锅炉汽轮机单元的汽压均衡控制器.pdf

本发明公开了属于发电设备控制技术领域的一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器。其由压差补偿器和压力设定点优化器两部分组成：压差补偿器根据汽压偏差信号PE的大小动态调整负荷指令变化的速率和方向，产生实际负荷目标值NR；压力设定点优化器在汽压偏差信号PE的驱动下，动态调整蒸汽压力的设定值，产生实际汽压目标值PTR。将NR和PTR分别与实际负荷信号N和实际汽压偏差信号PT求差后作为机炉协调控制器的输入，实现对锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制。应用本发明在常规机炉协调控制的基础上新增汽压均衡控制器，方便有效地解决机组输出功率大范围变化时蒸汽压力频繁超限的问题，实现蒸汽压力的均衡控制，提高机组的运行水平。

1.  一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，其特征在于：
锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器由压差补偿器和压力设定点优化器两部分组成：压差补偿器依据规则，根据汽压偏差信号P_E的大小动态调整负荷指令变化的速率和方向，产生实际负荷目标值N_R；压力设定点优化器根据运行工况，在汽压偏差信号P_E的驱动下，依据规则动态调整蒸汽压力的设定值，产生实际汽压目标值P_TR；将N_R和P_TR分别与实际负荷信号N和实际汽压偏差信号P_T求差后作为机炉协调控制器的输入，从而实现对锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制。

2.  根据权利要求1所述的一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，其特征在于，所述压差补偿器根据汽压偏差信号P_E的大小产生出实际负荷目标值N_R所依据的规则如下：

式中，N_R(k)和N_R(k-1)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的实际负荷目标值，N_sp(k)为当前采样时刻的目标负荷期望值，P_E(k)为当前采样时刻的汽压偏差信号，P_Tsp(k)为当前采样时刻的蒸汽压力期望值，t(k)和t(k-1)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的时间，F_N和R_N分别为预先给定的实际负荷目标值N_R的下降速率和上升速率，项是对N_R的反调，以此来影响主蒸汽调节阀的开度μ_T，从而主动减小蒸汽压力的偏差，α为反调系数，一般在10～20之间取值，超前-滞后环节是为了动态地增强反调强度、快速消除压力偏差，一般情况下应取τ₁>τ₂，也可取τ₁＝τ₂，此时反调项就变为比例环节。
规则中，汽压偏差信号P_E在[-0.05P_Tsp(k)，-0.03P_Tsp(k))和(0.03P_Tsp(k)，0.05P_Tsp(k)]范围内变化时具有滞环特性，可防止实际负荷目标值N_R在边界点的频繁切换。|0.03P_Tsp|和|0.05P_Tsp|的误差边界可根据实际需要进行修改。

3.  根据权利要求1所述的一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，其特征在于，所述设定点优化器根据汽压偏差信号P_E的大小产生出实际汽压目标值P_TR所依据的规则如下：

式中，P_TR(k)和P_TR(k-1)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的实际汽压目标值，F_P和R_P分别为预先给定的实际汽压目标值P_TR的下降和上升速率。
