一种锅炉汽温自动控制系统中前馈信号控制方法

摘要

一种锅炉汽温自动控制系统中前馈信号控制方法，用于提高锅炉汽温控制品质。其技术方案是，它首先测量锅炉炉膛压力、锅炉汽包压力（或汽水分离器压力）、锅炉过热器出口蒸汽压力、锅炉再热器出口蒸汽压力，然后利用这些信号进行计算，依次构造燃烧扰动信号、过热蒸汽流量扰动信号、再热蒸汽流量扰动信号、过热蒸汽温度控制系统前馈信号和再热蒸汽温度控制系统前馈信号。本发明可有效提高锅炉蒸汽温度自动控制的品质，减少因燃烧扰动和蒸汽流量扰动造成的汽温波动，该方法不用增加任何硬件设备，只需要增加少量的软件控制逻辑即可，不仅成本低廉，而且不会降低系统的可靠性。

权利要求

1.一种锅炉汽温自动控制系统中前馈信号控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：a.测量锅炉炉膛压力pf，锅炉汽包压力或汽水分离器压力pd，锅炉过热器出口蒸汽压力pb，锅炉再热器出口蒸汽压力pr；

b. 构造燃烧扰动信号rbd：

其中：rbd(s)为燃烧扰动信号rbd的拉氏变换；pf(s)为炉膛压力信号pf的拉氏变换；

为低通滤波器，T 为滤波器惯性时间，s是拉氏变换的复变量；

c.构造过热蒸汽流量扰动信号qsd：

首先利用下式计算过热蒸汽流量qs：

， 其中：qs0、pd0、pb0分别为额定负荷下过热蒸汽流量、汽包或汽水分离器的压力、过热器出口蒸汽压力的设计值；

然后根据下式确定过热蒸汽流量扰动信号qsd： 其中：qsd(s)为过热蒸汽流量扰动信号qsd的拉氏变换；qs(s)为过热蒸汽流量信号qs的拉氏变换；

d. 构造再热蒸汽流量扰动信号qrd：首先利用下式计算再热蒸汽流量：

， 其中：qr0、pr0分别为额定负荷下再热蒸汽流量、再热器出口蒸汽压力的设计值；

然后根据下式确定再热蒸汽流量扰动信号qrd： 其中：qrd(s)为再热蒸汽流量扰动信号qrd的拉氏变换；qr(s)为再热蒸汽流量信号qr的拉氏变换；

e.构造前馈信号：

过热蒸汽温度控制系统前馈信号fs由下式确定： 其中：fs(s)为过热蒸汽温度控制系统前馈信号fs的拉氏变换；Ks为过热蒸汽流量扰动的前馈增益；Kfs为燃烧扰动的前馈增益，Ks和Kfs由现场调试确定；

再热蒸汽温度控制系统前馈信号fr由下式确定：其中：fr(s)为再热蒸汽温度控制系统前馈信号fr的拉氏变换；Kr为再热蒸汽流量扰动的前馈增益；Kfr为燃烧扰动的前馈增益，Kr和Kfr由现场调试确定。

2.根据权利要求1所述的锅炉汽温自动控制系统中前馈信号控制方法，其特征在于：所述滤波器惯性时间T 的取值范围为40-80秒。

说明书

一种锅炉汽温自动控制系统中前馈信号控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于对锅炉汽温控制逻辑进行改进、以提高锅炉汽温控制品质，属控制技术领域。

背景技术

[0002] 众所周知，蒸汽温度过高会影响锅炉寿命，温度过低则影响锅炉效率，因此维持锅炉蒸汽温度的稳定是非常必要的。

[0003] 大型锅炉蒸汽温度控制系统包括过热蒸汽温度控制系统和再热蒸汽温度控制系统，在现有技术中，过热蒸汽温度一般采用喷水减温作为调节手段，再热蒸汽温度一般采用烟气挡板或摆动燃烧器作为主要调节手段、喷水减温作为辅助调节手段。以喷水减温作为控制手段的，普遍采用串级控制或导前微分控制系统；采用摆动燃烧器或烟气挡板作为再热汽温控制手段的，普遍采用单回路控制系统，这些控制方案本质上都属于反馈控制。由于锅炉过热器和再热器管道较长，被控对象存在较大的惯性和迟延，同时控制量输出执行机构也存在较严重的非线性，并且被控对象增益、惯性和迟延还随锅炉负荷变化而变化，导致蒸汽温度控制非常困难，传统调节方法均不能获得理想的控制效果。

