[科普中國(guó)]-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(lái)越高，在火電廠機(jī)組控制中，主蒸汽溫度是一個(gè)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(guò)維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)，保護(hù)過(guò)熱器，使其管壁溫度不超過(guò)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(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。過(guò)熱汽溫的額定值通常在500℃以上，上限不應(yīng)超過(guò)額定值5℃，下限一般不低于額定值l0℃。汽溫過(guò)高會(huì)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(guò)低會(huì)降低機(jī)組循環(huán)熱效率，增大煤耗。所以能否對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行有效控制，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

目前在火電廠中，廣泛應(yīng)用PID串級(jí)控制方式控制過(guò)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(guò)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(wèn)題有如下幾個(gè)方面：

（1）影響過(guò)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(lái)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(dòng)的前饋補(bǔ)償信號(hào)。(3)對(duì)象在某種擾動(dòng)下(負(fù)荷、工況變化等)，具有非線性和時(shí)變性，進(jìn)一步加大控制的難度。（4）由于工藝特性決定各級(jí)過(guò)熱器管道較長(zhǎng)，造成主汽溫對(duì)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(dòng)（如主蒸汽流量波動(dòng)、主汽壓力波動(dòng)、汽水分離器水位波動(dòng)、給水溫度及流量變化、蒸汽吹灰投入等）變化頻繁且擾動(dòng)量較大，致使主汽溫長(zhǎng)期不能穩(wěn)定。

此外，汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象是一個(gè)多容環(huán)節(jié)，因?yàn)樗膶?duì)象模型不確定，干擾因素多，純遲延時(shí)間和時(shí)間常數(shù)都比較大，在熱工自動(dòng)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(lái)一直是電廠過(guò)程控制中的一個(gè)難點(diǎn)，主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)原因：

(1) 主蒸汽溫度是一個(gè)遲延現(xiàn)象比較嚴(yán)重的對(duì)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(shí)，反饋控制根本來(lái)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(dòng)、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(dòng)及減溫水流量的抖動(dòng)、吹灰器投入、磨煤機(jī)的切換等都會(huì)引起主蒸汽溫度的變化。

(3) 主蒸汽溫度被控對(duì)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(duì)象與干擾之間準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。即使通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的辦法得到當(dāng)時(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，但隨著時(shí)間的推移和機(jī)組工況的變化，對(duì)象的模型會(huì)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(hào)的雙沖量汽溫控制、串級(jí)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(shí)，由于工業(yè)過(guò)程逐漸復(fù)雜化，單一控制技術(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)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(shì)。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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)控制方法、狀態(tài)反饋控制與串級(jí)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(jí)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(jí)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(cè)智能控制器作為串級(jí)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(gè)復(fù)雜多變的系統(tǒng)，難以建立被控對(duì)象的精確模型，而傳統(tǒng)控制方法往往需要建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，由于一些被控對(duì)象帶有大遲延和大慣性的動(dòng)態(tài)特性,因而即使建立了數(shù)學(xué)模型，通常也不如一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制效果好。

從20世紀(jì)七十年代開(kāi)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(guò)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(shì)互補(bǔ)，并應(yīng)用于PID控制器中，可以對(duì)鍋爐主汽溫系統(tǒng)的對(duì)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(shí)，自動(dòng)打開(kāi)關(guān)斷閥4。

① 鍋爐蒸汽流量>10%MCR。

② 無(wú)主燃料跳閘MFT。

③ 控制系統(tǒng)已要求低流量閥有一定的開(kāi)度（約2%）。

上述任一條件不滿足（對(duì)于條件③是指開(kāi)度指令小于約1%），以及當(dāng)大、小調(diào)節(jié)閥都已關(guān)閉時(shí)，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(shí)，允許對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。 ① 鍋爐蒸汽流量>10%MCR。 ② 無(wú)主燃料跳閘MFT。

任一條件不成立，則關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。

手動(dòng)/自動(dòng)站的運(yùn)行一級(jí)減溫水控制站（兩側(cè)相似）

作用：控制一級(jí)減溫水量。

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

① 本側(cè)屏過(guò)出口溫度或初過(guò)出口壓力測(cè)量信號(hào)，或主汽壓力、差壓、流量信號(hào)測(cè)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(jí)減溫器出口溫度測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出“置手動(dòng)”信號(hào)。

③ 本側(cè)小流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)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(wú)SP操作。

② 手動(dòng)方式時(shí)，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(dòng)，站的輸出將跟蹤零，“TRACK”燈亮，此時(shí)不可手動(dòng)改變控制輸出。

二級(jí)減溫水控制站（兩側(cè)相似）

作用：控制二級(jí)減溫水量。

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

① 未級(jí)過(guò)熱器出口蒸汽溫度測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出“置手動(dòng)”信號(hào)。

② 主蒸汽流量、一級(jí)壓力、壓力、差壓信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出“置手動(dòng)”信號(hào)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(guò)入口汽溫信號(hào)質(zhì)量不好。

④ 本側(cè)小流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)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(wú)SP操作。

② 手動(dòng)方式時(shí)，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(dòng)，站的輸出將跟蹤零，“TRACK”燈亮，此時(shí)不可手動(dòng)改變控制輸出。

主汽溫控制系統(tǒng)分類串級(jí)控制系統(tǒng)汽溫串級(jí)控制幕統(tǒng)由于其整定方便的優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外得到越來(lái)越多的應(yīng)用?，F(xiàn)在20萬(wàn)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(guò)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(dòng)作指令。

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

主汽溫級(jí)串-Smith預(yù)估控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求有一個(gè)快速的副回路，當(dāng)存在較大的純滯后過(guò)程時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間將明顯延長(zhǎng)，而副制器的比例系數(shù)稍大又會(huì)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(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。將smith預(yù)估補(bǔ)償引入串級(jí)控制系統(tǒng)，就是為了補(bǔ)償純滯后過(guò)程，剛鞋屯滯后對(duì)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(jí)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(dòng)的范圍較小，要求沒(méi)有余差或較小的余差，故主目路采用PI控制。副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，能夠快速克服二次擾動(dòng)，采用P調(diào)節(jié)器。

由于惰性區(qū)的大時(shí)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(jí)控制以保證幕統(tǒng)的穩(wěn)定性和一定的快速性。串級(jí)一smith預(yù)估控制結(jié)合了串級(jí)控制與史密斯預(yù)估控制的優(yōu)點(diǎn)，有利于克服汽溫對(duì)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(shí)，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(duì)非線性、大時(shí)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(duì)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(duì)電廠過(guò)程控制中主蒸汽溫度的大遲延性、非線性和時(shí)變性，在充分分析主蒸汽溫度被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(duì)象的數(shù)學(xué)模型的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主蒸汽溫度的有效控制；設(shè)計(jì)出適用于過(guò)程控制的基于遺傳算法機(jī)理的模糊控制器動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，解決了一般遺傳算法實(shí)時(shí)性差的難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)在線動(dòng)態(tài)優(yōu)化。