规则中，汽压偏差信号P_E大于安全范围上限+0.05P_Tsp时要将实际汽压目标值P_TR做一幅值为0.02P_TR(k-1)的负向阶跃，主动拉近P_TR与P_T的距离，缓解功率变化与蒸汽压力稳定的矛盾，促使系统尽快回到稳态。同理，汽压偏差信号P_E小于安全范围下限-0.05P_Tsp时要将实际汽压目标值P_TR做一幅值为0.02P_TR(k-1)的正向阶跃，缓解功率变化与蒸汽压力稳定的矛盾。
规则中，压力偏差信号P_E在[-0.05P_Tsp(k)，-0.03P_Tsp(k))和(0.03P_Tsp(k)，0.05P_Tsp(k)]范围内变化时具有滞环特性，可防止实际汽压目标值P_TR在边界点的频繁切换。|0.03P_Tsp|和|0.05P_Tsp|的误差边界可根据实际需要进行修改。

4.  根据权利要求1所述的一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，其特征在于，所述汽压均衡控制采用在分散控制系统DCS中应用软件组态的方式，或应用硬件电路与软件编程相结合的方式加以实现；硬件电路中除包含中央处理器外，还包含I/O接口、通信接口、同步电路、实时时钟、EPROM、RAM、故障检测电路和掉电检测电路；其中I/O接口用于连接键盘和显示器；通信接口用于与DCS进行数据通信；同步电路与实时时钟用于数据采集与传输中的时间同步；EPROM用于存储由软件编制的压差补偿器和压力设定点优化器的输出规则；RAM用于存储来自DCS的实时数据；故障检测电路用于在运算失败时自动复位程序；掉电检测电路用于在电压突降或瞬间断电时保护中央处理器中的状态信息；该电路通过通信接口从DCS中获得汽压偏差信号P_E、目标负荷期望值N_sp和蒸汽压力期望值P_Tsp；再将运算后产生的压差补偿器的输出N_R和压力设定点优化器的输出P_TR送回到DCS中作为机炉协调控制器的实际目标值。

锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器
技术领域
本发明属于设备控制技术领域，特别涉及一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器。具体是一种由蒸汽压力偏差信号驱动的、由压差补偿器和压力设定点优化器两部分构成的、以确保蒸汽压力稳定均衡为目的的优化控制器。
背景技术
锅炉-汽轮机单元已经成为目前国内最为流行且普遍采用的发电机组形式，其典型特征是：由单一的一台锅炉(亚临界、超临界、循环流化床、生物质锅炉等)制备蒸汽供给单一的一台汽轮机，再由汽轮机带动发电机产生电能。一台锅炉、一台汽轮机、一台发电机及相关辅助设备共同构成单元制发电机组。
已经证明，在燃烧矿物燃料的发电机组中，锅炉-汽轮机单元是一种最为高效和经济的形式。尽管如此，在锅炉-汽轮机单元的整个生产流程中仍存在一些影响机组运行品质的固有矛盾，例如：
燃料加入锅炉炉膛到高温高压蒸汽的产生需要较长时间，而电网对机组输出功率的需求N时刻都在变化，为了提高锅炉侧蒸汽产出的速度，主蒸汽调节阀的开度μ_T常被作为一种调节手段，当负荷指令N_sp增加时，通过增加主蒸汽调节阀的开度，透支锅炉金属材料中的蓄热，快速地制备蒸汽，从而响应电网的负荷需求，同时，相应地增加入炉燃料量B来平衡能量的供需关系；但是，主蒸汽调节阀的开度的变化将不可避免地影响到蒸汽管道出口(主蒸汽调节阀前)的蒸汽压力P_T(称为主蒸汽压力)，使其产生较大范围的波动，而主蒸汽压力又是锅炉-汽轮机单元运行中最为重要的过程参数，其稳定性将直接影响到机组的安全、经济运行。
综上所述，锅炉-汽轮机单元的负荷跟随速度与汽压平稳性是有矛盾的。现有的控制方式(尤其是连接自动发电控制系统AGC的机组的控制方式)多强调负荷响应的快速性，而在一定程度上容忍或忽视蒸汽压力的频繁波动，但在频繁改变的电网负荷需求的激励下，蒸汽压力的波动有时会趋向恶化，进而引起自动系统的解裂甚至停机。
怎样在不影响锅炉-汽轮机单元负荷响应速度的同时提高蒸汽压力的平稳性，即实现多种工况下的压力均衡控制是一个亟待解决的问题。
