主汽温串级控制系统仿真研究.docx

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主汽温串级控制系统仿真研究

主汽温串级控制系统仿真研究

摘要

主蒸汽温度是电厂机组运行过程中需要监视及控制的重要参数之一，它直接关系着机组能否安全运行。

主汽温偏高，会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，从而威胁机组的安全运行；主汽温偏低，则会降低机组的热效率，影响机组运行的经济性。

同时，主汽温偏低会使蒸汽的含水量增加，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。

因此，必须将主蒸汽温度严格控制在给定值附近。

若温度过高，过热器和高压锅炉会被损坏，若温度过低，电厂的效率会被降低。

过热器内部温度变化也要很好的抑制，否则，剧烈的温度变化会引起较大的机械压力，可能会引起锅炉破裂，从而会减少加热系统单元的生命并且增加维护费用。

一般规定过热蒸汽温度下限不低于其额定值10℃，上限不高于5℃。

因此合理控制主汽温对保证电厂的安全经济运行有重大影响。

因此，及时准确的反应主蒸汽温度的变化是热工过程控制领域一个长期研究的课题。

针对火电厂锅炉主汽温控制对象的大迟延、大惯性的特性，采用串级PID控制系统，并对控制对象的抗干扰性，鲁棒性方面仿真研究。

关键字：

主汽温控制系统；串级控制；PID控制

STEAMTEMPERATURECASCADECONTROLSYSTEMSIMULATION

Abstract

Themainsteamtemperatureisplantoperationprocessmonitoringandcontroltooneoftheimportantparameters,itisdirectlyrelatedtotheunitcanbesafeoperation.Thehightemperaturesteamsuperheaterandwillmakesteampressurecylinderunderhighheatstressanddamage,whichthreatenthesafetyoperationunits.Mainsteamtemperatureislow,willreducetheefficiencyofunit,unitoperationefficiency.Atthesametime,theLordwillmakelowsteamtemperature,watercontentofsteamturbinebladeincreasessoastoshortentheusinglife.Therefore,themainsteamtemperaturemustbestrictlycontrolledinagivenvalue.Ifthehightemperatureandhighpressureboilersuperheaterandwillbedamaged,ifthetemperaturetoolow,theefficiencyoftheplantwillbereduced.Superheaterofinternaltemperaturechangewillverygoodsuppression,otherwise,the

Keyword:

Mainsteamtemperaturecontrolsystem；Cascadecontrol；PIDcontrol

4串级控制系统仿真研究…………………………………………………………..………..25

4.1主汽温控制系统的数学模型……………………………………………………...……25

4.2主汽温串级控制系统的PID整定…………………………………………………….26

4.3分析主汽温串级控制的抗干扰能力……………………………………………..…...28

4.4分析主汽温串级控制系统的鲁棒性………………………………………………….30

4.5结束语……………………………………………………………………………………..32

结论………………………………………………..………………………………………..........33

参考文献………………………………………………………………………………………...34

致谢……………………………………………………………………………………………..35

1绪论

1.1论文的意义和选题背景

在现代火力发电厂的热工过程控制系统中，锅炉过热器出口温度（主汽温）对整个电厂的效率和安全具有十分重要的作用，是锅炉的主要参数之一，对电厂的安全经济运行有重大影响。

主汽温偏高，会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，从而威胁机组的安全运行；主汽温偏低，则会降低机组的热效率，影响机组运行的经济性。

同时，主汽温偏低会使蒸汽的含水量增加，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。

因此，必须将主蒸汽温度严格控制在给定值附近。

若温度过高，过热器和高压锅炉会被损坏，若温度过低，电厂的效率会被降低。

过热器内部温度变化也要很好的抑制，否则，剧烈的温度变化会引起较大的机械压力，可能会引起锅炉破裂，从而会减少加热系统单元的生命并且增加维护费用。

因此合理控制主汽温对保证电厂的安全经济运行有重大影响。

在实际中，由于过热汽温系统具有大迟滞，大惯性，对象具有明显的滞后性，非线性，时变性等特点，并且具有温度波动允许范围小，模型失配，参数不确定等因素，控制主汽温并不是一件容易的工作。

