信号获取模块、解耦模块和前馈-反馈控制模块，信号获取模块连接解耦模块，解耦模块还连接前馈-反馈控制模块。
本发明发电锅炉主汽温控制系统，适用于DCS分布式控制系统中，推广性好，利用工程现场调试，减轻现场运行人员的工作强度，提高机组运行经济性，并使系统具有较强的稳定性。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)针对火力发电锅炉主汽温控制过程存在的变量耦合严重、干扰大、滞后严重等难题，采用前馈解耦的多变量解耦控制方法，运用多变量解耦控制消除炉膛出口温度与一级减温器与二级减温器以及高温给水热水流量之间的相互耦合；在主汽温度存在非线性、大滞后的情况下，利用前馈-反馈控制实现对每阶段主汽温度的稳定控制，实现对主汽温的稳定控制；
(2)目前对于火力发电锅炉主汽温控制，现有技术的火电机组主汽温度控制系统普遍采用传统的PID串级控制，这种控制方案虽然现场调试简单，但是不能适应主汽温度控制系统的变参数、大惯性、大时滞的特性，针对此问题，本发明有效应对主汽温度变参数、大惯性、大时滞的特性，节约人工成本，提高经济效益；
(3)目前，虽然有不少关于主汽温度的先进控制技术，例如预测技术、模糊技术、神经网络技术等，但上述技术偏重理论性，学术文章多，以仿真验证为主，工程现场应用性差，有些虽然有现场应用实例，但是针对个案性强，普及推广性差，不利于工程现场调试。针对上述问题，本发明具有普及性强，易于现场调试，且工程现场应用情况良好的特点。
附图说明
图1为本发明锅炉主汽温控制方法结构示意图；
图2为本发明锅炉主汽温控制方法结构流程图；
图3为本发明锅炉主汽温控制方法解耦控制器示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例
一种火力发电锅炉的主汽温控制方法，先对获取到的信号进行解耦，解耦后的输出信号采用前馈-反馈复合控制器进行调节控制，进而通过调节信号入口阀门控制输出信号，如图1所示的锅炉主汽温控制结构示意图，在锅炉汽水系统中，一般分为甲乙两条线路用于控制主汽温度，两者结构相同，本实施例以一条线为例进行具体说明。
炉膛煤气量对于低温过热器的温度和高温过热器的温度会产生影响，即对低温过热器出口温度的主蒸汽温度和高温过热器主蒸汽温度产生耦合作用。先设计解耦控制器，实现各级之间的分部解耦，以确保对主蒸汽温度准确及时高效的控制。考虑到工程实现上的便利性，本实施例采用解耦控制中常用的对角阵解耦控制方法来设计解耦控制器。
多变量解耦控制器实施流程如图2所示，先获取炉膛煤气设定流量信号和低温过热器出口设定温度信息，对炉膛煤气量信号和低温过热器出口设定温度信号进行解耦，获得解耦后的炉膛煤气流量信号和低温过热器出口温度信号；然后获得炉膛煤气输出流量信号，低温过热器出口输出温度信号和高温过热器出口设定温度信号，对低温过热器出口输出温度信号和高温过热器出口设定温度信号进行解耦，获得解耦后的低温过热器出口温度信号和高温过热器出口温度信号；进而获得高温过热器出口输出温度信号。
采用解耦控制器
Figure BDA0002583737440000051
对炉膛煤气量信号与一级甲低温过热器出口设定温度信号进行解耦，其中Y1(S)为解耦后的炉膛煤气量流量信号，Y2(S)为解耦后的一级甲低温过热器出口温度输出信号，G11(S)为炉膛煤气流量调节的传递函数，G22(S)为一级甲低温过热器出口温度调节的传递函数，UC1(S)为炉膛煤气量设定流量信号，UC2(S)为一级甲低温过热器出口温度设定温度信号。
采用解耦控制器
Figure BDA0002583737440000061
对一级甲低温过热器出口温度设定信号和二级乙高温过热器出口温度设定信号进行解耦，其中Y2(S)为解耦后的一级甲低温过热器出口温度输出信号，Y3(S)为解耦后的二级乙高温过热器出口温度输出信号，G23(S)为一级甲低温过热器至二级乙高温过热器入口段温度调节的传递函数，G33(S)为二级乙高温过热器出口温度调节的传递函数，UC2(S)为一级甲低温过热器出口温度设定信号，UC3(S)为二级乙高温过热器出口温度设定信号。
采用解耦控制器
Figure BDA0002583737440000062
对炉膛煤气量信号和一级乙低温过热器出口设定温度信号进行解耦，其中Y1(S)为解耦后的炉膛煤气量流量信号，Y4(S)为解耦后的一级乙低温过热器出口温度输出信号，G11(S)为炉膛煤气流量调节的传递函数，G44(S)为一级乙低温过热器出口温度调节的传递函数，UC1(S)为炉膛煤气量设定流量信号，UC4(S)为一级乙低温过热器出口温度设定温度信号。
