（控制理论与控制工程专业论文）电厂热工系统建模与先进智能控制的应用研究.pdf

博士后出站报告 摘要 针对电厂复杂热工系统的控制与建模问题在分析和综述了其研究现状和主要研究方向 的基础上，对以下问题进行了应用研究。 首先，充分考虑大多数复杂热工控制对象非线性特性与运行工况密切相关的实际特点基于工 况分解的多模型建模思路，提出了一种面向控制的非线性过程建模方法。将该方法应用于某电厂 3 0 0 m w 机组锅炉过热汽温对象，实际考核结果表明采用提出的方法建立的模型，即使在运行工况大 范围变化时也具有满意的动态预测效果，验证了提出的方法的有效性。 第二，将解耦控制、参数自适应自整定与模糊推理等期能控制技术结合起来，提出了基于智能 解耦的大型燃煤机组复杂热工过程协调控制系统分层设计方法，采用i as e r i e sd c s 成功地将上述方 法应用于某电厂3 0 0 m w 机组，明显改善了控制系统适应工况变化的能力，取得了比较满意的控制 效果和显著的经济效益基于继电反馈自整定技术，提出了大型燃煤机组协调控制系统多变量p i d 控制器的自整定方法，这种设计方法与已有的设计方法相比较，对控制对象的先验知识和模型的要 求低，物理概念清晰，因此便于在工程上应用。仿真研究表明采用这种方法设计的协调控制系统具 有良好的控制品质。 第三，为提高大型火电机组过热蒸汽温度串级控制的性能通过使p i d 线性控制器和模糊控制 器并行结合，提出一种基于模糊切换的模糊复合控制器设计方法，其中模糊控制器的比例因子的初 始整定可用p i d 控制器的整定参数获得，为模糊控制器提供了一种系统化设计方法，在某电厂 3 0 0 m w 机组实际应用的结果表明，采用该方法设计的过热蒸汽温度控制系统具有更强的适应能力和 良好的控制效果。 第四针对热电厂机组锅炉汽包水位非自衡系统，研究了典型非自衡对象的动态矩阵控制 ( d m c ) 预测控制算法，分析了原有算法不能适用丁该类对象的原因，通过改变经典d m c 算法的 移位阵扩展了d m c 算法的适用范围。该算法较之已有的针对非自衡对象的算法具有更强的实胡 性仿真结果及在热电厂锅炉汽包水位系统上的应j e 验证了算法的有效性。 最后，针对常规s m i t h 预估控制系统难于整定和对过程参数敏感的缺点，将模糊自校正与继电 反馈自接定技术结合起来，提出了一种改进的s m i t h 预估控制系统。以热电厂锅炉复杂对象为背景进 行的大量仿真研究表明，这种新的系统与常规系统相比可显著改善控制性能和适应能力。并且这种 新的系统不仅对纯迟延占优势的大迟延对象有效，而且还适用于过程控制中大量存在的具有类似于 纯迟延占优势对象特性的高阶对象和非最小相位过程 、 博士后出站捆告 a b s t r a c t f o rm o d e l i n ga n dc o n t r o li s s u e so fp o w e rp l a n tc o m p l e xt h e r m a ls y s t e m s ，b a s e do na n a l y s i sa n d r e v i e wo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dn e wd e v e l o p m e n ta b o u tt h e i rm a j o rr e s e a r c hs u b j e c t s , t h em a i n a p p l i c a t i o ns t u d y c o n t e n to f t h i sr e p o r ti n c l u d e s ： f i r s t l y , b yt a k i n g i n t oa c c o u n tt h ep r a c t i c a lf e a t u r e st h a tm o s tt h e r m a lp r o c e s s a sh a v en o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c sd e p e n d e n tc l o s e l yo no p e r a t i n gr e g i m e ，an o n l i n e a rc o n t r o lo r i e n t e dm o d e l i n gm e t h o df o r t h e r m a lp r o e e s s u si s p r o p o s e du s i n gam u l t i p l em o d e lm o d e l i n ga p p r o a c hb a s e do no p e r a t i n gr e g i m e d e c o m p o s i t i o n t h e nt h ep r o p o s e dm e t h o dw a sa p p l i e dt ob u i l dt h en o n l i n e a rm o d e lo f a3 0 0 m wu n i t b o i l e rs u p e r h e