摘 要：基于現(xiàn)代火電安全高效發(fā)展，主汽溫系統(tǒng)作為火電廠重要系統(tǒng)之一。對(duì)內(nèi)模系統(tǒng)研發(fā)有一定的必要。蒸汽通過(guò)鍋爐出口溫度過(guò)高容易導(dǎo)致過(guò)熱器和高壓缸超過(guò)受熱范圍對(duì)設(shè)備損傷較大。主汽溫偏低是，首先火電生產(chǎn)效益降低，增加煤炭使用量。其次縮短葉片的使用壽命。威脅機(jī)組運(yùn)行安全。而內(nèi)模控制系統(tǒng)很好的解決以上問(wèn)題?？垢蓴_能力強(qiáng)、較好的跟蹤性以及魯棒性。本文主要介紹內(nèi)模控制系統(tǒng)、PID串級(jí)控制系統(tǒng)以及對(duì)主汽溫系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)介。通過(guò)分析內(nèi)?？刂?、PID控制進(jìn)行比較其精度高和魯棒性。

關(guān)鍵詞：內(nèi)?？刂疲籔ID控制；主汽溫系統(tǒng)；Matlab

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.132

1 緒論

針對(duì)火電廠主汽溫系統(tǒng)的大遲延、大慣性特性時(shí)變和非線性動(dòng) 態(tài)特性，基本有以下三種控制策略：1、提出了模糊自整定PID策略。包括串級(jí)PID控制系統(tǒng)、內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)。內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)比較容易滿足火電的控制性能。而且操作簡(jiǎn)單。粗調(diào)階段基于發(fā)電機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行模糊預(yù)整定，細(xì)調(diào)階段基于系統(tǒng)的被調(diào)性能指標(biāo)進(jìn)行再整定，根據(jù)運(yùn)行工況的改變并消除各種不可預(yù)測(cè)干擾。然后創(chuàng)新性地應(yīng)用到主汽溫控制中。2、采用T-S模糊模型描述復(fù)雜的工況條件下，并把該工況條件作為系統(tǒng)的內(nèi)部模型，然后T-S模糊模型對(duì)該工況求逆。能夠建立基本模型。3、提出了基于粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)優(yōu)化PID控制器的方法。

2 內(nèi)?？刂?/p>

內(nèi)?？刂剖腋鶕?jù)數(shù)學(xué)模型建立起的仿真軟件。設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單、對(duì)火電廠的控制系統(tǒng)魯棒性有很好的控制效果。從而穩(wěn)定控制主汽溫控制系統(tǒng)，達(dá)到安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)及其經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式。已在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛運(yùn)用。

主汽溫度對(duì)象具有大延遲、大慣性等，可以采取基于階躍響應(yīng)的最小二乘方法，根據(jù)對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線和最小偏差得到被控對(duì)象的模型。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)串級(jí)控制仿真系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間為700S，而內(nèi)模控制的調(diào)整時(shí)間為650S。可以看出來(lái)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)在超調(diào)量以及調(diào)整時(shí)間都優(yōu)于串級(jí)PID控制系統(tǒng)。

虛線部分表示內(nèi)模結(jié)構(gòu)部分。數(shù)學(xué)模型建立起的仿真軟件實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。內(nèi)?？刂瓢ǎ嚎刂破鳌⑦^(guò)程模型。

內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)是建立在理想條件下，在實(shí)際火電廠運(yùn)行情況下，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

內(nèi)模控制器的設(shè)計(jì)。通過(guò)兩方面對(duì)其分析，首先在不考慮魯棒性及其不穩(wěn)定因素設(shè)計(jì)控制器，二是通過(guò)加裝濾波器，對(duì)動(dòng)態(tài)性能和魯棒性進(jìn)行調(diào)整。（穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)）

