超超臨界機組過熱汽溫控制系統建模與仿真

宋秋艷

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

近年來隨著我國超超臨界機組的大力發展，關于超超臨界機組控制系統的設計已經比較成熟，由于超超臨界機組是一個強耦合、非線性、多變量對象，和常規亞臨界機組相比，超超臨界機組的動態特性及控制系統更加復雜。在超超臨界機組控制系統中存在大量的函數塊，這些函數塊被用來修正補償機組運行時的靜態特性，可以說這些函數塊就決定了超超臨界機組控制系統的運行性能。但是，國內針對這些函數塊的研究還只是停留在定性分析的階段。本文以超超臨界機組的過熱汽溫控制系統為例，針對工程設計中的實際情況，建立模型，采用定性分析和仿真試驗相結合的方法，對超超臨界機組過熱汽溫控制系統進行分析，找出輸入輸出及內部函數之間的關系，研究各個函數塊的具體形式。

1 過熱器模型的分析

根據模型建立的需要，對過熱器提出如下假設：

(1)過熱器分為三級，各級之間增加噴水減溫環節；

(2)考慮到噴水減溫環節其本質是冷熱流的混合過程，而且在滿負荷條件下，混合后的工質也不會有液態形式的水存在，且減溫后的輸出在下一級過熱器中只是一個單相工質的過熱過程。所以減溫環節除了使蒸汽溫度降低外，對汽水流程中工質的其它特性影響不是很大。為了簡化模型，將各減溫環節與其后一級過熱器合并。

2 過熱器控制系統的設計

設計原則

根據上文所提出的過熱器段模型的假設方法，設計出控制器。其原理圖見圖1。

圖1 系統控制原理圖

圖1中：Furnace代表鍋爐爐膛；MILL代表磨煤機；μD代表給水閥閥門；PI1是控制第一級減溫器的控制器；PI2是控制第二級減溫器的控制器；PI3是控制給水閥閥門開度的控制器；PI4是控制磨煤機的控制器；N機組實際輸出功率；N0機組功率設定值；Tgro過熱器出口溫度設定值。函數塊f(t)ij對應各控制器中的未知函數。

該控制器設計的目的如下：當機組穩定運行，負荷小范圍變化時，控制系統要保持過熱器出口溫度不變，即保持原541℃。

當機組滿負荷運行時，如要求機組功率變化，為了防止蒸汽過熱引起機組故障，一般要求過熱器出口溫度保持不變，于是先通過第二級減溫噴水保持過熱器出口溫度。當溫度變化量超過第二級減溫器改變溫度的能力時，再通

過第一級減溫噴水改變進入第二級過熱器的溫度。如果溫度變化量比較大，超過兩級減溫器的調溫能力時，這時候就需要通過改變進入機組的給水量來改變第一級過熱器的出口溫度。比如：通常機組運行時，通過給煤量來控制機組功率，通過給水量來控制過熱器出口溫度。當要求機組功率上升5%時，此時可以假設過熱氣溫會上升30℃，兩級減溫器改變溫度的能力都設為±5℃。(這個值可以通過閥位系數來調整。但為了防止超調，一般會留有余量。此處為了便于仿真計算且不同數值對最終結果影響不大，故作此假設。實際運行中各機組情況不同，應當具體情況具體分析。)此時過熱器出口溫度就達到571℃，這對機組的運行是極其危險的。為了保證機組安全運行，就需要將過熱器出口溫度降到安全范圍內。通過上文SAMA圖的分析可知：在此負荷條件下，第二級噴水減溫的目的是保持過熱器出口溫度不變，同時允許機組在±5℃的范圍內變化。減溫器通過改變進入末級過熱器入口的溫度來改變過熱器出口溫度。由于第二級減溫器改變溫度的能力為±5℃，所以就要求第二級過熱器出口溫度穩態時最多比原溫度高5℃。當溫度變化量超過5℃時，則通過第一級噴水減溫使其溫度降下來。由于本次仿真在模擬時將第一級噴水減溫器的溫度控制范圍設為±5℃，所以第一級過熱器出口溫度穩態時最高比原溫度高10℃。如果溫度變化量超過了兩級噴水減溫器的調溫能力，則通過控制進入機組的水量來調節溫度。下面通過仿真試驗來說明控制系統的設計方法。