经对现有学术及技术文献的检索，未发现专门针对蒸汽压力均衡问题的研究。而对于锅炉-汽轮机单元控制问题的研究多集中在对各种先进控制算法的尝试和仿真对比上，如：
高夫燕等人在《能源工程》(2004年，第6期，第12-15页)上发表的文章“模糊神经网络控制器用于电站主汽压控制的研究”根据主汽压被控对象的动态特性，设计了一个模糊神经网络自适应控制系统，该系统引用了模糊高斯基函数神经网络结构，并采用了基于变尺度优化学习的改进型学习算法，仿真实验证明了该方法的有效性。但是，从工程应用的角度看，该研究存在两方面的问题：其一，文中将主蒸汽压力看作一个孤立的系统进行控制系统设计，没有充分考虑汽压与机组输出功率之间的耦合关系，仅通过调节进入炉膛的燃料量来控制蒸汽压力，没有设置对主蒸汽调节阀开度的限制，如电网负荷需求发生大范围变化，这种方法将很难保证蒸汽压力的稳定；其二，文中控制系统所基于的神经网络结构复杂，未知参数多且物理意义不明确，有大量参数需要通过寻优的方式加以确定。因此，该方法很难在工业控制系统中实现，实用价值不高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提出一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，该控制器结构简单，贴近实际运行情况、易于工程实现。
本发明的技术方案为：汽压均衡控制器由压差补偿器和压力设定点优化器两部分构成，两者的输出N_R和P_TR分别与实际负荷信号N和实际汽压信号P_T求差后作为机炉协调控制器的输入，即可实现对该锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制。
N_R和P_TR由汽压偏差信号P_E、目标负荷期望值N_sp和蒸汽压力期望值P_Tsp、压差补偿器和压力设定点优化器的输出规则共同确定。其中，P_E为条件变量，驱动不同规则间的转换及输入/输出影射关系的建立；N_sp和P_Tsp为目标变量，系统到达稳态后N_R和P_TR最终与N_sp和P_Tsp保持一致；压差补偿器和压力设定点优化器的输出规则按照机组运行工况及蒸汽压力偏离期望值的程度设定。
具体实施步骤如下：
1)建立压差补偿器的输出规则：
根据蒸汽压力偏离期望值的程度，即偏差信号P_E的大小，按照如下五种情况建立压差补偿器的输出规则。
①汽压偏差信号P_E在允许范围以内，如P_E|≤|0.03P_Tsp|，且目标负荷期望值N_sp的变化速率在设定范围内，则采用离散表达式的输出规则为：
N_R(k)＝N_sp(k)，当|P_E(k)|≤|0.03P_Tsp(k)且 F N < N sp ( k ) - N R ( k - 1 ) t ( k ) - t ( k - 1 ) < R N , ]]>
其中，N_R(k)和N_R(k-1)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的实际负荷目标值，N_sp(k)为当前采样时刻的目标负荷期望值，P_E(k)为当前采样时刻的蒸汽压力偏差信号，P_Tsp(k)为当前采样时刻的蒸汽压力期望值，t(k)和t(k-1)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的时间，F_N和R_N分别为预先给定(可修改)的实际负荷目标值N_R的下降速率和上升速率。|0.03P_Tsp|的误差边界可根据实际需要进行修改。
②汽压偏差信号P_E在允许范围以内，但目标负荷期望值N_sp的上升速率超出了设定速率R_N，则采用离散表达式的输出规则为：
N_R(k)＝R_N[t(k)-t(k-1)]+N_R(k-1)，当|P_E(k)|≤|0.03P_Tsp(k)|且 N sp ( k ) - N R ( k - 1 ) t ( k ) - t ( k - 1 ) > R N , ]]>
