（控制理论与控制工程专业论文）基于能量平衡思想的汽温控制系统优化设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 受参与一次调频和煤质波动的影响，大型机组汽温控制面临新的考验。在机理分析 的基础上，通过对一台6 0 0 m w 机组汽温系统的主要扰动信号与主汽温信号进行相关性 分析，发现汽温波动的主要因素来自于燃烧扰动。在机组多个负荷点下求取烟气扰动对 汽温的传递函数并对其进行频域特性分析，发现对象呈带通滤波特性，并且燃烧扰动的 主要频率分布在其通带内，因此采用单纯串级控制系统不能对其进行有效抑制，得出了前 馈控制是解决当前情况下汽温系统控制品质下降问题的一个有效方案；并在此基础上给 出了基于能量平衡思想的控制方案，最后验证了其理论可行性并分析了其工程应用性。 关键词：汽温控制，燃烧扰动，前馈控制，能量平衡 a b s t r a c t i n f l u e i l c e db yj o i n i n gt h ep r i m a r y 丘e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt 1 1 ec o a lq u a l i t y v a r i a t i o n ，t l l en e wt e s tw a sf a c e dt 0t h el a r g eg e n e r a t i n gs e t ss t e 锄t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 b a s e do nt h em e c h a n i s ma j l a l y s i s ，t k o u g l lt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i so fa6 0 0 m wl o a d g e n e r a t i n gs e tb e 押e e nt h em a i l ld i s t i l r b a n c es i 萨a 1o fs t e a mt e m p e r a t u r es y s t e ma i l dt h e m a i ns t e 锄t e m p e r a t u r es i 萨a l ，t h em a jo rf a c t o r so fs t e a mt e m p e r a t u r en u c t l l a t i o nw 嬲 疔o mt h ec o d 曲u s t i o nd i s t i l r b a i l c e t h et r a n s f e r 如n c t i o n so fs t e 锄t e m p e r a t u r ec a l c u l a t e d u n d e rs e v e r a ll o a dw e r ea n a l y z e db ym e a n so f 仔e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，锄di t w a sf o u n dt h es 锄ea st h eb a i l d p a s sf i l t e rc h a r a c t e r i s t i c s f o rt h em a j o r 丘e q u e i l c yo f c o 妇幽u s t i o nd i s m r b a n c ew a sw i t h i nt h ep a s sb a n d ，s oi tw a sd i m c u l tf o rs i n 酉ec a s c a d e c o n t r o ls y s t e mt oe f 佗c t i v e l yd 锄pt h ec o m b u s t i o nd i s t l l r b a n c e ，a n dt h ef e e d f _ o 刑a r d c o n t r o l - i sf o u n dt l l ee f 诧c t i v es 0 1 u t i o nt ot h en e wp r o b l e mi nc u r r e n tc i 托s ，l u l dt h e c o n t r o ls c h e m eb a s e do nt h ee n e r g yb a l a n c ei d e 0 1 0 9 yi sd e v e l o p e db a s e do ni t ，t h e t h e o r e t i cf e a s i b i l i t yi sv a l i d a t e da n dt h ea p p l i c 2 l b i l i t yf 1 0 rp r a c t i c a lp r o j e c t si sa n a l y z e di n t h ee n d z o u x i a o x i n ( c o n t r 0 11 1 1 e o r ) ra n dc o n 仃o le n g i n e 