W火焰锅炉主汽温控制探析

W 火焰锅炉主汽温度控制优化与完善 关键词 PID 协调 PID 积分饱和 减温控制 1 存在问题 电厂 2X300MW 机组是亚临界 中间一次再热机组 锅炉采用英国三井巴布科克能源有限 公司生产的 W 火焰燃烧锅炉 配备一次风正压直吹式双进双出钢球磨制粉系统 过热器 分为三级 初级过热器 屏式过热器 末级过热器 过热器蒸汽温度采用分段减温水控制 电厂 3 机组是在 2001 年 12 月底投入试生产 2003 年 2 月交付商业运行 2003 年前其主 汽温度控制效果一直不好 机组负荷稳定时尚可投入自动 当机组变负荷运行时 主汽温度 控制无法投入自动 不利于机组的安全经济运行 图 1 中 C1 C3 分别为二级减温控制回路的主副调节器 C4 C5 分别为一级减温控制回路的 主副调节器 C2 为协调调节器 2 原因分析 过热器其任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定的数值 然后送到汽轮机做功 大型 锅炉由于过热器管道较长 结构较为复杂 为了进一步改善控制品质 W 锅炉过热器采用 了两级减温水控制过热汽温 一级喷水减温器位于初级过热器和屏式过热器之间 控制屏式 过热器出口温度 二级喷水减温器位于屏式过热器和末级过热器之间 控制末级过热器出口 温度 即主蒸汽温度 过热器有有 2 个一级喷水减温器 减温水取自给水泵母管管道 经一 共同的减温水流量计后 分别送入各个减温器 每个减温器构成一个独立的控制系统 二级 喷水减温的结构类同于一级减温 但是设计的两级减温水流量有很大的差别 一级减温水流 量设计容量为二级减温水流量设计容量的十倍左右 这和国内锅炉两级减温水流量基本一样 有很大的差别 这也决定了减温水控制方案必须有特别之处 但是其一级减温和二级减温控 制是独立的 一级减温控制的是屏式过热器的出口温度 其设定值由运行人员改变 二级减 温控制的是末级过热器的出口温度 其设定值由运行人员改变 所以一 二级减温彼此独立 TDA TDB 2 I P 减温水调门 PID PID TAA TAB 2 TCA TCB 2 PID TBA TBB 2 I P 减温水调门 PID PID P F x X SP C1 C2 C3 C4 C5 二级减温控制一级减温控制 图 1 减温控制 SAMA 图 的控制方案不适于机组变负荷的要求 会出现当二级减温水调门全开时 主汽温度仍然上升 而一级减温水调门开度却很小 造成主汽温度控制品质差 严重时出现主汽温度失控的局面 必须加强一 二级减温控制的协调控制作用 另外对于串级调节系统积分饱和是影响控制品 质差的令一大因素 3 控制方案优化完善 针对上述原因对主汽温度控制方案进行了优化 1 蒸汽流量信号通过函数发生器转化作为副调节器的前馈信号 以减小蒸汽流量信号 动态过程中对过热汽温的影响 改善过热汽温的品质 2 不同的负荷下 减温喷水量对过热汽温的对象特性是非线性的 为了适应不同的负 荷 主副调节器的 PID 参数设计成自适应参数调节 即 PID 参数随着机组负荷的变化而变化 这样 在整个机组负荷范围内 过热汽温都能达到良好的控制品质 3 在串级控制回路中 影响控制性能的最大问题是主调节器的积分饱和 副调节器可 通过简单的积分限幅来实现抗积分饱和 而主调节器的抗积分饱和必须通过比较复杂的回路 才能实现 本方案完美地实现了主调节器抗积分饱和功能 在串级控制中 只有当调节阀门 全开或全关时才会出现积分饱和 假设当调节阀门全关 阀门反馈 2 时 通过限制主调 节器的输出上限为减温器的出口温度即副调节器的测量值 消除积分饱和 但仅仅这样还不 太完善 因为当主调节器的限幅起作用时 对副调节器必然产生阶跃扰动 造成阀门打开 不利于温度的控制 在以往的抗积分饱和方案中基本上仅仅到此 本方案对此进行了完善 当阀门全关时 发一 2 3 秒的脉冲 禁止副调节器的输出 消除了阶跃扰动 也不影响温 度的进一步控制 使过热器温度控制品质得到了优化 4 在一 二级减温控制回路中增加一个协调 PID 控制功能 见图 1 中的 C2PID 过去 我们采用的两级减温控制方案 一般是一 二级减温控制回路彼此独立 各控制回路的被调 量的设定值彼此没有联系 