内模控制在火电厂主汽温系统中的应用

摘 要：基于现代火电安全高效发展，主汽温系统作为火电厂重要系统之一。对内模系统研发有一定的必要。蒸汽通过锅炉出口温度过高容易导致过热器和高压缸超过受热范围对设备损伤较大。主汽温偏低是，首先火电生产效益降低，增加煤炭使用量。其次缩短叶片的使用寿命。威胁机组运行安全。而内模控制系统很好的解决以上问题。抗干扰能力强、较好的跟踪性以及鲁棒性。本文主要介绍内模控制系统、PID串级控制系统以及对主汽温系统进行一个简介。通过分析内模控制、PID控制进行比较其精度高和鲁棒性。

关键词：内模控制；PID控制；主汽温系统；Matlab

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

1 绪论

针对火电厂主汽温系统的大迟延、大惯性特性时变和非线性动 态特性，基本有以下三种控制策略：1、提出了模糊自整定PID策略。包括串级PID控制系统、内模控制系统。内模控制系统比较容易满足火电的控制性能。而且操作简单。粗调阶段基于发电机组负荷进行模糊预整定，细调阶段基于系统的被调性能指标进行再整定，根据运行工况的改变并消除各种不可预测干扰。然后创新性地应用到主汽温控制中。2、采用T-S模糊模型描述复杂的工况条件下，并把该工况条件作为系统的内部模型，然后T-S模糊模型对该工况求逆。能够建立基本模型。3、提出了基于粒子群优化算法设计优化PID控制器的方法。

2 内模控制

内模控制室根据数学模型建立起的仿真软件。设计思路简单、对火电厂的控制系统鲁棒性有很好的控制效果。从而稳定控制主汽温控制系统，达到安全运行标准及其经济的运行模式。已在工业生产过程中广泛运用。

主汽温度对象具有大延迟、大惯性等，可以采取基于阶跃响应的最小二乘方法，根据对象的阶跃响应曲线和最小偏差得到被控对象的模型。根据相关数据串级控制仿真系统调整时间为700S，而内模控制的调整时间为650S。可以看出来内模控制系统在超调量以及调整时间都优于串级PID控制系统。

虚线部分表示内模结构部分。数学模型建立起的仿真软件实现预期效果。内模控制包括：控制器、过程模型。

内模控制系统是建立在理想条件下，在实际火电厂运行情况下，会产生一定的误差。

内模控制器的设计。通过两方面对其分析，首先在不考虑鲁棒性及其不稳定因素设计控制器，二是通过加装滤波器，对动态性能和鲁棒性进行调整。（稳定控制器设计、滤波器设计）

3 主汽温控制系统任务和设计原则

在现代火电发展中，锅炉的过热器是由三部分组成：辐射过热器、对流过热器以及减温器。将饱和的蒸汽通过过热器加热，传送到汽轮机中带动叶片做功。主蒸汽自动控制系统是将主蒸汽的温度控制在一定范围内530℃-545℃。

3.1 主气温是锅炉的重要指标

（1）主蒸汽气温过高，将导致锅炉受热面发生形变，影响使用寿命。甚至会发生管道爆裂等危险情况。在过热情况下设备（气缸、气门、喷嘴和叶片）机械强度明显降低，对设备损失较为严重。

（2）气温过低不利于火电机组循环的热效率。增大煤炭的使用量，增加经济负担。主蒸汽气温过低蒸汽湿度增大，降低了汽轮机运转功率，而且还会对叶片产生侵蚀作用，加快设备老化，增加运行安全隐患。

