锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法

技术领域

本发明涉及一种可在减温水冲击导前汽温测点时有效防止电站锅炉过热、再热汽温串级控制系统控制品质下降的动态补偿方法，属锅炉技术领域。

背景技术

电站锅炉中过热、再热汽温是影响锅炉运行安全性、经济性的主要参数。大型锅炉一级、二级过热汽温采用喷水减温调节方式；再热汽温采用以烟气挡板或摆动燃烧器为主、喷水减温为辅的调节方式。由于被控对象具有大惯性、大迟延、非线性等诸多不利特性，致使汽温难以控制。由于电网用电负荷随机性增加、风电大量并网导致发电负荷随机性增加等原因，电网调度需要更加频繁地调整火电机组的发电负荷，以维持供需平衡，这使得锅炉燃烧扰动大大增加。同时，由于燃料性质不稳定、锅炉实施燃烧优化后需要不断调整配风方式以降低NO_X排放等原因，也导致锅炉频繁调整燃烧状态以消除各种扰动。燃烧状态变化使火电机组更多地处于变工况运行状态，过热、再热汽温更加难以控制。

过热、再热汽温多采用串级或导前微分控制系统，其特点是：在喷水减温装置后过热、再热器入口前安装导前汽温测点，在过热、再热器出口处安装被控汽温测点。副调节器输出对导前汽温的传递函数称为导前区对象；导前汽温对被控汽温的传递函数称为惰性区对象。利用导前汽温能够快速反映减温水喷入后被控汽温变化趋势的特点，通过一快速控制回路消除减温水流量扰动、蒸汽流量扰动、执行机构非线性等不利因素，有效提高汽温的控制品质。以串级控制为例说明，控制系统结构如附图1所示，系统包含内、外两个回路，内回路的控制器称为副调节器，被控对象为导前区对象；外回路控制器称为主调节器，被控对象为内回路等效对象和惰性区对象串联后对象。

当锅炉运行工况快速变化导致汽温大幅波动时，对于过热汽温控制系统，需要过热器减温水流量大幅度调整以维持过热汽温稳定；对于再热汽温控制系统，由于烟气挡板或摆动燃烧器执行机构可靠性低、线性度差、动作缓慢等原因，仍然依靠再热器减温水流量大幅度调整以维持再热汽温稳定。当减温水流量大幅变化时，许多锅炉都存在减温水冲击导前汽温测点现象，成为影响汽温控制品质的重要原因。

目前，喷水减温装置的减温水喷口与蒸汽管道之间都安装有一段铝合金套管。铝合金套管耐热冲击性好同时又是非承压部件，可以避免减温水直接喷到蒸汽管道管壁上引起热应力变化。但是，这也使得喷水减温装置后的蒸汽出现分层流动现象：当减温水大量喷入时，管道中心蒸汽温度低而贴近管道壁面处蒸汽温度高。锅炉采用热电偶测量蒸汽温度，当导前汽温测点距离喷水减温装置较近时，测量得到的温度是管道中心的蒸汽温度而并非管道内蒸汽的平均温度，出现导前汽温不正常偏低的情况，这即是减温水冲击导前汽温测点现象。同时，由于水和蒸汽可以在较长的管道内进行充分混合，所以减温水冲击导前汽温测点不会对被控汽温产生影响。

当发生减温水冲击导前汽温测点现象时，会导致汽温控制品质大幅度下降。整体汽温被控对象包括导前区对象和惰性区对象。整体汽温被控对象的增益由三部分相乘后构成，第一部分是减温水阀开度对减温水流量的增益K₁、第二部分是减温水流量对导前汽温的增益K₂、第三部分是导前汽温对被控汽温的增益K₃。K₁与K₂的乘积为导前区对象增益，K₃为惰性区对象增益。在锅炉蒸汽流量一定的情况下，K₂与K₃的乘积非常接近一个常数，即单位流量减温水变化导致被控汽温的变化量是一定的。当发生减温水冲击导前汽温测点现象时，K₂与K₃的乘积也非常接近这一常数，只不过是K₂不正常地偏大，K₃不正常地偏小而已。对于串级控制系统，由于导前区对象的惯性很小，内回路的鲁棒性很好，即使导前区增益出现较大变化，对整个控制回路控制品质影响也很小。但是对于外回路而言并非如此，由于惰性区对象的惯性和迟延都很大，对象增益出现微小的变化，都会严重影响系统控制品质。对于一个整定好PID控制器参数的串级控制系统，外回路增益变小时被控变量的响应将变得非常迟缓，而外回路增益变大时控制系统会变得不稳定。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之不足，提供一种电站锅炉发生过热、再热器减温水冲击导前汽温测点现象时动态补偿被控对象增益变化的方法，以提高电站锅炉过热、再热汽温控制系统的控制品质。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法，所述方法在电站锅炉的过热、再热汽温串级控制系统中设置减温水冲击导前汽温测点修正系数在线计算模块，由该模块在线计算出减温水冲击导前汽温测点的修正系数，将汽温设定值（简称汽温定值）与被控汽温反馈值（简称被控汽温）的偏差除以此修正系数以补偿惰性区对象增益的变化，将副调节器的输出乘以此修正系数以补偿导前区对象增益变化，从而实现减温水冲击导前汽温测点的动态补偿。

