超臨界機組基于Smith預估的過熱汽溫控制策略

劉 巖,郭 琦,祖光鑫,賈長閣

(1. 國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院， 哈爾濱 150030；2. 國網黑龍江技能培訓中心齊齊哈爾分部，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

超臨界機組基于Smith預估的過熱汽溫控制策略

劉 巖1,郭 琦2,祖光鑫1,賈長閣1

(1. 國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院， 哈爾濱 150030；2. 國網黑龍江技能培訓中心齊齊哈爾分部，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

闡述了過熱汽溫串級控制系統及基于Smith預估計的過熱汽溫控制系統工作原理和實現方法。結合超臨界單元機組過熱汽溫的控制特點，以常熟1 000 MW機組過熱汽溫控制策略為例，提出一種基于Smith預估計控制方法的過熱汽溫控制策略，實際應用中,該系統為單回路控制系統，結構簡單,且可有效消除延遲環節對系統控制品質的影響。

超臨界；串級控制；Smith預估控制，過熱汽溫

超臨界機組與亞臨界機組相比具有更好的熱效率和經濟性，因此超臨界機組已成為目前國內新建及擴建機組首選設計方案。因其具有更高的主汽壓力和主汽溫度，汽溫控制對于超臨界機組的安全、經濟運行有著非常重要的作用。作為火力發電機組的重要控制參數之一，對過熱蒸汽溫度的控制是要維持過熱器出口溫度在控制要求范圍內，過熱蒸汽溫度過高或者過低，都會對相關設備造成不良后果，過熱蒸汽溫度超過高限，會導致過熱器損壞，汽輪機也會由于內部過度的熱膨脹而導致設備損壞；過熱蒸汽溫度低于設計值，一方面會導致設備運行效率降低，同時會加大汽輪機的蒸汽濕度，導致葉片磨損。因而，根據過熱蒸汽溫控制系統的控制特點，并且結合發電廠應用實例，對基于Smith預估計器的過熱汽溫控制系統進行了分析研究。

1 超臨界單元機組過熱汽溫的控制特點及控制策略

1.1 過熱汽溫控制系統

過熱汽溫控制系統通常包含以下幾個部分：噴水減溫器、一級過熱器、二級過熱器、調節閥等，在大型機組的過熱系統中還設計有三級過熱器。噴水減溫器安裝在兩級過熱器之間，其作用是通過調節閥開度調節噴水流量，從而實現對過熱蒸汽溫度的調節,其系統簡圖如圖1所示。圖1中W為減溫水量，θ1為減溫器出口溫度，θ2為過熱器出口溫度。

在鍋爐運行中影響過熱器出口溫度的因素主要有以下幾個方面：

1) 蒸汽流量變化。過熱器類型的不同蒸汽流量變化對蒸汽溫度產生的影響也不相同，輻射式過熱器的蒸汽溫度會隨著蒸汽流量的增加而下降，對流式過熱器的蒸汽溫度會隨著蒸汽流量的增加而升高。

圖1 過熱蒸汽噴水減溫系統簡圖

2) 煙氣擾動。如：過剩空氣系數的變化會導致燃燒產物發生改變，進而影響煙氣溫度以及煙氣流動速度，對流傳熱和輻射傳熱的比例也會發生變化。過剩空氣量的增加會導致蒸汽溫度隨之上升。

3) 減溫水流量變化。減溫水流量增加時，會使進口蒸汽溫度下降。當其它條件不變時，下級過熱器出口蒸汽溫度也隨之下降。

機組運行過程中，蒸汽擾動下過熱對象的滯后和慣性都比較小，煙氣擾動下過熱對象具有自平衡能力和小延遲，而噴水減溫系統卻具有大得多的滯后和慣性，難以控制。超臨界單元機組過熱蒸汽溫度的控制主要靠燃水比和噴水減溫調節，通過維持特定的燃水比可以對主汽溫度控制起到粗調作用。保持燃水比不變，通過控制減溫水流量可以實現對過熱蒸汽溫度微調[1]。

