基于信號軟測量的再熱蒸汽溫度控制研究

翁文霖,孫玲飛,趙長祥,陳 剛,范常浩

(1.滄州新天渤投能源有限公司,河北 滄州 061113;2.國能南京電力試驗研究所,江蘇 南京 210023)

0 引言

超(超)臨界火電機組再熱蒸汽溫度自動控制設計通常采用煙氣擋板為主、噴水減溫為輔的方式,由于煙氣擋板對于再熱汽溫控制滯后很大,時間長達20 min,因此實際應用時通常以再熱減溫水調節為主、煙氣擋板為輔的方式。再熱噴水減溫器布置在再熱器進口處,蒸汽經過減溫器后仍需要流經一大段再熱器受熱管道,系統存在很大遲延性。由于管路限制,設計的減溫器出口溫度離減溫器較近,在減溫水調節閥動作時溫度變化很快且幅度很大(達到40 ℃),不能起到前饋作用,導致自動控制難度加大。因此很多電廠再熱減溫水控制長期處于手動控制方式,操作頻次多、幅度大,加重了工作強度。再熱減溫水對主蒸汽壓力影響較大,尤其在機組投入AGC運行時,極易引起主蒸汽壓力及機組負荷等參數波動,影響AGC投入品質及機組的安全性和經濟性。

目前,解決該問題有多種方案。文獻[1-6]基于Smith控制或廣義預測控制的鍋爐再熱汽溫系統設計與應用;文獻[7-9]基于狀態變量控制器的再熱汽溫控制系統;文獻[10-14]基于不同機理的再熱汽溫建模與優化控制研究。這些研究有的偏向于理論,有的使用外掛式控制器(保密性強),運行人員理解和掌握其參數調整方法較困難。在實際使用一段時間后,當再熱系統動態特性發生變化時,則會出現運行人員無法及時調整內部參數的問題,需要廠家人員重新調試參數,后期維護十分不便。

因此,研究一種基于電廠DCS的有效再熱汽溫控制系統,方便后期維護和使用。本文是通過能量守恒及焓值實時計算方法計算出極具代表性的減溫器后蒸汽溫度,解決了目前再熱減溫器后無有效溫度測點的問題;通過再熱減溫水系統動態特性試驗和閥門流量特性試驗,準確建立再熱汽溫動態特性模型,采用系統動態特性補償和閥門線性化處理方式,設計1套機組負荷全程自適應的再熱汽溫自動控制策略。

1 基于信號軟測量的再熱蒸汽溫度控制研究

1.1 軟測量計算再熱減溫器后溫度

根據能量守恒原理,進入減溫器前蒸汽和減溫水的焓值總量等于流出減溫器后介質焓值總量(忽略其熱損失)。通過減溫器前蒸汽的溫度和壓力計算出蒸汽焓值,再乘以蒸汽流量,得到當前時刻下蒸汽焓值總量;通過減溫水的溫度和壓力計算出減溫水焓值,再乘以減溫水流量,得到當前時刻下減溫水焓值總量。蒸汽焓值總量加上減溫水焓值的和再除以蒸汽流量和減溫水流量的和,得到混合后的蒸汽焓值總量,應近似于通過減溫器后的溫度和壓力計算出的焓值總量。其原理如圖1所示。

圖1 軟測量計算再熱減溫器后溫度原理

1.2 再熱汽溫控制對象模型建立

1.2.1 控制對象動態特性試驗

控制對象動態特性試驗分高、中、低負荷段進行,改變再熱減溫水調節門開度,計算再熱減溫水對再熱器出口溫度在時間、幅值上的影響。其中,高負荷段試驗條件為協調處于退出狀態,給水調節、給煤控制、送風調節切手動方式,機組負荷處于穩定狀態,調整再熱減溫水閥使再熱器出口蒸汽溫度保持穩定,保持風、煤、水、減溫水等控制量不變。試驗方法為保持當前工況10 min,確認再熱器出口溫度穩定后,根據機組當前狀況,增加(減小)再熱減溫水流量,使再熱器溫度變化不小于6 ℃,再熱器出口溫度穩定后,再過10 min,反向改變噴水量,再進行上述試驗2次。中、低負荷段控制對象動態特性試驗條件與方法同上。

1.2.2 選取對象動態特性模型

a.選取帶自平衡能力的三階慣性環節為再熱器模型,通過對再熱汽溫被控對象做階躍擾動試驗,可知再熱汽溫在各種擾動作用下,呈現出有慣性及自平衡的特點。再熱器模型傳遞函數為

(1)

