CN1191508C - 起动或停车技术过程生产工艺技术部件的控制、调节方法及调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及起动或停车技术过程的至少一个生产工艺技术部件的控制、调节方法及调节装置，其中通过一调节装置和一包括一优化器和一过程模型的预控制装置至少形成提供给过程的一个调节参数。向优化器提供用于实际过程的至少一个给定参数。由优化器发出的至少一个优选模型调节参数作为输入参数提供给预控制装置的过程模型，该优选模型调节参数还须加到调节装置的至少一个输出参数上，以便形成调节参数。过程模型的模型输出参数提供给调节装置用作设定值，并与实际过程中不可测量的变量一起并行反馈给优化器。实际过程至少应有一个可测量的输出参数，用于对过程模型进行调整修正。

Description

起动或停车技术过程生产工艺技术部件 的控制、调节方法及调节装置

技术领域

本发明涉及一种例如在发电厂中使用的生产工艺技术过程起动或停车的调节方法和实施此方法的调节装置。

这类调节方法尤其用于确定一些重要的输入参数，其中有预先计算出的例如有关燃料量的、压力额定值的、蒸汽温度的、以及有关阀门和旁通管站点的重要调节参数的模拟设定值控制，尤其还有在发电厂的生产工艺技术部件起动或停车时带有蒸汽旁通管站点和涡轮机的蒸汽发生器运行参数。

技术背景

尤其从德国专利DE3133222和G.Kallina的“展望自由负载计算机在蒸汽发生器起动过程最优化中的应用，《VGB发电技术杂志》第75卷1995年第7期(Vorausschauender Freilastrechner fuer das optimale Anfahren vonDampferzeugern)”VGB Kraftwerkstechnik 75(1995)，volume 7)公知模型方法，其中该方法使用一个与生产工艺技术过程平行运行的数学模型来计算和校正控制量。其中使用了一个状态观察器，该状态观察器又利用一个模拟装置，以便从一个厚构件的内里结构组织和中间结构组织之间的温度差中更快地得到有关热应力分布曲线的信息。这些状态参数适合于在有第二个模拟装置的情况下，用来观察研究极限值分布曲线和可能的控制值。再者，该第二模拟装置工作速度约比第一模拟装置快10倍，因此它比实时更快。确定生产工艺技术过程数据的工作在起动或停车过程期间持续地进行。

在工作原理的说明中很显然控制量是为某一限定的时间间隔而预先确定的。燃料的加入量是在考虑到预先规定的极限值的情况下而得出的。这里须指出的是，水的喷射只有在起动过程结束时才可进行。

这种方法的缺点是，要试图同时分解出控制响应和干扰响应，这样调节质量就达不到本可以达到的最优化水平。而且由于使用了工作速度比实时快10倍的第二模拟装置而引起的对计算时间的高要求，相应地对所采用的计算机系统的效率也提出了很高的要求。

由锅炉供应商或程序供应商所提供的起动曲线和停车曲线大多是以静止不变的观察研究作为基础的。在此所使用的数字最优化的方法不能用来改善起动/停车的程序步骤。

发明内容

本发明的任务是，在使用一个与生产工艺技术过程平行运行的数学模型计算和校正控制量的模型方法的基础上，在确定技术过程生产工艺技术部件起动或停车时一些重要输入参数的过程中借助于一个调节装置来实现一种优选措施，由此使控制响应和干扰响应相脱离，并且在技术过程的运行期间，特别是起动或停车时实现最优理想位置的接入。此外本发明将对实施此方法的调节装置加以说明。