鲥n 曲 d i r e c t e db yp r o f l i uj i z h e na 1 1 dc h e ny a n q i a o l ( e y w o r d s ：s t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，c o m b u s t i o nd i s t u r b a n c e ，f e e d - f o r w a r d c o n t r o l ，e e r g yb a l a n c e 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 受参与一次调频和煤质波动的影响，大型机组汽温控制面临新的考验。在机理分析 的基础上，通过对一台6 0 0 m w 机组汽温系统的主要扰动信号与主汽温信号进行相关性 分析，发现汽温波动的主要因素来自于燃烧扰动。在机组多个负荷点下求取烟气扰动对 汽温的传递函数并对其进行频域特性分析，发现对象呈带通滤波特性，并且燃烧扰动的 主要频率分布在其通带内，因此采用单纯串级控制系统不能对其进行有效抑制，得出了前 馈控制是解决当前情况下汽温系统控制品质下降问题的一个有效方案；并在此基础上给 出了基于能量平衡思想的控制方案，最后验证了其理论可行性并分析了其工程应用性。 关键词：汽温控制，燃烧扰动，前馈控制，能量平衡 a b s t r a c t i n f l u e i l c e db yj o i n i n gt h ep r i m a r y 丘e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt 1 1 ec o a lq u a l i t y v a r i a t i o n ，t l l en e wt e s tw a sf a c e dt 0t h el a r g eg e n e r a t i n gs e t ss t e 锄t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 b a s e do nt h em e c h a n i s ma j l a l y s i s ，t k o u g l lt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i so fa6 0 0 m wl o a d g e n e r a t i n gs e tb e 押e e nt h em a i l ld i s t i l r b a n c es i 萨a 1o fs t e a mt e m p e r a t u r es y s t e ma i l dt h e m a i ns t e 锄t e m p e r a t u r es i 萨a l ，t h em a jo rf a c t o r so fs t e a mt e m p e r a t u r en u c t l l a t i o nw 嬲 疔o mt h ec o d 曲u s t i o nd i s t i l r b a i l c e t h et r a n s f e r 如n c t i o n so fs t e 锄t e m p e r a t u r ec a l c u l a t e d u n d e rs e v e r a ll o a dw e r ea n a l y z e db ym e a n so f 仔e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，锄di t w a sf o u n dt h es 锄ea st h eb a i l d p a s sf i l t e rc h a r a c t e r i s t i c s f o rt h em a j o r 丘e q u e i l c yo f c o 妇幽u s t i o nd i s m r b a n c ew a sw i t h i nt h ep a s sb a n d ，s oi tw a sd i m c u l tf o rs i n 酉ec a s c a d e c o n t r o ls y s t e mt oe f 佗c t i v e l yd 锄pt h ec o m b u s t i o nd i s t l l r b a n c e ，a n dt h ef e e d f _ o 刑a r d c o n t r o l - i sf o u n dt l l ee f 诧c t i v es 0 1 u t i o nt ot h en e wp r o b l e mi nc u r r e n tc i 托s ，l u l dt h e c o n t r o ls c h e m eb a s e do nt h ee n e r g yb a l a n c ei d e 0 1 0 9 yi sd e v e l o p e db a s e do ni t ，t h e t h e o r e t i cf e