式中：G1(S)為三階慣性環節函數;T1為控制對象時間系數。

由于不同負荷下再熱蒸汽系統動態特性不同,蒸汽流量跟負荷一一對應,所以設計了一個通過蒸汽流量計算出來的時間系數T1,如圖2所示。

圖2 蒸汽流量下的再熱汽溫控制時間系數T1

b.選取一個帶自平衡能力的一階慣性函數為再熱減溫器模型如下：

(2)

式中：T2為一階慣性時間常數。

1.3 系統動態特性補償方法

傳統的再熱汽溫控制通常采用串級PID控制,但對于大滯后被控對象,PID控制策略很難同時滿足控制的快速性和穩定性。因為要控制蒸汽溫度偏差,控制系統必須快速動作,但由于大滯后原因,蒸汽溫度偏差不能很快得到消除,偏差一直存在,導致控制系統輸出不斷快速加大,最終由于過調導致控制系統震蕩。因此需要通過補償器,將大延遲、大慣性的再熱汽溫系統等效為一個滯后慣性較小的系統,才能對再熱汽溫進行有效控制。系統動態特性補償的再熱汽溫控制如圖3所示。

圖3 系統動態特性補償的再熱汽溫控制

a.Gc1(s)為根據再熱器對象模型設計的再熱器動態補償控制器,其原理如圖4所示,由3個一階超前滯后環節和2個一階微分環節組成,通過系數A和B調整二者比例,其中K1為可調增益系數。

圖4 再熱器動態特性補償控制器

b.Gc0(s)為根據對象模型設計的再熱減溫器后溫度動態補償控制器,其原理如圖5所示,由1個三階慣性環節構成,其中K2為可調增益系數。

圖5 基于再熱減溫器后溫度動態特性的補償控制器

1.4 再熱減溫水調節閥線性化處理

根據再熱減溫水調節閥流量特性試驗,選取閥門開度和減溫水流量,擬合為再熱器減溫水調節閥線性函數。計算不同開度下閥門流量特性,將其擬合為PID控制器比例系數。試驗條件為再熱減溫水調節閥和再熱煙氣擋板手動控制、機組負荷保持穩定。試驗方法為再熱減溫水調節閥手動以5%/次全開、全關操作3個周期。

2 實施效果

以某電廠670 MW超臨界機組為例,該機組A、B兩側再熱汽溫由再熱減溫水調節閥和煙氣擋板共同調節。機組自投產以來,由于常規PID控制無法實現再熱減溫水調節閥自動控制,日常運行過程中再熱汽溫調整主要通過手動調節,調節效果欠佳,波動幅度為10～20 ℃。

將基于信號軟測量和系統動態特性補償的再熱汽溫自動控制策略應用于該機組再熱汽溫控制系統后,控制效果得到明顯改善,具體實施方法如下。

根據1.2試驗方法得到再熱器和再熱減溫器的試驗數據進行擬合,得到G1(S)、Gc1(S)、G0(S)、Gc0(S)的參數,如表1所示。

表1 G1(S)、Gc1(S)、G0(S)、Gc0(S)的參數

根據1.4試驗方法得到再熱減溫器調節閥試驗數據并進行擬合,得到閥門線性度函數F(x)={(5,1)、(10,1.5)、(15,4)、(30,4)、(35,4.5)、(40,4.5)、(45,3.5)、(50,2.2)、(55,1.9)、(60,1.5)、(65,1.3)、(70,1.2)、(75,1)、(100,1)},F(x)輸出作為PID控制器比例系數。

將機組負荷全程自適應的再熱汽溫自動控制策略應用于該電廠后,再熱汽溫變化幅度控制在4 ℃左右,閥門開度最大幅度也較之前變小。具體實施效果如圖6、圖7所示。

圖6 自動控制方式再熱汽溫調節

圖7 自動控制方式減溫水調節門開度

3 結語

對于再熱汽溫這種大遲延、大慣性的系統,需要一個有效前饋測點,基于信號軟測量的再熱減溫器后溫度,可以解決目前電廠無法在硬件設備上增加測點的問題。經過動態特性補償后的再熱汽溫控制系統具有較小的滯后和慣性,使再熱汽溫系統有較強穩定性和較快動態響應,方便后期維護和使用。

在實際應用中,發現電廠進行鍋爐吹灰時對再熱汽溫影響很大,因此可將蒸汽吹灰信號引入DCS。在DCS接收到吹灰信號時,將煙氣擋板和再熱減溫水調節閥關小一定開度,并在邏輯中設計一個脈沖計時器,在吹灰即將結束時,煙氣擋板和再熱減溫水調節閥自動恢復至原狀態。由于電廠吹灰控制臺獨立于DCS,無法將這一信號引入,目前在DCS上設計1個“吹灰模式”按鈕,進行吹灰時點擊該按鈕,使調節閥按預設幅度自動進行開關。