西门子主汽温优化控制策略浅析_赵长祥

2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 1014 西门子主汽温优化控制策略浅析 赵长祥 成海南 国电科学技术研究院 摘 要 西门子电站自动化的主汽温优化控制 当负荷在 50 100 运行的非常好 是最为成功的范例 本 文详尽地分析了西门子的主汽温控制系统 归纳总结出西门子主汽温控制系统的特点 关键词 电厂 主汽温控制 优化控制 目前 国内电厂的主汽温控制方案 主要是定性分析 串级实现 本文将介绍一种完全不同的 主汽温控制设计方法与理念 西门子主汽温控制策略 供大家借鉴参考 西门子电厂自动化有限公司的控制系统是非常有名 控制效果相当理想的 由于某些原因 西 门子的优化控制方案不是被神化就是被讹传误导 下面 我就主汽温控制系统 介绍西门子控制系 统的主要特点 首先 西门子主汽温控制系统是基于模型的控制系统 一个现场调试人员如果想调试西门子控 制公司设计主汽温控制系统 就必须知道主汽过热器的传递函数 因为 所有由西门子设计的重要 调节系统 都是根据过程对象的动态特性设计的 否则 即使有丰富的调试经验 调试出的主汽温 调节系统的效果也不尽如人意 比如说 某调试人员要确定某锅炉 70 负荷时的主汽调节系统的控 制参数 就必须知道过热器在此情况下的过程对象参数 假定 锅炉在 70 负荷时 某过热器的传 递函数是 T 45 s 调试过程中 这些参数是要付给主汽温控制系统中相应的变量 第二 采用模型预测 众所周知 主汽过热器是大迟延 大惯性环节 比较难以控制 控制不 好 就会产生比较大的超调 传统的西门子主汽温控制方案 主要是采用超前微分控制 后来的主 汽温优化控制也不例外 但不止于此 主汽温优化控制系统结合对象模型 稍作改进 此时超前微 分控制系统就变成一个标准的模型预测控制系统 模型预测的方法 是用减温器后的温度变化预测 目标温度的变化 即从前往后预测 对主汽温超调起到很好的抑制作用 模型预测原理图如下 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 1015 图 1 模型预测 在上图中 G S 是根据过热器对象特性构造的理论传递函数 22是过热器理论输出结果 k 是增 益系数 第三 采用状态观测器进行控制 用减温器后温度点的变化预测目标点的变化 从理论看已经 比较完美了 但是 电厂锅炉是一个异常复杂的系统 影响主汽温变化的因数非常多 减温水扰动 仅仅是其中一个因素 为了进一步改善主汽温控制效果 西门子自动化公司提出了状态观察器的概 念 原理如下 图 2 状态观察器图 假如主汽温过热器存在一个中间点 12 该点在实际的控制系统中是不可测量的 西门子自动 化公司通过某种方法 由主汽温 2的值推算出中间点 12的值 并应用于主汽温控制系统 计算公 式采用的形式如下 12 s k12 2 s f s 必须提出注意的是 它于现代控制理论中的状态观察器的是完全不同的 它不是无规律的 任 人构造的观测器 而是重新构造了一个新的 于实际对象非常相似的控制对象模型 通过状态观测 器 主汽温控制系统的控制品质得到进一步提升 第四 用负荷修正主汽温控制控制系统参数 如果控制对象的动态特性是不变的话 任何人 只要时间够长 总能找到比较合适的控制参数 但是 电厂主汽温控制系统的对象动态特性是不断 变化的 而且变化还相当大 所以 我们企图用用万能的定参数方法 去调试主汽温控制系统 必 然不能得到理想的结果 西门子电站自动化认为 机组负荷的变化是引起过热器对象特性变化的主要因素 负荷变化 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 1016 对象动态特性变化 控制器参数也应当变化 因此 采用负荷参数动态修正 PID 控制的参数就是必 然的选择 比如在负荷为 100 