a s i b i l i t yi sv a l i d a t e da n dt h ea p p l i c 2 l b i l i t yf 1 0 rp r a c t i c a lp r o j e c t si sa n a l y z e di n t h ee n d z o u x i a o x i n ( c o n t r 0 11 1 1 e o r ) ra n dc o n 仃o le n g i n e 鲥n 曲 d i r e c t e db yp r o f l i uj i z h e na 1 1 dc h e ny a n q i a o l ( e y w o r d s ：s t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，c o m b u s t i o nd i s t u r b a n c e ，f e e d - f o r w a r d c o n t r o l ，e e r g yb a l a n c e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于能量平衡思想的汽温控制系统优 化设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：一z 哆纠勿 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：丝! 呈：乏：! 多日期：丝! 呈：三：乡 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 本课题受到国家自然科学基金项目“基于信息融合的锅炉燃烧状态检测及控制 优化 ( 编号5 0 5 7 6 0 2 2 ) 的资助。 随着国民经济的不断发展以及能源的日益紧缺，节能已经成为国家的一项重要 举措。而火力发电是一个能源消耗巨大的产业，与世界主要工业国家相比，中国电 力工业节能潜力很大，2 0 0 7 年1 到9 月全国平均煤耗率为3 5 5 9 七砌，同比减小1 0 ， 但是与世界先进水平相比仍然相差约6 0 7 0 9 伽觋，一年发电多耗标准煤约1 1 亿 吨，而火力发电每年消耗的煤炭占全国煤炭消耗总量的_ 半以上，因此降低电厂的 煤耗量对于降低全国煤炭的总耗量具有明显的作用。同时随着我国电力行业改革的 不断深入，“厂网分开，竞价上网 的运行机制已成为必然，对各电厂而言，保障 机组的安全经济运行，努力降低发电成本，是参与竞争的必由之路。可见深入研究 火电机组的经济高效运行，大力开展节能降耗工作，提高火电厂的生产效率，无论 对于国民经济的可持续发展还是发电企业的经济效益提高都有很重要的意义。 汽温系统是火电厂锅炉机组的重要环节，过热、再热汽温的控制品质是衡量电 厂经济型的一个重要指标，汽温的过高过低对电厂的安全运行和热效率都有很大的 影响。因此提高和改善机组进汽参数是提高机组经济性、降低煤耗和保证机组安全 运行的一个有效途径。 针对火电厂汽温控制系统的研究已经非常深入，许多先进的理论和工程方法获 得了应用并且产生了比较满意的控制效果。但是由于近几年来大机组大都投入了一 次调频功能并且频繁参与电网调峰，而且受煤炭供应紧张的影响煤质变化较大，使 得电厂的燃烧扰动更为剧烈，导致主汽温的控制效果受到明显的影响。这种新情况 不仅加大了主汽温系统的控制难度，而且由于引起的主汽温超温欠温情况的更频繁 出现，也增加了机组运行人员的工作强度和心理负担。其主要体现在以下三个方面： 1 ) 机组频繁参与电网调峰和一次调频。当前大机组参与电网调峰已经十分普 遍，根据位于天津蓟县的大唐盘山电厂3 、4 号6 6 0 m w 机组运行统计数据，即使用 电十分紧张的2 0 0 3 年夏季，机组负荷高于9 0 的运行时间小于3 0 ，而负荷低于 7 0 的运行时间超过3 0 。机组负荷升降十分频繁，投入一次调频功能后，负荷波 动将更为剧烈，这将导致影响主汽温系统的扰动明显增多，尤其是由于负荷的大范 围变动导致发生启停磨时，主汽温扰动尤其剧烈，这大大加剧了主汽温控制系统的 控制难度； 2 ) 国内煤炭供应紧张。中电联的电力可靠性指标显示煤质不良已成为引发机组 华北电力大学硕士学位论文 非计划停运的第三位原因p 】，这也从侧面证明了当前煤炭质量的下降和供应紧张， 许多电厂不得不放弃原有的设计煤种而采用其他的煤种，导致煤质变化较大，以大 唐某电厂为例，设计煤种为准格尔烟煤，校核煤种为准格尔一黑岱沟煤和晋北煤， 设计煤种的灰分( ) 、水分( ) 、挥发分( ) 、低位发热量( 瓜g ) 分别为1 8 3 、1 2 、 4 1 、2 0 4 8 0 ，而校核煤种的分别为2 3 6 3 、1 2 、4 1 0 6 、1 8 4 9 3 和1 9 7 7 、9 6 1 、3 2 3 1 、 2 2 4 4 1 ，四者的偏差均达到了1 0 ，而无论是燃煤中水分灰分挥发分含量还是低位 发热量的变化都将对燃烧造成一定影响，导致炉膛出口烟温发生变化而直接影响主 汽温的品质； 3 ) 机组长期运行及变工况运行。由于技术水平及设备可靠性提高，另一方面也 为了满足发电的需要，特别是用电高峰时期，设备检修周期延长，长期运行后被控 对象特性会发生变化。