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電站鍋爐的過熱汽溫是機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)之一，但由于汽溫被控對象的滯后很大，常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)，或采用導(dǎo)前微分補(bǔ)償信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)，對滯后較大的汽溫控制往往不能獲得理想的控制品質(zhì)。不少電廠當(dāng)機(jī)組負(fù)荷僅以2% MCR/min的速率變化時(shí)，汽溫就偏離設(shè)定值10℃以上，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
巴陵石化公司熱電事業(yè)部5臺(tái)鍋爐的容量分別是130t/h和220t/h，其主汽溫和一級(jí)汽溫均通過噴水來調(diào)節(jié)，由于存在如下原因使常規(guī)的控制系統(tǒng)難于投入：
① 被控對象的慣性和滯后很大，使整個(gè)汽溫控制系統(tǒng)的可控性變差；
② 在正常情況下，一、二級(jí)噴水的需要量較小，噴水閥閥位一般在較小的位置，造成執(zhí)行器存在較大的死區(qū)和噴水閥閥位與流量之間存在強(qiáng)的非線性，而且由于閥位小造成了閥門兩側(cè)的壓差較大，閥門的磨損也較嚴(yán)重；
③ 由于鍋爐的容量小，當(dāng)啟停制粉系統(tǒng)時(shí)，三次風(fēng)對汽溫的影響很大，若不加控制，汽溫會(huì)變化20～30℃；
④由于鍋爐為母管制方式運(yùn)行，而母管蒸汽壓力由于種種原因變化頻繁且變化幅度大，導(dǎo)致汽溫的變化快且幅度大。所有的這些問題均導(dǎo)致了常規(guī)的PID串級(jí)
為此，巴陵石油化工公司熱電事業(yè)部與東南大學(xué)一起進(jìn)行新型汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究及實(shí)施。2003年11月，新的基于狀態(tài)變量控制器的過熱汽溫控制系統(tǒng)在5號(hào)爐上通過了調(diào)試，并投入了運(yùn)行。之后，相繼推廣到其它鍋爐的汽溫控制中。經(jīng)過10多次升、降負(fù)荷和啟、停制粉系統(tǒng)的試驗(yàn)，一、二級(jí)汽溫控制在允許的范圍內(nèi)，確保了一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定投入。
1 一、二級(jí)汽溫被控對象的動(dòng)態(tài)特性
巴陵石化公司熱電事業(yè)部5臺(tái)鍋爐均通過調(diào)整甲、乙兩側(cè)的一級(jí)噴水量來調(diào)節(jié)進(jìn)入二級(jí)噴水減溫器的蒸汽溫度；同樣，通過調(diào)節(jié)甲、乙兩側(cè)的二級(jí)噴水流量來控制主蒸汽溫度。對于一級(jí)汽溫控制，甲、乙兩側(cè)相互獨(dú)立，可設(shè)計(jì)成兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)。而對二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，由于甲、乙兩側(cè)的汽溫被調(diào)量是同一測點(diǎn)的溫度，因此，甲、乙兩側(cè)只能設(shè)計(jì)成一套控制系統(tǒng)。
通過在7號(hào)爐上（蒸汽量為130t/h）的一、二級(jí)噴水閥門的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)（在鍋爐蒸發(fā)量為110t/h工況點(diǎn)上），可方便地求出主汽溫和一級(jí)汽溫被控對象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型分別為：
主汽溫導(dǎo)前區(qū)的數(shù)學(xué)模型為：
(1)主汽溫慣性區(qū)的數(shù)學(xué)模型（輸出測點(diǎn)為T101-1）為：
(2)一級(jí)汽溫導(dǎo)前區(qū)的數(shù)學(xué)模型為：
(3)一級(jí)汽溫慣性區(qū)的數(shù)學(xué)模型為：
(4)從公式(2)、(4)可知，主汽溫和一級(jí)汽溫均具有很大的慣性時(shí)間，特別是一級(jí)汽溫，其慣性和滯后相對更大。
2 基于狀態(tài)變量控制器的一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)
2.1 原控制方案分析及改進(jìn)設(shè)想
巴陵石化公司熱電事業(yè)部5臺(tái)爐原一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)是常規(guī)的串級(jí)控制方案，由于噴水被控對象的慣性很大，對串級(jí)系統(tǒng)而言只有當(dāng)調(diào)節(jié)器整定得很慢（即比例帶和積分時(shí)間均很大）時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)才可能是穩(wěn)定的。而另一方面，汽溫的擾動(dòng)較多且擾動(dòng)對汽溫的影響快，因此，只有調(diào)節(jié)器快速、及時(shí)動(dòng)作（最好是在被調(diào)量變化之前就動(dòng)作），才有可能使被調(diào)量具有好的控制品質(zhì)。顯然，對于滯后很大的被控過程，若采用串級(jí)控制方案，被調(diào)量的控制品質(zhì)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一對無法調(diào)和的矛盾，這就導(dǎo)致了常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)的投入效果不理想。合理的想法是先通過先進(jìn)的大滯后補(bǔ)償技術(shù)對汽溫被控對象進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的等效汽溫對象具有較好的動(dòng)態(tài)特性（較小的慣性和滯后），只有這樣，才能在不失控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件下，加快噴水門的動(dòng)作速度，有效減少汽溫的最大動(dòng)態(tài)偏差。而基于狀態(tài)變量的控制技術(shù)就是一種有效的動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償技術(shù)。
