[科普中國]-主汽溫控制

主汽溫控制研究現(xiàn)狀

隨著科技日新月異的發(fā)展，火電廠鍋爐機(jī)組的要求也越來越高，在火電廠機(jī)組控制中，主蒸汽溫度是一個非常重要的被控參數(shù)，是提高電廠經(jīng)濟(jì)效益，保證機(jī)組安全運(yùn)行不可缺少的環(huán)節(jié)。主汽溫控制的任務(wù)是通過維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)，保護(hù)過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度，它是檢驗(yàn)鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一2。

主汽溫溫度過高或過低都會影響電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。過熱汽溫的額定值通常在500℃以上，上限不應(yīng)超過額定值5℃，下限一般不低于額定值l0℃。汽溫過高會加快鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度，影響使用壽命；汽溫過低會降低機(jī)組循環(huán)熱效率，增大煤耗。所以能否對主蒸汽溫度進(jìn)行有效控制，對機(jī)組的運(yùn)行來說是至關(guān)重要的。

目前在火電廠中，廣泛應(yīng)用PID串級控制方式控制過熱蒸汽溫度，正因?yàn)槠鋮?shù)意義明確、具有一定的魯棒性且易于調(diào)整，所以在熱工過程控制系統(tǒng)中一直占據(jù)主要地位。但常規(guī)PID控制器也存在一些缺陷使，因而在實(shí)際應(yīng)用中的效果不夠理想。其問題有如下幾個方面：

（1）影響過熱蒸汽溫度發(fā)生變化的因素十分復(fù)雜。(2）目前廣泛采用噴水減溫作為控制汽溫的手段，但如果只根據(jù)汽溫偏差來改變噴水量往往不能滿足生產(chǎn)上的要求，應(yīng)該加入更能提前反映擾動的前饋補(bǔ)償信號。(3)對象在某種擾動下(負(fù)荷、工況變化等)，具有非線性和時變性，進(jìn)一步加大控制的難度。（4）由于工藝特性決定各級過熱器管道較長，造成主汽溫對其控制輸入、噴水減溫器的減溫水量變化反應(yīng)較慢。（5）外部擾動（如主蒸汽流量波動、主汽壓力波動、汽水分離器水位波動、給水溫度及流量變化、蒸汽吹灰投入等）變化頻繁且擾動量較大，致使主汽溫長期不能穩(wěn)定。

此外，汽溫調(diào)節(jié)對象是一個多容環(huán)節(jié)，因?yàn)樗膶ο竽Ｐ筒淮_定，干擾因素多，純遲延時間和時間常數(shù)都比較大，在熱工自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中被認(rèn)為是可控性最差的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。因此，設(shè)計(jì)出一種能適應(yīng)多種變化、且具有較強(qiáng)的魯棒性的主汽溫控制系統(tǒng)尤為重要。

主汽溫度控制的難點(diǎn)分析主蒸汽溫度的控制多年來一直是電廠過程控制中的一個難點(diǎn)，主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)原因：

(1) 主蒸汽溫度是一個遲延現(xiàn)象比較嚴(yán)重的對象，機(jī)組容量越大，遲延現(xiàn)象就越嚴(yán)重。當(dāng)有些機(jī)組的主蒸汽溫度的遲延太大時，反饋控制根本來不及控制。而PID控制就是屬于反饋控制。

(2) 主蒸汽溫度容易受到多種因素的影響，如煙氣溫度和壓力的波動、負(fù)荷的變化、主蒸汽壓力的變化、燃料量的變化、給水溫度和流量的波動及減溫水流量的抖動、吹灰器投入、磨煤機(jī)的切換等都會引起主蒸汽溫度的變化。

(3) 主蒸汽溫度被控對象工藝流程復(fù)雜，不同的機(jī)組主蒸汽溫度特性完全不同，很難得到對象與干擾之間準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。即使通過現(xiàn)場試驗(yàn)的辦法得到當(dāng)時對象的數(shù)學(xué)模型，但隨著時間的推移和機(jī)組工況的變化，對象的模型會發(fā)生變化。

主汽溫控制方法常規(guī)的主汽溫控制方法分為導(dǎo)前汽溫微分信號的雙沖量汽溫控制、串級汽溫控制、分段汽溫控制及相位補(bǔ)償汽溫控制幾種。但是，隨著機(jī)組容量的逐漸增大，常規(guī)控制方法已經(jīng)不能得到足夠滿意的控制質(zhì)量，同時，由于工業(yè)過程逐漸復(fù)雜化，單一控制技術(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到要求。因此，結(jié)合先進(jìn)的控制理論和控制算法將成為今后研究的一大趨勢。近幾年已經(jīng)出現(xiàn)了一些相類似的控制方法，主要有以下兩類：一類是先進(jìn)控制算法與傳統(tǒng)控制方法相結(jié)合，另一類是先進(jìn)控制算法之間的結(jié)合。主要包括3：

