本發(fā)明涉及一種火電機組一級過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度的前饋控制方法，屬于發(fā)電技術領域。

背景技術：

大型火電機組鍋爐采用噴水減溫的方式調(diào)節(jié)一級過熱蒸汽溫度(屏式過熱器出口蒸汽溫度)、二級過熱蒸汽溫度(高溫過熱器出口蒸汽溫度)及輔助調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度(再熱器出口蒸汽溫度)，多采用串級或導前微分反饋控制系統(tǒng)。隨著火電機組頻繁大幅參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，鍋爐燃料量和蒸汽流量波動加劇，導致汽溫控制系統(tǒng)控制品質變差。

從頻域角度分析，串級或導前微分反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應特性主要取決于被控對象的慣性和遲延，對象慣性和遲延越大，抗高頻擾動能力越差。從時域角度分析，反饋控制只有在擾動信號導致被控參數(shù)發(fā)生變化后控制器才會施加控制作用，然而對于大慣性大遲延對象，從控制輸出動作到被控參數(shù)響應要經(jīng)歷很長的時間，所以消除擾動的時效性很差。本質上，一個慢速的反饋控制系統(tǒng)無法克服快速的擾動，這是當前汽溫控制品質變差的主要原因。

采用前饋控制是消除確定性擾動的有效措施，而前饋控制的關鍵在于找到能夠靈敏地反應主要擾動的前饋信號。對于被控對象具有大慣性大遲延特性的控制系統(tǒng)，前饋信號必須具有足夠的超前量。在穩(wěn)定工況下：汽溫是反映鍋爐燃料側放熱與蒸汽側吸熱的能量平衡信號，因此單一的燃料量信號或蒸汽流量信號都不能作為汽溫控制的前饋信號；蒸汽壓力也是反映能量平衡的信號，但因受鍋爐汽水系統(tǒng)蓄熱的影響，其響應速度比汽溫還要慢，因此也不能作為汽溫控制的前饋信號。在變負荷工況下：需要燃料量產(chǎn)生動態(tài)過調(diào)以補償鍋爐蓄熱量的變化，整體上燃料放熱和蒸汽側吸熱處于動態(tài)失衡狀態(tài)；特別是在啟/停燃燒器時爐膛內(nèi)部局部燃燒工況劇烈變化，導致鍋爐水側和汽側吸熱比例變化；尋找能夠反映這些擾動的前饋信號更加困難。

大型火電機組鍋爐二級過熱汽溫、一級過熱汽溫、再熱汽溫被對象整體慣性時間約為100s，220s、360s左右。對象慣性時間越大越難控制，相對于二級過熱汽溫，一級過熱汽溫、再熱汽溫控制品質更差，劇烈變負荷工況下波動幅度可達±15℃、±20℃。尋找合適的前饋信號，是提高變負荷工況下一級過熱汽溫、再熱汽溫的控制品質的關鍵。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術之弊端，提供一種火電機組蒸汽溫度的前饋控制方法，以提高變負荷工況下一級過熱汽溫、再熱汽溫的控制品質。

本發(fā)明所述問題是以下述技術方案解決的：

一種火電機組蒸汽溫度的前饋控制方法，所述方法將鍋爐二級過熱汽溫控制系統(tǒng)主控制器前的偏差信號作為一級過熱汽溫和再熱汽溫控制系統(tǒng)的前饋信號，所述前饋信號先經(jīng)比例、微分運算，再經(jīng)高低限幅處理后，迭加到鍋爐一級過熱汽溫和再熱汽溫的控制系統(tǒng)設定值上，從而實現(xiàn)一級過熱汽溫和再熱汽溫的前饋控制。

上述火電機組蒸汽溫度的前饋控制方法，當鍋爐屏式過熱器、高溫過熱器、再熱器分左右兩側布置時，某側一級過熱汽溫和再熱汽溫控制系統(tǒng)的前饋信號采用同側二級過熱汽溫控制系統(tǒng)主控制器前的偏差信號。

上述火電機組蒸汽溫度的前饋控制方法，一級過熱汽溫控制系統(tǒng)的前饋信號經(jīng)過比例、微分運算后再進行高低限幅處理時，限幅值設置為±10℃，再熱汽溫控制系統(tǒng)的前饋信號經(jīng)過比例、微分運算后再進行高低限幅處理時，限幅值設置為±18℃。

本發(fā)明將二級過熱汽溫控制系統(tǒng)主控制器前的偏差信號作為一級過熱汽溫、再熱汽溫控制系統(tǒng)的前饋信號，形成前饋-反饋復合控制系統(tǒng)，不僅有效提高了火電機組變負荷工況下一級過熱汽溫、再熱汽溫的控制品質，典型機組能夠減小一級過熱汽溫波動±4℃、再熱汽溫波動±6℃以上，而且可在一定程度上改善二級過熱汽溫的控制品質。二級過熱汽溫對象慣性時間越小，一級過熱汽溫、再熱汽溫對象慣性越大，品質改善效果越為明顯。此外，本發(fā)明還具有組態(tài)、調(diào)試簡單等優(yōu)點。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。