3 主汽溫控制系統(tǒng)任務(wù)和設(shè)計(jì)原則

在現(xiàn)代火電發(fā)展中，鍋爐的過(guò)熱器是由三部分組成：輻射過(guò)熱器、對(duì)流過(guò)熱器以及減溫器。將飽和的蒸汽通過(guò)過(guò)熱器加熱，傳送到汽輪機(jī)中帶動(dòng)葉片做功。主蒸汽自動(dòng)控制系統(tǒng)是將主蒸汽的溫度控制在一定范圍內(nèi)530℃-545℃。

3.1 主氣溫是鍋爐的重要指標(biāo)

（1）主蒸汽氣溫過(guò)高，將導(dǎo)致鍋爐受熱面發(fā)生形變，影響使用壽命。甚至?xí)l(fā)生管道爆裂等危險(xiǎn)情況。在過(guò)熱情況下設(shè)備（氣缸、氣門、噴嘴和葉片）機(jī)械強(qiáng)度明顯降低，對(duì)設(shè)備損失較為嚴(yán)重。

（2）氣溫過(guò)低不利于火電機(jī)組循環(huán)的熱效率。增大煤炭的使用量，增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。主蒸汽氣溫過(guò)低蒸汽濕度增大，降低了汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率，而且還會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生侵蝕作用，加快設(shè)備老化，增加運(yùn)行安全隱患。

（3）主蒸汽溫度變化過(guò)大，容易產(chǎn)生設(shè)備之間體積發(fā)生變化，導(dǎo)致生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中劇烈振動(dòng)，增加運(yùn)行安全隱患。

3.2 主汽溫控中的難點(diǎn)

主汽溫控制是鍋爐的各項(xiàng)控制中比較困難的任務(wù)之一，造成這些困難的原因包括以下三點(diǎn)。

（1）主汽溫變化的影響因素眾多，比如負(fù)荷變化、送風(fēng)變化、給水溫度的變化、減溫水量的變化、火焰中心位置的變化、流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣溫度及流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等等。

（2）在各類擾動(dòng)下，被控對(duì)象有非線性、時(shí)變等特點(diǎn)，增大了控制的難度。

（3）主汽溫大遲延、大慣性帶來(lái)的控制困難，特別是隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增加，受熱面比例增大，使得遲延和慣性更大，進(jìn)一步加大了控制的難度。

3.3 主氣溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

以下四點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：（1）影響過(guò)熱汽溫變化的因素很多（如負(fù)荷，煙氣等），選擇改變煙氣量或煙氣溫度（如改變噴燃器角度）作為汽溫調(diào)節(jié)手段時(shí)，過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性較好，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩，并可能會(huì)造成與燃燒控制系統(tǒng)的相互干擾。（2）當(dāng)前，多采用噴水減溫的方法作為控制汽溫的手段。對(duì)于維持汽溫這一要求而言，被控對(duì)象主汽溫在控制作用下具有大延遲、大慣性的特性，如果只根據(jù)汽溫偏差來(lái)改變噴水量往往不能滿足生產(chǎn)上的要求，因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該加入比過(guò)熱汽溫提前反映擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償信號(hào)，如負(fù)荷前饋信號(hào)，導(dǎo)前汽溫信號(hào)等。當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生后，過(guò)熱汽溫還未發(fā)生明顯變化的時(shí)候就進(jìn)行調(diào)節(jié)，及早地消除擾動(dòng)對(duì)汽溫造成的影響，以便有效地控制汽溫的變化。（3）盡量采用快速測(cè)量元件，選擇正確的安裝位置，以減少控制通道的滯后和慣性。由于控制通道的滯后和慣性，不能及時(shí)反映溫度的突然變化，因此也就不能及時(shí)地發(fā)出控制信號(hào)，造成控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差和控制質(zhì)量不好。（4）對(duì)于現(xiàn)代大型鍋爐，由于過(guò)熱器管道加長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，其滯后和慣性大大增加，為了完成控制主汽溫和保護(hù)過(guò)熱器兩個(gè)任務(wù)，多采用分段汽溫控制系統(tǒng)。