目前噴水減溫系統控制方法的研究主要包括以下幾個方面：

1) 基于傳統PID控制器的串級過熱汽溫控制。

2) 基于Smith預估計器的過熱汽溫控制。

3) 基于智能控制算法的過熱汽溫控制。

傳統PID串級控制結構簡單，容易理解，但由于過熱汽溫系統存在大慣性、大延遲的特點，通過PID控制器很難獲得理想的控制效果。研究證明，Smith預估計器可以有效地克服系統延遲特性[2-4]，與傳統PID控制器相比其控制效果更好，更因其在工程上較容易實現，在過熱汽溫控制系統中得到了廣泛應用。隨著智能控制方法的不斷發展，越來越多的研究者將神經網絡、遺傳算法、模糊控制等智能控制方法引入到過熱汽溫控制系統[5-7]。在實際工程應用中，過熱汽溫控制系統大多采用傳統PID串級控制，以及基于Smith預估計器的控制算法，將對上述兩種常用控制方法詳細闡述。

1.2 串級過熱汽溫控制系統

根據過熱汽溫被控對象慣性大、延遲大的特點，可以從被控對象的調節通道中找出一個比被調量反應快的中間點信號，作為調節器的補充反饋信號構成串級過熱汽溫調節系統。其系統框圖如圖2所示。

圖2 過熱汽溫串級控制系統框圖

由圖2可知，串級系統由主、副兩個調節器構成。主調節器Gc1(s)接受被調量出口汽溫θ2及其給定值，主調節器的輸出與噴水減溫器出口汽溫θ2共同作為副調節器Gc2(s)的輸入，副調節器的輸出作為控制量驅動執行機構來改變減溫水量，從而實現對過熱汽溫的調節作用。假設減溫水流量由于內擾N(s)而上升，此時減溫器出口汽溫θ1下降快于θ2，此時副調節器輸出減小，驅動執行機構較小噴水減溫調節閥的開度，可快速消除由于減溫水量內擾所造成的影響。當負荷或煙氣擾動引起θ2升高，設定值不變時主調節器輸出降低導致副調節器輸出增大，從而控制減溫水調門開度增大。圖2中Gp1(s)又被稱為導前區傳遞函數，Gp2(s)為惰性區傳遞函數。Gp1(s)通常為一階慣性環節

式中：k為過熱器入口溫度變化時，過熱器入口與出口溫度變化的比值，T為系統慣性時間常數。

1.3 基于Smith預估計器的過熱汽溫控制系統

Smith預估計算法可用于對死區進行補償，最早由O.J.M.smith提出用于消除死區的影響，又被稱為死區補償器。基本原理就是通過對被控對象在基本擾動下的動態特性進行預估，由預估器實現對被控對象的死區進行補償，將被延遲了τ的被調量超前反映到控制器,使控制器提前動作,從而減小控制系統的超調量和加速調節過程。其控制系統框圖如圖3所示。

圖3中Gk(s)是Smith引入的預估補償器傳遞函數，Gc(s)為控制器，被控對象Gp(s)eτs中含有純延時環節，為使閉環特征方程不含純滯后環節則：

圖3 Smith預估器補償控制系統

(1)

引入預估補償器Gk(s)后，系統閉環傳遞函數變為：

(2)

由式(1)、(2)可知，當Gk(s)滿足：

Gk(s)=Gp(s)(1-e-τs)

(3)

將式(3)代入式(2)，此時式(2)等于式(1)，系

統的閉環特征方程為：

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

(4)

通過加入預估補償器環節，把Gp(s)作為被控對象，用Gp(s)的輸出作為反饋信號，從而使反饋信號相應提前了τ時刻。此時，系統閉環特征方程已經不含純滯后項，消除滯后環節對控制系統的影響，提高控制器增益，從而改善控制質量。

圖4 基于Smith預估器的過熱汽溫控制系統

2 過熱汽溫控制系統應用實例分析

2.1 機組簡介

常熟發電有限公司1 000 MW超臨界機組鍋爐為上海鍋爐廠和ALSTOM公司聯合設計制造，型號為：SG3098/27.46-M539，超臨界壓力參數、變壓運行、螺旋管圈直流鍋爐，鍋爐燃用煤種為煙煤，鍋爐最大連續蒸發量為3 098 t/h，BMCR工況下主蒸汽額定溫度605 ℃，主蒸汽額定壓力27.46 MPa。該機組過熱器系統流程圖如圖5所示。