a t e rc o n t r o l l e dp r o c e s s t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h en o n l i n e a rp r o c e s sm o d e l b u i l tb yt h ep r o p o s e dm e t h o dr e m a i n sv a l i do v c faw i d er a n g eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h ed y n a m i c r e s p o n s eo f t h e m o d e la g r e e sw e l lw i t ht h a to f t h er e a lp l a n t , a n dp r o v et h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e t h o d s e c o n d b ，b yi n t e g r a t i n gd e c o u p l i n gc o n t r o l 、p a r a m e t e ra d a p t i v ee o n 舡 o la n da u t o - t u n i n gt e c h n i q u e s w i t hf u z z yr e a s o n i n ga n dt h eo t h e ri n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n i q u e s ，a ni n t e l l i g e n td e c o u p l i n gh i e r a r c h i c a l c o n t r o lm e t h o do f p o w e r p l a n tm a i n s t e a mp r e s s u r ea n dp o w e ro u t p u ti sp r o p o s e df o rl a r g es c a l ec o a l - f i r e d u n i tc o m p l e xt h e r m a lp r o c e s s e s u s i n gi as e r i e sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ，t h ec o n t r o lm e t h o di s s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o a3 0 0 m w u n i t , d i s t i n c ti m p r o v e m e n ti so b t a i n e df o rt h ea b i l i t yo ft h ec o n t r o l s y s t e m st oa d a p tt h e m s e l v e st ot h ev a r i a t i o no f o p e r a t i n gc o n d i t i o n s , g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ei sr e t a i n e d a n dh 时e c o n o m i cb e n e f i th a v eb e e no b t a i n e d b a s e do nr e l a yf e e d b a c ka u t o - t u n i n gt e c h n i q u e s ，an e w d e s i g nm e t h o df o rm u l t i v a r i a b l ep 1 dc o n t r o l l e r su s e di nl a r g ec o a l - f i r e dt h e r m a lp o w e ru n i tc o o r d i n a t e d c o n t r o l s y s t e m ( c c s ) i sp r o p o s e d c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gd e s i g nm e t h o d , t h ep r o p o s e dm e t h o d r e q u i r e sv e r yl i r l ep r i o rk n o w l e d g e o ft h ep r o c e s sa n do n l yp a r t i a ld y n a m i ci n f o r m a t i o no nt h ep r o c e s si n t h ef o r mo faf r e q u e n c y r e s p o n s em a t r i xa ta b ep o i n t ，s