本发明的任务在控制和调节的方法方面的技术解决方案在于一种技术过程的至少一个生产工艺技术部件起动或停车的控制和调节方法，其中

a)借助于调节装置和串接在前面的数学模型支持的预控制装置而形成至少一个提供给该技术过程的调节参数，

b)预控制装置的优化器在收到用于实际过程的至少一个控制量后，给出至少一个最优化的模型调节参数，该最优化的模型调节参数作为输入参数提供给预控制装置的过程模型，同时该最优化的模型调节参数还相加到调节装置的至少一个输出参数上，以形成所述提供给该技术过程的调节参数，

c)过程模型的至少一个模型输出参数作为设定值提供给调节装置，同时还与低水平的、在实际技术过程中不可测量的变量一起反馈给优化器，

d)优化的模型调节参数和模型输出参数或者是在起动或停车过程中以查表的方式反馈到实际技术过程中，或者是借助于过程模型重复形成，其中该过程模型参照实际过程进行调整修正，和

e)具有预控制装置、调节装置和实际过程的装置在控制量变化时的控制响应与实际过程在干扰变量作用时的干扰响应脱离。

本发明的任务在调节装置方面的技术解决方案在于一种技术过程的至少一个生产工艺技术部件起动或停车的调节装置，其中，具有一个包括由优化器和过程模型的预控制装置，预控制装置的最优化模型输出参数提供给实际调节装置，优化器给出的模型调节参数在相加点处与调节器的输出相加。

借助于脱机进行的最优化和模拟过程，首先研究探讨因选用了若干适当的设定值控制、特别是因选用了适当的起动曲线而带来的改进的可能性，接着又把改进的可能性应用到实际的设备上。计算出来的设定值控制在下文中称为模型支持的预控制装置。其中在考虑生产工艺技术的边界条件和补充条件，尤其是考虑生产工艺技术-物理限值的情况下，把严谨的动态的且大多是非线性的建模与脱机进行的数字最优化过程相结合，然后将其应用到实际技术过程中。

在脱机计算的过程中，首先算出了低水平的常规调节用的最优调节参数分布曲线和最优控制量分布曲线，以求在给定的补充条件下达到起动成本费用最优的目标。在此尤其是把最低的燃料消耗量也作为补充条件加以考虑。在此运用了基本系统的严谨的动态过程模型。用于此的还有最优判别标准，并且随着给定的补充条件的不同而计算出各种最优化变量的最优分布曲线。

在通过以数学-物理方法观察研究技术过程的足够精确的模型或是通过对测得的参数以及实际过程结构特征的评价分析而求出不可测量的变量之后，就产生了质量函数的表达式。借助于优化器中合适的数字最优化方法质量函数值可减至最小或增至最大，其中该优化器采用了便于观察的数学过程模型，。在此一并考虑了各种待观察研究的并为实现最优化所必须遵循的生产工艺技术过程的边界条件和补充条件。其结果就是观察研究的过程模型的输入参数的最优理想状况。这个最优化的结果产生了影响被观察研究技术过程的各种变量。在通过(脱机)模拟对用过程模型计算出的理想状况检验之后就在实际技术过程的起动或停车时对理想位置进行锁定。

在设备已处于工作运行状态时，过程模型也可以由测量识别，或者通过这些测量进行检验。部分地也还需要一些生产工艺技术部件结构的数据，例如几何数据和材料数据。通过脱机进行的最优化和模拟，研究探讨因新的设定值控制例如借助于起动曲线而带来的改进可能性，并随后将它运用到实际的设备上。

利用模型支持的预控制装置，人们就可以改善有关控制响应的动态特性，而同时预控制装置不会影响低水平控制环路的稳定性。这样在控制响应和干扰变量特性最优化时就存在两个自由度。因此就要对执行元件加以保护，并要减轻常规控制环路的负担，这是由于执行元件只需校正与最优分布曲线的偏差值。还有一个优点是，预控制装置和调节装置是可以彼此独立进行设计和最优化的。如果调节器针对干扰变量特性已经调整到最优状态，那么就有可能在引进模型支持预控制装置时不必重新确定此调节器的各种参数。

对于模型支持的预控制装置来说，除了要观察研究控制量之外，如果干扰变量的测量技术条件具备的话，那么也要对干扰变量进行观察研究。为了重叠的在线控制量的产生，人们应用了一个控制环路，在该控制环路中优化器被用作为调节器。由此实时要求显著降低，且控制环路不必必须以和低水平调节同样的取样时间进行工作，这是因为首要地是只对最初计算出的理想分布曲线进行调整。

