超临界机组基于Smith预估的过热汽温控制策略

刘 岩,郭 琦,祖光鑫,贾长阁

(1. 国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院， 哈尔滨 150030；2. 国网黑龙江技能培训中心齐齐哈尔分部，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

超临界机组基于Smith预估的过热汽温控制策略

刘 岩1,郭 琦2,祖光鑫1,贾长阁1

(1. 国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院， 哈尔滨 150030；2. 国网黑龙江技能培训中心齐齐哈尔分部，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

阐述了过热汽温串级控制系统及基于Smith预估计的过热汽温控制系统工作原理和实现方法。结合超临界单元机组过热汽温的控制特点，以常熟1 000 MW机组过热汽温控制策略为例，提出一种基于Smith预估计控制方法的过热汽温控制策略，实际应用中,该系统为单回路控制系统，结构简单,且可有效消除延迟环节对系统控制品质的影响。

超临界；串级控制；Smith预估控制，过热汽温

超临界机组与亚临界机组相比具有更好的热效率和经济性，因此超临界机组已成为目前国内新建及扩建机组首选设计方案。因其具有更高的主汽压力和主汽温度，汽温控制对于超临界机组的安全、经济运行有着非常重要的作用。作为火力发电机组的重要控制参数之一，对过热蒸汽温度的控制是要维持过热器出口温度在控制要求范围内，过热蒸汽温度过高或者过低，都会对相关设备造成不良后果，过热蒸汽温度超过高限，会导致过热器损坏，汽轮机也会由于内部过度的热膨胀而导致设备损坏；过热蒸汽温度低于设计值，一方面会导致设备运行效率降低，同时会加大汽轮机的蒸汽湿度，导致叶片磨损。因而，根据过热蒸汽温控制系统的控制特点，并且结合发电厂应用实例，对基于Smith预估计器的过热汽温控制系统进行了分析研究。

1 超临界单元机组过热汽温的控制特点及控制策略

1.1 过热汽温控制系统

过热汽温控制系统通常包含以下几个部分：喷水减温器、一级过热器、二级过热器、调节阀等，在大型机组的过热系统中还设计有三级过热器。喷水减温器安装在两级过热器之间，其作用是通过调节阀开度调节喷水流量，从而实现对过热蒸汽温度的调节,其系统简图如图1所示。图1中W为减温水量，θ1为减温器出口温度，θ2为过热器出口温度。

在锅炉运行中影响过热器出口温度的因素主要有以下几个方面：

1) 蒸汽流量变化。过热器类型的不同蒸汽流量变化对蒸汽温度产生的影响也不相同，辐射式过热器的蒸汽温度会随着蒸汽流量的增加而下降，对流式过热器的蒸汽温度会随着蒸汽流量的增加而升高。

图1 过热蒸汽喷水减温系统简图

2) 烟气扰动。如：过剩空气系数的变化会导致燃烧产物发生改变，进而影响烟气温度以及烟气流动速度，对流传热和辐射传热的比例也会发生变化。过剩空气量的增加会导致蒸汽温度随之上升。

3) 减温水流量变化。减温水流量增加时，会使进口蒸汽温度下降。当其它条件不变时，下级过热器出口蒸汽温度也随之下降。

机组运行过程中，蒸汽扰动下过热对象的滞后和惯性都比较小，烟气扰动下过热对象具有自平衡能力和小延迟，而喷水减温系统却具有大得多的滞后和惯性，难以控制。超临界单元机组过热蒸汽温度的控制主要靠燃水比和喷水减温调节，通过维持特定的燃水比可以对主汽温度控制起到粗调作用。保持燃水比不变，通过控制减温水流量可以实现对过热蒸汽温度微调[1]。

