內模控制在火電廠主汽溫系統中的應用

摘 要：基于現代火電安全高效發展，主汽溫系統作為火電廠重要系統之一。對內模系統研發有一定的必要。蒸汽通過鍋爐出口溫度過高容易導致過熱器和高壓缸超過受熱范圍對設備損傷較大。主汽溫偏低是，首先火電生產效益降低，增加煤炭使用量。其次縮短葉片的使用壽命。威脅機組運行安全。而內模控制系統很好的解決以上問題。抗干擾能力強、較好的跟蹤性以及魯棒性。本文主要介紹內模控制系統、PID串級控制系統以及對主汽溫系統進行一個簡介。通過分析內模控制、PID控制進行比較其精度高和魯棒性。

關鍵詞：內模控制；PID控制；主汽溫系統；Matlab

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.132

1 緒論

針對火電廠主汽溫系統的大遲延、大慣性特性時變和非線性動 態特性，基本有以下三種控制策略：1、提出了模糊自整定PID策略。包括串級PID控制系統、內模控制系統。內模控制系統比較容易滿足火電的控制性能。而且操作簡單。粗調階段基于發電機組負荷進行模糊預整定，細調階段基于系統的被調性能指標進行再整定，根據運行工況的改變并消除各種不可預測干擾。然后創新性地應用到主汽溫控制中。2、采用T-S模糊模型描述復雜的工況條件下，并把該工況條件作為系統的內部模型，然后T-S模糊模型對該工況求逆。能夠建立基本模型。3、提出了基于粒子群優化算法設計優化PID控制器的方法。

2 內模控制

內模控制室根據數學模型建立起的仿真軟件。設計思路簡單、對火電廠的控制系統魯棒性有很好的控制效果。從而穩定控制主汽溫控制系統，達到安全運行標準及其經濟的運行模式。已在工業生產過程中廣泛運用。

主汽溫度對象具有大延遲、大慣性等，可以采取基于階躍響應的最小二乘方法，根據對象的階躍響應曲線和最小偏差得到被控對象的模型。根據相關數據串級控制仿真系統調整時間為700S，而內模控制的調整時間為650S。可以看出來內模控制系統在超調量以及調整時間都優于串級PID控制系統。

虛線部分表示內模結構部分。數學模型建立起的仿真軟件實現預期效果。內模控制包括：控制器、過程模型。

內模控制系統是建立在理想條件下，在實際火電廠運行情況下，會產生一定的誤差。

內模控制器的設計。通過兩方面對其分析，首先在不考慮魯棒性及其不穩定因素設計控制器，二是通過加裝濾波器，對動態性能和魯棒性進行調整。（穩定控制器設計、濾波器設計）

3 主汽溫控制系統任務和設計原則

在現代火電發展中，鍋爐的過熱器是由三部分組成：輻射過熱器、對流過熱器以及減溫器。將飽和的蒸汽通過過熱器加熱，傳送到汽輪機中帶動葉片做功。主蒸汽自動控制系統是將主蒸汽的溫度控制在一定范圍內530℃-545℃。

3.1 主氣溫是鍋爐的重要指標

（1）主蒸汽氣溫過高，將導致鍋爐受熱面發生形變，影響使用壽命。甚至會發生管道爆裂等危險情況。在過熱情況下設備（氣缸、氣門、噴嘴和葉片）機械強度明顯降低，對設備損失較為嚴重。

（2）氣溫過低不利于火電機組循環的熱效率。增大煤炭的使用量，增加經濟負擔。主蒸汽氣溫過低蒸汽濕度增大，降低了汽輪機運轉功率，而且還會對葉片產生侵蝕作用，加快設備老化，增加運行安全隱患。