即使与上述现有技术水平(见DE3133222及G.Kallina的“展望自由负载计算机在蒸汽发生器起动过程最优化中的应用”，《VGB发电技术杂志》第75卷1995年第7期(Vorausschauender Freilastrechner fuer das optimale Anfahren vonDampferzeugern)”VGB Kraftwerkstechnik 75(1995)，volume 7)相比也有许多优点，这是由于用本发明的方法可以分开进行热应力的计算。

如果按照最优判别标准仔细考虑燃料需要量的话，那就可以做到起动成本的最优化。作为最优化的结果则要求蒸汽发生器的水的喷射在起动过程之中就必须开始进行。该效果也可以对燃料需要量产生影响。为了缩短整个起动或停车时间并由此而降低燃料成本，也要充分利用现有的自由数值，如利用厚壁构件不稳定热应力方面的自由数值。

附图说明

现在根据附图中示出的实施例对本发明作进一步的说明。附图所示为：

图1是带有模型支持的预控制装置的调节装置的视图，

图2是具有已知设定值和带有模型支持的预控制装置的现有调节装置的视图，

图3是蒸汽发生器典型起动过程模拟曲线图，和

图4是蒸汽发生器最优起动过程模拟曲线图。

具体实施方式

图1示出了按照本发明对于一个生产技术运行过程4的至少一个生产工艺技术部件起动或停车进行控制的方法和装置，其中借助于调节装置3形成至少一个输出参数D4，和由一个在前面串接的模型支持的预控制装置5形成至少一个调节参数D2，该调节参数D2又经过相加点6作为最终调节参数D6提供给过程4。

对于预控制装置5来说，除了要观察研究至少一个反映实际过程4的输出参数D7目标大小的控制量D1之外，还要观察研究用作调节装置3的控制量的模型输出参数D3。在预控制装置5的实际应用中要区分两种不同的情况。

a)在第一种情况下，已有最优模型调节参数D2和能够反映实际调节用的现实设定值的模型输出参数D3的数值表(例如供查表法使用)，这些预选值是预先计算出来的并适当地存储起来，在起动或停车时作为数据流D6反馈到实际技术过程4中。

b)在第二种情况下，在起动或停车期间重复进行过程模型2的最优化和模拟。为此，需按实际设备的情况对过程模型2进行调整修正，以便模型输出参数D3能与过程输出参数D7取得一致。

预控制装置5包含一个优化器1和一个过程模型2，它将优化了的模型输出参数D3提供给实际的调节，也就是提供给调节装置3。与此同时，用于实际过程4的控制量D1被提供给优化器1，优化器1又给出一个优化了的模型调节参数D2，用作输入参数提供给预控制装置5的过程模型2，此外调节参数D2还将加到调节装置3的输出参数D4上，以形成调节参数D6。过程模型2的模型输出参数D3被提供给调节装置3用作设定值，此外D3还与低水平的、特别是在实际过程4中不可测量的变量D5一起反馈给优化器1。

在第二种情况b)下按实际技术过程4的要求对过程模型2进行的调整修正是通过可测量的过程参数D7进行的。这样就能够排除过程模型2与实际过程4之间的偏差，尤其是在实际过程4中出现干扰变量D8时，依然能排除两者间的偏差。

图2示出了根据本发明在过程4既已有调节装置3可供支配使用又有已知的设定值D10的情况下，对服务于过程的预控制装置5的布置。在此必须将已有的设定值D10提供给过程模型2。之后模型输出参数D3在相加点7处用已有的设定值D10加以修正。经修正的设定值D9最后提供给调节装置3。