ot h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sw e l l - u n d e r s t o o da n d c o n v e n i e n tt ob ea p p l i e dt oe n g i n e e r i n g s i m u l a l i o nr e s u l t sp r o v et h a tc c s d e s i g n e db yt h em e t h o dh a s b e t t e rc o n t r o lq u a i l t y t h i r d l y , t oi m p r o v e t h ec o n t r o lq u a l i t yo f c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ru s e di nm a i ns t e a mt e m p e r a t u r e c a s c a d ec o n t r o l s y s t e m ，b yc o m b i n i n gf u z z ya n dp i dc o n t r o l s i n p a r a l l e l ，af u z z yh y b r i dc o n t r o l l e ri s p r o p o s e d s m o o t hc o n t r o lo ft h e c o n t r o l l e rd u r i n g s w i t c h i n gi sg u a r a n t e e db yu s i n gf u z z yi n f e r e n c e m o r e o v e r ，t h ei n i t i a ls e a l i n gg a i n so ft h ef u z z yc o n t r o l l e ri nt h eh y b r i dc o n t r o lc a nb eo b t a i n e df r o mt h e c o n t r o l l e rp a r a m e t e r so fw e l l - t u n e dp i dc o n t r o l l e r s ot h ef u z z ) , c o n t r o l l e ri nt h eh y b r i dc o n t r o lc a r lb e d e s i g n e dw i t ham o r es y s t e m a t i cd e s i g nm e t h o dt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o nr e s u l t si na3 0 0 m wu n i ts h o w t h a tt h em a i ns t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mt h a tu s e st h i sf u z z yh y b r i dc o n t r o l l e rh a sb e h e rc o n t r o l p e r f o r m a n c ea n ds t r o n g e ra d a p t a b i l i t y ： f o u r t h l y , t h ed y n a m i cm a t r i xc o n t r o la l g o r i t i m a ( d m c ) o nt h en o n s e l f - r e g u l a t i n gp r o c e s si s i i 博士后出站报告 i n v e s t i g a t e d t h er e a s o nw h yo r i g i n a ld m ca l g o r i t h m c a n n o tb ea p p l i e dt ot h e s eo b j e c t si sa n a l y z e d t h e s h i r i n gm a t r i xi s t r a n s f o r m e di na n o t h e rf o r ma n di t sa p p l i c a b l er a n g ei se m e n d e d c o m p a r i n gt oo t h e r a l g o r i t h m so nt h en o n s e l f - r e g u l a t i n gp r o c e s st h ea l g o r i t h mp r e s e n t e di sm o r ep r a c t i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s a n da p p l i c a t i o ni nat h e r m a lp o w e ru n i tb o