采用解耦控制器
Figure BDA0002583737440000063
对一级乙低温过热器出口温度设定信号和二级甲高温过热器出口温度设定信号进行解耦，其中Y4(S)为解耦后的一级乙低温过热器出口温度输出信号，Y5(S)为解耦后的二级甲高温过热器出口温度输出信号，G45(S)为一级乙低温过热器至二级甲高温过热器入口段温度调节的传递函数，G55(S)为二级甲高温过热器出口温度调节的传递函数，UC4(S)为一级乙低温过热器出口温度设定信号，UC5(S)为二级甲高温过热器出口温度设定信号。
如图3所示的解耦控制器的示意图，以低温过热器部分调节为例，其中GC11(s)为低温过热器入口温度调节，即图1中一级甲/一级乙由汽包给水流量至一级甲/一级乙过热器段的主蒸汽温度过程传递函数；GC22(s)为低温过热器出口温度调节，G12(S)，G21(S)表示低温过热器非延时环节的传递函数；
Figure BDA0002583737440000064
为解耦控制器；
Figure BDA0002583737440000065
为耦合系统。
所谓的系统解耦，即要实现：
Figure BDA0002583737440000066
可知：
Figure BDA0002583737440000067
若：
Figure BDA0002583737440000071
则：
Figure BDA0002583737440000072
即：
Figure BDA0002583737440000073
其中：
Figure BDA0002583737440000074
其中K11，K12，K21，K22均为该过程传递函数过程增益，T11，T12，T21，T22均为时间常数。
通过现场阶跃实验得到过程的阶跃响应曲线，进一步得到过程的传递函数，求得解耦控制器的表达式。通过合理的简化，得到工程应用的解耦控制器。在进行现场实验，对执行机构施加阶跃信号，需要注意施加合适的阶跃变化量。变化量太大，会影响设备和生产过程的安全正常运行；变化量太小，不能充分激励生产过程，造成实验误差太大。通常取阶跃变化量为输入信号正常值的5％～15％左右，以不影响正常生产过程为准。在其他外在条件不变的前提下，重复多次实验，获得两次及以上比较相近的测试数据或响应曲线，减少其他条件的影响。
在实验时应对被控对象施加正、反两个方向的阶跃信号变化实验，分别测取其响应曲线，以便检验对象中存在的非线性程度。在进行实验之前，保证整个生产工艺已经进入到稳态运行的工况下。在完成一次实验之后，必须等待被控系统的运行状态在此达到稳定时，才可进行下一次实验。
由于主汽温度控制中给水流量存在严重的滞后以及阀门的非线性问题，导致不能直接对于整个主蒸汽温度控制流程施加PID作用，给实现主蒸汽温度的稳定控制带来挑战。以低温过热器控制为例：在低温过热器控制过程中，温度是被控变量，调节阀门是控制变量，而可测的炉膛负荷可以看作为干扰变量。在控制领域中，对于可测的干扰，为消除其对被控变量的影响，本实施例控制方法采用前馈控制方案。
对于火力发电锅炉的主汽温控制，均采用前馈-反馈复合控制器进行控制。本实施例为获得满意的控制效果，将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈-反馈复合控制系统，前馈-反馈控制器结构如图1所示。
解耦后的炉膛煤气流量信号与一级甲减温器入口温度设定信号采用第一前馈-反馈复合控制器对一级甲减温器出口温度输出信号进行调节，进而通过调节一级甲减温器阀门的开度调节一级甲减温器出口温度输出信号。
解耦后的一级甲减温器出口温度输出信号与二级乙减温器出口温度设定信号采用第二前馈-反馈复合控制器对二级乙减温器出口温度输出信号进行调节，进而通过调节二级乙减温器阀门的开度调节二级乙减温器出口温度输出信号，解耦后的一级甲减温器出口温度输出信号即二级乙减温器入口温度设定信号。
解耦后的炉膛煤气流量信号与一级乙减温器入口温度设定信号采用第三前馈-反馈复合控制器对一级乙减温器出口温度输出信号进行调节，进而通过调节一级乙减温器阀门的开度调节一级乙减温器出口温度输出信号。
解耦后的一级乙减温器出口温度输出信号与二级甲减温器出口温度设定信号采用第四前馈-反馈复合控制器对二级甲减温器出口温度输出信号进行调节，进而通过调节二级甲减温器阀门的开度调节二级甲减温器出口温度输出信号，解耦后的一级乙减温器出口温度输出信号即二级甲减温器入口温度设定信号。