其设定值的产生要么是由运行人员设定 要么是根据蒸汽流量通 过函数转换产生 这种控制方案的优点是 两控制回路彼此独立 方便控制参数的调整 但 缺点是当燃烧工况或机组负荷变化时 可能造成二级减温控制的减温水调节门全开或全关时 主汽温度仍不能达到设定值 一级减温水调节门却仍有调节余量 由于一级 二级减温控制 是彼此独立的 所以无法解决上述问题 造成主汽温度控制品质差 尤其对于一 二级减温 水设计流量相差很大的温度控制方案 本控制方案很好的解决了上述问题 在一级和二级控 制回路之间 增加一个 PID 以协调一级和二级的调节作用 称之为协调 PID 工作原理介 绍如下 当一 二级减温控制正常工作时 协调 PID 的输出跟踪二级减温控制的主回路 PID 的输出 当二级减温水调节门Y X Y 根据调节门的流量特性确定 协调 PID 的输 出不再跟踪二级减温控制的主回路 PID 的输出 而是进行 PID 运算 协调 PID 的测量值是主 汽温度 设定值是主汽温度设定值 协调 PID 的输出加一偏置 一般 5 左右 作为一级减 温控制回路屏式过热器出口温度的设定值 因为一级减温水流量相对较大 为了保证进入屏式过热器的蒸汽有一定的过热度 对副 调节器的设定值进行了限制 使其不能小于相应压力下的饱和温度和偏置量之和 这样 通过协调 PID 把一级减温控制和二级减温控制有机地结合起来 使过热器减温 控制的适应性更强 由于一 二级减温水设计流量不同 一级减温控制对主汽温度起粗调作 用 二级减温控制对主汽温度起细调作用 在正常控制时 二级减温控制回路的主调节器的 输出 一路送给副调节器作为副调节器的设定值 控制二级减温水调节门 另一路通过协调 PID 产生一级减温控制回路屏式过热器出口温度的设定值 控制一级减温水调节门 当二 级减温水调节门全关 Y 时 二级减温控制主调节器由于限幅的作用 对 主汽温度暂时不起控制作用 协调 PID 进行 PID 运算 产生一级减温控制回路屏式过热器出 口温度的设定值 控制一级减温水调节门 从而控制主汽温度 当一级减温水调节门全开或 全关时 为了消除积分饱和 协调 PID 的输出下限或上限为屏式过热器出口温度和偏置之差 4 系统整定与优化 在二级减温控制正常工作时 汽温控制系统的方框图如图 2 在参数整定时 先用一般 整定单回路的方法求得副回路中副调节器的整定参数 然后再整定主回路中主调节器的参数 投入自动后 再根据实际控制效果进行细调 一级减温控制的参数调整类似 由于一级和二 级控制并不彼此独立 造成二级控制系统的主调节器参数调整更加复杂 只能根据实际的控 制曲线进行调整 图 2 二级减温控制工作正常时汽温控制框图 图中 0 为主汽温度的设定值 1 为主汽温度 1 为屏式过热器出口温度 WPID S 为二级减温控 制主调节器 WPI S 为二级减温控制副调节器 W2 S 二级减温控制导前汽温对喷水扰动的传递函数 W1 S 二级减温控制主汽温对导前汽温的传递函数 WPID S 一级减温控制主调节器 WPI S 一级减温控制副调节器 W2 S 为一级减温控制导前汽温对喷水扰动的传递函数 W1 S 为屏式过热器出口温度对导前汽温的传递函数 在二级减温控制不能正常工作时 减温水调节门全关或全开 汽温控制系统的方框 图如图 3 一级减温控制回路的参数已整定好 主要是整定协调调节器的参数 根据实 际的控制曲线进行调整 控制参数调整期间 根据实际情况 对协调调节器的主汽温度 设定值形成进行优化 当二级减温水调节门全开 或全关 时 协调调节器起作用 此 时对在原主汽温设定值的基础上减去 或加上 2 作为协调调节器的设定值 此改变有 两个优点 一 加快温度的调节速度 二 使一级减温水有一定的过调量 这样就能够 恢复二级减温水调节门的调节作用 提高了主汽温的控制品质 图 3 二级减温控制工作不正常时汽温控制框图 图中 0 为主汽温度的设定值 1 为主汽温度 WPID S 为协调调节器 WPID S 为一级减温控制 主调节器 WPI S 为一级减温控制副调节器 W2 S 为导前汽温对喷水扰动的传递函数 W1 S 为屏式过热器 出口温度对导前汽温的传递函数 W1 S 为主汽温度对屏式过热器出口温度的传递函数 5 结论 通