上述锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法，所述减温水冲击导前汽温测点修正系数的在线计算方法是：

电站锅炉的过热、再热汽温串级控制系统的副调节器输出信号经过减温水调节阀非线性和蒸汽流量增益补偿后，进入参考模型，参考模型输出与过热、再热喷水减温器前汽温信号求和后得到导前汽温信号估计值，导前汽温信号估计值减去实际导前汽温信号后再与导前汽温信号估计值相乘进入PID控制器，PID控制器输出加100的和再除以100后得到减温水冲击导前汽温测点修正系数。

上述锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法，对汽温串级控制系统副调节器的输出信号进行减温水调节阀非线性特性和蒸汽流量增益补偿的方法是：

减温水流量信号依次除以调节阀开度信号、蒸汽流量信号和计算补偿系数C_k后乘以汽温串级控制系统副调节器的输出信号，实现对汽温串级控制系统副调节器输出信号的补偿，计算补偿系数C_k由下式计算：

其中：q_w15为典型工况下减温水流量，kg/s；V_w15为典型工况下减温水调节阀开度，%；q_se为典型工况下蒸汽流量，kg/s。

上述锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法，所述参考模型为在典型工况下通过减温水调节阀开度扰动实验辨识得到的导前区对象的传递函数。

上述锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法，在对汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点进行动态补偿前，应先判断是否存在减温水冲击导前汽温测点现象，具体方法如下：

若  成立，则判断为发生减温水冲击导前汽温测点现象，否则判断为未发生减温水冲击导前汽温测点现象。

式中：t_s1为过热、再热喷水减温器入口蒸汽温度，℃；t_s2c为导前汽温计算值，℃；t_s2为导前汽温实测值，℃。

上述锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法，导前汽温计算值采用过热、再热器蒸汽压力和喷水减温器后蒸汽比焓通过水和水蒸汽热力性质标准（IAPWS-IF97）公式计算得到；

其中喷水减温器后蒸汽比焓计算方法：

，

式中：h_s2c为减温器出口蒸汽比焓计算值，kJ/kg； q_s1为减温器入口蒸汽流量，kg/s；h_s1为减温器入口蒸汽比焓，kJ/kg；q_w为减温器减温水流量，kg/s；h_w为减温器减温水比焓，kJ/kg。

上述锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法，所述典型工况可以选择锅炉80%额定负荷、减温水调节阀开度15%。

本发明的有益效果是：

（1）补偿效果好。由于模型参考自适应环节针对的是导前区对象，对象结构简单惯性时间小，容易获得准确的参考模型，辨识减温水冲击导前汽温测点修正系数的准确度也较高。因此本发明提出的技术方案能够有效改善减温水冲击导前汽温测点情况下汽温的控制品质，提高锅炉运行安全性和经济性。特别适用于参与电网调峰和一次调频、发电负荷频繁变化的火电机组。

（2）现场实施方便。本发明以串级控制为基础，只需要在内回路中加入一模型参考自适应环节，在控制系统内回路和外回路中引入修正即可，主调节器、副调节器参数均保持不变。现场只需要整定模型参考自适应环节PID控制器参数，调试方便。同时不需增加任何硬件设备。

（3）控制效果好。由于在内回路中采用了模型参考自适应控制，在补偿减温水冲击导前汽温测点的同时，也能够有效克服喷水减温阀非线性、蒸汽流量变化对控制系统造成的不利影响，提高控制品质。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为汽温串级控制系统的结构图；

图2为本发明的控制系统结构图。图2中虚线框出部分为本发明的所述控制系统在串级控制系统基础上增加的减温水冲击导前汽温测点修正系数在线计算模块。其逻辑结构为：减温水流量信号依次除以调节阀开度信号、蒸汽流量信号、计算补偿系数C_k后，乘以原串级控制系统副调节器输出信号，所得信号进入导前区对象参考模型，参考模型的输出信号与减温器前汽温信号求和后得到导前汽温信号估计值；导前汽温估计值减去导前汽温实际值的差再与导前汽温估计值相乘后进入PID调节器，PID调节器输出信号加100的和再除以100后得到减温水冲击导前汽温测点的修正系数，原串级控制系统中汽温设定值与被控汽温的偏差除以此修正系数，副调节器的输出乘以此修正系数。

