超临界机组主汽温控制策略的仿真研究

李晋

摘 要：本文分析了超临界机组汽温系统的特点以及过热汽温的影响因素，提出了采用燃水比调节作为粗调，喷水减温作为细调的控制策略，然后针对不同负荷下的喷水减温控制采用常规PID控制系统并进行仿真研究。最后，针对喷水减温控制的大迟延、大惯性的特点，引入预测控制改善常规PID控制的不足。仿真结果表明，预测控制与常规PID控制相比，系统的调节速度更快，系统的稳定性更强。

关键词：超临界机组；预测控制；燃水比；中间点温度

1 超临界机组汽温控制简介

（1）影响汽温的主要因素：给水量与燃料量配比不当；给水温度的变化；燃料发热量的变化；火焰中心的移动；过剩空气量的变化；辐射受热面的结焦、积灰或对流受热面的积灰引起备受热面传热系数有不同程度的降低，等等。

（2）汽温控制方案为了获得较好的蒸汽品质，对于直流锅炉而言，必须先采用燃水比调节系统作为过热器出口主蒸汽温度的粗调，然后采用喷水减温作为细调，其中燃水比控制在超临界机组汽温调节中起着至关重要的作用：只有维持燃水比的稳定，才能将中间点温度控制在一定范围内，锅炉汽水系统中的变相点也就基本固定，从而保证过热汽温在一定可控制范围内；而喷水减温则利用其快速的动态响应特性细调过热汽温。

2 常规喷水减温

（1）系统的构成及工作原理。在串级汽温调节系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，可以选用不同的调节器。内回路及副调节器的任务是快速消除内扰，要求调节过程的持续时间较短，但不要求无差，故一般可选用纯比例调节器。当导前区惯性较大时，也可选用比例微分调节器。外回路及主调节器的任务是维持恒定，一般选用比例积分调节器。当过热器惰性区惯性较大时，也可选用比例积分微分调节器。

（2）整定方法。一般讲，汽温对象导前区的迟延和惯性比惰性区要小，而且副调节器又选用P或PD规律，在这种规律下内回路的调节过程要比外回路的调节过程快得多。当发生减温水扰动时，内回路可以很快地予以消除而使过热器出口温度基本上不受影响。因此，当内回路动作时，外回路可以视为开路状态；当外回路动作时，内回路可以视为快速随动系统。

（3）具体整定及仿真结果。

①当负荷为37%时。

A内回路整定：调节稳定值-0.1831，最大动态偏差0.0997，调节时间99.6938，衰减率0.7064，积分准则3.6137。

B外回路整定：调节稳定值10.000，最大动态偏差2.5536，调节时间2724.9，衰减率0.7493，积分准则6151.5。

②当负荷为50%时。

A内回路整定：调节稳定值-0.143，最大动态偏差0.0708，调节时间84.0946，衰减率0.778，积分准则2.591。

B外回路整定：调节稳定值10.000，最大动态偏差2.3246，调节时间1750.4，衰减率0.7589，积分准则3832。

③当负荷为75%时。

A内回路整定：调节稳定值-0.0745，最大动态偏差0.0368，调节时间67.2964，衰减率0.7635，积分准则1.0733。

B外回路整定：调节稳定值10.000，最大动态偏差2.3312，调节时间1122.2，衰减率0.7571，积分准则2482.7。

④当负荷为100%时。

A内回路整定：调节稳定值-0.0336，最大动态偏差0.0175，调节时间60.6183，衰减率0.7326，积分准则0.4423。

B外回路整定：调节稳定值10.000，最大动态偏差2.4894，调节时间643.3311，衰减率0.7371，积分准则1437.2。

3 汽温预测控制

（1）预测控制算法动态矩阵控制（DMC）。

对于弱非线性对象，可在工作点处首先线性化；对于不稳定对象，可先用常规PID控制使其稳定，然后再使用DMC算法。DMC控制包括3个部分：预测模型、滚动优化、反馈校正。

（2）DMC-PID 串级主汽温仿真研究根据DMC算法原理构建的Simulink模型，得出：

串级控制性能指标：调节时间520，动态偏差3.6；DMC-PID性能指标：调节时间260，动态偏差0；DMC-PID与串级PID的比较结果：采用DMC-PID的系統基本没有超调量，而且相比过渡时间比较短，响应速度快得多，明显优于常规PID串级系统。通过仿真比较，本文设计的主汽温预测DMC-PID串级控制系统的控制品质和鲁棒性明显优于常规PID控制系统，而且设计方法简单易行，微机编程方便，适于实时控制的特点，便于在工程中应用，为大迟延、大惯性系统的控制提供了一种新方法。

4 结论

（1）分析了超临界机组的汽温系统特点和影响直流炉主汽温度变化的各种因素，提出了各种因素的变化对主汽温度的具体影响。

（2）本文介绍了几种常见的控制方案，对采用水温、微过热汽温、焓值等不同校正信号的燃水比控制方案进行分析并比较其优缺点。

（3）针对不同负荷下的直流炉主汽温模型分别采用常规串级PID控制和导前微分信号的双回路控制方案，运用MATLAB软件进行仿真研究。结果表明，采用过去的控制方法不能取得令人满意的效果，整定参数不易确定，只有采用新的控制方法和措施才能实现满意的控制性能指标和效果。

（4）针对主汽温对象具有大时滞、大惯性等特点引入了预测控制并运用MATLAB软件进行仿真研究，仿真结果表明：采用预测控制可以加快系统的调节速度，加强系统的稳定性，控制品质和鲁棒性明显优于常规PID控制系统。

参考文献

[1]高建林，单英雷.600MW超临界机组过热汽温控制系统分析[J].华东电力，2008，36（1）：119-121.

[2]王磊.新型控制方法在汽温控制方面的应用[D].华北电力大学，2004.