超臨界機組主汽溫控制策略的仿真研究

李晉

摘 要：本文分析了超臨界機組汽溫系統的特點以及過熱汽溫的影響因素，提出了采用燃水比調節作為粗調，噴水減溫作為細調的控制策略，然后針對不同負荷下的噴水減溫控制采用常規PID控制系統并進行仿真研究。最后，針對噴水減溫控制的大遲延、大慣性的特點，引入預測控制改善常規PID控制的不足。仿真結果表明，預測控制與常規PID控制相比，系統的調節速度更快，系統的穩定性更強。

關鍵詞：超臨界機組；預測控制；燃水比；中間點溫度

1 超臨界機組汽溫控制簡介

（1）影響汽溫的主要因素：給水量與燃料量配比不當；給水溫度的變化；燃料發熱量的變化；火焰中心的移動；過剩空氣量的變化；輻射受熱面的結焦、積灰或對流受熱面的積灰引起備受熱面傳熱系數有不同程度的降低，等等。

（2）汽溫控制方案為了獲得較好的蒸汽品質，對于直流鍋爐而言，必須先采用燃水比調節系統作為過熱器出口主蒸汽溫度的粗調，然后采用噴水減溫作為細調，其中燃水比控制在超臨界機組汽溫調節中起著至關重要的作用：只有維持燃水比的穩定，才能將中間點溫度控制在一定范圍內，鍋爐汽水系統中的變相點也就基本固定，從而保證過熱汽溫在一定可控制范圍內；而噴水減溫則利用其快速的動態響應特性細調過熱汽溫。

2 常規噴水減溫

（1）系統的構成及工作原理。在串級汽溫調節系統中，由于兩個回路的任務及動態特性不同，可以選用不同的調節器。內回路及副調節器的任務是快速消除內擾，要求調節過程的持續時間較短，但不要求無差，故一般可選用純比例調節器。當導前區慣性較大時，也可選用比例微分調節器。外回路及主調節器的任務是維持恒定，一般選用比例積分調節器。當過熱器惰性區慣性較大時，也可選用比例積分微分調節器。

（2）整定方法。一般講，汽溫對象導前區的遲延和慣性比惰性區要小，而且副調節器又選用P或PD規律，在這種規律下內回路的調節過程要比外回路的調節過程快得多。當發生減溫水擾動時，內回路可以很快地予以消除而使過熱器出口溫度基本上不受影響。因此，當內回路動作時，外回路可以視為開路狀態；當外回路動作時，內回路可以視為快速隨動系統。

（3）具體整定及仿真結果。

①當負荷為37%時。

A內回路整定：調節穩定值-0.1831，最大動態偏差0.0997，調節時間99.6938，衰減率0.7064，積分準則3.6137。

B外回路整定：調節穩定值10.000，最大動態偏差2.5536，調節時間2724.9，衰減率0.7493，積分準則6151.5。

②當負荷為50%時。

A內回路整定：調節穩定值-0.143，最大動態偏差0.0708，調節時間84.0946，衰減率0.778，積分準則2.591。

B外回路整定：調節穩定值10.000，最大動態偏差2.3246，調節時間1750.4，衰減率0.7589，積分準則3832。

③當負荷為75%時。

A內回路整定：調節穩定值-0.0745，最大動態偏差0.0368，調節時間67.2964，衰減率0.7635，積分準則1.0733。

B外回路整定：調節穩定值10.000，最大動態偏差2.3312，調節時間1122.2，衰減率0.7571，積分準則2482.7。

④當負荷為100%時。

A內回路整定：調節穩定值-0.0336，最大動態偏差0.0175，調節時間60.6183，衰減率0.7326，積分準則0.4423。

B外回路整定：調節穩定值10.000，最大動態偏差2.4894，調節時間643.3311，衰減率0.7371，積分準則1437.2。

3 汽溫預測控制

（1）預測控制算法動態矩陣控制（DMC）。

對于弱非線性對象，可在工作點處首先線性化；對于不穩定對象，可先用常規PID控制使其穩定，然后再使用DMC算法。DMC控制包括3個部分：預測模型、滾動優化、反饋校正。

（2）DMC-PID 串級主汽溫仿真研究根據DMC算法原理構建的Simulink模型，得出：

串級控制性能指標：調節時間520，動態偏差3.6；DMC-PID性能指標：調節時間260，動態偏差0；DMC-PID與串級PID的比較結果：采用DMC-PID的系統基本沒有超調量，而且相比過渡時間比較短，響應速度快得多，明顯優于常規PID串級系統。通過仿真比較，本文設計的主汽溫預測DMC-PID串級控制系統的控制品質和魯棒性明顯優于常規PID控制系統，而且設計方法簡單易行，微機編程方便，適于實時控制的特點，便于在工程中應用，為大遲延、大慣性系統的控制提供了一種新方法。

4 結論

（1）分析了超臨界機組的汽溫系統特點和影響直流爐主汽溫度變化的各種因素，提出了各種因素的變化對主汽溫度的具體影響。

（2）本文介紹了幾種常見的控制方案，對采用水溫、微過熱汽溫、焓值等不同校正信號的燃水比控制方案進行分析并比較其優缺點。

（3）針對不同負荷下的直流爐主汽溫模型分別采用常規串級PID控制和導前微分信號的雙回路控制方案，運用MATLAB軟件進行仿真研究。結果表明，采用過去的控制方法不能取得令人滿意的效果，整定參數不易確定，只有采用新的控制方法和措施才能實現滿意的控制性能指標和效果。

（4）針對主汽溫對象具有大時滯、大慣性等特點引入了預測控制并運用MATLAB軟件進行仿真研究，仿真結果表明：采用預測控制可以加快系統的調節速度，加強系統的穩定性，控制品質和魯棒性明顯優于常規PID控制系統。

參考文獻

[1]高建林，單英雷.600MW超臨界機組過熱汽溫控制系統分析[J].華東電力，2008，36（1）：119-121.

[2]王磊.新型控制方法在汽溫控制方面的應用[D].華北電力大學，2004.