目前喷水减温系统控制方法的研究主要包括以下几个方面：

1) 基于传统PID控制器的串级过热汽温控制。

2) 基于Smith预估计器的过热汽温控制。

3) 基于智能控制算法的过热汽温控制。

传统PID串级控制结构简单，容易理解，但由于过热汽温系统存在大惯性、大延迟的特点，通过PID控制器很难获得理想的控制效果。研究证明，Smith预估计器可以有效地克服系统延迟特性[2-4]，与传统PID控制器相比其控制效果更好，更因其在工程上较容易实现，在过热汽温控制系统中得到了广泛应用。随着智能控制方法的不断发展，越来越多的研究者将神经网络、遗传算法、模糊控制等智能控制方法引入到过热汽温控制系统[5-7]。在实际工程应用中，过热汽温控制系统大多采用传统PID串级控制，以及基于Smith预估计器的控制算法，将对上述两种常用控制方法详细阐述。

1.2 串级过热汽温控制系统

根据过热汽温被控对象惯性大、延迟大的特点，可以从被控对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号，作为调节器的补充反馈信号构成串级过热汽温调节系统。其系统框图如图2所示。

图2 过热汽温串级控制系统框图

由图2可知，串级系统由主、副两个调节器构成。主调节器Gc1(s)接受被调量出口汽温θ2及其给定值，主调节器的输出与喷水减温器出口汽温θ2共同作为副调节器Gc2(s)的输入，副调节器的输出作为控制量驱动执行机构来改变减温水量，从而实现对过热汽温的调节作用。假设减温水流量由于内扰N(s)而上升，此时减温器出口汽温θ1下降快于θ2，此时副调节器输出减小，驱动执行机构较小喷水减温调节阀的开度，可快速消除由于减温水量内扰所造成的影响。当负荷或烟气扰动引起θ2升高，设定值不变时主调节器输出降低导致副调节器输出增大，从而控制减温水调门开度增大。图2中Gp1(s)又被称为导前区传递函数，Gp2(s)为惰性区传递函数。Gp1(s)通常为一阶惯性环节

式中：k为过热器入口温度变化时，过热器入口与出口温度变化的比值，T为系统惯性时间常数。

1.3 基于Smith预估计器的过热汽温控制系统

Smith预估计算法可用于对死区进行补偿，最早由O.J.M.smith提出用于消除死区的影响，又被称为死区补偿器。基本原理就是通过对被控对象在基本扰动下的动态特性进行预估，由预估器实现对被控对象的死区进行补偿，将被延迟了τ的被调量超前反映到控制器,使控制器提前动作,从而减小控制系统的超调量和加速调节过程。其控制系统框图如图3所示。

图3中Gk(s)是Smith引入的预估补偿器传递函数，Gc(s)为控制器，被控对象Gp(s)eτs中含有纯延时环节，为使闭环特征方程不含纯滞后环节则：

图3 Smith预估器补偿控制系统

(1)

引入预估补偿器Gk(s)后，系统闭环传递函数变为：

(2)

由式(1)、(2)可知，当Gk(s)满足：

Gk(s)=Gp(s)(1-e-τs)

(3)

将式(3)代入式(2)，此时式(2)等于式(1)，系

统的闭环特征方程为：

1+Gc(s)Gp(s)=0

(4)

通过加入预估补偿器环节，把Gp(s)作为被控对象，用Gp(s)的输出作为反馈信号，从而使反馈信号相应提前了τ时刻。此时，系统闭环特征方程已经不含纯滞后项，消除滞后环节对控制系统的影响，提高控制器增益，从而改善控制质量。

图4 基于Smith预估器的过热汽温控制系统

2 过热汽温控制系统应用实例分析

2.1 机组简介

常熟发电有限公司1 000 MW超临界机组锅炉为上海锅炉厂和ALSTOM公司联合设计制造，型号为：SG3098/27.46-M539，超临界压力参数、变压运行、螺旋管圈直流锅炉，锅炉燃用煤种为烟煤，锅炉最大连续蒸发量为3 098 t/h，BMCR工况下主蒸汽额定温度605 ℃，主蒸汽额定压力27.46 MPa。该机组过热器系统流程图如图5所示。

悬吊管和一级屏式过热器、二级过热器以及三级过热器构成了过热器系统的主受热面。过热蒸汽汽温调节采用燃水比粗调和两级八点喷水减温细调的控制方式，在一级过热器和二级过热器、二级过热器和三级过热器之间设置两级喷水减温装置，通过两级受热面之间的连接管道的交叉，一级受热面外侧管道的蒸汽进入下一级受热面的内侧管道，可以有效补偿由于烟气侧造成的热偏差。