图3和图4中曲线图的图例：

：燃料的流量[Kg/s]，

Y_E：喷射调节阀的位置，

Y_T：涡轮机旁通管站点的位置，

：锅炉出口处蒸汽流量[Kg/s]，

PD：锅炉出口处的蒸汽压力[bar]，

T_D：最后过热之前蒸汽进入时的温度[℃]，

σ_A：出口收集器处的热应力[N/mm²]，

σ_T：锅炉的锅胴的热应力[N/mm²]。

图3清楚地说明了蒸汽发生器典型起动的模拟以及喷射调节阀和涡轮机旁通管站点所在的位置(Y_E、Y_T)。其中燃料量( )在10000秒的时间之内成斜坡状上升。目标是蒸汽压力(P_D)从稳态值P_D≈0.1MPa(兆帕)上升到其目标终值15Mpa；蒸汽温度(T_D)从稳态值T_D≈146℃上升到其目标终值520℃；蒸汽流量(m_D)从稳态值 ${\stackrel{\·}{m}}_D\≈0$ Kg/s上升到其目标终值163Kg/s。此外还绘出了出口收集器的两条热应力(σ_A、σ_T)分布曲线。10000秒长的起动时间是按照把各项热应力值保持在允许极限值范围内的要求而得出来的。

图4示出了在遵循上述极限值的情况下蒸汽发生器在2500秒后结束起动过程的最优起动模拟，这也就意味着图4中的起动过程是图3示出的起动过程的4倍。此外燃料消耗量在图3中是在10000秒之后达到稳定值，而在图4中在2500秒之后就达到稳定值，在达到稳定值后 曲线的下方是个平面，燃料消耗量在图4的最优起动情况下约比图3中典型起动时少3倍。图4与图3的区别是，图4的模拟完全充分地利用了(σ_A、σ_T)热应力的自由数值。在这种情况下，根据图1，为模拟而接入燃料、压力和蒸汽温度的最优理想位置以及喷射调节阀和涡轮机旁通管站点的预控量。在确定这些最优化设定值控制时，质量函数值(J)则通过数字最优化减至最小。

现在以图4为范例来叙述导致图4中最优分布曲线的质量函数以及边界条件和补充条件。以下的积分式被选用作质量函数式：

$J=\underset{t_0}{\overset{t_E}{\∫}}[w_{P_D},w_{T_D},w_{{\stackrel{\·}{m}}_D}]\left[\begin{array}{c}{[p_D\left(t\right)-p_{D,\mathrm{SW}}]}^2\\ {[T_D\left(t\right)-T_{D,\mathrm{SW}}]}^2\\ {[{\stackrel{\·}{m}}_D\left(t\right)-{\stackrel{\·}{m}}_{D,\mathrm{SW}}]}^2\end{array}\right]\mathrm{dt}$

在此将质量函数J的最小值选作为优化目标。质量函数的各种变量代表以下意义：

J：关于加权的二次幂的偏差的积分值，

t₀：起动开始的时刻，

t_E：起动结束的时刻，

W_PD：蒸汽压力二次幂偏差的加权系数，

W_TD：蒸汽温度二次幂偏差的加权系数，

：蒸汽量二次幂偏差的加权系数，

P_D，SW：蒸汽压力的目标设定值，

T_D，SW：蒸汽温度的目标设定值，

：蒸汽量的目标设定值。

在遵循下列边界条件和补充条件的情况下：

$0[\mathrm{Kg}/s]\≤{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{BR}}\≤50.4[\mathrm{Kg}/s],$

$0[\mathrm{Kg}/s^2]\≤{\stackrel{\·\·}{m}}_{\mathrm{BR}}\≤0.0053[\mathrm{Kg}/s^2]$ (单调增加燃料数量)，