i l e rl e v e ls y s t e mp r o v ei t sv a l i d i t y f i n a l l y , an e ws m i t hp r e d i c t o ri sp r o p o s e df o ri n d u s t r i a lp r o c e s s e sw i t hd o m i n a n tt i m ed e l a y , b y i n t e g r a t i n gf u z z ys e l f - t u n i n g w i t h m l a y f e e d b a c k a u t o - t o n i n gt e c h n i q u e ，a i m e d a t e l i m i n a t i n g t h e d i s a d v a n t a g e st h a tt h ec o n v e n t i o n a ls m i t hp r e d i c t o ri sd i f f i c u l tt ot u n em a n u a l l ya n ds e n s i t i v et op r o c e s s p a r a m e t e rv a r i a t i o n s t h en e ws y s t e mh a sb e e n t e s t e do na l o t o f s i m u l a t e dp l a n t m o d e l so f t y p i c a l t h e r m a l p o w e ru n i tb o i l e rc o m p l e xc o n t r o l l e dp r o c e s s e sa n dd e m o n s t r a t e dt oh a v em a r k e di m p r o v e m e n t si nt h e c o n t r o lp e r f o r m a n c eb yc o m p a r i s o nw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls y s t e m t h i sn o v e ls c h e m eh a sb e e nf o n o dt ob c e f f e c t i v en o to n l yf o rd e a d - t i m e - d o m i n a n tp r o c e s s e sb u ta l s of o r h i g h - o r d e ro r n o n - m i n i m u mp h a s e p r o c e s s e s t h a te x h i b i ta p p a r e n td e a d - t i m e - d o m i n a n tl i k ec h a r a c t e r i s t i c si nt h e i r d y n a m i c s 1 1 1 第一幸火电机越蔓囊热工秉l 控翻与建徭应用研兜的量晨与晨卫博士后出站报告 第一章火电机组复杂热工系统控制与建模 应用研究的发展与展望 摘要：拳章首先以典型火电机组为倒讨论了其控制目标和控制问题的复杂性，继而从常 规控制、先进控制、智能控制、复合( 混合) 智能控制及建模方法五个方面对火电机组控 制和建模的主要应用研究方向进行了详尽的分析和综述，最后对火电机组复杂热工控制系 统的发展进行了展望。 关键词：丸电机组，热工控制，先进控制，智能控制，常规控制，系统辨识，机理建模 1 1 引言 随着国家电力体制改革的逐步实施，当前发电企业面临的总的形势可用许多富有挑战性的问题 来表征，其中最重要的是各自独立的电力生产厂家之问为满足最终用户的能源要求进行的竟争，为达 到国家关于最大限度地利用自然资源和对环境最低程度影响的严厉规定而承受的压力，电厂主设备 的老化，建设新厂区的财政投资收益的不确定性。大型火电机组这种应用最广泛的发电机组的运行 受到多种因素的制约，首先，机组在任一时刻都必须为电力系统的主要目标提供支持，即在任何时 候不仅在数量上满足电力系统的负荷需求，而且在质量上也要保证供电电压和频率的恒定；其次发 电企业之间的竞争以及其他市场驱动力使得机组参与电网调峰调频的任务增加；最后机组运行必须 达到节能降耗、维持和延长主设备寿命及降低环境影响规定的严格要求。 实现上述所有要求的一条途径是研究开发更加综台和适应性强的机组控制方法，这种方法应当 提供保证机组高性能大范围负荷跟随运行所需要的功能，同时在变化的物理和经济条件下保证满足 维持和延民主设备寿命、污染物排放以及燃料消耗量等方面规定的约束条件。因此在着重考虑了负 荷跟踪以及电压、频率稳定性基本控制问题后，为使机组在任何运行工况下能成功地参与到电力系 统每天更加需求的结构中在任意的多个相互冲突运行耳标下最优地工作急需设计更加有效的机 组控制系统。 机组控制系统的控制对象大型火电机组是具有强耦台、非线性、大惯性、参数时变和不确定因 素的典型复杂热工系统，它有多个控制量和被控量，具有上述的复杂控制目标和相应的复杂控制任 务。