国内电厂在这方面还有很多工作要做，例如，我国刚开始刚引进的300MW，600MW的大型机组时，主蒸汽只有一级喷水减温器作为调温手段，由于我国热控自动化应用水平有限，导致主汽温经常失控，甚至超温。

到目前为止，锅炉生产厂家往往都采用至少两级喷水减温，降低控制难度来调节主汽温。

单回路调节系统（只有被调量一个反馈回路）虽然是一种最基本的、使用最广泛的调节系统，但由于现场实际对象多半属于大迟延大惯性，用单回路调节系统性能指标很差，若调节质量要求较严时就无能为力了，采用传统的单回路控制难以达到控制要求。

因此，需要改进调节结构、增加辅助回路或添加其他环节，组成串级调节系统。

过热气温串级调节系统是火电厂最典型的调节系统，所以一般采用串级系统对生产流程加以控制。

据此，本文设计了主汽温串级控制系统，取得了较好的仿真结果。

1.2主汽温控制应用研究现状【1】

目前，主蒸汽温度控制基本上沿用PID串级控制策略。

在主蒸汽温度串级PID控制系统中，有时会将负荷信号、燃料量信号、主蒸汽压力信号、给水流量信号以前馈形式引入到串级系统的副调节器中，以实现“超前”调节。

但以调节参数固定不变的PID控制器来控制主蒸汽温度这种时变的复杂对象时，控制效果仍会很不理想。

为此，以智能控制技术的思想被广泛的用于主蒸汽温度控制过程控制中，不少学者和技术人员开展了对主蒸汽温度控制的相关研究，主要有以下几个方面：

（1）预测控制技术在主汽温控制的应用

预测控制的最大优点是对模型精度要求不高，且跟踪性能好，比较适用于复杂工业过程的控制，特别是比较适合于大滞后被控过程的自动控制。

由于主蒸汽温度被控对象是一

个大迟延系统，能实现“超前”控制是改善控制效果的一个有效手段。

由于预测控制具有优良的性能，国内外不少学者对预测控制技术在火电机组热工过程控制中应用进行了一些研究，并针对主汽温系统多扰动、大迟延、大惯性、动态特性复杂等，给出了控制策略。

仿真结果表明都能较好地克服对象的多扰动特性和大时滞特性，有较强的抗干扰能力和鲁棒性。

（2）模糊控制技术在蒸汽温度控制中的应用

文[2]针对传统PID控制中的非线性和不确定性在实际电厂运行过程中对电厂运行效率的不利影响，提出一种基于神经网络模糊控制理论的非线性预测控制器（NFGPC），该控制器中包含了一个局部的神经网络线性模块，用于200Mw的电站锅炉的过热蒸汽的控制。

将模糊控制理论、神经网络等技术用于对电厂的主汽温控制、过热汽温的控制成为了很多学者经常采用的一种手段，实践也证明这种方法取得了不错的效果。

文[3]设计了一种具有变论域思想的自适应预测模糊控制器，并应用于600Mw主汽温控制系统中，获得了良好的控制品质；并且针对多变量控制系统，设计了一种基于遗传算法的受限模糊广义预测控制算法，此算法可以优化任何形式的目标函数同时能够使系统快速收敛。

将其应用于300Mw的某燃油单元机组协调控制系统中，有效减小了系统的超调量，提高了系的快速性。

文[3]针对主汽温具有影响因素多、时滞较大及模型时变的特点，提出了主汽温自整定模糊控制算法，该算法利用解析公式形式，对主汽温偏差及其变化率、导前汽温变化率进行了综合考虑，并可根据运行工况自动调整各模糊变量的加权因子，其控制效果优于常规的控制系统。