圖1是說明本發(fā)明的一個實施例中二級過熱汽溫控制系統(tǒng)前饋信號引出位置；

圖2是實施例中引入前饋控制的一級過熱汽溫控制系統(tǒng)。

圖中和文中各符號清單為：DEV1～DEV4、第一減法模塊～第四減法模塊；SMU1～SMU3、第一加法模塊～第三加法模塊；LAG1～LAG2、第一一階慣性模塊～第二一階慣性模塊；PID1～PID2、第一PID(比例、積分、微分)控制器～第二PID控制器；PD、PD(比例、微分)控制器；H//L、高低限幅模塊。

具體實施方式

火電機組一級過熱汽溫為屏式過熱器出口蒸汽溫度，屏式過熱器由前屏和后屏兩部分串聯(lián)構成，額定負荷下對象慣性時間在200s～250s左右；二級過熱汽溫為高溫過熱器出口蒸汽溫度，額定負荷下對象慣性時間在90s～110s左右；再熱過熱汽溫為再熱器出口蒸汽溫度，再熱器由低溫再熱器和高溫再熱器兩部分串聯(lián)構成，額定負荷下對象慣性時間在340s～420s左右。因為對象慣性時間小，所以二級過熱汽溫相對容易控制。

鍋爐汽水系統(tǒng)和風煙系統(tǒng)的結構決定了一級、二級過熱汽溫及再熱汽溫控制系統(tǒng)所受到的干擾基本相同，受到干擾時汽溫的變化趨勢也基本相同。這樣就存在著從汽溫控制系統(tǒng)內(nèi)部尋找前饋信號的可能性。二級過熱汽溫對象的慣性時間最短，在受到干擾時，控制系統(tǒng)也能夠在最短的時間內(nèi)做出響應。因此，二級過熱汽溫控制系統(tǒng)內(nèi)的信號可以作為一級過熱汽溫和再熱汽溫控制系統(tǒng)的前饋信號，同時滿足靈敏性和超前性兩個要求。

1、本發(fā)明的設計原理

火電機組中蒸汽依次流經(jīng)屏式過熱器、高溫過熱器、汽輪機高壓缸、再熱器，由于以上各設備容積有限，壓力傳播的速度很快，所以蒸汽流量幾乎同時變化。對于鍋爐風煙系統(tǒng)，煙氣依次流經(jīng)屏式過熱器、高溫過熱器、再熱器，由于煙氣流動速度很快，所以各個設備的吸熱量也幾乎同時變化。因此從設備結構及工作機理上決定了屏式過熱器、高溫過熱器、再熱器所受到的擾動基本上是相同的。由于高溫過熱器管道最短，被控對象的慣性時間也最小，因此二級過熱汽溫控制系統(tǒng)能夠最先感知到擾動的出現(xiàn)。二級過熱汽溫控制系統(tǒng)中的一些信號，可以用作一級過熱汽溫、再熱汽溫控制系統(tǒng)的前饋信號。

當鍋爐屏式過熱器、高溫過熱器、再熱器分左右兩側布置時，鍋爐運行狀態(tài)不佳情況下，左右側容易出現(xiàn)煙溫及煙氣流量偏差。所以前饋信號適合用于相同側的布置的屏式過熱器、再熱器的控制系統(tǒng)。此外，鍋爐為了減少左右煙氣側偏差造成的影響，蒸汽側流程都采用交叉布置的方案，即蒸汽流經(jīng)左側屏式過熱器后，進入右側高溫過熱器。所以采用相同側汽溫控制系統(tǒng)的前饋信號，還避免了一級、二級汽溫控制系統(tǒng)的相互耦合，防止控制系統(tǒng)形成大環(huán)路反饋影響穩(wěn)定性。

在二級過熱汽溫控制系統(tǒng)的眾多信號中，主控制器前的偏差信號是最佳的前饋信號。原因在于：(1)對于汽溫控制系統(tǒng)，主控制器前的偏差信號是由汽溫設定值與被控汽溫的偏差再迭加各種動態(tài)補償信號計算得到的，能夠準確快速地反應擾動變化；(2)在穩(wěn)定工況下偏差信號為零，經(jīng)過比例、微分運算后輸出仍然為零，作為前饋信號不會影響一級過熱汽溫、再熱汽溫控制系統(tǒng)的靜態(tài)工作點；(3)偏差信號中包含有動態(tài)補償信號，作為前饋信號具有最好的超前性；(4)即使發(fā)生二級過熱汽溫控制系統(tǒng)執(zhí)行機構動作幅度受限的情況，前饋信號依然有效。