具有多种非时变性质或动态性质的运行约束极限条件，环境中存在着各种扰动，对过程动态带 米很大影响。常规的机组控制方案结合前馈补偿、串级等控制策略采 l l 基于p i d 线性控制算法的 多个s i s o 反馈控制回路组成的分散控制结构目前仍在大多数机组中获得广泛应用，但无法保证长 期正常投入运行，只能用来维持生产过程的平稳运行，复杂工况需要运行人员大量的手工撵作和监 督控制，机组运行参数偏离经济指标较大造成大量能量损失，增加了设备故障率，严重影响机组 的经济效益和安全可靠运行。 先进和智能控制理论的发展及计算机控制技术的应用日益广泛，极大地促进了应用非常规设计 方法对电厂机组控制系统的重新考察。为了解决常规机纽控制系统应用中存在的问题。适庶电网综 合自动化发展提出的越来越高的性能要求，人们对电厂控制对象及其控制方法进行了广泛深入地研 究。提出了许多新的控制策略和设计方法，并在实际应用中取得了较好的实验效果本章对这个领 i 第一章火电机疆蔓杂热工曩麓控制与是辑应用研兜的冀晨与晨望 博士后出站报告 域的建模与控制方法的研究进展进行综述，对其发展方向进行分析，并对其应用前景提出见解和做 出展望，为提出和研究适合于工程应用且性能优化的机组控制系统设计方法提供参考和依据。 1 2 火电机组的控制目标和控制问题的复杂性 1 2 1 系统的复杂特性描述 从控制的角度看，大型火电机组是具有强耦合、非线性、大惯性、参数时变和不确定因素的典 型复杂热工系统。 l _ 2 1 1 火电机组的主要控制量和被控量 以元宝山电厂一号3 0 0 m w 机组为例进行说明。机组负荷控制系统也称机炉协调控制系统，具 有主汽压力和机组电功率两个回路，其控制量分别是给煤机总转速控制回路绘定值和汽轮机调汽阀 门伺服控制回路给定值。 锅炉燃烧过程控制系统包括给煤机总转速控制回路、各台给煤机转速控制回路、喷燃器风煤比 控制回路、总风量控制回路、磨煤机一次风控制回路、磨煤机出口温度控制回路和炉膛负压控制回 路。其控制量分别是给煤机无级变速装置的电信号给定和电信号、喷燃器二次风量、喷燃器风煤比 控制回路给定校正信号、磨煤机一次风调节挡板开度、冷炉烟调节挡板开度和引风机入口导向挡板 开度。 锅炉汽水分离器( 汽包) 水位控制系统常采用三冲量( 汽包炉) 或四冲量( 低倍率复合循环锅炉) 前馈- 反馈控制结构，因为这种结构能较好地处理给水控制对象非最小相位特性带来的控制难题。其 直接控制量为给水泵转速或给水调节阀开度。 过热蒸汽温度控制系统常采用分级( 段) 控额系统。铡如元宝山电厂3 0 0 m w 机组过热蒸汽温 度控制系统由一级喷水控制系统和二级喷水控制系统组成其直接控制量为各级喷水调节阀开度 对再热蒸汽温度的控制系统，定压运行机组常采用烟气侧的调温方式作为主要控制手段而对 滑压运行机组采用喷水减温控制方式是较经济而又可靠的再热器调温方法，同时在结构上又是最简 便的方法元宝山电厂3 0 0 m w 机组再热蒸汽温度控制系统采用喷水减温串级控制结构其直接控 制盈为喷水调节阀开度 1 2 1 2 对象的非线性特性 机炉协调被控对象的非线性表现在： 1 当机组负荷在大范围变化时，对象呈现明显的非线性。k j a s t r o m 1 2 通过对一个1 6 0 m w 单元机组大负荷范围内的系统辨识分析和物理验证得出结论锅炉一汽轮机对象是非线性的，并给 出了个简化的非线性数学模型。 2 两个控制量的控制范围受限。特别是由于采用风扇磨直欢式制粉系统，为了不使煤粉的浓 度过低和相应的= 次风速过低而对燃烧造成影响，及磨煤机出力过低造成单位电耗增加，磨煤机最 低出力应保持在额定出力的7 0 以上运行，为了不出现磨煤机出力过大而造成干燥出力不足、通风 阻力过丈以致使磨煤机堵塞磨煤机最高出力应保持在额定出力的1 2 0 以下运行。这使得燃料量( 给 煤量) 的调节只能在有限的范围内进行当处于范围的两个极限时。会产生明显的非线性控制效果 2 ，一t ，建，。孪第一章火t 机i l 囊热工秉麓擅_ 曩棋直用研究的毫晨与晨置 博士詹出站报鲁 过热及再热蒸汽温度焓温通道动态特性【3 1 【4 】g 1 ( s ) 近似为e r o s o + r s ) “，其中n = a 6 2 ，t = 钆 r n n ，具有明显的非线性，因为t b 几乎与机组负荷的倒数成比例，n 则与机组负荷的0 2 次方的倒 数成比例。因此当过热器或再热器出口蒸汽温度t o 采用喷水减温调节方式时，其调节通道的动态特 性近似为具有纯滞后的多容环节特性，且此特性随机组负荷呈非线性变化。 1 2 1 3 对象的惯性时间常数和时滞 机炉协调被控对象的大惯性、大滞后主要表现在从给煤量指令变化到机前主汽压力和机组负荷 变化要经过给煤机、磨煤机、锅炉蒸发受热面、过热受热面等多个环节，而其中的磨制过程、蒸发 过程具有非常大的惯性和滞后。由动态试验f 5 】结果可知给煤量指令变化到机前主汽压力通道的纯滞 后时间约为2 4 分钟，惯性时间约为5 7 分钟。 对于过热和再热蒸汽温度控制系统，当采用喷水减温控制方式时过热和再热蒸汽温度是具有 分布参数的受控对象( 其调节通道动态特性描述可用多容惯性环节来近似) 。