时 主汽温控制系统中 下列的 PID 参数比较理想 那么 负荷在 60 时 如果仍然得到理想的主汽温控制效果意 根据某种规则 对控制器参数 自动修改 PID 参数大致如下 第五 用热焓值修正控制器参数 主汽温控制系统 是针对电厂锅炉设计的 其调节过程 实 质上是调整主蒸汽的热焓值 通过查表 我们得知 压力 165atm 温度 540 时 调节 1 大约需要 2 79KJ Kg 压力 90atm 温度 540 时 调节 1 大约需要 2 45KJ Kg 可见 对于 1kg 的主蒸汽而言 在相同温差 比方 1 在不同的压力下 所需要调整的能量 是不同的 也可以说 所需要的减温水是不一样多的 因此 调节器的控制参数也应该是不一样的 西门子自动化公司没有去刻意测量对象动态特性函数的增益 而是另劈奇径 把所有温度参数 变化 统一用热焓值换算成标准量 然后参与运算 这样就巧妙地避开了过程对象动态特性中增益 参数的变化 同时也体现出该主汽温控制系统是专门为电厂设计的宗旨 第六 减温水阀门阀位非线性修正 减温水阀门的非线性 也是影响主汽温控制品质的重要参 数 常见的减温水阀门特性如下图 图 3 一般调节阀特性图 如图所见 减温水阀门在接近关死时与阀门接近开足时的特性相比较 阀门开度分别 1 它所 引起的减温水流量变化量相差几十倍 甚至百倍 这种常见的减温水阀门特性如果不及时校正 控 制系统的调节品质就要大打折扣 比如在阀门开度大时 调节速度太慢 阀门开度小时 调节速度 又太快 除此之外 阀门频繁动作 也会对阀芯 执行器产生严重的磨损 维修量大增 根据需要 西门子电站自动化采用了一个很简单方法 修正控制器比例参数 修正系统如下 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 1017 dx 表示阀位的变化 dw 表示减温水的变化 为了接近于实际应用 k 在实际应用时 控制在一定的范围 改进后 减温水调节阀动作频率 明显降低 而且在阀门全行程中 主汽温调节品质基本相似 达到优化目的 第七 自学习模块 实际上自学习模块并非真的具备自我学习的功能 而是为了在出现震荡 当震荡出现后 自学习模块自动削弱调节强度 从而有效地防止事故 换个角度说 该模块一般仅 在调试中使用 功能是减小比例系数 正常运行时 不使用该功能 其基本思想是 阀位在关死位附近 如果在很短的时间内 阀位反复发生震荡 就有必要去修 正 PID 参数 即降低控制器的比例增益 自学习模块也具备增加增益的功能 不过 一般不使用 第八 负荷信号参与控制 总所周知 锅炉加负荷时 如果不及时采取超前措施 主汽温必然 超温 机组目标负荷发生变化 各中间点的温度也必然发生变化 如不及时修正 机组的运行效率 也必然会受到影响 因此 机组负荷信号在主汽温控制系统中起双重作用 1 修正过热器相关中间点温度的定值 2 采用二次微分信号 超前控制主汽温控制 微分信号表达式为 第九 优化一 二级减温水的最佳分配 从热力学的角度看 如果二级减温水多 而一级减温 水少的话 锅炉的热效率相对要低一些 同时 各调节阀又有必要使得调节阀保持必要的开度 以 适应负荷的变化 基于这种认识 西门子的主汽温优化控制系统按照确定的比例优化一 二级减温 水之间的分配 从而达到提高热机组的效率的目的 下面 用一幅完整控制原理图说明西门子自动化控制公司的主汽温控制策略 图 4 主汽温优化控制策略图 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 1018 西门子主汽温控制系统的特点 通过模型预估 状态观测器 重构对象 把大迟延 大惯性环 节变成快速反应对象 阀位校正 热焓补偿 自学习模块 自动修正控制系统参数 负荷作前馈信 号 超前调节 优化一二级减温水之间的减温水分配 一个完整的西门子主汽温优化控制系统 将 电厂热力特性与自动控制原理 节能降耗与