文[4]提出一种聚焦式模糊变结构控制算法，能使系统在多种干扰下具有较强鲁棒性的同时，具有较快的响应速度，仿真结果表明：

新算法具有很好的动态品质，可以有效地消除系统的稳态误差，其控制效果良好。

Eliasi等IMJ将自适应模糊控制理论应用于核电站主蒸汽的控制中，在负荷变化时采用预测控制与模糊理论相结合，在实践中取得了不错的效果。

（3）神经网络技术在主汽温控制中的应用

基于神经网络的自学习模糊PID控制器在控制品质方面明显优于常规PID控制系统，尤其在变工况时，控制效果更加明显。

此类控制的特点是将神经网络所具有的自学习能力与PID控制器的鲁棒性相结合，实现了对非线性、大时滞系统模型的控制。

神经网络采用多层前传网络结构，针对BP算法容易陷入局部最小的缺陷，提出了数值积分寻优和BP算法相结合的IBP神经网络训练算法。

仿真结果表明了所设计控制系统优良的控制性能。

（4）遗传算法在电厂主汽温控制中的应用

针对电厂过程控制中主蒸汽温度的大迟延性、非线性和时变性，文[5]在充分分析主蒸汽温度被控对象动态特性和现场实际情况的基础上，将现代控制理论中的状态观测器技术，用于实现主蒸汽温度的导前汽温的重构；采用神经网络技术，实现了准确性较高的主蒸汽温度前馈控制：

采用模糊控制技术，在很难获得主蒸汽温度被控对象的数学模型的情况下，实现了对主蒸汽温度的有效控制；设计出适用于过程控制的基于遗传算法机理的模糊控制器动态优化方法，解决了一般遗传算法实时性差的难题，实现了对电厂主蒸汽温度模糊控制系统中的模糊控制器的实时在线动态优化。

文[6]针对工程实际应用，提出了一种改进的变参数PID控制策略，提出了鲁棒整定的思想，并采用免疫遗传算法进行设计

参数的鲁棒优化调整，对变参数PID控制的参数优化设计是成功和有效的，使得具有多模型特性的汽温控制系统在不同的负荷下均获得很好的调节品质。

1.3本论文研究内容

基于上述分析，本文致力于解决火电厂过热汽温系统的大迟延、大惯性等不利因素对控制系统性能的影响，并对设计所得的主汽温控制系统做了相应的仿真分析。

论文的主要工作包括:

（1）过热蒸汽被控对象动态特性的特点。

大迟延、大惯性的对象是难控对象，纯迟延的存在使系统稳定性和控制品质明显下降，在模型摄动的情况下，情况会更严重。

（2）对串级控制算法作基础研究，了解其优点及弊端。

（3）针对被控对象的数学模型，设计常规串级主汽温控制系统，并通过计算仿真整定控制器参数。

（4）通过仿真试验，研究主汽温串级控制系统的稳定性、鲁棒性、抗干扰能力等。

2蒸汽温度控制系统

2.1火力发电厂的生产流程

火电厂中，通常将燃料运至电厂，经输送加工后，送入锅炉进行燃烧，使燃料中的化学能转变为热能并传递给锅炉中的水，使水变成高温高压的蒸汽，通过管道将压力和温度都较高的过热蒸汽送人汽轮机，推动汽轮机旋转作功，蒸汽参数则迅速降低，最后排入凝汽器。

在这一过程中，蒸汽的热能转变为汽轮机转子旋转的机械能。

发电机与汽轮机是用联轴器相连一同旋转的，汽轮机转子的机械能，通过发电机转变成电能。

发电机产生的电能，经升压变压器后送人输电线路提供给用户。

火力发电厂的主要系统燃料与燃烧系统：

用煤将炉水烧成蒸汽（化学能转化为热能）

（1）燃煤制备流程：

煤从储煤场经输煤皮带送到锅炉房的煤斗中，再进入磨煤机制成煤粉。

煤粉与来自空气预热器的热风混合后喷入锅炉炉膛燃烧。

（2）烟气流程：

煤在炉内燃烧后产生的热烟气经过锅炉的各部受热面传递热量后，流进除尘器及烟囱排入大气。

（3）通风流程：

用送风机供给煤粉燃烧时所需要的空气，用吸粉机吸出煤粉燃烧后的烟气并排入大气。

（4）排灰流程：

炉底排出的灰渣以及除尘器下部排出的细灰用机械或水利派往储灰场。

汽水系统:

蒸汽推动汽轮机做功（热能转化为机械能）

（1）汽水流程：

水在锅炉内变成过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中不断膨胀、高速流公，推动汽轮机高速旋转，最后排入凝汽器中冷凝成水，再经升压、除氧、加热后送回锅炉，形成闭合的汽水循环。

（2）补给水流程：

汽水循环中水有损失，必须经常补充，补给水要经过化学处理，水质合格后送入汽水系统。

（3）冷却水流程：

在汽轮机排气的凝结过程中，放出的大量的潜热需有冷却水带走。

冷却水的吸取，冷却即其设施构成冷却水流程。

电气系统：

汽轮机带动发电机发电（机械能转化为电能），并通过输配电装置将电能送往用户。

（1）向外供电流程：

发电机发出的电能由变压器升压后，经高压配电装置和输电线路送往用户。

（2）厂用电流程：

发电厂内的自用电由厂用变压器降压后，经厂用配电装置相场内各种附机及照明等供电。

控制系统：

操作机械化、自动化。

（1）燃料的装卸、入仓、制粉、输送机械化、自动化。

（2）锅炉给水、气温和燃料的自动调节，炉膛灭火安全保护系统（3）汽轮机自动控制系统包括调节、自启停、监视与保护和主蒸汽旁路控制等。

（4）发电机控制系统包括参数显示、励磁调节、运行操作和安全保护等（5）厂用电控制系统包括厂用电备用电源自动切换、直流系统监视和和交流不停电电源系统等。

2.2主蒸汽温度控制对象[8]

主蒸汽温度控制在火力发电厂控制系统安全和经济运行中起到重要作用。

主蒸汽温度（简称主汽温）自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，保护过热器，使管壁温度不超过允许的控制温度。

过热汽温调节系统如图2-1所示，通过喷水减温改变过热器人口温度θ1以及改变出口温度θ2，过热器分为惰性区和导前区。

主汽温是锅炉运行质量的重要指标之一，主汽温过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。

【8】

图2-1过热汽温调节系统原理图

主汽温过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而主汽温的上限一般不超过额定值5K；主汽温过低，会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全运行，因而主汽温的下限一般不低于额定值10K。

主汽温控制系统本身具有一些特点。

首先，引起过热蒸汽温度变化的扰动因素很多，如蒸汽流量、火焰中心位置、燃烧工况、烟气温度和流速、炉膛受热面结焦、过热器积灰、减温水量等，都会使过热蒸汽温度发生变化。

其中，起主要作用的是蒸汽流量和减温水量。

过热汽温对象动态特性表现为大惯性、大迟延且有自平衡能力。

其次，主汽温对象动态特性随运行工况（主蒸汽流量、压力、温度）的变化而变化。

随着主蒸汽流量（负荷）的变化，主汽温对象特性变化明显，特别是惰性区的时间常数以及导前区的静态增益。

目前，从安全运行角度考虑，广泛采用喷水减温。

但此法使主汽温对象特性具有较大迟延和惯性。

2.3汽温调节对象的动态特性【9】

大型锅炉的过热器一般布置在炉膛上部和高温烟道中,过热器往往分成多段,中间设置喷水减温器,减温水由锅炉给水系统供给,如图2-2所示。

影响过热器出口汽温θs的因素很多，有蒸汽流量、燃烧工况、锅炉给水温度、过热器入口蒸汽焓值、流经过热器的烟气温度、流量、流速、以及锅炉受热面的结渣、积灰、结垢情况等。

其中主要的影响因素是蒸汽流量、烟气传热量和减温水量，主要有以下三种扰动。

图2-2过热器分段喷水减温示意图

1—锅炉汽包;2—一级喷水减温器;3—二级喷水减温器

2.3.1蒸汽流量扰动

汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化。

蒸汽量的变化将改变过热蒸汽和烟气之间的传热条件,导致汽温变化。

图2-3（a）是蒸汽流量扰动ΔD下过热蒸汽温度的响应曲线。

可以看到,温度响应具有自平衡特性,而且惯性和迟延都比较小。

这是因为蒸汽量变化时,沿过热器管道长度方向的各点温度几乎同时变化。

图2-3过热汽温θs的响应曲线

（a）蒸汽量D或烟气传热量Q扰动;（b）减温水Ws扰动

2.3.2.烟气侧传热量的扰动

燃料量增减,燃料种类的变化,送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化,从而改变了传热情况,导致过热器出口温度的变化。