由减温水阶跃扰动响应 动态特性实验结果【5 】可以看出，该对象特性具有较大的惯性和滞后 1 2 1 4 对象的时变特性 机炉协调控制对象由于煤粉磨制过程、蒸汽蒸发过程而存在较大的惯性和滞后，且此惯性和滞 后特性随煤质变化、磨煤机的磨损情况和锅炉受热面的污染结焦呈现时变性。 过热器和再热器受热面的污染结焦、管道中沉积物的增加等因素会导致过热和再热汽温对象特 性的慢时变。 1 2 1 5 对象的强耦台特性 机炉锛调对象的强耦合特性表现在：对象的任一输入变化都会影响到两个输出的变化，即 l f 燃料量增加，会同时使机前主汽压力和机组负荷增加。 2 汽机的调汽阀门开大，会使机前主汽压力降低，机组负荷暂时增加 经过分析网，当机组采用炉跟机为基础的协调控制方式时对象的耦台非常强，具有结构上的 不稳定性，登须采取解耦措施才能保证系统稳定 锅炉燃烧过程控制对象是三输入三输出的耦合对象，但控制实践通常通过引入前馈补偿等控制 方法将系统简化为三个单回路控制问题 1 2 1 6 对象的不确定性 对象的不确定性主要由于燃用的煤并不都是设计煤种，煤种、煤质的变化及磨煤机的磨损造成 给煤量与出粉量之闯存在着不确定的动态关系，以致会使控制量不能根好地起到其作用，对系统的 稳定和控制带来很大难度 给煤机、磨煤机随着使用时问的增长、效率的下降会造成绘煤机转数与进入炉内的煤粉量之 问存在不确定的对应关系，使锅炉燃烧工况不稳定，成为锅炉侧产生援繁扰动的主要因素 电网负荷的不可预测的变化；机组辅机如风机或培水泵的跳闸；发电机负荷的丧失( 甩负荷) 。 1 2 2 火电机组的控制目标和复杂控制任务 1 2 2 1 火电机组的控制目标 3 i 旁t 遘m ? 第一章火t 机- l 亲热工t 奠擅与惠直用研究曲囊晨叶晨簟 博士后出站报告 对于单元机组这个复杂被控过程，其控制目标可概括为：在克服机组内部各种干扰因素的条件 下，使机组以最佳的效率满足电网对机组负荷的需求，同时保持最小的机组设备寿命的损耗和机组 主设备和关键辅机跳闸的最小可能性。 所谓机组以最佳的效率满足电网对机组负荷的需求，就是当电罔需要快速响应负荷要求时使 机组舱以接近运行撮限的最大负荷跟随能力( l o a df o l l o w i n gc a p t o r y ) 适应外界负荷的变化，同 时使机组的主要过程变量与其最佳设定值的动态偏差和偏离时间最小，使燃料量与送风量之间保持 最佳配比保证高效燃烧。机组的主要过程变量包括主汽压力和温度、再热器出口蒸汽温度 所谓同时保持最小的机组设备寿命的损耗，就是在机组快速响应外界负荷变化的过程中，机组 的主要过程变量、汽包( 汽水分离器) 水位和和燃烧过程的关键参数都保持在规定的限度内，并使 它们的波动程度和变化速率限制在规定的范围，以保证不使金属蒸汽管道、蒸汽发生器汽包和联箱 ( 母管) 、汽轮机机壳和转子等承受过大的热应力而发生蠕变和疲劳，从而使机组设备使用寿龠缩短； 以保证蒸汽品质保持正常汽水循环维持炉臆负压稳定 所谓机组主设备和关键辅机跣闸的最小可能性，就是对最重要设备子系绕运行约束极限条件【7 】 的实肘监视和评价，当机组主设备和关键辅机故障时，自动采取相应的措籀。把故障限制在最小范 围内，对机组负荷予以限制，通过运行方式的选择和无扰切换保证机组在设备安全的前提下。以 最大允许出力维持机组的连续运行 1 - 2 2 2 火电机组的复杂控制任务 为了实现上述控制目标，必须完成下列复杂的控制任务； 1 机组的负荷控制 机组自动控制的首要任务是机组负荷的自动控制在克服机组内部备种干扰因素的条件下，使 机组珏最佳的效率满足电网对机组负荷的需求。机组负荷控制的任务在于如何控制锅炉和汽轮机各 自的出力，使两者相互适应，以莛同满足机组负荷的需要机炉相互适废的标志是主汽压力的稳定 程度，因此机组负荷控制系统有两个被控量：机组负荷( 或电功事) 和主汽压力 2 锅炉燃烧过程的控翻 机组的运行效率本质上依赖于锅炉燃烧过程的质量为了适应外界负荷变化，产生所需的蒸汽 量以保持主汽压力为给定值，对普遍采用直吹式制粉系统的大型燃煤机组，常用固定煤层厚度控翻 给煤机转速的方法调节进入磨煤机中的给煤量。从而达到闻按控制进入炉臆中燃料量的目的 在改变给煤量的同时，为保证燃烧的经济性，减少捧烟热损失。还应控锄一次风量、二次风量 和总风量使之与燃料量之问保持最佳配比对采用风扇彦直欢式制糟系统的3 0 0 m w 机组，由送风 帆来的冷风经空气预热器加热后得到的热风，用六条空管分别供给六台风扇磨的一次风量通过调节 两台送风机的息风量来保证，每台风扇磨对应喷套嚣的二次风通过调节每台喷燃嚣的风煤比来实现 为了保证风麝磨磨出煤榜的良好流动性，局时不发生自燃还必须控制磨煤机出口盼风粉温度傈持 不变。 为了不使炉膛火焰和烟尘外逸维持燃烧的稳定性，保证设备和运行人员安全，要调节引风量 维持妒臆负压稳定一般要求炉臆压力控恻在1 0 p a 到- 2 0 p a 范围内 4 第一章火电机担复杂氩工熏垃控徊与建模应用研究的蔓晨与晨苴博士后出站报告 3 锅炉汽水分离器( 汽包) 水位的控制 对于汽包炉和带有汽水分离器的低倍率循环锅炉，汽水分离器( 汽包) 水位反映了机组燃水比 的失调程度水位太高使饱和蒸汽带水过多，影响过热器的安全运行，水位过低对汽包炉将破坏汽 水循环回路的正常工作，造成水冷壁爆管，对低倍率循环锅炉使再循环泵产生汽化难以维持汽水 循环为保证机组的安全运行要求汽包炉汽包水位控制在设定值附近5 0 m m 范围内，低倍率循 环锅炉汽水分离器水位控制在设定值附近2 m 范围内。 