亚临界600MW引进机组过热蒸汽温度控制系

1、引进机组过热蒸汽温度控制系统分析 彭 钢，阎凯峰摘要：对引进机组主蒸汽温度控制系统在克服其被控对象的大迟延、大惯性、时变性和非线性的内在机理进行了分析，提出了该控制系统的调整和投运应注意的问题。邯峰发电厂1期工程2×660MW机组锅炉为美国福斯特惠勒能源公司FWEC设计制造的2020t/h亚临界自然循环汽包炉，汽轮机为德国SIMENS公司制造的HMN系统单轴、四排汽、纯凝汽反动式汽轮机，发电机为SIMENS制造的THDFll5/67型发电机。机组DCS采用SIMENS公司的TELEPERM-XP系统。本文对该机组的过热汽温控制系统进行分析，研究它在克服主蒸汽温度被控对象的大迟延、大惯

2、性、时变性和非线性的内在机理，并对其调整和投运过程中的问题进行研究。一、过热蒸汽温度控制系统分析1.1 过热蒸汽温度控制的工艺流程    机组过热器喷水减温系统工艺流程如图1所示。该系统设置了2级喷水减温器，每级减温器分左右两侧布置。第1级减温器布置在分割屏过热器的入口，其喷水量占总设计喷水量的2/3，在第1级减温器左右两侧均设置有2个喷嘴与相应的调节阀门。第2级减温器布置在末级过热器的入口，其喷水量占总设计喷水量的1/3，第2级减温器左右两侧各设置1个喷嘴与相应的调节阀门。每侧喷嘴和阀门系统的设计能力均为该级喷水量的50%。1.2 过热蒸汽温度控制系统 

3、;   对应于图1所示的工艺系统，整个过热汽温控制系统也相应地包含了第1级和第2级减温喷水流量控制系统。由于两级的控制系统原理基本相同，因此本文仅对第1级减温控制系统进行分析。图2给出了第1级减温(左侧)控制系统示意。该控制系统以分割屏过热器出口汽温作为被调量进行调节，以保护屏式过热器管壁不致超温，同时配合末级过热汽温控制系统的工作。分割屏过热器出口蒸汽温度的偏差信号经过蒸汽焓值校正后，分别经过燃料量前馈信号和预估控制信号的补偿，然后经过过热度保护回路的处理后，经PID调节器送至阀门控制回路，以控制第1级减温器左侧的2个减温水调节阀。    图

4、2中u'为减温水调节阀开度(%)，t'1为第1级减温器后的温度()，t'2为分割屏过热器后的温度(),t'0为分害屏过热器后温度调节的设定值()。 蒸汽焓值校正作用    图2所示的减温控制系统中，蒸汽焓值校正系数是随汽包压力值的不同而改变的，其关系如图3所示，其校正作用相当于根据机组运行工况的不同而自动修正控制系统的开环增益。当屏式过热器出口汽温受该处蒸汽焓值影响而发生变化时，能够提前调整减温水量，以更好地维持分屏割过热器出口汽温的稳定。    式中:ts为蒸汽的饱和温度()，pb为汽包压力(MPa)

5、。    在实际应用过程中，将式(1)计算得到的第1级减温器出口蒸汽的饱和温度，加2030作为分割屏过热器入口蒸汽温度的保护值(如图5所示)，当实测汽温低于该保护值时，该保护回路输出为0的信号，以限制减温水调节阀开度的增大，保持分割屏过热器入口汽温在相应的过热度保护区间内，避免屏式过热器入口蒸汽带水，影响机组的安全运行。         预估补偿控制    预估补偿控制是主蒸汽温度控制的核心环节，其作用是针对大型机组主蒸汽温度控制对象大迟延、大惯性、时变性

6、和非线性的特点，通过构造数学模型改善被控对象的动态特性，以提高调节系统的调节品质。在第1级减温控制系统中(图2)，其预估补偿控制回路如图6所示。             图6中：PT1为一阶惯性环节，y=f(x)为在不同主蒸汽流量下各一阶惯性环节PT1时间常数的函数。二、过热蒸汽温度控制系统中预估补偿控制的研究2.1 减温过程被控对象的动态特性   大型火电机组的第1级减温控制被控对象，是一个高阶、大迟延、大惯性、时变、有自平衡能力的复杂对象。在热工调节系

7、统中，通常将减温被控对象分为两个区域，即从减温水调节阀开度u'到减温器后温度t'1这一段称为导前区，从减温器后温度t'1到第1级减温出口温度t'2这一段称为惰性区(图2)，设其传递函数分别为G'1(s)和G'2(s)。   导前区动态特性，即第1级减温器后的温度t'1对减温器喷水流量(或减温器调节阀开度u')的时间响应特性，主要表现为一个有自平衡能力的惯性过程(纯迟延小，可忽略)，因此可用一个一阶惯性环节的数学模型来描述: 式中，t'1(s)和u'(s)分别为第1级减温器后的温度和调节阀开度的拉