由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的,因此汽温变化的迟延很小,一般在10～20s之间。

烟气侧扰的汽温响应曲线如图2-3（a）所示。

它与蒸汽量扰动下的情况类似。

2.3.3喷水量扰动

应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种方式。

对于这种控制方式,喷水量扰动就是基本扰动。

从图2可以看出,过热器是具有分布参数的对象,可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无多个单容对象串联组成的多容对象。

当喷水量发生变化后,需要通过这些串联单容对象,最终引起出口蒸汽温度θs的变化。

因此,θs的响应有很大的迟延。

减温器离过热器出口越远,迟延越大。

喷水量扰动下的动态特性曲线如图2-3（b）所示。

2.4蒸汽温度控制问题

蒸汽温度控制在火电厂安全经济运行方面有着相当重要的地位，也是防止锅炉超温的一种重要手段，但绝大多数火电厂的锅炉系统不时会出现锅炉主蒸汽超温或过热器局部超温的问题，这就涉及如何有效地控制锅炉减温水系统的问题了。

在经典控制理论中，人们通常假定调节量响应迅速且远大于调节对象的变化量，但在生产实践中，大多数控制系统并非如此。

锅炉主蒸汽温度信号是一个大时滞信号，火电厂锅炉蒸汽温度控制系统通常采用串级PID调节方式，在工况相对稳定的情况下，每台锅炉都能将蒸汽温度控制得很好，但是，在较大幅扰动情况下就不一定了。

【10】

就锅炉主蒸汽温度控制而言，特别是管路较长的情况下，单单依靠PID控制蒸汽温度难以胜任，通常我们会选择串级PID调节方式，引入一个离减温水出口较近的温度点做为导前温度。

导前蒸汽温度的变化在一定程度上是主蒸汽温度变化的先兆，结合导前蒸汽温度的微分作用，就加强了系统对主蒸汽温度变化的预控作用。

如图2-4所示，主蒸汽温度θ2和其给定值经过主调PI运算得出一个相应的导前温度给定值θs，θs与导前温度θ1经副调PID运算得出减温水调节阀开度指令并用该指令来控制减温水流量，最终控制主蒸汽温度。

从图2-4可知，在工况相对稳定的情况下，每台锅炉都能将蒸汽温度控制得很好，但在锅炉转磨运行，负荷有较大幅度变化情况下，锅炉火焰中心较高时或调节量受限时就不一定了。

只有经验丰富的运行人员才能根据经验切除自动调节功能，将主蒸汽温度控制得相当稳定。

在一些较极端的情况下，主蒸汽温度θ2缓慢上升，导前温度给定值θs相应缓慢降低，这时导前温度θ1可能没有上升甚至还下降，经运算，减温水调节阀不会开大反而会暂时关小，最后发生锅炉主蒸汽温度超温问题。

若出现调节量受限，后果可能更为严重，这是单纯的串级PID调节方式本身的局限性导致的。

图2-4过热蒸汽温度控制流程

另外，锅炉主蒸汽温度信号是一种大时滞信号，普通电动执行机构响应速度不快，不适宜频繁动作，因此，为了在正常工况下尽快稳定主蒸蒸汽温度，相关PID参数必须平缓，这样就降低了串级PID调节对较突然的大幅扰动的控制能力，主蒸汽温度就可能因此幅度变化较大，发生超温或过低现象。

若要保证大幅扰动和小幅扰动下的主蒸汽温度变化幅度均在±3℃内，就必须根据该温度变化的特性，对控制功能进行相应的特殊处理，否则，即使阀门特性再好、执行机构响应速度再快也无济于事。