[0004] 大惯性、大迟延以及时变特性对象的控制问题，也一直是自动控制理论研究和工程技术方面的难题。在影响蒸汽温度控制品质的各种因素中，锅炉燃烧强度变化和蒸汽流量变化是最主要的两项。当锅炉燃烧强度首先增加时，由于锅炉蒸发量不能迅速随之增加，因此初始状态蒸汽流量变化不大，但燃烧强度变化后烟气温度和烟气流量随之迅速增加，所以导致锅炉过热器、再热器吸热量增加从而使过热、再热蒸汽温度升高，直至锅炉蒸发量增加后汽温才会逐渐降低。当蒸汽流量增加时，由于燃烧强度不变，因此锅炉过热器、再热器吸热量保持不变，这样用来加热单位流量蒸汽的热量相对减少，所以过热、再热蒸汽温度降低，直至锅炉燃烧强度增加后汽温才会逐渐增加。这两种扰动在锅炉运行过程中特别是锅炉负荷变化情况下都普遍存在，严重影响着锅炉蒸汽温度的控制品质。以600MW电站锅炉为例，过热和再热蒸汽温度运行要求维持在540℃±5℃之间，但在发电机组升降负荷期间，汽温波动范围经常超过540℃±10℃，严重影响了锅炉运行的安全性和经济性。

[0005] 前馈控制是一种非常有效的控制手段，其特点是针对确定性扰动，系统控制器根据扰动的大小和变化情况对被控制对象施加相反的控制作用，补偿扰动的影响，从而能够在扰动对被控对象的影响体现出来之前就将其抵消。设计前馈控制和反馈控制相结合构成的复合控制系统，一直是自动控制领域内克服干扰、提高控制品质的有效方法。但前馈控制得以应用的一个重要前提是扰动可以测量。对于汽温控制，目前技术上存在的困难是锅炉燃烧扰动无法测量，蒸汽流量测量动态误差大，因而无法设计前馈控制对其加以抵消。

发明内容

[0006] 本发明的目的是克服已有技术之缺陷，提供一种能够反映锅炉燃烧强度变化和蒸汽流量变化的锅炉汽温自动控制系统中前馈信号控制方法。

[0007] 本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

[0008] 一种锅炉汽温自动控制系统中前馈信号控制方法，该方法包括以下步骤：

[0009] a.测量锅炉炉膛压力pf，锅炉汽包压力（或汽水分离器压力）pd，锅炉过热器出口蒸汽压力pb，锅炉再热器出口蒸汽压力pr；

[0010] b. 构造燃烧扰动信号rbd：

[0011]

[0012] 其中：rbd(s)为燃烧扰动信号rbd的拉氏变换；pf(s)为炉膛压力信号pf的拉氏变换； 为低通滤波器，T为滤波器惯性时间，s是拉氏变换的复变量；

[0013] c.构造过热蒸汽流量扰动信号qsd：

[0014] 首先利用下式计算过热蒸汽流量qs：

[0015] ，其中：qs0、pd0、pb0分别为额定负荷下过热蒸汽流量、汽包（或汽水分离器）压力、过热器出口蒸汽压力的设计值；

[0016] 然后根据下式确定过热蒸汽流量扰动信号qsd：

[0017] [0018] 其中：qsd(s)为过热蒸汽流量扰动信号qsd的拉氏变换；qs(s)为过热蒸汽流量信号qs的拉氏变换；

[0019] d. 构造再热蒸汽流量扰动信号qrd：

[0020] 首先利用下式计算再热蒸汽流量：

[0021] ， [0022] 其中：qr0、pr0分别为额定负荷下再热蒸汽流量、再热器出口蒸汽压力的设计值；

[0023] 然后根据下式确定再热蒸汽流量扰动信号qrd：

[0024] [0025] 其中：qrd(s)为再热蒸汽流量扰动信号qrd的拉氏变换；qr(s)为再热蒸汽流量信号qr的拉氏变换；

[0026] e.构造前馈信号：

[0027] 过热蒸汽温度控制系统前馈信号fs由下式确定：

[0028] [0029] 其中：fs(s)为过热蒸汽温度控制系统前馈信号fs的拉氏变换；Ks为过热蒸汽流量扰动的前馈增益；Kfs为燃烧扰动的前馈增益，Ks和Kfs由现场调试确定；

[0030] 再热蒸汽温度控制系统前馈信号fr由下式确定：

[0031]

[0032] 其中：fr(s)为再热蒸汽温度控制系统前馈信号fr的拉氏变换；Kr为再热蒸汽流量扰动的前馈增益；Kfr为燃烧扰动的前馈增益，Kr和Kfr由现场调试确定。