。 4 过热蒸汽温度的控制 大型发电机组的过热器是在其金属管道接近极限温度的条件下工作的，且设计的安全系数较小， 因此过热蒸汽温度过高将减低管道的强度而使寿命缩短，超温严重还使汽机设备膨胀过大，造成汽 机轴向推力增大丽发生事故：汽温过低影响机组效率，主蒸汽温度每降低5 c 机组效率降低1 一般要求主蒸汽温度与其设定值的偏差不超过5 c 5 再热蒸汽温度的控剩 大型机组为提高机组的循环热效率和减低汽耗，同时降低汽机低压缸的蒸汽湿度，普遍采用中 间再热，由于汽机中、低压缸在机组正常工作时调汽阀门全开。因此再热器出口的蒸汽温度成为再 热蒸汽的关键参数，也是需要严格控制的机组过程变量，再热器出口的蒸汽温度的控制要求与主蒸 汽温度的相同。 除上述控制任务外，很明显机组控制系统要实现控制目标，还必须能完成下列非常规的任务【7 】： ( 1 ) 对最重要设备予系统运行约束极限条件的实时监视和评价； ( 2 ) 各相关过程效率的实时最佳化； ( 3 ) 机组最大可应用的负荷变动率的实时预测： ( 4 ) 当出现大的干扰或设备故障时控制系统结构和参数的迅速适应。 此外为了简化操作人员的工作，同时要达到最关键设备操纵的高度可重复性，控制系统经常要求能 完成机组的全程自动化例如机组的自动启动和停止及跳闸到带厂用电等 1 3 火电机组建模与控制研究和应用状况 i 3 1 单元机组常规整体控制系统的应用现状分析与存在的问题 火电机组生产电能是一系列能量转换过程的结果。大致说来这个过程中的主要能量传递包括： 输入的燃料的燃烧蒸汽的产生，推动机械轴的转动，生产出电能，最后是作完功后蒸汽的冷凝。 所有这些能量传递过程构成了一个大的热动力学循环，并且它们之间强烈地互相关联着。 目前的机组控锚策略可使得产生的电能满足电网负荷的 | 寄求同时保持机组内部的各个能量传 递过程之闻的平衡，主要是使锅炉的蒸汽漉量能量输出与汽轮发电机所需要的能量相匹配，以在任 何时候与电同需要的电负荷相匹配机组整体控制方案构成了整个控制系统的最上屡部分，它负赍 将锅炉一汽轮机一发电机缀作为一个整体加以操纵机组的主要行为由电功率和士汽压力回路所支 配机组控制方案从基于p i d 控制算法的多个$ i s o 控制回路组成的分散控制结构演变而来，采用的 控制策略可分成三类：炉跟机、机跟炉和机炉协调控制【8 】【9 1 。 5 ， ，。 第一章火电机曩复杂蠢工曩奠控制与建接应用研究的生晨与晨苴 博士后出站报告 单元机组控制系统广义来说是一个二级递阶控制系统。处于上位级的机组整体控制系统也称为 单元机组主控系统，是整个系统的核心，可分为机组负荷管理中心( l m c c ) 和机炉主控制器两大 部分：处于下位级的是系统的局部控制子系统，包括锅炉燃烧控制系统、汽温控制系统、给水控制 系统和汽轮机功频调节系统以及其它辅机控制系统。当单元机组的局部控制子系统都能正常工作并 有良好的调节品质时，它们可视为单元机组主控系统的随动系统，这时单元机组控制系统可等效为 一个双输入双输出控制系统，l m c c 综合考虑外界对机组负荷的需求和机维实际可能出力两方面的 因素，最后形成机组可接受的最大许可功率输出给定值n o ，机炉主控制器接受此给定值按预定的 控制规律向机炉局部控制予系统发出锅炉负荷指令b ( 燃烧率指令) 和汽机负荷指令1 t ( 汽机调汽 阀门开度) 实现控制目的。因此机炉主控制器的结构和参数对机组控制系统的控制性能起着决定作 用。由于我国目前应用的常规机组控制系统都是在消化吸收引进机组控制技术的基础上设计和改进 的因此下面对我国引进的几个外园公司的典型系统进行分析，分析的重点是它们的机炉主控制器。 1 3 1 1 美圈b a i l e y 公司的b a i l e y - 8 2 0 系统 b a i l e y 8 2 0 系统应用在大港电厂从意犬利引进的3 5 0 m w 燃油单元机组上控制系统采用了机跟 炉为基础的间接能量平衡协调控制系统，这种控制系统的方框图如图1 1 所示其特点分析如下。 圈1 i b a i l e y - 8 2 0 协调控制系绕 ( 1 ) 为补偿锅炉侧对负荷响应的惯性和迟延及 汽机侧再热器造成的中、低压缸的功率变化的惯 性，功率指令给定的比倒微分作为前馈信号并行 地送到机炉控制回路 ( 2 ) 锅炉倒反馈控制器输入信号采用功率偏差 和汽压偏差。汽压偏差信号与功率偏差相比可较 快地反映锅炉蓄热量的变化。通过比例作用在动 1 3 1 2 日本日立公司h i a c s - 1 0 0 0 协调控制系统 态过程中超到修正燃烧率指令的作用：功率偏差 的积分校正是用来补偿负荷变动过程中锅炉蓄 热量的改变，因为这个热量改变不仅与负荷变化 有关。而且与机组负荷存在非线性关系，把这种 关系近似为线性，粗略地认为与负荷成比例，因 此采用了积分速度与功率指令给定成比例变化 的变参数控制策略。 ( 3 ) 汽机侧反馈控制器输入信号为汽压偏差。 为改善常规机跟炉协调控制系统对负荷变化的 适应能力，该系统通过引入非线性元件用功率偏 差来修正汽压设定值，以达到充分利用锅炉蓄热 量提高负荷响应速度，同时使主汽压力不超出允 i 年变化范围的目的；采用p i 控制器保证主汽压力 尽快恢复到设定值。 ( 4 ) 当锅炉侧发生燃烧率内扰时，由于锅炉侧 反馈控制器只有校正作用缓慢的积分调节，并且 扰动初期主汽压力比实发功率反映灵敏，汽压偏 差的交叉反馈作用不能太强，因而造成该系统不 能及时消除内扰的影响。 6 ， 、， + 第一章火电机姐置亲热工重筑控制与总橇应用研究的冀晨与晨苴博士后出站报告 这种系统( 如图1 2 所示) 在工程实践中具有比较广泛的应用，例如宝钢电厂引进的3 5 0m w 机组上使用的日本三菱公司的1 1 0 0 系统是其简化型式，控制系统采用了炉跟机为基础的间接能量平 衡协调控制系统。其特点分析如下。 圈1 2h i a c s - l o 协调控制系统 ( 1 ) 为加快锅炉对负荷的响应速度，功率指令给定的比例微分作为前馈信号送到锅炉控制回路。 ( 2 ) 锅炉侧反馈控制器输入信号采用汽压偏差。当功率指令变化时首先通过比例控制粗调燃烧率， 然后采用积分作用进行细调。考虑到锅炉动态特性随负荷而呈非线性变化，因此采用了积分速度与 功率指令给定成比例变化的近似变参数控制策略。 ( 3 ) 汽机侧反馈控制器输入信号为功率偏差和汽压偏差在功率指令变化的初期控制器根据功率偏 差施加比例积分作用增减汽机调节阀开度指令，充分利用锅炉蓄热，这将引起主汽压的显著变化。 为避免主汽压超出允许变化范围，该系统采取了两项措施：第一点是用实发功率与汽压偏差的乘积 的比例积分作用体现机组在不同负荷可供利用的锅炉蓄热量：第二点用通过引入非线性元件用汽压 偏差来对汽机侧反馈控制器的输出进行限制 ( 4 ) 当锅炉侧出现扰动倒如燃料的发热量变化或燃烧工况不稳定时。由于功率偏差和汽压偏差同 时送到汽机侧反馈控制器，实现了锅炉侧扰动只由锅炉调节器消除，而不引起汽机调节阀门的不必 要动作的单向近似解耦控制保证系统快速稳定地消除内扰 1 3 ! 3 美国f o x b o r o 公司的协调控制系统 石横电厂3 0 0 m w 引进机组上应用了这种控制系统，控制系统采用了炉跟机为基础的直接能量 平衡协调控制系统( 见图1 3 ) ，这种系统的特点如下： ( 1 ) 功率指令给定经比例前馈控制器送到汽机控制回路。 ( 2 ) 功率偏差的p i 反馈校正信号与前馈作用共同形成汽机调节阀门指令 ( 3 ) 锅炉前馈控制器采用p ：【l + k ( p o - p t ) 】作为输入信号。p l 是汽轮机调节级后压力，它代表了进入 汽机的主蒸汽流量，故与机组负荷成正比，并且它能迅速地反映汽机所需要的能量，因此从能量平 衡的角度，它是较好的锅炉能量输入前馈信号：但直接用它作为前馈信号会产生正反馈作用，这 7 z + i0 。一j 第一幸火电机衄复杂热工幕靛控翻与建棋应用研究的置晨与晨苴博士后出站报告 是因为它不仅反映汽机阀门的变化而且反映机前压力p t 的变化，通过理论推导可知只反映汽机所需 要能量的信号为p l 【1 + o ) o - p t yp o a ( 4 ) 主汽压力偏差的p i 反馈校正信号与前馈作用共同形成锅炉燃烧率指令。 i 3 i 4 美国l e e d 3 n o r t h r u p 公司的直接能量平衡( d e b ) 系统 这类协调控制系统是美国l e e d s n o r t h r u p 公司于1 9 5 5 年最早提出的，经过不断完善和改进， 已获得广泛应用。这类系统的特点是采用( p l p t ) p o 代表汽轮机能量需求的信号作为机炉之间的协调 信号图1 4 是l e e d s n o r t h r u p 公司d e b 3 0 0 系统的方框图。 p 0p tp ll dn o n e p 0p tp l 锅 炉 调 节 子 系 统 圈l _ 3 美国f o x b o r o 公司协调控制系境 圈1 4 美国l n 公司d e b 3 0 0 协调控制系统 ( 1 ) 锅炉控制主回路前馈信号用( p d p t ) p o 取代功率指令给定信号，并对( p l p t ) p o 进行比例微分。 反馈控锚器对压力偏差进行p l 校正锅炉控制副回路采用热羹倍号p i + c ( d p d d o 作为反馈信号，热 量信号是汽包炉燃烧率的较准确且快速的间接测量。 ( 2 ) 汽机控制主回路前馈信号仍选取功率指令给定信号。反馈控制器对功率偏差进行p l 校正。汽 机控制副回路反馈信号为p 1 ，p l 作为反馈不仅与机组实发功率成正比而且对调节阀门的动作反应 较灵敏，又不受汽机调节阀门非线性特性的影响。 ( 3 ) 当锅炉侧发生内扰时，p l 和p t 几乎同时变化，由于p i 对燃烧率变化的响应比实发功率快，在 汽机控制主回路p l 校正作用未改变时，汽机控制副回路已使调节阀门动作，使p l 恢复到与功率给定 相对应即使口l 肛r ) 发生相应变化与此同时，锅炉控制主回路的前馈和反馈作用来消除内扰 1 3 1 5 常规机组整体控制方案存在的阿题 由上所述可知工程上实际应用的协调控制系统型式各异，但从控制原理的角度都属于含有非线 性控制元件的前馈一反馈双输入双输出控制系统，通过对这些常规协调控制方案进行深入研究，可以 发现它们存在以下问题： 8 。 一 ；