8、式变换(图2)，K'1为导前区对象的静态增益，T'1为导前区对象的时间常数。    惰性区动态特性主要表现为一个大迟延的过程，这主要是由于在分割屏过热器中，各种复杂的加热设备和较长的蒸汽管道对主蒸汽温度滞后作用所造成的，因此其传递函数G'2(s)可以用一个纯迟延环节加上一个一阶惯性环节的数学模型来描述:式中:t'1(s)为第1级减温对象输出的拉式变换(图2)，K'1为惰性区对象的静态增益，T'1为惰性区对象的时间常数，'为惰性区对象纯迟延时间。   由于整个第1级减温被控对象是由式(2)和

9、式(3)组成，因此其模型G'(s)可描述为:2.2 多个一阶惯性环节串联的动态特性    考虑由n+1个一阶惯性环节串联而组成的数学模型，如图7所示。图7中:x0为模型的输入，xn为n个一阶惯性后的模型响应,xn+1为n+1个一阶惯性后的模型响应。       在前n个环节中，每个一阶惯性环节的时间常数均为/n，前n个环节的时间常数的总和，第n+1个环节的时间常数为T1。当整个串联环节中(图8所示)有一个环节的时间常数占主导优势时，即它的时间常数比其余的要大得多时(大型机组的减温对象正是如此)。因此，设第n

10、+1个环节(其时间常数为T1)，即当T1/n时，前n个时间常数较小的一阶惯性环节一起作用时，将会产生一个非常近似于纯迟延时间为滞后效果，这一点可以从图8清楚地看到。          图8表示n从1逐渐增加时，前n个时间常数均为/n的一阶惯性环节对输入x0为单位阶跃变化时的响应曲线。该曲线表明，随着n的增大，前n个环节的响应曲线(xn)逐渐向一个纯迟延为加上一个一阶惯性环节(不妨设其时间常数为T2)的过程响应曲线转变，即:        

11、0; 根据以上结论，可得图7所示的n+1个一阶惯性环节所构成模型的传递函数为          比较式(4)和式(6)可以看出，只要参数选择合适，图7所示的n+1个一阶惯性环节所构成数学模型  ，可以较好地代表减温对象的动态特性。2.3 预估补偿原理分析    第1级减温过程的动态特性可由式(4)表示，由图2和图6，可以得出具有预估补偿控制的减温控制系统方框图(图9)。    图9中：Wc(s)为PID调节器的传递函数，  &

12、#160; 根据式(7)的结论，可将图9变换为图10，进一步等效变换后，可变换为图11。     由图11可推导出第1级减温控制系统的闭环传递函数为：         由于特征方程式(8)不包含，即回路中消去了纯迟延环节，所以调节器Wc(s)能够更加及时地进行调节，使系统的稳定范围大大提高，并允许Wc(s)采用比较强的控制和较大的调节增益。同样，从方框图9到11的变换过程也可以看出，由于引入了预估参考模型，将过程的迟延环节移出到闭环系统之外，使系统的反馈信号不受的影响，即相当于把的输出

13、作为反馈信号，从而使反馈信号提前了'时刻，因此，实现了所谓的预估补偿控制。正是由于闭环特征方程不含纯迟延项，从而解决了因频率的增加、的相角无限减小、而使系统的稳定范围大大缩小的问题，使系统调节品质、稳定性等得到相应改善。通过适当调整调节器Wc(s)，可使系统的响应速度和适应性得到提高。2.4 预估补偿模型的修正    为了正确地实施预估补偿控制，必须要求得到较准确的补偿环节的数学模型，若该模型与对象特性不一致，则在闭环系统的特征方程中还会存在纯迟延环节，当两者相差较大时，甚至会造成控制系统的稳定性变差。由于大机组减温系统被控对象还是一个参数时变的过程，即不

14、同的工况(负荷)下，被控对象的动态特性要发生变化，因此需要对预估补偿模型进行修正。    从分析中可以看出，只有当预估模型的等效模型满足式(7)时，预估补偿控制才能实现很好的补偿。模型误差越大，即和越大，则补偿效果越差。由于纯迟延环节为指数函数，故纯迟延环节对误差的影响更大，即在补偿环节中，的精度比的精度更重要因此，在预估模型设计中，增加了预估补偿模型中一阶惯性环节的时间常数作为机负荷变化的函数，以适应过热汽温动态特性中纯迟延的时变性。在图6的预估补偿回路中，采用了主蒸汽流量Q作为输入变量(代表机组负荷)，以修正预估环节的时间常数，实现对被控对象纯迟延特性的准确补偿。三、结语    大型火电机组的主蒸汽温度控制系统外部扰动因素比较多，扰动量大且频繁，主蒸汽温度被控对象具有大迟延、大惯性、时变性等特点，这些都增加了主蒸汽温度控制的难度。在邯峰电厂机组的过热汽温控制系统中，采用了预估补偿控制、蒸汽焓值校正控制、燃烧量前馈控制以及过热度保护控制等多种手段，使减温调节具有较强克服各种扰动的能力，在机组负荷和支行工况改变引起过热汽