·0.05≤Y_T≤1(涡轮机旁通管的调整范围)，

·0≤Y_E≤1(喷射调节阀的调整范围)，

·max|σ_A|≤7[N/mm²](出口收集器处热应力最大值)，

·max|σ_T|≤10[N/mm²](汽包的热应力最大值)，

·T_D，E(t)＞T_饱和＝f(P_D)(最后过热之前的蒸汽进入温度T_D，E(t)应高于饱和蒸汽的温度T_饱和，T_饱和是蒸汽压力P_D的函数)，

·T_D(t)＞T_D，E(t)(保证的过热值，即最后过热的出口温度高于进口的温度)。

优化变量有燃料量 ，涡轮机旁通管站点的位置Y_T和喷射调节阀的位置Y_E。这些变量相当于图1中的调节参数D2。图3、图4中的过程模型参数

T_D、T_D、E和P_D相当于图1中模型输出参数D3，它们是通过模拟，也就是通过将调节参数D2输入过程模型而求得的。

在实际应用中投入使用的不仅有热应力值，而且也有厚壁构件中的温度差值。这些温度差值是通过置入的热电偶检测到的。前面介绍的方法同样也可以使用。

Claims (10)

1、技术过程(4)的至少一个生产工艺技术部件起动或停车的控制和调节方法，其中

a)借助于调节装置(3)和串接在前面的数学模型支持的预控制装置(5)而形成至少一个提供给该技术过程(4)的调节参数(D6)，

b)预控制装置(5)的优化器(1)在收到用于实际过程(4)的至少一个控制量(D1)后，给出至少一个最优化的模型调节参数(D2)，该最优化的模型调节参数(D2)作为输入参数提供给预控制装置(5)的过程模型(2)，同时该最优化的模型调节参数(D2)还相加到调节装置(3)的至少一个输出参数(D4)上，以形成所述提供给该技术过程的调节参数(D6)，

c)过程模型(2)的至少一个模型输出参数(D3)作为设定值提供给调节装置(3)，同时还与低水平的、在实际技术过程中不可测量的变量(D5)一起反馈给优化器(1)，

d)优化的模型调节参数(D2)和模型输出参数(D3)或者是在起动或停车过程中以查表的方式反馈到实际技术过程中，或者是借助于过程模型(2)重复形成，其中该过程模型(2)参照实际过程(4)进行调整修正，和

e)具有预控制装置(5)、调节装置(3)和实际过程(4)的装置在控制量(D1)变化时的控制响应与实际过程(4)在干扰变量(D8)作用时的干扰响应脱离。

2、根据权利要求1的方法，其中观察研究的过程模型是在优化器中用数学-物理方法的质量函数表达式求得的，且该质量函数借助于适宜的最优化方法而被最大化或最小化。

3、根据权利要求1的方法，其特征是，在考虑边界条件和补充条件的情况下，把严谨的动态建模与进行最优化相结合，共同应用到实际生产技术过程中。

4、根据权利要求3的方法，其特征是，作为边界条件和补充条使用了生产工艺技术-物理限值

5、根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征是，为调整修正过程模型(2)，使用了实际过程(4)的至少一个可测量的输出参数(D7)。

6、根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征是，如果设备已处于工作运行状态，则过程模型(2)完全地或部分地由测量识别，或通过这些测量进行检验。

7、根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征是，如果生产工艺技术部件是带有喷水装置的蒸汽发生器，那么该喷射在起动过程结束之前就要开始进行，这样才能在遵循现有限定条件下做到起动成本最优。

8、根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征是，借助于预控制装置(5)，将调整校正的作用施加到存在于过程中的调节装置(3)上。

9、技术过程(4)的至少一个生产工艺技术部件起动或停车的调节装置，其中，具有一个包括由优化器(1)和过程模型(2)的预控制装置(5)，预控制装置(5)的最优化模型输出参数(D3)提供给实际调节装置(3)，优化器(1)给出的模型调节参数(D2)在相加点(6)处与调节器(3)的输出相加。

10、根据上述权利要求9的调节装置，其中，预控制装置(5)所用于的过程既已具有调节装置(3)，又具有已知的设定值(D10)，已经具有的设定值(D10)提供给过程模型(2)，模型输出参数(D3)在相加点(7)处由已经具有的设定值(D10)调整校正，由此得出的规定值(D9)提供给调节装置(3)。

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