(1)Smith預(yù)估控制及其改進(jìn)型。

(2)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的各種控制策略，諸如單神經(jīng)元控制器取代主蒸汽溫度串級PID控制中主調(diào)節(jié)器的策略、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出主蒸汽溫度的串級智能控制等。

(3)基于模糊控制理論的各種控制策略，

諸如主蒸汽溫度的模糊PID控制、模糊控制與基于專家系統(tǒng)整定的串級PID控制相結(jié)合的復(fù)合控

制策略，主蒸汽溫度的Fuzzy-PI復(fù)合控制策略等。

(4)基于狀態(tài)反饋的控制策略，例如：基于現(xiàn)代控制理論中狀態(tài)反饋控制原理的分級控制方法、狀態(tài)反饋控制與串級PID控制相結(jié)合的主蒸汽溫度控制策略、將狀態(tài)反饋引入到鍋爐主蒸汽溫度中的一種多回路串級控制方法等。

(5)其它控制策略，諸如基于魯棒控制原理改進(jìn)主蒸汽溫度串級PID控制策略并指出在DCS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法、用預(yù)測智能控制器作為串級控制的主調(diào)節(jié)器以改善主蒸汽溫度的遲延特性等。

我們所接觸的是一個復(fù)雜多變的系統(tǒng)，難以建立被控對象的精確模型，而傳統(tǒng)控制方法往往需要建立一個精確的數(shù)學(xué)模型。同時，由于一些被控對象帶有大遲延和大慣性的動態(tài)特性,因而即使建立了數(shù)學(xué)模型，通常也不如一個有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動控制效果好。

從20世紀(jì)七十年代開始，生物控制理論逐漸引起研究者的重視并迅速發(fā)展。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但是基于神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的生物智能控制理論研究才剛剛起步。作為人體各種激素調(diào)節(jié)中心，神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，通過將模糊理論與神經(jīng)內(nèi)分泌反饋調(diào)節(jié)機(jī)制算法相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，并應(yīng)用于PID控制器中，可以對鍋爐主汽溫系統(tǒng)的對象特性和一般控制規(guī)律進(jìn)行分析。

系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)斷閥的控制當(dāng)下列條件全部滿足時，自動打開關(guān)斷閥4。

① 鍋爐蒸汽流量>10%MCR。

② 無主燃料跳閘MFT。

③ 控制系統(tǒng)已要求低流量閥有一定的開度（約2%）。

上述任一條件不滿足（對于條件③是指開度指令小于約1%），以及當(dāng)大、小調(diào)節(jié)閥都已關(guān)閉時，則關(guān)閉關(guān)斷閥。

調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行當(dāng)下列條件全部滿足時，允許對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。 ① 鍋爐蒸汽流量>10%MCR。 ② 無主燃料跳閘MFT。

任一條件不成立，則關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。

手動/自動站的運(yùn)行一級減溫水控制站（兩側(cè)相似）

作用：控制一級減溫水量。

顯示：PV柱，顯示本側(cè)屏過入口汽溫（測量故障時，指示為零）。 SP柱，顯示本側(cè)屏過入口汽溫定值℃）。 下列任一條件出現(xiàn)，站切手動。

① 本側(cè)屏過出口溫度或初過出口壓力測量信號，或主汽壓力、差壓、流量信號測量質(zhì)量不好，或傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)后出現(xiàn)質(zhì)量不好。

② 本側(cè)一級減溫器出口溫度測量系統(tǒng)發(fā)出“置手動”信號。

③ 本側(cè)小流量調(diào)節(jié)閥開度已達(dá)6%，而關(guān)斷閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

④ 主燃料跳閘MFT。

⑤主蒸汽流量小于10%MCR。

操作；

① 無SP操作。

② 手動方式時，可手操CO按扭，以改變減溫水，但若由于MFT或主蒸汽流量小于10%MCR的原因而導(dǎo)致手動，站的輸出將跟蹤零，“TRACK”燈亮，此時不可手動改變控制輸出。

二級減溫水控制站（兩側(cè)相似）

作用：控制二級減溫水量。

顯示：PV柱，顯示未級過熱器出口蒸汽溫度（℃）。 SP柱，顯示未級過熱器出口溫度定值（℃）。 下列任一條件出現(xiàn)，站切手動。

① 未級過熱器出口蒸汽溫度測量系統(tǒng)發(fā)出“置手動”信號。

② 主蒸汽流量、一級壓力、壓力、差壓信號測量系統(tǒng)發(fā)出“置手動”信號或者在傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)后發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不好。