另外在机组出现故障的情况下，也希望降低负荷运行而不停 机。无论是长期运行导致被控对象特性发生变化还是机组故障运行，都会对主汽温 系统带来许多不确定的扰动因素，增大了控制难度。 面对以上三种情况有必要对主汽温控制系统进行进一步的研究来适应这种变 化，力求让主汽温系统在频繁参与一次调频煤质变化剧烈以及机组长期运行时也能 得到较好的控制效果。 1 2 课题研究动态 大型火电厂锅炉主蒸汽温度控制系统是提高电厂经济效益，保证机组安全运行 的不可缺少的环节，也是火电厂自动控制研究领域的热点方向，在国内外经过了长 期的研究和广泛的应用，目前已经出现了相当多的控制算法以及应用尝试。 在理论算法方面，主要有以下几类方法： 1 ) 以解决汽温对象大迟延大惯性问题为主要研究方向的：其中西安热工研究所 提出了汽温过程状态变量反馈控制的思想【l o 】，并讨论了状态反馈系数和状态观测器 反馈系数的整定方法，其后中科院的研究人员提出了将状态反馈与p i d 控制相结合 的控制方案【1 1 1 ，做了仿真试验并且在宝鸡二电厂的d c s 系统上进行了实际组态应 用，该方案既克服了p i d 对大滞后对象控制效果不理想的缺点，同时又具有在现场 d c s 易于实现的优点：华北电力大学提出了f u z z y 自整定p i d 参数的s m i t h 预估控 制算、法【1 2 】，通过s m i t h 预估控制来解决系统大迟延的问题，并且通过f u z z y 自整定 来改善系统的鲁棒性，另外华北电力大学的研究人员还给出了s m i t h 预估控制算法 具体在d c s 的组态和参数整定的方案【1 3 】，并结合p i d 控制在现场进行了实际应用； 文献【1 4 】采用动态矩阵算法结合p i d 控制对主汽温进行控制，动态矩阵法良好的跟踪 性能能较好的减小汽温对象的时滞性，结合p i d 控制的良好鲁棒性在仿真试验中取 得较好的效果。 2 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 以提高控制器鲁棒性和参数自适应性为主要研究方向的：华北电力大学提出 了主汽温自整定模糊控制算法【”】，可以根据运行工况自动调整各模型变量的加权因 子，提高了控制器的鲁棒性，同样类似的方案还有文献【l6 】提出的基于f u z z y - p i d 的 主汽温控制，区别只是在模糊控制规则的选取上，该方案还在仿真机上进行了变负 荷试验，证实了该系统的鲁棒性，此外华南理工大学的研究人员【1 7 】也做了类似的研 究工作；华北电力大学的研究人员把预测函数控制【1 8 】应用在主汽温系统上，预测函 数控制对预测模型的精度要求比较低，仿真证明在模型不匹配情况下仍然有很强的 鲁棒性，适用于对象参数变化较大的汽温系统，并且在文献【l9 】中提出了一种新的预 测函数控制算法，并结合了模糊自适应技术，形成了一种对变工况有着很好适应能 力的控制方法，该策略在负荷大范围波动的仿真试验中有着很好的负荷适应性；文 献【2 0 】采用了自适应p s d 控制器来进行汽温控制，利用p s d 算法对模型失配不敏感、 鲁棒性强的特点来解决变工况后对象特性变化的问题，此外上海交通大学的课题组 【2 1 1 采用了基于继电反馈的多模型控制算法，利用多模型控制根据系统工况的变化选 择相应的控制器以保证系统的鲁棒性和自适应能力；文献【2 2 h 2 4 】把神经网络引入主 汽温控制中，利用神经网络能够根据对象特性变化而自调整p i d 参数的优点来提高 系统的鲁棒性。 在工程方面，主要有以下几种情况： 1 ) 前馈控制，华中科大的课题组【2 5 h 2 7 】提出了把锅炉辐射能信号作为前馈信号 引入汽温系统的控制方案，并在沙角a 电厂进行了现场试验，改善了系统动态特性； 2 ) 针对具体电厂的完整汽温优化改造方案，东南大学【2 8 】针对某电厂汽温系统的 具体问题提出了完整的汽温优化控制方法，主要应用了状态反馈、p i d 参数自适应 等技术，并针对该电厂执行机构、锅炉设计方面的具体问题给出了解决方案，在现 场实际投入后有很好的效果，该完整的控制方案有着很好的范例作用，文献【2 9 】也给 出了类似的具体控制策略；东南大学的课题组【3 0 】针对某电厂汽温系统存在的问题， 提出的两点改进方案，改变两级减温器调节任务减小汽温调节波动和提高主汽温设 定值的做法在现场取得较好效果，有一定实用价值。 1 3 论文的主要研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 以数据分析结合机理分析的方法分析汽温对象动态特性，针对工程上难以获 取准确的烟气扰动和蒸汽流量扰动下汽温对象动态特性的问题进行新方法的探讨， 以相关分析法分析汽温系统各主要扰动与主汽温之间的相关性，并结合频域分析法 分析当前机组频繁参与一次调频新情况下汽温控制品质下降的主要原因。 2 ) 对主汽温系统固有的控制难点和问题与当前新情况下出现的新问题进行归 华北电力大学硕士学位论文 纳总结，并对目前针对这些具体问题的一些常见的控制方案进行分析，给出前馈控 制的思路，并介绍对前馈信号寻找和构造的思路，给出一种具体的热量信号构造的 方法。 