[0033] 上述锅炉汽温自动控制系统中前馈信号控制方法，所述滤波器惯性时间T的取值范围为40-80秒。

[0034] 本发明利用锅炉炉膛压力、锅炉汽包压力（或汽水分离器压力）、锅炉过热器出口蒸汽压力和锅炉再热器出口蒸汽压力四个信号与锅炉燃烧扰动和蒸汽流量之间的内在联系构造锅炉汽温自动控制前馈信号，采用此前馈信号对典型的锅炉蒸汽温度控制系统进行改进，形成前馈-反馈复合控制系统，可有效提高锅炉蒸汽温度自动控制的品质，减少因燃烧扰动和蒸汽流量扰动造成的汽温波动。由于所使用的四个信号均为锅炉最为主要的监控信号，所用传感器锅炉监控系统都已安装，因此不用增加任何硬件设备，只需要增加少量的软件控制逻辑即可，不仅成本低廉，而且不会降低系统的可靠性。

附图说明

[0035] 图1是过热蒸汽温度前馈信号在过热器减温水串级控制系统中的控制示意图；

[0036] 图2是再热蒸汽温度前馈信号在烟气挡板控制系统中的控制示意图。

[0037] 图中和文中所用符号如下：pf、测量锅炉炉膛压力；pd、锅炉汽包压力（或汽水分离器压力）；pb、锅炉过热器出口蒸汽压力；pr、锅炉再热器出口蒸汽压力；rbd、燃烧扰动信号；rbd(s)、燃烧扰动信号rbd的拉氏变换；pf(s)、炉膛压力信号pf的拉氏变换；T、滤波器惯性时间；s、拉氏变换的复变量；K1、过热蒸汽流量系数；qs0、pd0、pb0分别为额定负荷下过热蒸汽流量、汽包（或汽水分离器）压力、过热器出口蒸汽压力的设计值；qsd、过热蒸汽流量扰动信号；qsd(s)、过热蒸汽流量扰动信号qsd的拉氏变换；qs(s)、过热蒸汽流量信号qs的拉氏变换；K2、再热蒸汽流量系数；qr0、pr0分别为额定负荷下再热蒸汽流量、再热器出口蒸汽压力的设计值；qrd、再热蒸汽流量扰动信号；qrd(s)、再热蒸汽流量扰动信号qrd的拉氏变换；qr(s)、再热蒸汽流量信号qr的拉氏变换；fs、过热蒸汽温度控制系统前馈信号；fs(s)、过热蒸汽温度控制系统前馈信号fs的拉氏变换；Ks、过热蒸汽流量扰动的前馈增益；Kfs、过热器燃烧扰动的前馈增益；fr、再热蒸汽温度控制系统前馈信号；fr(s)、再热蒸汽温度控制系统前馈信号fr的拉氏变换；Kr、再热蒸汽流量扰动的前馈增益；Kfr、再热器燃烧扰动的前馈增益。

具体实施方式

[0038] 针对锅炉蒸汽温度在燃烧扰动和蒸汽流量扰动下控制品质差的问题，本发明构造出一种能够反映锅炉燃烧扰动和蒸汽流量扰动的前馈信号，利用此信号对典型的锅炉蒸汽温度控制系统进行改进，形成前馈-反馈复合控制系统，能够提高锅炉蒸汽温度控制的稳定性。

[0039] 本发明的技术方案分以下5个步骤实施：

[0040] 1、原始信号校准

[0041] 本发明需要利用锅炉以下测量信号：锅炉炉膛压力pf，锅炉汽包压力（或汽水分离器压力）pd，锅炉过热器出口蒸汽压力pb，锅炉再热器出口蒸汽压力pr。其中：炉膛压力用于构造锅炉燃烧扰动信号；汽包压力和过热器出口蒸汽压力用于构造过热蒸汽流量信号；再热器出口蒸汽压力用于构造再热蒸汽流量信号。以上4个信号均为锅炉主要监控信号，额定蒸发量600t/h以上的蒸汽锅炉都安装变送器进行测量，并且一些大型锅炉采用2台以上变送器进行测量同一信号以提高可靠性。方案实施前需要确认以上4个信号变送器工作正常、信号传输正常。

[0042] 2、燃烧扰动信号构造

[0043] 炉膛压力能够反映锅炉燃烧强度动态变化，这里将燃烧强度动态变化称为燃烧扰动。当燃烧强度增加时，炉膛内气体温度升高，气体膨胀导致炉膛压力增加。这一过程相对迅速，炉膛压力控制系统的调节存在一定滞后。经过工程实验和理论分析表明，燃烧强度与炉膛压力之间呈现带通滤波特性，即炉膛压力在一定频率范围内能够反映燃烧强度动态变化。另外由于炉膛压力受多种因素影响波动非常剧烈，需要进行低通滤波处理。公式1描述这一信号处理方法：