图5 常熟1 000 MW超超临界机组过热器系统

2.2基于Smith预估计器过热汽温控制系统实例分析

根据主汽温度的控制需要，该机组设计有两级喷水减温控制系统。

2.2.1 过热器一级减温控制

a) 过热器一级减温控制的目的是保证二级减温器的进出口温差在设定范围内。

b) 过热器一级减温控制引入Smith预估算法，采用单回路控制。Smith预估算法使得动态时被调量为一级减温器出口温度而不是二级减温器入口温度。

c) 由图5可知，该系统共有4个一级减温器，设计有4个独立的控制回路。

每个控制回路包含两个部分，设定值生成部分及主控制回路，逻辑图分别如图6、图7所示。

图6 一级减温控制温度设定值回路逻辑图

图7 一级减温Smith预估控制系统逻辑图

根据一级减温系统的控制目的可知，过热器一级减温控制温度设定值主要由修正后的过热器二级出口温度、加入偏置的过热器二级减温器进口温度，以及由4个二级减温器进口温度最小值经过低选、高选运算得到。通常情况下，超临界机组过热器入口温度至过热器出口温度的惰性区传递函数可由四阶惯性环节表示，构造Smith预估计过热汽温控制系统如图7所示。该系统中，在不同工况下系统特性不同，这里采用主汽流量的函数来修正惯性时间常数T。

2.2.2 过热器二级减温控制

a) 过热器二级减温控制主汽温度，其设定值来源于DEH给出的“理想主汽温度”，经过大小选后产生最终的设定值。

b) 过热器二级减温控制同样采用Smith预估算法，采用单回路控制。Smith预估算法使得动态时被调量为二级减温器出口温度而不是主蒸汽温度。

c) 与一级减温器相同，共有4个二级减温器，设计4个独立的控制回路。二级减温系统控制回路可分为设定值生成部分，逻辑图分别如图8、图9所示。

与一级减温系统相似，二级减温被控量的设定值由理想主汽温度、加入偏置的主汽温度、以及主汽温度最小值经过小选、大选计算得到，其目的是维持设定值在一定范围内，增加控制的安全性。构造二级减温Smith预估控制系统如图9所示。

图8 二级减温控制温度设定值回路逻辑图

图9 二级减温Smith预估控制系统逻辑图

3 结 论

根据超临界直流锅炉过热汽温控制的具体特点，分析了常见的过热汽温控制方法(串级PID双回路控制系统)存在的问题，给出了采用串级控制系统和基于Smith预估计器解决此类问题的路径和策略。

选取常熟1 000 MW超临界机组为研究对象，给出了该机组基于Smith预估计器的过热汽温控制策略的实现方法。研究结果表明，相对于串级PID双回路控制系统，单回路Smith预估计器控制系统在结构上更为简单，可有效消除延迟环节对系统的影响，可使系统具有更好的控制品质。

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Superheatedsteam temperaturecontrol strategy forsupercriticalpower unit based on Smith prediction

LIU Yan1,GUO Qi2,ZU Guangxin1,JIA Changge1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin 150030,China; 2. Qiqihar Branch of State Grid Heilongjiang Skills Training Center,Qiqihar 161005,Heilongjiang,China)

The working principle and realization method of superheated steam temperature cascade control system and superheated steam temperature control system based on Smith prediction are described. Combined withthe control characteristics of superheated steam temperature of supercritical power unit, a superheated steam temperature control strategy based on Smith predictioncontrol method is proposed, by taking the superheated steam temperature control strategy of Changshu 1 000 MW unit as an example. In practical application, the system is single loop control system with simple structure and can effectively eliminate the influence ofdelay link on the system control quality.

supercritical; cascade control; Smith prediction control; superheated steam temperature

2017-03-22。

刘 岩(1981—)，男，硕士，工程师，研究方向为涉网试验与自动调试技术。

TK323

A

2095-6843(2017)05-0441-05

(编辑李世杰)