3 ) 研究了两种基于能量平衡思想的汽温控制系统的具体控制方案，分析了两种 方案的优缺点，并引入频域内信息融合的思想把两种方案结合起来考虑，综合各自 的优点，最后对基于热量信号前馈的控制方案进行简单的仿真验证。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章汽温系统特性分析 2 1 汽温系统的控制任务和控制难点 锅炉生产的蒸汽参数包括汽温和汽压，这两个参数是表征发电机组运行状况的 重要指标。一般3 5 0 m w 机组主汽温度额定值为5 4 1 ，主汽压力为1 7 3 6 坦。一般要 求主汽温度在锅炉出力7 0 1 0 0 范围内不超过1 0 + 5 。通常在5 范围内波 动。 主汽参数的稳定对机组的安全经济运行有极大的作用，其原因如下【3 1 1 ： 1 ) 汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，影响使用寿 命。例如：1 2c ，眦。矿钢在5 8 5 时考虑的l o 万矗持久强度，在5 9 5 时到3 万五就将 丧失其应有强度。当受热面严重超温，将会因材料强度的急剧下降而导致管子发生 爆破。汽温过高还会使汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶片、。高压缸前轴承等 部件的机械强度降低，导致设备的损坏或使用年限的缩短。 2 ) 汽温降低将会使机组循环热效率降低，使煤耗增大。根据理论估算，过热汽 温降低1 0 ，煤耗平均增加o 2 。同时，汽温降低还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增 大，这不仅使汽轮机效率降低，而且造成汽轮机末几级叶片的腐蚀加剧。此外，汽 温过低，汽轮机转子所受的轴向推力增大，这对机组安全运行十分不利。 3 ) 过热汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机中转 子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。 因此汽温控制的质量直接关系到机组的安全和经济运行，是电厂锅炉生产中一 个非常重要的控制系统，同时主汽温控制也是机组锅炉系统中较为困难的控制任务 之一，其中传统的控制难点归纳如下： 1 ) 造成主汽温变化的原因很多。例如：负荷、减温水量、烟气侧的过量空气系 数及火焰中心位置、燃料成分等都会影响汽温的变化，扰动量多毫无疑问加大了汽 温控制的复杂性。 2 ) 影响汽温系统的各扰动之间相互影响严重，例如烟气热量的变化必然引起主 蒸汽流量的变化、减温水流量的变化也会影响蒸汽流量，扰动间严重的耦合关系增 大了汽温系统的控制难度。 3 ) 在各种扰动作用下汽温对象具有非线性、时变等特性，使控制的难度加大。 4 ) 汽温对象具有大惯性大迟延的特点，尤其随着目前机组容量和参数的不断提 高，蒸汽过热受热面比例加大，使其迟延和惯性更大，此外，测量温度的传感器也 有较大的惯性，这些都增大了控制的难度。 5 ) 在现场往往执行器存在较大的死区并且喷水阀阀位与流量之间存在着一定 华北电力大学硕士学位论文 的非线性，这些都会影响主汽温的调节精度。 6 ) 另外设备的结构设计与自动调节的要求也存在矛盾。从调节的角度看，减温 设备应安装在过热器出口的地方，这样可以使调节作用的时滞最小，但是从设备安 全的角度看，减温设备应安装在过热器入口的地方。 近几年来，随着电厂行业改革的深化和厂网分家竞价上网新的运行机制的产 生，机组频繁参与电网调峰和一次调频，并且伴随着国内煤炭供应紧张以及机组面 临长期运行及变工况运行的状况，这些都导致主汽温系统面临着新的问题： 1 ) 机组频繁进行变工况运行导致负荷波动更加剧烈，被控对象参数也随之变化 剧烈，同时机组长期运行也会导致被控对象参数变化，这些都加大了对p i d 参数鲁 棒性的要求。 2 ) 煤质变化较大使得即使在负荷稳定时燃烧测扰动也变的更加频繁，加上一次 调频的影响，烟气侧扰动变的更加剧烈。 2 2 汽温对象动态特性及机理模型 影响锅炉汽温变化的因素与机组的运行方式、运行状态有关，而且是互相关联 的。这些因素从烟气侧来说包括燃料量，燃料种类和成分分析，对流吸热量及辐射 吸热量，进入炉内的燃烧的空气量，燃烧器的运行方式以及受热面的洁净程度等； 从蒸汽侧来看包括蒸汽流量、减温水流量和减温水焓、给水温度等。归纳起来可从 以下三方面来分析影响汽温变化的特性【3 2 1 。 2 2 1 蒸汽流量扰动 引起蒸汽流量扰动的原因有两个，一是主蒸汽压力变化，二是汽轮机调节器的 开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的静态特 性是不同的。对于对流式过热器的出口温度，随着蒸汽流量的增加，通过过热器的 烟气量也增加，此时汽温升高；对于辐射式过热器则相反，蒸汽流量增加时，炉膛 温度升高较少，炉膛辐射给过热器受热面的热量要少，因此出口汽温反而会下降。 不过对于屏式过热器和末级过热器来说主要都是烟气对流吸热为主。 主蒸汽流量扰动时，汽温对象呈惯性、自平衡动态特性，其对汽温变化的传递 函数可以用下式近似表示： 形( s ) ：盟：土( 2 1 ) d ( j )( 1 + j ) “ 式中k d 为负荷扰动时被控对象的放大系数；为对象的时间常数；嚣为负荷 扰动后对象的阶数。