（3）主蒸汽温度变化过大，容易产生设备之间体积发生变化，导致生产运行过程中剧烈振动，增加运行安全隐患。

3.2 主汽温控中的难点

主汽温控制是锅炉的各项控制中比较困难的任务之一，造成这些困难的原因包括以下三点。

（1）主汽温变化的影响因素众多，比如负荷变化、送风变化、给水温度的变化、减温水量的变化、火焰中心位置的变化、流经过热器的烟气温度及流速变化、锅炉受热面结垢等等。

（2）在各类扰动下，被控对象有非线性、时变等特点，增大了控制的难度。

（3）主汽温大迟延、大惯性带来的控制困难，特别是随着机组容量和参数的增加，受热面比例增大，使得迟延和惯性更大，进一步加大了控制的难度。

3.3 主气温控制系统的设计原则

以下四点设计原则：（1）影响过热汽温变化的因素很多（如负荷，烟气等），选择改变烟气量或烟气温度（如改变喷燃器角度）作为汽温调节手段时，过热汽温的动态特性较好，但实现起来比较麻烦，并可能会造成与燃烧控制系统的相互干扰。（2）当前，多采用喷水减温的方法作为控制汽温的手段。对于维持汽温这一要求而言，被控对象主汽温在控制作用下具有大延迟、大惯性的特性，如果只根据汽温偏差来改变喷水量往往不能满足生产上的要求，因此，在设计控制系统时，应该加入比过热汽温提前反映扰动的前馈补偿信号，如负荷前馈信号，导前汽温信号等。当扰动产生后，过热汽温还未发生明显变化的时候就进行调节，及早地消除扰动对汽温造成的影响，以便有效地控制汽温的变化。（3）尽量采用快速测量元件，选择正确的安装位置，以减少控制通道的滞后和惯性。由于控制通道的滞后和惯性，不能及时反映温度的突然变化，因此也就不能及时地发出控制信号，造成控制系统稳定性差和控制质量不好。（4）对于现代大型锅炉，由于过热器管道加长，结构变得复杂，其滞后和惯性大大增加，为了完成控制主汽温和保护过热器两个任务，多采用分段汽温控制系统。

由于各种锅炉过热器的结构存在差异，所以它们的动态特性和静态特性也有差异，因而，过热汽温的自动控制系统大致可分为：串级汽温控制系统，采用导前汽温微分信号的双冲量汽温控制系统，相位补偿汽温控制系统和分段汽温控制系统。

目前，在火力发电厂的主汽温控制系统设计中，多数是采用的串级控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统。

4 仿真研究

主汽温控制系统是火电厂中重要的控制系统之一。锅炉主气温是影响电厂运行过程重的重要指标。主气温过高，容易烧坏过热器，引起过热器爆管严重事故。主气温过低，会降低运行效率，增加经济效益而且存在安全隐患。每降低5-10℃，热效率降低在1%，增加经济负担，煤炭使用量增大。并且温度过低会侵蚀叶片，加快设备老化程度。先通过研究内模控制IMC应用在主汽温上，从而本质上解决了很大一部分安全问题。将内模控制IMC当作串级控制系统重的主调节器，通过仿真实验表明IMC比串级PID性能更加优越。

4.1 串级控制系统

导前区是一个快速环节，利用的是纯比例控制，常规PID控制器的整定方法回路得串级控制。

4.2 鲁棒性分析比较

为了进行鲁棒性分析，分为以下两种情况：内扰，外扰。在两种情况下对象参数变化分别对串级PID控制系统和内模控制系统进行仿真比较。

5 总结

火电厂的主汽温是大惯性、大滞后的对象，并且通过动态特性随机组的符合的变化发生变化，运行过程中干扰因素多。从以上的论文数据显示实际的PID主汽温控制系统实例来看，并不能很好的控制效果。在充分考虑主汽温是大惯性、大滞后、鲁棒性的因素特性，故研发出内模控制系统，该系统能很好的识别模型后，就能求出内模控制器。而且能准确判断出来。根据内模控制原理，设计控制器采用了Matlab软件进行仿真。对更好地研究不确定大延迟对象的控制有一点意义。

本文主要对以下三点工作：

（1）介绍现代火电背景下，研发内模控制系统的重要性。锅炉主汽温控制策略研究，综述了引起锅炉温度变化的因素、控制的必要性、以及安全经济问题。

（2）系统的介绍了主汽温控制系统的任务、设计原则以及主要难点。

（3）基于内模控制理论，利用最小二乘识别出模型，求取内模控制器，对内模控制系统和串级控制系统PID系统进行比较。从数据表明内模控制系统优于串级控制系统PID。

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作者简介：张方（1988-），男，浙江余姚人，本科，助理工程师，项目经理，研究方向：电厂自动化。