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(tǒng)的特點以及過熱汽溫的影響因素，提出了采用燃水比調(diào)節(jié)作為粗調(diào)，噴水減溫作為細調(diào)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(guī)PID控制系統(tǒng)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(guī)PID控制的不足。仿真結果表明，預測控制與常規(guī)PID控制相比，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度更快，系統(tǒng)的穩(wěn)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(fā)熱量的變化；火焰中心的移動；過?？諝饬康淖兓惠椛涫軣崦娴慕Y焦、積灰或對流受熱面的積灰引起備受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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(diào)節(jié)系統(tǒng)作為過熱器出口主蒸汽溫度的粗調(diào)，然后采用噴水減溫作為細調(diào)，其中燃水比控制在超臨界機組汽溫調(diào)節(jié)中起著至關重要的作用：只有維持燃水比的穩(wěn)定，才能將中間點溫度控制在一定范圍內(nèi)，鍋爐汽水系統(tǒng)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(nèi)；而噴水減溫則利用其快速的動態(tài)響應特性細調(diào)過熱汽溫。

2 常規(guī)噴水減溫

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

（2）整定方法。一般講，汽溫對象導前區(qū)的遲延和慣性比惰性區(qū)要小，而且副調(diào)節(jié)器又選用P或PD規(guī)律，在這種規(guī)律下內(nèi)回路的調(diào)節(jié)過程要比外回路的調(diào)節(jié)過程快得多。當發(fā)生減溫水擾動時，內(nèi)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(nèi)回路動作時，外回路可以視為開路狀態(tài)；當外回路動作時，內(nèi)回路可以視為快速隨動系統(tǒng)。

（3）具體整定及仿真結果。

①當負荷為37%時。

A內(nèi)回路整定：調(diào)節(jié)穩(wěn)定值-0.1831，最大動態(tài)偏差0.0997，調(diào)節(jié)時間99.6938，衰減率0.7064，積分準則3.6137。

B外回路整定：調(diào)節(jié)穩(wěn)定值10.000，最大動態(tài)偏差2.5536，調(diào)節(jié)時間2724.9，衰減率0.7493，積分準則6151.5。

②當負荷為50%時。

A內(nèi)回路整定：調(diào)節(jié)穩(wěn)定值-0.143，最大動態(tài)偏差0.0708，調(diào)節(jié)時間84.0946，衰減率0.778，積分準則2.591。

B外回路整定：調(diào)節(jié)穩(wěn)定值10.000，最大動態(tài)偏差2.3246，調(diào)節(jié)時間1750.4，衰減率0.7589，積分準則3832。

③當負荷為75%時。

A內(nèi)回路整定：調(diào)節(jié)穩(wěn)定值-0.0745，最大動態(tài)偏差0.0368，調(diào)節(jié)時間67.2964，衰減率0.7635，積分準則1.0733。

B外回路整定：調(diào)節(jié)穩(wěn)定值10.000，最大動態(tài)偏差2.3312，調(diào)節(jié)時間1122.2，衰減率0.7571，積分準則2482.7。

④當負荷為100%時。

A內(nèi)回路整定：調(diào)節(jié)穩(wěn)定值-0.0336，最大動態(tài)偏差0.0175，調(diào)節(jié)時間60.6183，衰減率0.7326，積分準則0.4423。

B外回路整定：調(diào)節(jié)穩(wěn)定值10.000，最大動態(tài)偏差2.4894，調(diào)節(jié)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(tài)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(wěn)定對象，可先用常規(guī)PID控制使其穩(wěn)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(yōu)化、反饋校正。

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

串級控制性能指標：調(diào)節(jié)時間520，動態(tài)偏差3.6；DMC-PID性能指標：調(diào)節(jié)時間260，動態(tài)偏差0；DMC-PID與串級PID的比較結果：采用DMC-PID的系統(tǒng)基本沒有超調(diào)量，而且相比過渡時間比較短，響應速度快得多，明顯優(yōu)于常規(guī)PID串級系統(tǒng)。通過仿真比較，本文設計的主汽溫預測DMC-PID串級控制系統(tǒng)的控制品質和魯棒性明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(guī)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(shù)不易確定，只有采用新的控制方法和措施才能實現(xiàn)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(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制品質和魯棒性明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)。

參考文獻

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[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.