其中l o o j 。死相对于减温水扰动下对象的惯性时间较小， 其原因是蒸汽流量扰动时，烟气流速和蒸汽流速几乎是沿整个过热器管道长度同时 变化的，因而烟气传给蒸汽的热量也几乎是沿过热器管长度同时发生的，故汽温变 6 华北电力大学硕士学位论文 化的瓦小。 2 2 2 减温水流量扰动 在设计锅炉时，为使锅炉在负荷低于额定值某个范围内汽温仍能达到设定值， 总是使额定负荷下过热汽温高于它的额定值。对于中压锅炉，在额定负荷时，过热 汽温比额定值高2 5 4 0 ；对高压锅炉，则高4 0 6 0 。而后，采用向蒸汽 中喷入减温水的办法来控制过热汽温。从锅炉给水中取出减温水喷入减温器与蒸汽 混合，减温水吸收蒸汽热量，从而降低蒸汽温度或增加蒸汽湿度，使过热器出口汽 温降低。 过热汽温控制对象一般可分为对象导前区和惰性区，其传递函数分别用 0 ) 、q ) 表示，整个被控对象的传递函数为导前区和惰性区传递函数的乘积： 形0 ) = 軎一o ) 。o ) ( 2 - 2 ) 一 一般根据汽温的阶跃响应曲线，利用面积法、切线法、半对数法等，可以求出 汽温控制对象和导前区的传递函数，其中主汽温控制对象的传递函数为： z 老- 击 仁3 ， 式中k 为整个汽温的放大系数；r 、咒分别为整个汽温对象的时间常数和阶数。 导前区和惰性区的传递函数分别为： ( 2 - 4 ) 墨、砭、互、疋、啊、以：分别为导前区惰性区的放大系数、时间常数和阶数。 汽温对象导前区和对象控制通道的动态特性也是呈惯性和自平衡能力，导前区的惯 性较小，而惰性区惯性较大，一般整个汽温通道的响应时间r 苫1 0 m ，滞后时间 r 一3 0 6 0 s 2 2 3 烟气侧扰动 烟气侧扰动主要包括；煤质的变化、炉内过量空气系数的变化、燃烧器运行方 式改变、炉膛负压变化、给煤机给粉不均匀、蒸发受热面结渣等等。因为过热器及 再热器是热交换器，其出口烟温反映了蒸汽吸收的热量和烟气侧释放热量之间的热 平衡关系。凡是影响烟气和蒸汽之间换热的因素都是对汽温的扰动因素。 由于过热器是一个单项换热器，理论上对单项换热器的研究是以传热为基础， 的，热交换过程的基本方程式有两种：_ 是热平衡方程式，二是传热速率方程式， 他们是描述换热器静态特性的基本方程式，也是推导动态方程的基本依据。其简单 示意图如图2 1 所示： 华北电力大学硕士学位论文 烟气 图2 一l 烟气对过热器的换热示意图 假设烟气对过热器管壁的热量为g ，管壁吸收部分热量产生温升，而后向蒸汽 放出热量g 。，蒸汽的温度升为岛，根据热平衡关系式可以列出下面一组方程式： k 互( 寞一幺) 5 9 c 1 警= g 一吼 e ( 社岛) ：9 1 ( 2 - 5 ) e ( 舅一岛) = 9 1 蝉j ， 。鲁= 吼 式中m 。为金属重量；d 为蒸汽流量；互和e 为传热面积；包、q 、岛分别为 烟气、金属壁、蒸汽的温度；g 、g 。为放热量；c l 、为金属、蒸汽的比热；k 、 砭为放热系数。 联立求解上式可得烟气温度只对过热器出口汽温幺的传递函数： 忡毒2 画两丽学惫丽= 爿而 ( 2 - 6 ) 式中石2 糍；互= 豢+ 卷。 其中：传热系数墨、局受锅炉负荷高、低及过热器受热面积灰情况而变化， 而锅炉过热器构造一定时，互、e 和m 基本上为定值，在定工况时可近似把互、 互看成是常数。 烟气量扰动对过热器的传递函数也可以用二阶惯性形式表示。因此整体上烟气 侧扰动对过热器的传递函数可近似看成： 职班痴 ( 2 - 7 ) 式中互、互跟负荷及过热器受热面积灰情况有关。由于烟气流速或烟温几乎是 沿整个过热器管长度变化的，所以汽温响应很快、惯性较小，惯性时间一般不超过 1 0 0 j 。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 汽温信号滤波方法研究 2 3 1 常规实验方法存在的问题 目前一般求取减温水扰动下汽温对象特性是采取做减温水扰动试验的方法，试 验内容一般包括：二级减温水扰动下主蒸汽温度、二级减温器后导前汽温动态特性 以及一级减温水扰动下二级减温器前蒸汽温度、一级减温器后导前汽温动态特性。 具体的步骤为： 1 ) 减温控制切为手动方式； 2 ) 在机组运行工况稳定的情况下，快速手操减温水调节阀，即一次动作关小 ( 阶跃) 减温水调节阀开度，使减温水流量的变化尽量接近阶跃响应，幅度以减小 ( 或开大) 1 0 减温水流量为宣； 3 ) 记录主汽温变化情况； 4 ) 待主汽温度上升并稳定在新值时结束试验。 在得到的阶跃响应曲线上由两点法、切线法等可以得到汽温减温水扰动下的动 态特性参数。 获取主蒸汽流量扰动下汽温对象动态特性的方法与减温水扰动类似，但是由于 蒸汽负荷是由外界用户决定的，一般不能直接进行负荷扰动试验，而且负荷发生变 化时，燃烧侧也会随之变化来适合负荷的要求，引起烟气侧的扰动，两种扰动共同 对主汽温造成影响，形成一种耦合关系，所以难以得到准确的蒸汽流量扰动下汽温 对象的动态特性。 与蒸汽流量扰动类似，烟气侧发生扰动时，如炉内过量空气系数增加时，低温 空气的吸热与烟气容量的增加将使炉膛温度降低，水冷壁吸热也将随之降低，主蒸 汽流量减小，而由于流经过热器的烟量增加，烟速增高，烟气对过热器的放热增加， 两方面的扰动都将对主汽温造成影响，难以确定烟气侧扰动下汽温对象的动态特 性。 