[0044] （1）

[0045] 其中：rbd(s)为燃烧扰动信号rbd的拉氏变换；pf(s)为炉膛压力信号pf的拉氏变换； 为低通滤波器，T为滤波器惯性时间，取值范围根据锅炉容量大小在40-80秒之间，s是拉氏变换的复变量。

[0046] 3、过热蒸汽流量扰动信号构造

[0047] 过热蒸汽流量可以采用公式2计算：

[0048] （2）

[0049] 其中：qs为过热蒸汽流量；K1为流量系数，可以通过锅炉设计参数求得，计算方法为 ，qs0、pd0、pb0分别为额定负荷下过热蒸汽流量、汽包（或汽水分离器）压力、过热器出口蒸汽压力的设计值。

[0050] 这里将过热蒸汽流量的变化称为过热蒸汽流量扰动，相当于对过热蒸汽流量信号进行高通滤波，但为了避免高频噪声干扰，还需要进行低通滤波，高通滤波器和低通滤波器合并构成一带通滤波器。公式3描述这一信号处理方法：

[0051] （3）

[0052] 其中：qsd(s)为过热蒸汽流量扰动信号qsd的拉氏变换；qs(s)为过热蒸汽流量信号qs的拉氏变换； 为带通滤波器，T为滤波器惯性时间，取值范围据锅炉容量大小在40-80秒之间。

[0053] 4、再热蒸汽流量扰动信号构造

[0054] 再热蒸汽流量可以采用公式4计算：

[0055] （4）

[0056] 其中：qr为再热蒸汽流量；K2为流量系数，可以通过锅炉设计参数求得，计算方法为 ，qr0、pr0分别为额定负荷下再热蒸汽流量、再热器出口蒸汽压力的设计值。

[0057] 这里将再热蒸汽流量的变化称为再热蒸汽流量扰动，相当于对再热蒸汽流量信号进行高通滤波，但为了避免高频噪声干扰，还需要进行低通滤波，通滤波器和低通滤波器合并构成一带通滤波器。公式5描述这一过程：

[0058] （5）

[0059] 其中：qrd(s)为过热蒸汽流量扰动信号qrd的拉氏变换；qr(s)为过热蒸汽流量信号qr的拉氏变换； 为带通滤波器，T为滤波器惯性时间，取值范围据锅炉容量大小在40-80秒之间。

[0060] 5、前馈信号构造

[0061] 对于过热蒸汽温度控制系统，其前馈信号构造方法由公式6描述：

[0062] （6）

[0063] 其中：fs(s)为过热蒸汽温度控制系统前馈信号fs的拉氏变换；Ks为过热蒸汽流量扰动的前馈增益；Kfs为燃烧扰动的前馈增益。两项增益需要由现场调试确定。

[0064] 对于再热蒸汽温度控制系统，其前馈信号构造方法由公式7描述：

[0065] （7）

[0066] 其中：fr(s)为再热蒸汽温度控制系统前馈信号fr的拉氏变换；Kr为再热蒸汽流量扰动的前馈增益；Kfr为燃烧扰动的前馈增益。两项增益需要由现场调试确定。

[0067] 控制系统设计

[0068] 以上构造的前馈信号可以分别应用于锅炉过热蒸汽温度、锅炉再热蒸汽温度控制系统中。具体包括：过热器一级减温水、过热器二级减温水、再热器减温水、烟气档板或燃烧器摆角控制系统。典型锅炉减温水一般采用串级或导前微分控制系统，烟气档板或燃烧器摆角一般采用单回路控制系统。前馈信号均可应用。

[0069] 附图1给出了过热汽温前馈信号在过热器减温水控制系统中的应用实例。原串级控制方案主PID调节器输出直接引入到副PID调节器反向输入端，改进后方案主PID调节器输出加上前馈信号后，再引入到副PID调节器反向输入端。这样，当过热蒸汽流量增加时，前馈信号作用使过热器减温水调节阀门关小，从而提前抵消因蒸汽流量增加造成的过热汽温降低；当燃烧强度增加时，前馈信号作用使过热器减温水调节阀门开大，从而提前抵消因燃烧强度增加造成的过热汽温升高。

[0070] 附图2给出了再热汽温前馈信号在烟气挡板控制系统中的应用实例。原单回路控制方案PID调节器输出直接控制挡板开度，改进后方案PID调节器输出加上前馈信号后控制挡板开度。这样，当再热蒸汽流量增加时，前馈信号作用使再热侧烟气挡板开度增加（过热侧烟气挡板开度减小），从而提前抵消因蒸汽流量增加造成的再热汽温降低；当燃烧强度增加时，前馈信号作用使再热侧烟气挡板开度减小（过热侧烟气挡板开度增加），从而提前抵消因燃烧强度增加造成的再热汽温升高。