2.2 基于狀態(tài)變量控制技術(shù)的汽溫控制系統(tǒng)
當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，在過熱器中蒸汽流程上的各點(diǎn)溫度總是先于主汽溫的變化，如果控制系統(tǒng)根據(jù)這些流程上的各點(diǎn)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一旦這些溫度發(fā)生變化，控制系統(tǒng)馬上動(dòng)作、及時(shí)調(diào)節(jié)，就能取得好的控制效果。在常規(guī)的串級(jí)汽溫控制方案的基礎(chǔ)上，考慮增加過熱器流程上各點(diǎn)溫度后所組成的狀態(tài)變量控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 狀態(tài)變量控制系統(tǒng)的原理圖
在上面的方案中，假設(shè)了在過熱器的流程上增加了5個(gè)溫度測點(diǎn)，各測點(diǎn)之間的過熱器相對較短，因此，假定為一階慣性環(huán)節(jié)，即為: ，而整個(gè)汽溫被控對象為5階多容慣性環(huán)節(jié) 。一般而言，噴水對導(dǎo)前溫度的影響是很快的, 因此，上面控制系統(tǒng)的內(nèi)回路可以看成是一個(gè)快速隨動(dòng)系統(tǒng)，即有: θinsp＝θin，因此，圖1的狀態(tài)變量控制系統(tǒng)可以進(jìn)一步表示為圖2所示。
圖2簡化后的狀態(tài)變量控制系統(tǒng)原理圖
從圖2中可以看出，若不引入狀態(tài)變量反饋（即：fi=0(i=1,2,…5)），則汽溫控制系統(tǒng)的被控對象為
，而引入狀態(tài)變量反饋后，補(bǔ)償了汽溫被控對象的動(dòng)態(tài)特性，補(bǔ)償后的汽溫被控對象如式(5)所示。
(5)
由式(5)可知，補(bǔ)償后的對象特性與狀態(tài)反饋系數(shù)有關(guān)，顯然，通過選擇一組狀態(tài)反饋系數(shù)fi=0(i=1,2,…5)，使補(bǔ)償?shù)膶ο缶哂休^理想的動(dòng)態(tài)特性。那么，什么樣的特性較理想呢？顯然，一方面對象要具有較小的慣性和滯后，另一方面要使對象的靜態(tài)放大系數(shù)相對小一些。據(jù)此，可以選擇所希望的等效對象如式(6)所示。
(6)
式中，γ稱為壓縮因子。從改善對象動(dòng)態(tài)特性的角度來看，壓縮因子γ越小越好，并總能找到一組對應(yīng)的狀態(tài)反饋系數(shù)fi。但γ越小則反饋系數(shù)fi越大，而大的反饋系數(shù)fi會(huì)使控制系統(tǒng)過份靈敏，特別是當(dāng)溫度測量信號(hào)存在小的噪聲干擾時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致噴水調(diào)門的抖動(dòng)。因此，壓縮因子γ的選取應(yīng)視實(shí)際情況適可而止。一般整定時(shí)，γ取為0.5～0.7，可以取得較好的補(bǔ)償特性。
要實(shí)現(xiàn)圖1所示的狀態(tài)變量控制系統(tǒng)，則必須要測量過熱器流程中的各點(diǎn)蒸汽溫度（即狀態(tài)），但這顯然是難于實(shí)現(xiàn)的。一種可替代的方法是利用被控過程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來估計(jì)這些中間溫度（這當(dāng)然會(huì)損失一些控制品質(zhì)），在控制理論上就是采用狀態(tài)觀測器來估計(jì)這些狀態(tài)θi，本文所采用的狀態(tài)觀測器如圖3所示。
圖3 狀態(tài)變量的觀測器回路
綜合圖1和圖3，最終所設(shè)計(jì)的狀態(tài)變量汽溫控制系統(tǒng)如圖4所示。
圖4 狀態(tài)變量汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖
3 新型一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的投運(yùn)效果
一、二級(jí)汽溫的狀態(tài)變量控制系統(tǒng)投入后，就對其進(jìn)行了詳細(xì)的測試，經(jīng)測試，在鍋爐升、降負(fù)荷及制粉系統(tǒng)的啟、停過程中，主汽溫度的最大動(dòng)態(tài)偏差為6℃；一級(jí)汽溫的最大動(dòng)態(tài)偏差為8℃，優(yōu)良的控制品質(zhì)，確保了該控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定投入。圖5為在鍋爐升、降負(fù)荷過程中一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。
圖5 一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)在鍋爐升、降負(fù)荷過程中的響應(yīng)曲線
曲線1-主汽溫度的設(shè)定值；曲線2-主汽溫度；曲線3-一級(jí)汽溫的設(shè)定值；曲線4-左一級(jí)汽溫；曲線5-左側(cè)二級(jí)噴水閥閥位；6-右側(cè)二級(jí)噴水閥位；7-左一級(jí)噴水閥位；8-鍋爐蒸汽流量
3 結(jié)語
盡管國內(nèi)許多電廠一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的投運(yùn)情況不是太理想，在變負(fù)荷時(shí)，汽溫的變化往往超出允許范圍。這主要是對于大滯后汽溫被控對象，常規(guī)的汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)無法協(xié)調(diào)好系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)控制品質(zhì)之間的矛盾。
對大滯后過程的控制，狀態(tài)變量控制系統(tǒng)是一種較好的方法，它可以有效補(bǔ)償被控對象的滯后和慣性，從而有效協(xié)調(diào)好控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)閥動(dòng)作快速性之間的矛盾，它在電廠大滯后過程控制中一定會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)