③汽压偏差信号P_E在允许范围以内，但目标负荷期望值N_sp的下降速率超出了设定速率F_N，则采用离散表达式的输出规则为：
N_R(k)＝F_N[t(k)-t(k-1)]+N_R(k-1)，当|P_E(k)|≤|0.03P_Tsp(k)|且 N sp ( k ) - N R ( k - 1 ) t ( k ) - t ( k - 1 ) < F N , ]]>
④蒸汽压力偏差信号P_E超出允许范围但仍处于安全范围内，此时要暂时停止实际负荷目标值N_R的变化，等待P_E回到允许范围以内，则采用离散表达式的输出规则为：N_R(k)＝N_R(k-1)，当|0.03P_Tsp(k)|<|P_E(k)|≤|0.05P_Tsp(k)|
本条规则在压力偏差信号P_E在[-0.05P_Tsp(k)，-0.03P_Tsp(k))和(0.03P_Tsp(k)，0.05P_Tsp(k)]范围内变化时具有滞环特性，可防止实际负荷目标值N_R在边界点的频繁切换。
⑤汽压偏差信号P_E超出安全范围，此时要将实际负荷目标值N_R作反向调节，促使P_E回到安全范围以内，则采用离散表达式的输出规则为：
N R ( k ) = N R ( k - 1 ) - α τ 1 s + 1 τ 2 s + 1 P E ( k ) , ]]>当|P_E(k)|>|0.05P_Tsp(k)
本条规则中的项是对N_R的反调，以此来影响主蒸汽调节阀的开度μ_T，从而主动减小蒸汽压力的偏差。α为反调系数，一般在10～20之间取值；超前-滞后环节是为了动态地增强反调强度、快速消除压力偏差，一般情况下应取τ₁>τ₂，也可取τ₁＝τ₂，此时反调项就变为比例环节。
综上所述，压差补偿器的输出规则可用一组方程描述：

2)建立压力设定点优化器的输出规则
根据汽压偏差信号P_E的大小，按照如下六种情况建立压力设定点优化器的输出规则。
①蒸汽压力偏差信号P_E在允许范围以内，如|P_E|≤|0.03P_Tsp|，且蒸汽压力期望值P_Tsp的变化速率在设定范围内，则采用离散表达式的输出规则为：
P_TR(k)＝P_Tsp(k)，当|P_E(k)|≤|0.03P_Tsp(k)|且 F P < P Tsp ( k ) - P TR ( k - 1 ) t ( k ) - t ( k - 1 ) < R P ]]>
其中，P_TR(k)和P_TR(k-1)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的实际汽压目标值，F_P和R_P分别为预先给定(可修改)的实际汽压目标值P_TR的下降速率和上升速率。|0.03P_Tsp|的误差边界可根据实际需要进行修改。
②汽压偏差信号PE在允许范围以内，但蒸汽压力期望值P_Tsp的上升速率超出了设定速率R_P，则采用离散表达式的输出规则为：
P_TR(k)＝R_P[t(k)-t(k-1)]+P_TR(k-1)，当|P_E(k)|≤|0.03P_Tsp(k)|且 P Tsp ( k ) - P TR ( k - 1 ) t ( k ) - t ( k - 1 ) > R P , ]]>
③汽压偏差信号P_E在允许范围以内，但蒸汽压力期望值P_Tsp的下降速率超出了设定速率F_P，则采用离散表达式的输出规则为：
P_TR(k)＝F_P[t(k)-t(k-1)]+P_TR(k-1)，当|P_E(k)|≤|0.03P_Tsp(k)|且 P Tsp ( k ) - P TR ( k - 1 ) t ( k ) - t ( k - 1 ) < F P , ]]>
④汽压偏差信号P_E超出允许范围但仍处于安全范围内，此时要暂时停止实际汽压目标值P_TR的变化，等待P_E回到允许范围以内，则采用离散表达式的输出规则为：
P_TR(k)＝P_TR(k-1)，当|0.03P_Tsp(k)|<|P_E(k)|≤|0.05P_Tsp(k)|，