可以看出，烟气侧扰动与蒸汽流量扰动存在着较大的耦合关系，在现场通过扰 动试验得到的对象特性往往包含其他扰动下的特性，难以得出准确的某一特定扰动 下的汽温对象特性。 2 3 2 数字滤波方法在消除干扰方面的尝试 由于汽温系统中烟气扰动与蒸汽流量扰动、减温水扰动存在着强耦合，要想获 取各自扰动下汽温对象的动态特性，一个比较好的思路是采取滤波解耦的方法，过 滤掉其他扰动对汽温的影响而彳导到单独某一种扰动下的动态特性。基本的思路是构 造一个类似最小均方差( l m s ) 自适应滤波器的解耦器【3 3 1 ，通过对滤波器参数的选 9 华北电力大学硕士学位论文 择来消除不需要的扰动。其基本示意图为： 图2 2 滤波示意图 其中：d 0 ) 为输入信号，具体含义为多种扰动共同作用下的汽温对象特性，其 中含有所期望的扰动下的对象动态特性s ( n ) 和不期望的扰动下的动态特性( 强) ， x ( 拧) 为滤波输入信号，z ( 疗) 中不含有s ( 刀) 信号，即石( 疗) 信号与j ( 刀) 不相关，而只含 有一个信号，( 力，( 玎) 与( 力相关。由图2 2 可知，自适应滤波器的输出_ y ( 功为 ，( 以1 的滤波信号，因此，该解耦系统的输出为： p ( 疗) = j ( 刀) + ( 以) 一y ( h )( 2 8 ) 而： p ( 甩) 2 = j 2 ( 刀) + 【( 甩) 一y ( ，1 ) 】2 + 2 s ( 玎) ( ，z ) 一j ，( ，1 ) 】( 2 - 9 ) 对式( 2 9 ) 两边取数学期望，由于s ( 靠) 与( 拜) 和7 ( 撑) 不相关，故 研e ( 甩) 2 】= 研s 2 ( ，z ) 】+ e ( 玎) 一y ( ，z ) 】2 ) + 2 e j ( 疗) ( 刀) 一y ( ，z ) )( 2 1 0 ) 由于信号功率与自适应调节无关，所以，自适应滤波器的调节使研p ( 厅) 2 】最小， 就是使e 【( n ) 一y ( ，1 ) 】2 ) ，由式e ( 咒) = s ( n ) + ( 以) 一y ( 孢) 可知： ( 刀) 一少( 刀) = e ( ，1 ) 一j ( ，1 )( 2 1 1 ) 则当e ( 以) 一y ( n ) 】2 ) 最小时，占 ( ，z ) 一j 0 ) 】2 ) 也最小，即自适应解耦滤波系统 的输出信号g ( 刀) 与所需扰动的动态特性j ( ，z ) 的均方差最小。在理想情况下， ) ，( 玎) = ( 以) ，则e ( 栉) = s ( 嚣) 。这时通过调节自适应滤波器的自适应算法来自动地调节 其响应，将( 甩) 加工成0 ) ，与原始信号d ( ，z ) 中的( ，1 ) 相减，则输出信号e ( 玎) 中 所不需要扰动的动态特性则可以完全消除，而等于所需要扰动下的动态响应。 从以上分析可知，该自适应滤波解耦的关键是寻找一个跟其中一个扰动高相关 的信号，并且这个信号与另一个扰动不相关或者相关性较弱，这样便可以通过调节 滤波器参数来尽可能的使滤波器输出逼近于所不期望的扰动下动态特性，消除该扰 动的影响，而使最终滤波系统的输出接近所期望的扰动下的动态特性。 i o 华北电力大学硕士学位论文 该滤波思路在回声消除【3 4 1 、自适应噪声对消【3 5 1 、有源消声f 3 6 】中得到了应用， 具有较好的实际应用效果。对于汽温系统来说，要单独获取烟气扰动下或者主蒸汽 流量下扰动汽温对象的动态特性，需要通过对汽温系统、燃烧系统、制粉系统中的 大量信号进行相关性分析，来寻找与烟气扰动相关而与主汽流量不相关的信号以及 与主汽流量相关而与烟气扰动不相关的信号作为滤波器输入信号，通过设置滤波器 参数来获取所需的动态响应。 2 4 汽温信号相关性分析 由上文分析可知要获取准确的蒸汽流量扰动和烟气扰动下汽温对象动态特性 关键是构造各自的独立相关信号，对此需对汽温系统、燃烧系统内的大量信号进行 相关性分析，分析系统模型，找出合适的相关信号分别与蒸汽流量信号和烟气热量 信号匹配，来消除彼此间的耦合；同时，通过对汽温系统内各信号与主汽温信号进 行相关分析，可以迸一步研究各扰动对主汽温的影响情况，并从数据分析的角度来 分析和探讨主汽温模型，力求从中找寻当前新情况下主汽温控制品质略有下降的原 因和可能的解决方案。 以往研究电厂汽温系统、燃烧系统模型大都采用机理分析的方法，从机理上寻 求工业流程中的物理数学关系来达到研究模型的目的，但是在燃烧系统和汽温系统 中存在着大量的未知扰动，另外由于汽水对象的非线性特征，导致单纯的采用机理 分析的方法寻求信号之间的相关性来建立模型是不现实的。火电厂整个机组的运行 过程体现了能量转化以及质量与能量平衡的关系。锅炉过程中装有大量的测量传感 器，用于压力、温度、液位、流量、功率等众多过程变量的测量。在正常的运行条 件下，传感器的测量信号间存在着大量的相关关系，支配这些变量间相关性的内在 因素主要是锅炉运行过程中内在的质量平衡以及能量平衡原理。然而，并非所有的 锅炉过程测量变量都具有很强的相关性，因此需要从大量的数据中通过统计的方法 分析其相关性。 目前国内电厂普遍采用了先进的d c s 系统，且不少电厂安装了s i s 系统【3 7 】【3 8 1 ， 大量的数据信号可以方便的得到，则可以通过对海量现场数据进行相关性分析，寻 求具有强相关性的信号组，来挖掘信号之间的关联信息。