本文介紹函數塊設計時只介紹第二級過熱器控制系統中的時間函數塊f(x)12，f(x)22。第一級過熱器控制系統中的函數塊基本與第二級過熱器控制系統中的函數塊相同。

3 過熱器控制系統的仿真研究

3.1 原始PID控制器設計

按照SAMA圖設計思路，初步建立控制系統，其原理圖見圖2。

圖2 系統控制原理圖

見圖2，給煤量控制機組功率，給水量控制過熱器出口溫度。當功率設定值上升5%時，其仿真曲線見圖3～圖6。此時的控制效果并不是最佳的結果，4個PI控制器的目的只是為了保證負荷上升時，各級溫度能夠保持在相應的設定值上。從圖上可以看到，運行300s后，末級過熱器出口溫度變化量ΔTgr、第二級過熱器出口溫度變化量ΔT3、第一級過熱器出口溫度變化量ΔT2分別達到設定值。但此時超調較大，控制效果不好。下面將詳細介紹各函數塊的設計思路，為其它系統函數塊的設計提供方法。

3.2 函數塊設計

圖中f(x)12、f(x)22的作用是根據負荷指令來計算第一級和第二級過熱器出口溫度設定值。根據上文的假設可知，f(x)12、f(x)22分別為兩個飽和環節，其曲線見圖3、圖4。f(x)12、f(x)22的作用是當負荷上升時，如果溫度上升范圍在第二級減溫器控制范圍內時，第一級減溫器閥門開度不變。當溫度上升范圍超過第二級減溫器控溫能力時，第一級減溫器閥門開度相應做出變化。當溫度上升范圍超過兩級減溫器控溫能力時，則通過調節給水量來控制過熱器出口溫度。

圖3 f(x)12的曲線

圖4 f(x)22的曲線

根據圖2所示搭建好機組控制系統以后，當機組負荷設定值變化時，過熱器內各點的溫度也會相應地變化。這個變化量可以通過不斷地做機組模型的開環仿真試驗得到。一般來說，穩態運行時，給水量不變，燃料量增加會使機組的功率和過熱器出口蒸汽溫度上升。此時，不同的機組功率對應不同的過熱器出口蒸汽溫度。本文設計控制器的目的就是通過改變給水量和燃料量來使機組功率變化的同時能保持過熱器出口蒸汽溫度的穩定。通常情況下，過熱器出口蒸汽溫度允許在一定的范圍內變化，這個范圍就是過熱器各點溫度的允許變化量。例如，當負荷上升到要求過熱器入口溫度變化3℃時(3℃＜5℃)，通過調節第二級減溫器就能夠保持過熱器出口溫度，見圖5。當過熱器入口溫度變化8℃時(5℃＜8℃＜10℃)，該溫度已經超過第二級減溫器的控溫能力，但是通過調節第一級減溫器可以將它降下來，其仿真曲線見圖6。當過熱器入口溫度變化30℃時(30℃＞10℃)，該溫度超過兩級減溫器的控溫能力，要通過改變給水量才能保持過熱器出口溫度，其仿真曲線見圖7。

從圖5、圖6和圖7所示結果可知，按上文所說的思路設計控制系統可以，將過熱器出口蒸汽溫度的變化量控制在一個合適的范圍內，并使其終值與初始值不變。

可以通過不斷地增加前饋反饋環節，使控制效果得到不斷地提高。

圖5 過熱器入口溫度變化3℃時的仿真曲線

圖6 過熱器入口溫度變化8℃時的仿真曲線

圖7 原始PID控制器的仿真曲線

4 結論

本文通過針對SAMA圖的定性分析，介紹了超超臨界機組控制系統中的過熱汽溫控制系統。分析了該控制系統設計時應注意的問題，詳細介紹了過熱汽溫控制系統中控制器的測量值和設定值是如何確定的。在此基礎上，介紹了控制系統中一些函數塊的設計方法，得出了

各個函數塊的具體形式。雖然在設計中還有很多不足，但是本文為控制系統的設計提供了思路，為其它控制系統中函數塊的設計提供了方法。由于機組模型設計工況的限制，本文中只介紹了在滿負荷工況這一種運行條件下過熱汽溫控制系統中時間函數塊的設計方法，但是，其它工況條件下的其它控制系統函數塊也可以按照這種方法進行設計。同時，系統模型的建立是非常重要的，只有在獲得了合適的模型的基礎上，才能設計完備的控制器。

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