2、本發(fā)明的技術方案

本發(fā)明將二級過熱汽溫控制系統(tǒng)主控制器前的偏差信號作為前饋信號，經(jīng)過比例、微分運算，再經(jīng)過限幅處理后，迭加到鍋爐相同側布置的一級過熱汽溫或再熱汽溫控制系統(tǒng)設定值上，將前饋控制引入到一級過熱汽溫或再熱汽溫控制系統(tǒng)中。主控制器是指，控制系統(tǒng)中最終調(diào)節(jié)汽溫偏差的控制器。

以實際控制系統(tǒng)為例詳細說明發(fā)明技術方案，見圖1和圖2。本例中二級過熱汽溫、一級過熱汽溫均采用導前微分控制系統(tǒng)。圖1虛線框內(nèi)顯示前饋信號從二級汽溫控制系統(tǒng)中引出的位置。圖1中二級過熱汽溫反饋值減二級過熱汽溫設定值得到二級過熱汽溫偏差信號；二級導前汽溫信號減去自身經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)后的信號得到二級導前汽溫微分信號，與二級過熱汽溫偏差信號相加后得到二級過熱汽溫控制系統(tǒng)主控制器前的偏差信號，此偏差信號進入PID(比例、積分、微分)控制器后得到二級過熱汽溫自動輸出信號，同時此偏差信號也是本發(fā)明所述的前饋信號。此信號被引入至一級過熱汽溫、再熱汽溫控制系統(tǒng)。

圖2為引入前饋控制的一級過熱汽溫控制系統(tǒng)，虛線框內(nèi)顯示了引入前饋控制后在原控制系統(tǒng)中增加的邏輯。圖2中前饋信號經(jīng)過PD控制器后再經(jīng)過高低限幅處理得到一級過熱汽溫前饋修正信號；一級過熱汽溫反饋值減一級過熱汽溫設定值得到一級過熱汽溫偏差信號，與一級過熱汽溫前饋修正信號相加后得到前饋修正后一級過熱汽溫偏差信號；一級導前汽溫信號減去自身經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)后的信號得到一級導前汽溫微分信號，與前饋修正后一級過熱汽溫偏差信號相加后得到一級過熱汽溫控制系統(tǒng)主控制器前的偏差信號，此偏差信號進入PID控制器后得到一級過熱汽溫自動輸出信號。

3、本發(fā)明的實施步驟

(1)實施條件確認

實施本發(fā)明前需要確認，機組在50％～100％負荷變化范圍內(nèi)，一級過熱汽溫、二級過熱汽溫、再熱汽溫能夠投入自動控制，且控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)經(jīng)過整定，控制系統(tǒng)不存在明顯的振蕩或調(diào)節(jié)速度緩慢的情況。

(2)邏輯組態(tài)

對照圖1、圖2所示邏輯，在機組分散控制系統(tǒng)(DCS)中對二級過熱汽溫、一級過熱汽溫、再熱汽溫控制邏輯組態(tài)進行修改。如果鍋爐屏式過熱器、高溫過熱器、再熱器分左、右兩側布置，則需要分別對左、右兩側控制系統(tǒng)控制邏輯進行修改。其中，一級過熱汽溫控制系統(tǒng)前饋信號經(jīng)過PD運算后輸出限幅模塊H//L的限幅值設置為±10℃，再熱汽溫控制系統(tǒng)前饋信號經(jīng)過PD運算后輸出限幅模塊H//L的限幅值設置為±18℃。

(3)現(xiàn)場調(diào)試

本發(fā)明中，一級過熱汽溫、再熱汽溫控制系統(tǒng)中前饋控制邏輯部分PD模塊的比例系數(shù)、微分系數(shù)需要在機組運行狀態(tài)下進行調(diào)試。調(diào)試時，比例系數(shù)、微分系數(shù)從零開始逐漸增加。比例系數(shù)越大，前饋信號導致的前饋控制作用越強；微分系數(shù)越大，前饋信號變化速率導致的前饋控制作用越強。調(diào)試過程中注意觀察擾動時控制系統(tǒng)中前饋控制和反饋控制導致執(zhí)行機構動作變化所占的比例。當前饋控制作用為零時，執(zhí)行機構的動作完全由反饋控制作用產(chǎn)生；當前饋控制逐漸增強時，前饋控制作用所占的比例逐漸增加，并且同反饋控制作用是同相的，即兩者都使執(zhí)行機構向一個方向動作；當前饋控制過強時，會出現(xiàn)反饋控制作用與前饋控制作用反相的情況。前饋控制作用導致執(zhí)行機構動作的比例占75％比較合適。同時，前饋控制作用的強度還受到執(zhí)行機構性能的限制，前饋控制作用越強，執(zhí)行機構動作幅度越大，磨損越嚴重。

本方法所涉及的控制邏輯物理意義明確，現(xiàn)場調(diào)試簡單，只需要調(diào)試前饋環(huán)節(jié)中的比例系數(shù)和微分系數(shù)兩個參數(shù)，而且調(diào)試參數(shù)過程不影響原控制系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性。