本节将在机理分析的基础 上以数据分析的方法研究汽温系统各主要信号之间的相关性，并且在相关分析的基 础上探讨当前新情况下主汽温控制品质下降的可能原因。 2 4 1 相关分析的基本理论 相关技术是信号处理的基本方法，在声、光、电以及生物医学、地质勘探等众 多工程领域有相当广泛的应用。所谓相关是代表客观事物或过程中某两种特征量之 l l 华北电力大学硕士学位论文 间的联系的紧密性；相关分析是利用概率统计方法来描述和研究工程测试信号的相 关关系，常用的统计量有相关系数、自相关函数和互相关函数等【3 9 1 。 相关系数的表达式如下： 广1 广1 l 2 岛= 工q 抄( 以) i x 2 ( 刀) 0 少2 圳 4 1 0l 枷 j l 脚j ( 2 - 1 2 ) l ， = 石( 刀) y ( 刀) 月砷 其中以为z ( 珂) 和j ，( 刀) 的相关系数。式中分母等于x ( 刀) 和y ( ，z ) 各自能量乘积的开 方，是一常数，因此的大小由分子来决定，也称为z o ) 和y ( 刀) 的相关系数。 l p 砂l 在。到1 之间取值，则称为归一化的相关系数。 几反映了两个固定波形石o ) 和y ( 刀) 的相似程度，在实际工作中，更需要研究两 个波形在经历了一段时移之后的相似程度，这就要用到相关函数，其表达式为： ( 扰) = 石( 捍沙o + m ) ( 2 - 1 3 ) = 该式表达( 所) 在时刻m 时的值，等于将x ( 行) 保持不动而y ( 甩) 左移m 个抽样周 期后两个序列对应相乘再相加的结果。具体含义是某一个信号和与它有一段时延的 另一个信号乘积的平均值，反映了两个信号之间的相似程度。 一般衡量信号间不同相关程度的度量表如表2 1 所示【4 0 】： 表2 1 相关程度度量表 相关系数0 0 30 3 0 50 5 0 7o 7 o 90 9 1 程度 低相关普通相关显著相关高相关极高相关 用相关理论分析信号间的相关性主要采取求相关系数和相关函数的方法，但是 存在以下问题： 在某一时段内求两个信号的相关系数，由于相关系数的物理意义是两条曲线的 相似程度，有可能因为在某一个较小的区间内两个信号由于故障或者未知扰动的因 素而变得极不相似，导致整个时段求取出的相关系数较小。另外对于两段信号同时 为零的情况，按相关系数计算必然会得到高的相关性，可实际上两段信号很可能因 为不同的原因各自归零而不具有相关性。 总的来说，相关系数难以完全满足尺度方面的需求，难以知道在何段时间内相 关性大，在何段时间内相关性小，只是给出一个整的相似程度，可能会掩盖许多重 要的信息。 相应的解决的措施如下： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 计算两个信号的相关系数时，必须先剔除掉具有大段归零时段的信号，并且要 把相关系数与两段实际曲线之间的观察比较结合起来，单纯用相关系数来判定两个 信号的相关性，容易因为受到未知扰动、故障等的影响而未必能反应信号间真实的 相关性，可以通过直接观察曲线之间的相似程度来佐证相关系数的准确度。 2 4 2 减温水流量与主汽温的相关分析 从机理分析可以得知，汽温系统中主汽温主要受减温水流量、主蒸汽流量、烟 气热量的影响，但是在实际信号中，究竟这三个主要扰动如何影响汽温变化，三个 信号的变化引起主汽温的变化能否直观的从曲线中看出，在不同的时段哪种扰动起 到主要影响作用，究竟这三个信号与主汽温的变化有何相关性，下文将以相关分析 理论分析这些问题。 。 要单独分析减温水流量与主汽温的相关性，首先必须尽量剔除掉其他两个扰动 对汽温的影响，主蒸汽流量主要体现了负荷的变化，在负荷稳定情况下，主蒸汽流 量相对比较稳定。 从大唐某电厂0 3 年1 月到8 月的实际运行数据中筛选出2 4 段负荷稳定的三小 时时段，采样时间为3 0 秒，筛选条件是负荷波动在5 m w 之内，且负荷稳定在三小 时以上。对每个时段的减温水流量和主汽温进行相关性分析。由于从减温器喷水到 主汽温变化有一定的迟延量，可以通过求相关函数的最大值来确定迟延量。下图为 一时段减温水流量和主汽温之间的相关函数图，最大迟延取了1 0 个采样时间，从 图2 3 中可以得知两个信号间的迟延量为5 个采样时间，其余的时段求出的迟延量 也都近似为5 个采样时间。 籁 帐 ：l k 血 * 图2 3 迟延量的求取 通过对2 4 个时段减温水和主汽温的相关性分析，可以把2 4 个时段分成4 类， 华北电力大学硕士学位论文 分别为减温水非零且呈脉冲规则变化、减温水小部分归零，非零段呈脉冲规则变化、 减温水非零且不规则变化、减温水大部分归零。其中最后一种由于减温水几乎为零， 计算相关系数没有意义，所以只分析前面三类。 1 ) 减温水非零且呈脉冲规则变化时，相关系数如表2 2 所示，实际信号经过一 定的平移和放大后的比较由图2 4 所示：( 图2 4 2 6 中t 为主汽温，单位，j 为 减温水流量，单位为吨川、时，即t h ) 表2 2 相关系数表 减温水流量与主汽 时段名称 平均负荷温的相关系数( 迟廷 量为5 ) w d l5 4 8o 8 3 7 0 w d 24 9 3o 8 1 5 1 w d 95 0 2o 6 8 1 5 w d