本条规则在压力偏差信号P_E在[-0.05P_Tsp(k)，-0.03P_Tsp(k))和(0.03P_Tsp(k)，0.05P_Tsp(k)]范围内变化时具有滞环特性，可防止实际汽压目标值P_TR在边界点的频繁切换。
⑤汽压偏差信号P_E大于安全范围上限+0.05P_Tsp，此时要将实际汽压目标值P_TR做一负向阶跃，主动拉近P_TR与P_T的距离，缓解功率变化与蒸汽压力稳定的矛盾，促使系统尽快回到稳态，则采用离散表达式的输出规则为：
P_TR(k)＝0.98P_TR(k-1)，当P_E(k)>+0.05P_Tsp(k)
⑥汽压偏差信号P_E小于安全范围下限-0.05P_Tsp，此时要将实际汽压目标值P_TR做一正向阶跃，主动拉近P_TR与P_T的距离，缓解功率变化与蒸汽压力稳定的矛盾，促使系统尽快回到稳态，则采用离散表达式的输出规则为：
P_TR(k)＝1.02P_TR(k-1)，当P_E(k)<-0.05P_Tsp(k)
综上所述，压力设定点优化器的输出规则可用一组方程描述：

3)汽压均衡控制器实现汽压均衡控制的的方式
将上述规则(1)和(2)在分散控制系统DCS中应用软件组态的方式，或应用硬件电路与软件编程相结合的方式加以实现。
在DCS中实现汽压均衡控制器最为方便，只需应用组态的方式按照(1)和(2)编制规则，然后将压差补偿器的输出N_R和压力设定点优化器的输出P_TR作为机炉协调控制器的给定输入即可。
若DCS的存储容量或运算负荷受限，就需要采用硬件电路与软件编程相结合的方式实现汽压均衡控制。该硬件电路除包含中央处理器外，还包含I/O接口、通信接口、同步电路、实时时钟、EPROM、RAM、故障检测电路、掉电检测电路等。其中I/O接口用于连接键盘和显示器；通信接口用于与DCS进行数据通信；同步电路与实时时钟用于数据采集与传输中的时间同步；EPROM用于存储由软件编制的压差补偿器和压力设定点优化器的输出规则；RAM用于存储来自DCS的实时数据；故障检测电路用于在运算失败时自动复位程序；掉电检测电路用于在电压突降或瞬间断电时保护中央处理器中的状态信息。该电路通过通信接口从DCS中获得蒸汽压力偏差信号P_E、目标负荷期望值N_sp和蒸汽压力期望值P_Tsp；再将运算后产生的压差补偿器的输出N_R和压力设定点优化器的输出P_TR送回到DCS中，作为机炉协调控制器的实际目标值，即可实现蒸汽压力的均衡控制。
考虑到实际系统的复杂性，在工程应用中，还需要结合现场试验对上述规则中选择的压力控制边界点(|0.03P_Tsp|和|0.05P_Tsp|)进行适当调整和重新设定。
本发明的有益效果是应用木发明提出的方法，工程技术人员可以针对各种类型的锅炉-汽轮机单元，在常规机炉协调控制的基础上新增汽压均衡控制器，方便有效地解决机组输出功率大范围变化时蒸汽压力频繁超限的问题，实现蒸汽压力的均衡控制，提高机组运行水平。
附图说明
图1是锅炉-汽轮机单元汽压均衡控制器的组成结构及其机炉协调控制系统连接的原料示意图。
图2锅炉-汽轮机单元汽压均衡控制器的硬件电路结构图。
图3所示是某电厂500MW锅炉-汽轮机单元的非线性模型图。
图4是实施例中定压运行方式下汽压均衡控制器性能试验的响应曲线图。
图5是某电厂500MW锅炉-汽轮机单元的滑压运行曲线图。
图6是实施例中滑压运行方式下汽压均衡控制性能试验的响应曲线。
具体实施方式
本发明提出一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
图1所示，汽压均衡控制器1由压差补偿器2和压力设定点优化器3两部分构成。将压差补偿器2的输出N_R和设定点优化器3的输出P_TR分别与实际负荷信号N和实际汽压信号P_T求差后作为机炉协调控制器4的输入，即可实现对锅炉-汽轮机单元5的汽压均衡控制。