由于各種鍋爐過(guò)熱器的結(jié)構(gòu)存在差異，所以它們的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性也有差異，因而，過(guò)熱汽溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)大致可分為：串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙沖量汽溫控制系統(tǒng)，相位補(bǔ)償汽溫控制系統(tǒng)和分段汽溫控制系統(tǒng)。

目前，在火力發(fā)電廠的主汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多數(shù)是采用的串級(jí)控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)。

4 仿真研究

主汽溫控制系統(tǒng)是火電廠中重要的控制系統(tǒng)之一。鍋爐主氣溫是影響電廠運(yùn)行過(guò)程重的重要指標(biāo)。主氣溫過(guò)高，容易燒壞過(guò)熱器，引起過(guò)熱器爆管嚴(yán)重事故。主氣溫過(guò)低，會(huì)降低運(yùn)行效率，增加經(jīng)濟(jì)效益而且存在安全隱患。每降低5-10℃，熱效率降低在1%，增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，煤炭使用量增大。并且溫度過(guò)低會(huì)侵蝕葉片，加快設(shè)備老化程度。先通過(guò)研究?jī)?nèi)?？刂艻MC應(yīng)用在主汽溫上，從而本質(zhì)上解決了很大一部分安全問(wèn)題。將內(nèi)?？刂艻MC當(dāng)作串級(jí)控制系統(tǒng)重的主調(diào)節(jié)器，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明IMC比串級(jí)PID性能更加優(yōu)越。

4.1 串級(jí)控制系統(tǒng)

導(dǎo)前區(qū)是一個(gè)快速環(huán)節(jié)，利用的是純比例控制，常規(guī)PID控制器的整定方法回路得串級(jí)控制。

4.2 魯棒性分析比較

為了進(jìn)行魯棒性分析，分為以下兩種情況：內(nèi)擾，外擾。在兩種情況下對(duì)象參數(shù)變化分別對(duì)串級(jí)PID控制系統(tǒng)和內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行仿真比較。

5 總結(jié)

火電廠的主汽溫是大慣性、大滯后的對(duì)象，并且通過(guò)動(dòng)態(tài)特性隨機(jī)組的符合的變化發(fā)生變化，運(yùn)行過(guò)程中干擾因素多。從以上的論文數(shù)據(jù)顯示實(shí)際的PID主汽溫控制系統(tǒng)實(shí)例來(lái)看，并不能很好的控制效果。在充分考慮主汽溫是大慣性、大滯后、魯棒性的因素特性，故研發(fā)出內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)，該系統(tǒng)能很好的識(shí)別模型后，就能求出內(nèi)?？刂破?。而且能準(zhǔn)確判斷出來(lái)。根據(jù)內(nèi)模控制原理，設(shè)計(jì)控制器采用了Matlab軟件進(jìn)行仿真。對(duì)更好地研究不確定大延遲對(duì)象的控制有一點(diǎn)意義。

本文主要對(duì)以下三點(diǎn)工作：

（1）介紹現(xiàn)代火電背景下，研發(fā)內(nèi)模控制系統(tǒng)的重要性。鍋爐主汽溫控制策略研究，綜述了引起鍋爐溫度變化的因素、控制的必要性、以及安全經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

（2）系統(tǒng)的介紹了主汽溫控制系統(tǒng)的任務(wù)、設(shè)計(jì)原則以及主要難點(diǎn)。

（3）基于內(nèi)?？刂评碚?，利用最小二乘識(shí)別出模型，求取內(nèi)?？刂破?，對(duì)內(nèi)模控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)PID系統(tǒng)進(jìn)行比較。從數(shù)據(jù)表明內(nèi)模控制系統(tǒng)優(yōu)于串級(jí)控制系統(tǒng)PID。

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作者簡(jiǎn)介：張方（1988-），男，浙江余姚人，本科，助理工程師，項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向：電廠自動(dòng)化。