文中各符号清单为：C_k为计算补偿系数，1/%；q_w15为典型工况下减温水流量，kg/s；V_w15为典型工况下减温水调节阀开度，%；q_se为典型工况下蒸汽流量，kg/s；t_s1为喷水减温器入口蒸汽温度，℃；t_s2c为导前汽温计算值，℃；t_s2为导前汽温实测值，℃；K₂₀为单位减温水流量变化导致单位流量导前区蒸汽温度的变化量，℃s/kg；K₃₀为单位流量导前区蒸汽温度变化导致单位流量被控汽温的变化量，℃/℃；c₀为常数，℃s/kg；K_x为减温水冲击导前汽温测点修正系数，无量纲；K₂₁为减温水冲击导前汽温测点时单位减温水流量变化导致单位流量导前区蒸汽温度的变化量，℃s/kg；K₃₁为减温水冲击导前汽温测点时单位流量导前区蒸汽温度变化导致单位流量被控汽温的变化量，℃/℃；q_s1为减温器入口蒸汽流量，kg/s；h_s1为减温器入口蒸汽比焓，kJ/kg，采用减温器入口蒸汽温度、蒸汽压力计算得到；q_w为减温器减温水流量，kg/s；h_w为减温器减温水比焓，kJ/kg，采用减温水温度、压力计算得到；h_s2c为减温器出口蒸汽比焓计算值，kJ/kg。

具体实施方式

本发明以串级控制系统为基础，在内回路采用模型参考自适应控制，在自动适应导前区对象增益变化的同时，根据喷水减温过程能量平衡关系计算出惰性区对象增益变化并得到一修正系数。然后将修正系数引入外回路PID控制器前对汽温偏差信号进行修正，实现动态补偿功能。由于串级控制系统中内回路被控对象的惯性很小，计算得到的惰性区对象增益具有较好的准确度和实时性，增加动态补偿后的汽温控制系统，在各种因素导致减温水流量大幅度变化发生减温水冲击导前汽温测点现象时，能够保证系统原有控制品质。

本发明的技术原理：

减温水冲击导前汽温测点，是因为导前汽温测点处因汽水混合不均匀造成的，但是汽水混合物流动到被控汽温测点时已经充分混合，被控汽温不会产生异常。所以，当减温水温度一定时，单位减温水流量变化导致单位流量被控汽温的变化量非常接近一常数。即：

                                              （1）

其中：K₂₀为单位减温水流量变化导致单位流量导前区蒸汽温度的变化量，℃s/kg；K₃₀为单位流量导前区蒸汽温度变化导致单位流量被控汽温的变化量，℃/℃；c₀为常数，℃s/kg。

当发生减温水冲击导前汽温测点时，测量的导前汽温相当于在K₂₀的基础上除以一个减温水冲击导前汽温测点修正系数K_x：

                        （2）

其中：K₂₁为减温水冲击导前汽温测点时单位减温水流量变化导致单位流量导前区蒸汽温度的变化量，℃s/kg；K_x为减温水冲击导前汽温测点修正系数，无量纲，0<K_x≤1。

同时有：

                       （3）

可以推导得到：

                      （4）

其中：K₃₁为减温水冲击导前汽温测点时单位流量导前区蒸汽温度变化导致单位流量被控汽温的变化量，℃/℃。

在汽温控制系统中，通过一模型参考自适应环节在线计算出K_x，将K_x分别用于补偿对象导前区增益变化和惰性区增益变化，则能够克服减温水冲击导前汽温测点的影响。

本发明的技术方案：

汽温控制系统以串级控制为基础，增加一模型参考自适应环节在线计算出减温水冲击导前汽温测点的修正系数，将汽温设定值与被控汽温的偏差除以此修正系数用于补偿惰性区对象增益的变化，将副调节器输出乘以此修正系数用于补偿导前区对象增益变化。控制系统结构图如附图2所示。图中虚线框内为克服减温水冲击导前汽温测点的动态补偿逻辑，图中除法功能块中，实箭头代表被除数，空箭头代表除数。

除发生减温水冲击导前汽温测点外，导前区对象增益还受其它因素影响，在设计自适应控制环节时需要予以补偿。这些因素包括：（1）减温水调节阀非线性。现场减温水调节阀都存在明显的非线性：调节阀开度较小时，调节阀开度稍有变化减温水流量即有明显变化；调节阀开度较大时，调节阀开度明显变化而减温水流量却变化不大。（2）蒸汽流量变化。当减温水流量一定情况下，蒸汽流量越大导前区增益绝对值越小。附图2中补偿的原理是：（1）使用减温水流量除以调节阀开度计算减温水调节阀实际开度，用以补偿减温水调节阀非线性。（2）蒸汽流量以除数的方式引入修正，补偿因蒸汽流量增加造成导前区对象增益变小的情况。