图2所示为汽压均衡控制器1采用硬件电路与软件编程相结合的实现方式。该硬件电路除包含中央处理器外，还包含I/O接口、通信接口、同步电路、实时时钟、EPROM、RAM、故障检测电路、掉电检测电路等。其中I/O接口用于连接键盘和显示器；通信接口用于与DCS进行数据通信；同步电路与实时时钟用于数据采集与传输中的时间同步；EPROM用于存储由软件编制的压差补偿器和压力设定点优化器的输出规则；RAM用于存储来自DCS的实时数据；故障检测电路用于在运算失败时自动复位程序；掉电检测电路用于在电压突降或瞬间断电时保护中央处理器中的状态信息。该电路通过通信接口从DCS中获得蒸汽压力偏差信号P_E、目标负荷期望值N_sp和蒸汽压力期望值P_Tsp；再将运算后产生的压差补偿器的输出N_R和压力设定点优化器的输出P_TR送回到DCS中，作为机炉协调控制器的实际目标值，即可实现对蒸汽压力的均衡控制。
实施例：图3所示是某电厂500MW锅炉-汽轮机单元的非线性模型，机组的额定参数分别为：主蒸汽压力16.18Mpa，汽包压力18.97Mpa，主蒸汽流量1650t/h，输出功率500MW。燃料量B％和主蒸汽调节阀开度μ％分别满足速率和幅值限制：|dB/dt|≤1.0/s，0.0≤B≤100.0以及0.0≤μ≤100.0。基于上述模型，应用本发明给出的方法实现锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制，具体实施步骤如下：
1)首先，按照线性解耦控制理论设计出该模型的机炉协调控制器：
B μ T = 6.91 + 760 s 0.1298 + 0.001 / s - 0.0625 / s 0.001 / s 0.01 0 0 0.018 + 0.4 s P E N E ]]>
2)然后，按照式(1)和式(2)的形式以软件编程的方式实现压差补偿器和压力设定点优化器，二者组成汽压均衡控制器。其中，压力控制边界点选为(|0.03P_Tsp|和|0.05P_Tsp|)，反调系数α＝18，时间常数τ₁＝τ₂；
3)接着，按图1的形式，连接汽压均衡控制器与机炉协调控制器，即可实现对该锅炉-汽轮机单元模型的压力均衡控制。
为了检验本发明提出的汽压均衡控制器的性能，分别进行两组仿真试验：
①定压运行方式下汽压均衡控制器性能试验
设定机组工作在定压运行方式(主蒸汽压力的设定值不随机组输出功率而改变)，升降负荷速率不受限制(即F_N＝-∞，R_N＝+∞)，试验从t＝50s开始，目标负荷期望值N_sp从500MW阶跃下降到400MW，输出功率响应曲线如图4上部曲线所示。图中的点划线——为实际负荷目标值N_R和实际汽压目标值P_TR；点线——为期望值N_sp和蒸汽压力期望值P_Tsp；虚线-----为未加入汽压均衡控制器时机组的输出功率；蒸汽压力曲线如图4下部曲线所示；实线——为加入汽压均衡控制器后机组的输出功率及蒸汽压力曲线。从试验曲线可以看出，由于汽压均衡控制器的加入，实际负荷目标值N_R和实际汽压目标值P_TR相比于为目标负荷期望值N_sp和蒸汽压力期望值P_Tsp有明显改变，在此作用下，机组的压力平稳性明显提高，同时保持了机组原有的对电网负荷需求的跟随能力。
②滑压运行方式下汽压均衡控制器性能试验
设定机组工作在滑压运行方式(主蒸汽压力的定值随机组输出功率定值的变化而变化，对应关系曲线如图5所示)。升降负荷速率及汽压变化速率设定为F_N＝-15MW/min，R_N＝+15MW/min，F_P＝-0.3MPa/min，R_P＝+0.3MPa/min。试验从t＝50s开始，目标负荷期望值N_sp从300MW以12MW/min的速率上升到400MW，蒸汽压力期望值P_Tsp按滑压曲线变化响应曲线如图6所示。从试验曲线可以看出，即使在滑压运行方式下，汽压均衡控制器的加入也能明显提高机组的压力平稳性，同时保持良好的负荷跟随能力。以上阐述的是本发明给出的一个实施例表现出的优良控制效果。需要指出的是，本发明不只限于上述实施例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下可通过对其进行适当的变形来适应多种类型的锅炉-汽轮机单元。