其中，第一前馈-反馈复合控制器、第二前馈-反馈复合控制器、第三前馈-反馈复合控制器和第四前馈-反馈复合控制器控制过程控制过程相同，均采用前馈控制器
Figure BDA0002583737440000081
和PI反馈控制器
Figure BDA0002583737440000082
进行控制，其中GPD(S)为干扰通道传递函数，GPC(S)为控制通道传递函数，KP为比例系数，Ki为积分时间常数，参数S是传递函数的指零初始条件下线性系统响应(即输出)量的拉普拉斯变换(或z变换)与激励(即输入)量的拉普拉斯变换之比。记作G(s)＝Y(s)/U(s)，其中Y(s)、U(s)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (8)

1.一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法，其特征在于，信号获取模块获取炉膛煤气量设定流量信号、低温过热器出口设定温度信号和高温过热器出口设定温度信号，解耦模块对信号获取模块获取到的信号进行解耦，解耦后的输出信号采用前馈-反馈复合控制器进行调节控制，实现通过调节信号阀门控制输出信号；
解耦模块中解耦控制器采用对角阵解耦控制方法，对角阵解耦控制方法表达式根据阶跃响应曲线得到的传递函数简化后得到；
解耦模块的解耦控制器为
Figure FDA0003595703200000011
GP11(S)、GP12(S)、GP22(S)、GP21(S)表示低温过热器控制矩阵对应的解耦控制器；
系统的传递函数为
Figure FDA0003595703200000012
其中F(s)为干扰，GPD(s)为干扰通道传递函数，GPC(s)为控制通道传递函数，GFF(s)是前馈控制器的传递函数。
2.根据权利要求1所述的一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法，其特征在于，信号获取模块获取炉膛煤气量设定流量信号和低温过热器出口设定温度信号并发送给解耦模块解耦，得到解耦后的炉膛煤气量设定流量信号和低温过热器出口设定温度信号；信号获取模块获取低温过热器出口输出温度信号和高温过热器出口设定温度信号并发送给解耦模块解耦，得到解耦后的低温过热器出口输出温度信号和高温过热器出口设定温度信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法，其特征在于，耦合系统为
Figure FDA0003595703200000013
其中
Figure FDA0003595703200000014
Figure FDA0003595703200000015
K11，K12，K21，K22均为传递函数过程增益，T11，T12，T21，T22均为时间常数，参数S是传递函数的指零初始条件下线性系统响应量的拉普拉斯变换/z变换与激励量的拉普拉斯变换之比。
4.根据权利要求1所述的一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法，其特征在于，前馈-反馈复合控制器对解耦后的低/高温过热器出口输出温度信号进行调节，进而通过调节低/高温过热器阀门调节输出信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法，其特征在于，所述前馈控制器为
Figure FDA0003595703200000016
其中GPD(S)为干扰通道传递函数，GPC(S)为控制通道传递函数。
6.根据权利要求4所述的一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法，其特征在于，反馈控制器为PI反馈控制器
Figure FDA0003595703200000021
其中KP为比例系数，Ki为积分时间常数。
7.一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制系统，其特征在于，使用如权利要求1-6任意一项所述的一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制方法。
8.根据权利要求7所述的一种基于多变量解耦的发电锅炉主汽温控制系统，其特征在于，所述系统包括信号获取模块、解耦模块和前馈-反馈控制模块，解耦模块与信号获取模块和前馈-反馈控制模块均连接。
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