附图2中常数C_k为计算补偿系数，1/%。采用典型工况下运行数据计算得到。典型工况可以选择锅炉80%额定负荷、减温水调节阀开度15%。C_k计算方法为：

                      （5）

其中：q_w15为典型工况下减温水流量，kg/s；V_w15为典型工况下减温水调节阀开度，%；q_se为典型工况下蒸汽流量，kg/s。

附图2中参考模型为在典型工况下通过减温水调节阀开度扰动实验辨识得到的导前区对象的传递函数。

附图2中副调节器输出经过减温水调节阀非线性和蒸汽流量增益补偿后，进入参考模型，参考模型输出与喷水减温器前汽温求和后得到导前汽温估计值。导前汽温估计值减去导前汽温实际值的差再与导前汽温估计值相乘后进入PID控制器，PID控制器输出加100的和再除以100后得到减温水冲击导前汽温测点修正系数。

附图2中减温水冲击导前汽温测点修正系数以乘积的形式修正副调节的输出，以除数的形式修正主调节器的偏差输入。

本发明动态补偿逻辑的工作过程是：

当未发生减温水冲击导前汽温测点时，在初始状态下，导前汽温估计值与导前汽温实际值相等，自适应控制环节PID输入为0，因此PID控制器输出为0，计算得到的减温水冲击导前汽温测点修正系数为1，不进行任何修正。

当发生减温水冲击导前汽温测点时，在初始状态下，导前汽温实际值低于导前汽温估计值，两者差为正数，但参考模型为负对象，因此PID控制器输入为负信号。这样PID控制器输出减小为负数，计算得到的减温水冲击导前汽温测点修正系数小于1，在副调节器输出不变的条件下减温水阀开度减小，直至导前汽温实际值再次等于导前汽温估计值。而减温水冲击导前汽温测点修正系数小于1后，在汽温设定值和被控汽温的差一定的情况下，相当于增加了主调节器的增益，对因减温水冲击导前汽温测点导致惰性区增益减小的情况进行补偿。

本发明通过以下步骤实施：

（1）减温水冲击导前汽温测点判断。观察机组运行历史数据，依据能量平衡原则判断是否发生减温水冲击导前汽温测点现象。喷水减温过程的能量平衡方程为式6。

              （6）

变形后得到：

                  （7）

式6、7中：q_s1为减温器入口蒸汽流量，kg/s；h_s1为减温器入口蒸汽比焓，kJ/kg，采用减温器入口蒸汽温度、蒸汽压力计算得到；q_w为减温器减温水流量，kg/s；h_w为减温器减温水比焓，kJ/kg，采用减温水温度、压力计算得到；h_s2c为减温器出口蒸汽比焓计算值，kJ/kg。

可以利用减温器出口蒸汽比焓计算值和蒸汽压力通过水和水蒸汽热力性质计算减温器出口蒸汽温度即导前汽温计算值，同导前汽温实测值进行比较。当式8成立时，可判断为发生减温水冲击导前汽温测点现象。

                   （8）

式8中：t_s1为喷水减温器入口蒸汽温度，℃；t_s2c为导前汽温计算值，℃；t_s2为导前汽温实测值，℃。

当锅炉存在减温水冲击导前汽温测点现象时，可应用本发明方案实施以下步骤。

（2）减温水调节阀开度扰动实验。在典型工况（锅炉80%额定负荷，减温水调节阀开度为15%）附近通过减温水调节阀开度扰动实验确定被控对象的传递函数。在锅炉80%额定负荷附近，将汽温控制回路切为手动控制状态，将减温水调节阀开度调整到15%左右。待导前汽温、被控汽温以及锅炉燃烧状态均稳定后，阶跃增加（或减少）减温水调节阀开度，记录减温水调节阀开度（单位%）、减温水流量（单位kg/s）、导前汽温（单位℃）、被控汽温（单位℃）响应曲线，利用响应曲线法辨识导前区和惰性区对象的传递函数。

（3）补偿逻辑设计。在锅炉汽温控制系统内以组态的方式实现附图2的补偿逻辑，其中C_k采用式5计算，参考模型为辨识得到的导前区对象的传递函数。

（4）参数调试。先将模型参考自适应环节PID控制器输出强制为0，依据辨识得到的导前区和惰性区对象传递函数整定主调节器和副调节器参数，方法同串级控制系统整定方法相同。待参数整定完毕后，将模型参考自适应环节PID控制器输出上限设置为100，下限设置为-87.5，整定模型参考自适应环节PID控制器比例、积分时间，直至获得满意的控制品质。