③ 本側(cè)未過入口汽溫信號質(zhì)量不好。

④ 本側(cè)小流量調(diào)節(jié)閥開度已達(dá)6%，而關(guān)斷閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

⑤ 主燃料跳閘MFT。

⑥ 主蒸汽流量小于10%MCR。

操作：

① 無SP操作。

② 手動方式時，可手操CO按扭，以改變減溫水，但若由于MFT或主蒸汽流量小于10%MCR的原因而導(dǎo)致手動，站的輸出將跟蹤零，“TRACK”燈亮，此時不可手動改變控制輸出。

主汽溫控制系統(tǒng)分類串級控制系統(tǒng)汽溫串級控制幕統(tǒng)由于其整定方便的優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外得到越來越多的應(yīng)用?，F(xiàn)在20萬kW以t的機(jī)組大多果用這科控制方案。奠基本原理就是系統(tǒng)根據(jù)主蒸汽溫度設(shè)定值和反饋值的偏差作為主調(diào)節(jié)器的輸入，主調(diào)節(jié)器經(jīng)過PID運(yùn)算后的輸出(調(diào)節(jié)器的輸入設(shè)定值)與撮溫器出口溫廈反饋值的偏差作為副調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出作為執(zhí)行器的輸入動作指令。

串級控制系統(tǒng)對于克服二次擾動非常有效。串級控制系統(tǒng)中，副對象與主對象時間常數(shù)相差較大。副對象時間常數(shù)小，目此副目路為快速目路，用于克服內(nèi)擾主對象時間常數(shù)大，主目路為慢速調(diào)節(jié)目路。

主汽溫級串-Smith預(yù)估控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求有一個快速的副回路，當(dāng)存在較大的純滯后過程時，調(diào)節(jié)時間將明顯延長，而副制器的比例系數(shù)稍大又會引起振蕩，所以副控制器只能選擇較低的比例系數(shù)，這樣就降低了整個系統(tǒng)的控制品質(zhì)。將smith預(yù)估補(bǔ)償引入串級控制系統(tǒng)，就是為了補(bǔ)償純滯后過程，剛鞋屯滯后對系統(tǒng)的影響，使控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)加快，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。串級一smlth預(yù)估控制系統(tǒng)，選擇純遲延較大的部升作為主回路．在主回路中采用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制。主調(diào)節(jié)器起定值控$悱用，是主氣溫控制操作的主要指標(biāo)．允許波動的范圍較小，要求沒有余差或較小的余差，故主目路采用PI控制。副回路是隨動系統(tǒng)，能夠快速克服二次擾動，采用P調(diào)節(jié)器。

由于惰性區(qū)的大時滯，將這一部分采用Smlth預(yù)估蹦求提高其快速性和控制品質(zhì)，而整體上采用串級控制以保證幕統(tǒng)的穩(wěn)定性和一定的快速性。串級一smith預(yù)估控制結(jié)合了串級控制與史密斯預(yù)估控制的優(yōu)點(diǎn)，有利于克服汽溫對象的太退延．大慣性特點(diǎn)。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主汽溫控制系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)模糊PID控制器在控制品質(zhì)方面明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)，尤其在變工況時，控制效果更加明顯。此類控制的特點(diǎn)是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的自學(xué)習(xí)能力與PID控制器的魯棒性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對非線性、大時滯系統(tǒng)模型的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用多層前傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，針對BP算法容易陷入局部最小的缺陷，提出了數(shù)值積分尋優(yōu)和BP算法相結(jié)合的IBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法5。

基于遺傳算法的主汽溫控制系統(tǒng)遺傳算法在電廠主汽溫控制中的應(yīng)用針對電廠過程控制中主蒸汽溫度的大遲延性、非線性和時變性，在充分分析主蒸汽溫度被控對象動態(tài)特性和現(xiàn)場實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)觀測器技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)主蒸汽溫度的導(dǎo)前汽溫的重構(gòu)；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確性較高的主蒸汽溫度前饋控制；采用模糊控制技術(shù)，在很難獲得主蒸汽溫度被控對象的數(shù)學(xué)模型的情況下，實(shí)現(xiàn)了對主蒸汽溫度的有效控制；設(shè)計(jì)出適用于過程控制的基于遺傳算法機(jī)理的模糊控制器動態(tài)優(yōu)化方法，解決了一般遺傳算法實(shí)時性差的難題，實(shí)現(xiàn)了對電廠主蒸汽溫度模糊控制系統(tǒng)中的模糊控制器的實(shí)時在線動態(tài)優(yōu)化。