（3）主蒸汽溫度變化過大，容易產生設備之間體積發生變化，導致生產運行過程中劇烈振動，增加運行安全隱患。

3.2 主汽溫控中的難點

主汽溫控制是鍋爐的各項控制中比較困難的任務之一，造成這些困難的原因包括以下三點。

（1）主汽溫變化的影響因素眾多，比如負荷變化、送風變化、給水溫度的變化、減溫水量的變化、火焰中心位置的變化、流經過熱器的煙氣溫度及流速變化、鍋爐受熱面結垢等等。

（2）在各類擾動下，被控對象有非線性、時變等特點，增大了控制的難度。

（3）主汽溫大遲延、大慣性帶來的控制困難，特別是隨著機組容量和參數的增加，受熱面比例增大，使得遲延和慣性更大，進一步加大了控制的難度。

3.3 主氣溫控制系統的設計原則

以下四點設計原則：（1）影響過熱汽溫變化的因素很多（如負荷，煙氣等），選擇改變煙氣量或煙氣溫度（如改變噴燃器角度）作為汽溫調節手段時，過熱汽溫的動態特性較好，但實現起來比較麻煩，并可能會造成與燃燒控制系統的相互干擾。（2）當前，多采用噴水減溫的方法作為控制汽溫的手段。對于維持汽溫這一要求而言，被控對象主汽溫在控制作用下具有大延遲、大慣性的特性，如果只根據汽溫偏差來改變噴水量往往不能滿足生產上的要求，因此，在設計控制系統時，應該加入比過熱汽溫提前反映擾動的前饋補償信號，如負荷前饋信號，導前汽溫信號等。當擾動產生后，過熱汽溫還未發生明顯變化的時候就進行調節，及早地消除擾動對汽溫造成的影響，以便有效地控制汽溫的變化。（3）盡量采用快速測量元件，選擇正確的安裝位置，以減少控制通道的滯后和慣性。由于控制通道的滯后和慣性，不能及時反映溫度的突然變化，因此也就不能及時地發出控制信號，造成控制系統穩定性差和控制質量不好。（4）對于現代大型鍋爐，由于過熱器管道加長，結構變得復雜，其滯后和慣性大大增加，為了完成控制主汽溫和保護過熱器兩個任務，多采用分段汽溫控制系統。

由于各種鍋爐過熱器的結構存在差異，所以它們的動態特性和靜態特性也有差異，因而，過熱汽溫的自動控制系統大致可分為：串級汽溫控制系統，采用導前汽溫微分信號的雙沖量汽溫控制系統，相位補償汽溫控制系統和分段汽溫控制系統。

目前，在火力發電廠的主汽溫控制系統設計中，多數是采用的串級控制系統和采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統。

4 仿真研究

主汽溫控制系統是火電廠中重要的控制系統之一。鍋爐主氣溫是影響電廠運行過程重的重要指標。主氣溫過高，容易燒壞過熱器，引起過熱器爆管嚴重事故。主氣溫過低，會降低運行效率，增加經濟效益而且存在安全隱患。每降低5-10℃，熱效率降低在1%，增加經濟負擔，煤炭使用量增大。并且溫度過低會侵蝕葉片，加快設備老化程度。先通過研究內模控制IMC應用在主汽溫上，從而本質上解決了很大一部分安全問題。將內模控制IMC當作串級控制系統重的主調節器，通過仿真實驗表明IMC比串級PID性能更加優越。

4.1 串級控制系統

導前區是一個快速環節，利用的是純比例控制，常規PID控制器的整定方法回路得串級控制。

4.2 魯棒性分析比較

為了進行魯棒性分析，分為以下兩種情況：內擾，外擾。在兩種情況下對象參數變化分別對串級PID控制系統和內模控制系統進行仿真比較。

5 總結

火電廠的主汽溫是大慣性、大滯后的對象，并且通過動態特性隨機組的符合的變化發生變化，運行過程中干擾因素多。從以上的論文數據顯示實際的PID主汽溫控制系統實例來看，并不能很好的控制效果。在充分考慮主汽溫是大慣性、大滯后、魯棒性的因素特性，故研發出內模控制系統，該系統能很好的識別模型后，就能求出內模控制器。而且能準確判斷出來。根據內模控制原理，設計控制器采用了Matlab軟件進行仿真。對更好地研究不確定大延遲對象的控制有一點意義。

本文主要對以下三點工作：

（1）介紹現代火電背景下，研發內模控制系統的重要性。鍋爐主汽溫控制策略研究，綜述了引起鍋爐溫度變化的因素、控制的必要性、以及安全經濟問題。

（2）系統的介紹了主汽溫控制系統的任務、設計原則以及主要難點。

（3）基于內模控制理論，利用最小二乘識別出模型，求取內模控制器，對內模控制系統和串級控制系統PID系統進行比較。從數據表明內模控制系統優于串級控制系統PID。

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作者簡介：張方（1988-），男，浙江余姚人，本科，助理工程師，項目經理，研究方向：電廠自動化。