从理论上来说，只要人工手动能控制好的系统，采用自动控制也应该没问题，只是控制成本的高低问题。

若想寻求较好的控制性能和较低的控制成本，就必须对其控制对象的各种特性进行充分有效的分析。

在调节阀应该正常动作而串级PID调节没有迅速输出正确指令时，制定强制改变输出量的控制方案。

为此，我们采用分段函数辅助串级PID调节方式以便获得优良的鲁棒性。

2.5主蒸汽温度控制的难点分析

主蒸汽温度的控制多年来一直是电厂过程控制中的一个难点，主要是因为以下几点原因：

（1）主蒸汽温度是一个迟延现象比较严重的对象，机组容量越大，迟延现象就越严重。

当有些机组的主蒸汽温度的迟延太大时，反馈控制根本来不及控制。

而PID控制就是属于反馈控制。

（2）主蒸汽温度容易受到多种因素的影响，如烟气温度和压力的波动、负荷的变化、主蒸汽压力的变化、燃料量的变化、给水温度和流量的波动及减温水流量的抖动、吹灰器投入、磨煤机的切换等都会引起主蒸汽温度的变化。

（3）主蒸汽温度被控对象工艺流程复杂，不同的机组主蒸汽温度特性完全不同，很难得到对象与干扰之间准确的数学模型。

即使通过现场试验的办法得到当时对象的数学模型，但随着时间的推移和机组工况的变化，对象的模型会发生变化。

2.6影响主汽温的因素

 主蒸汽温度是锅炉运行中的主要参数之一。

汽温过高会加快金属材料的蠕变产生额外的热应力，缩短设备的使用寿命。

汽温过低会使汽轮机叶片的侵蚀作用加剧损坏设备，使发电厂的经济性降低。

引起汽温变化的基本原因有两方面，即烟气侧传热的改变和蒸汽侧吸热工况的改变。

烟气侧的影响因素有：

1.燃料性质的变化。

2.风量的变化。

3.喷燃器运行方式的改变。

4.给水温度的变化。

5.受热面的清洁程度。

蒸汽侧的影响因素有：

1.锅炉负荷的变化。

2.饱和蒸汽湿度的变化。

3.减温水的变化。

对汽温的调节可以从两方面来进行。

蒸汽侧调节汽温:

目前高压和超高压锅炉基本上都采用喷水减温器。

另外一种减温器则为表面式，它是利用给水间接吸收蒸汽热量。

喷水式减温器比表面式减温器调节温度要快，对处理蒸汽温度突然的变化比较有效。

烟气侧调节汽温:

是通过改变过热器烟气侧的传热条件，即改变过热器受热面的吸热量。

根据具体设备有两种方法。

即改变火焰中心位置和改变烟气量。

为了得到良好的气温调节特性，往往应用两种以上调节方法，并常以喷水减温与一种或两种烟气侧调温方法相配合。

一般情况下，烟气侧调温只能作为粗调，而蒸汽侧调温才能进行细调。

最终要根据生产实际情况来进行调节

2.7汽温串级控制系统

　随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,特别是在电厂的主要热工过程自动调节系统中,由于对生产过程的安全性和经济性要求较高,如果仍然采用单回路调节系统,往往不能满足生产的要求,因此,要采用复杂的调节系统,即采用串级控制系统可有效地提高调节品质,并且得到了广泛的应用。

【9】

2.7.1串级控制系统的分析

串级控制是改善调节过程极为有效的方法，并且得到了广泛的应用。

串级控制系统是在结构上增加了一个内回路。

首先是内环具有快速作用,它能够有效地克服二次扰动的影响。

可以说串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的。

图2-5串级控制系统的方框图

现在对图2-5所示方框图进行分析,可进一步揭示问题的本质。

图中:

Gc1（s）、Gc2（s）是主、副调节器传递函数;Gp1（s）、Gp2（s）是主、副对象传递函数;Gm1（s）、Gm2（s）是主、副变送器传递函数,Gv（s）是调节阀传递函数。

Gd2（s）是二次干扰通道的传递函数。

当二次干扰经过干扰通道环节Gd2（s）后,进入副环,