一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法
2024-01-26 20:31:15
一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其包括如下步驟：步驟一、劃分電站鍋爐運行的典型工況點；步驟二、測試典型工況點處的主蒸汽溫度數學模型；步驟三、計算典型工況點處的PID可調參數的最優值；步驟四、在分散控制系統DCS中利用分段線性函數模塊進行控制邏輯組態；步驟五、在分散控制系統DCS中實現主蒸汽溫度在任意工況點的近似最優控制；本發明的有益效果是解決了火電機組主蒸汽溫度系統在機組運行的全負荷範圍內保證內、外迴路PID可調參數的最優值的自動調度問題，大幅度地提高主蒸汽溫度的調節品質，減少機組在負荷大幅度變化情況下易出現的超溫現象。
【專利說明】一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電站鍋爐主蒸汽溫度控制方法，尤其是涉及一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，適用於燃煤發電機組，屬於自動控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]大型電站鍋爐主蒸汽溫度控制是提高經濟效益、保證機組安全運行的不可缺少的環節。對鍋爐主蒸汽溫度的控制要求是十分嚴格的，汽溫過高或者過低，以及大幅度的波動都將影響鍋爐、汽輪機的安全和經濟性。因此維持鍋爐主蒸汽溫度的穩定運行是非常必要的。過熱器一般由若干級組成，各級管子常使用不同的材料，分別對應一定的最高允許溫度。因此為保證金屬安全，還應當對各級受熱面出口的汽溫加以限制，此外，還應防止局部管子的超溫爆漏和汽輪機汽缸兩側的受熱不均。蒸汽溫度過高，若超過了設備部件(如過熱器管、蒸汽管道、汽輪機噴嘴、葉片等)的允許工作溫度，將使鋼材加速蠕變，降低使用壽命。嚴重的超溫甚至會使管子過熱而爆破。蒸汽溫度過低，將會降低熱力設備經濟性，增加發電煤耗。汽溫過低，還會使汽輪機最後幾級的蒸汽溼度增加，對葉片的侵蝕作用加劇，嚴重時將會發生水衝擊，威脅汽輪機的安全。而且汽溫突升突降還會使鍋爐各受熱面焊口及連接部分產生較大的熱應力，造成脹差增加。嚴重時甚至可能發生葉輪與隔板間的動靜摩擦，汽輪機劇烈振動等。
[0003]主蒸汽溫度一般可看做多容分布參數受控對象，對該對象的控制比較困難。其原因主要有:(I )、鍋爐燃燒工況不穩定，煙氣側擾動頻繁且擾動量較大，影響主蒸汽溫度變化較快；(2)、由於工藝特性決定了各級過熱器管道較長，造成主汽溫對其調節手段，即噴水減溫器的減溫水量變化的反應較慢，表現出明顯的滯後特性；(3)外部擾動(如主蒸汽流量波動、主蒸汽壓力波動等)變化頻繁且擾動量較大，致使主汽溫經常波動；(4)內部擾動(如主給水流量波動、給水壓力波動等引起的減溫水流量波動)，使得噴水量發生變化，造成主汽溫在外擾較小時仍經常偏離設定值；(5)主汽溫系統對於機組負荷的變化具有明顯的時變特性。熱工對象的動態特性與運行工況密切相關，機組的對象特性隨著機組負荷變化發生明顯變化，特別是對於調峰機組現象更為嚴重。對於主汽溫對象來講，其動態特性受運行工況參數(主蒸汽流量、主蒸汽壓力以及主蒸汽溫度)變化影響，導致模型參數發生明顯變化。由於機組負荷變化影響供煤量，從而直接影響過熱器吸熱，同時汽機側負荷變化也會引起蒸汽流量變化，因此負荷變化會引起蒸汽流量擾動、過熱器吸熱量擾動以及過熱器入口汽溫擾動。通常當負荷增加時，會導致系統特性函數的滯後和慣性時間常數以及靜態增益都呈現明顯減小的趨勢，總的汽溫則隨負荷升高而增加。
[0004]常規的主蒸汽溫度控制方案大致包含兩種控制策略及其組合:一種是前饋控制，另一種是串級反饋控制。設計前饋控制和反饋控制相結合的複合控制系統，是克服幹擾、提高控制品質的有效方法。前饋控制是一種非常有效的手段，其特點是針對確定性擾動，系統控制器根據擾動的大小和變化情況對被控制對象施加相反的控制作用，補償擾動的影響，從而能夠在擾動對被控對象的影響體現出來之前就將其抵消。但是前饋控制得以應用的一個重要前提是擾動可以測量，目前對於汽溫控制來講，鍋爐燃燒擾動無法測量，蒸汽流量的測量誤差也比較大，因此很難設計精確的前饋控制對其加以抵消。同時，前饋控制不能改變系統的閉環特性，當負荷變化導致被控對象變化時，系統的閉環穩定性只能靠反饋控制迴路內的控制器的相應改變來適應。常規反饋控制方法是基於PID的控制器，通過理論計算或專家經驗調試得到合適的PID控制器參數，使其與被控對象的參數相匹配，從而得到一個穩定的且控制性能良好的閉環控制系統。從工程上來講，PID控制器參數的物理意義清楚並且容易在線調整，因此得到了廣泛的應用。但是串級PID控制器的參數都是在鍋爐處於特定負荷下整定得到的一組特定值，對於被控系統參數(增益、滯後時間和慣性時間)隨機組運行工況(發電功率、主蒸汽壓力)明顯變化的主蒸汽溫度對象來講，當負荷工況在大範圍內變化時，按照固定負荷設計的PID參數很難取得滿意的控制效果。因此需要一種新的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，能夠在機組負荷大範圍變化的情況下，保證機組處於安全穩定的高性能運行狀態。
[0005]經現有學術及技術文獻的檢索，未發現專門針對主蒸汽溫度全程控制問題的研究。而對於主蒸汽溫度控制問題的研究，多集中在將各種先進控制算法應用於某個或某幾個獨立典型工況點的控制嘗試和仿真對比上。對於系統特性隨機組運行工況明顯變化的主蒸汽溫度對象，現有方法的實用價值不高，控制效果越來越不能滿足高度自動化時代的要求。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題為提供一種準確度高、反應快速，簡便易行的基於傳統串級控制方案的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，避免具有大遲延、大慣性和時變特性的主蒸汽溫度對象隨著機組負荷變化而導致主蒸汽溫度控制性能不佳甚至不穩定的問題，以提高鍋爐主蒸汽溫度的控制品質。
[0007]本發明的技術方案如下:
本發明的步驟如下:
步驟一、劃分電站鍋爐運行的典型工況點:
依據機組的最大負荷設計容量及主要運行負荷區間劃分出N個典型工況點，每個典型工況點代表一個負荷值；N的取值不小於2，當N=2時所述2個典型工況點分別為鍋爐最低穩燃負荷工況點X1，額定最大負荷工況點Xn ;當N>2時所述N個典型工況點分別為鍋爐最低穩燃負荷工況點X1，額定最大負荷工況點Xn以及上述兩個工況點之間劃分出的(N-2)個典型工況點；
步驟二、測試典型工況點處的主蒸汽溫度數學模型:
通過對機組進行主動負荷升降或等待負荷調峰運行，利用擾動試驗測試典型工況點處的系統特性模型如(I)~(2)；
惰性區N個典型工況點的一階慣性加純遲延傳遞函數模型:
【權利要求】
1.一種電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特徵在於步驟如下: 步驟一、劃分電站鍋爐運行的典型工況點: 依據機組的最大負荷設計容量及主要運行負荷區間劃分出N個典型工況點，每個典型工況點代表一個負荷值；N的取值不小於2，當N=2時所述2個典型工況點分別為鍋爐最低穩燃負荷工況點X1，額定最大負荷工況點Xn ;當N>2時所述N個典型工況點分別為鍋爐最低穩燃負荷工況點X1，額定最大負荷工況點Xn以及上述兩個工況點之間劃分出的(N-2)個典型工況點； 步驟二、測試典型工況點處的主蒸汽溫度數學模型: 通過對機組進行主動負荷升降或等待負荷調峰運行，利用擾動試驗測試典型工況點處的系統特性模型如(I)~(2)； 惰性區N個典型工況點的一階慣性加純遲延傳遞函數模型:
2.根據權利要求1所述的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特徵在於:所述步驟一中，當N>2時，鍋爐最低穩燃負荷工況點X1和額定最大負荷工況點Xn之間的(N-2)個典型工況點根據負荷大小等間隔劃分。
3.根據權利要求2所述的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特徵在於:為了進一步提高電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制的效果，對PID可調參數的最優值與機組負荷之間對應函數關係進行優化，即在步驟五後增加如下操作: 當機組工作於任意非典型工況點時，此時分散控制系統DCS中的分段線性函數模塊通過自動插值輸出的PID可調參數使主蒸汽溫度與設定值之間的最大偏差超過5°C，說明此工作點下通過自動插值輸出的PID可調參數與當前PID可調參數的最優值之間有差距，則需要技術人員對當前工況點繼續進行主動負荷升降或等待負荷調峰運行，利用擾動試驗測試當前工況點處的系統特性模型，按照步驟二的方法繼續獲得該工況點如式(I)所示的惰性區的一階加純遲延等效傳遞函數模型以及如式(2)所示的導前區的一階慣性等效傳遞函數模型；然後重新依據步驟三的計算方法得到對應於此工況點的PID可調參數的最優值，並將此工況點作為新加的典型工況點，重新對步驟四的分段線性函數模塊進行控制邏輯組態，完成PID可調參數的最優值與機組負荷之間對應函數關係的優化更新。
4.根據權利要求1或2或3所述的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特徵在於:所述外迴路和內迴路的可調濾波器時間常數Tn、Tf2的取值滿足Tn:{Q.3-0.7) TT ,Tf2= (0.3~0.7) τ2χ。
5.根據權利要求4所述的電站鍋爐主蒸汽溫度全程控制方法，其特徵在於:獲取所述N個典型工況點下如式(I)和(2)所示的主蒸汽溫度串級控制系統的傳遞函數模型及其相應的PID控制參數時，要使機組處於穩定運行狀態，即單元機組處於協調控制的系統工作方式，需滿足: 第一、機組實際測量的負荷與負荷指令(即設定值)之間的偏差小於最大允許值δΝι,Sm取2%~4% Norm (Norm:機組額定負荷)； 第二、實際測量的主蒸汽壓力與主蒸汽壓力設定值之間的偏差小於最大允許偏差δΡ，δρ取0.3-0.6MPa，且機組穩定持續時間達到要求的持續時間δΤ , 5Τ取20-40分鐘。
【文檔編號】F22B35/00GK103557511SQ201310576564
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月18日 優先權日:2013年11月18日
【發明者】王東風, 劉千, 江溢洋, 牛成林 申請人:華北電力大學（保定）