懸吊管和一級屏式過熱器、二級過熱器以及三級過熱器構成了過熱器系統的主受熱面。過熱蒸汽汽溫調節采用燃水比粗調和兩級八點噴水減溫細調的控制方式，在一級過熱器和二級過熱器、二級過熱器和三級過熱器之間設置兩級噴水減溫裝置，通過兩級受熱面之間的連接管道的交叉，一級受熱面外側管道的蒸汽進入下一級受熱面的內側管道，可以有效補償由于煙氣側造成的熱偏差。

圖5 常熟1 000 MW超超臨界機組過熱器系統

2.2基于Smith預估計器過熱汽溫控制系統實例分析

根據主汽溫度的控制需要，該機組設計有兩級噴水減溫控制系統。

2.2.1 過熱器一級減溫控制

a) 過熱器一級減溫控制的目的是保證二級減溫器的進出口溫差在設定范圍內。

b) 過熱器一級減溫控制引入Smith預估算法，采用單回路控制。Smith預估算法使得動態時被調量為一級減溫器出口溫度而不是二級減溫器入口溫度。

c) 由圖5可知，該系統共有4個一級減溫器，設計有4個獨立的控制回路。

每個控制回路包含兩個部分，設定值生成部分及主控制回路，邏輯圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 一級減溫控制溫度設定值回路邏輯圖

圖7 一級減溫Smith預估控制系統邏輯圖

根據一級減溫系統的控制目的可知，過熱器一級減溫控制溫度設定值主要由修正后的過熱器二級出口溫度、加入偏置的過熱器二級減溫器進口溫度，以及由4個二級減溫器進口溫度最小值經過低選、高選運算得到。通常情況下，超臨界機組過熱器入口溫度至過熱器出口溫度的惰性區傳遞函數可由四階慣性環節表示，構造Smith預估計過熱汽溫控制系統如圖7所示。該系統中，在不同工況下系統特性不同，這里采用主汽流量的函數來修正慣性時間常數T。

2.2.2 過熱器二級減溫控制

a) 過熱器二級減溫控制主汽溫度，其設定值來源于DEH給出的“理想主汽溫度”，經過大小選后產生最終的設定值。

b) 過熱器二級減溫控制同樣采用Smith預估算法，采用單回路控制。Smith預估算法使得動態時被調量為二級減溫器出口溫度而不是主蒸汽溫度。

c) 與一級減溫器相同，共有4個二級減溫器，設計4個獨立的控制回路。二級減溫系統控制回路可分為設定值生成部分，邏輯圖分別如圖8、圖9所示。

與一級減溫系統相似，二級減溫被控量的設定值由理想主汽溫度、加入偏置的主汽溫度、以及主汽溫度最小值經過小選、大選計算得到，其目的是維持設定值在一定范圍內，增加控制的安全性。構造二級減溫Smith預估控制系統如圖9所示。

圖8 二級減溫控制溫度設定值回路邏輯圖

圖9 二級減溫Smith預估控制系統邏輯圖

3 結 論

根據超臨界直流鍋爐過熱汽溫控制的具體特點，分析了常見的過熱汽溫控制方法(串級PID雙回路控制系統)存在的問題，給出了采用串級控制系統和基于Smith預估計器解決此類問題的路徑和策略。

選取常熟1 000 MW超臨界機組為研究對象，給出了該機組基于Smith預估計器的過熱汽溫控制策略的實現方法。研究結果表明，相對于串級PID雙回路控制系統，單回路Smith預估計器控制系統在結構上更為簡單，可有效消除延遲環節對系統的影響，可使系統具有更好的控制品質。

[1] 劉長良,明飛.1 GW超超臨界機組主汽溫控制策略的仿真[J].化工自動化及儀表，2011,38(9)：1050～1053.

LIU Changliang, MING Fei.Control strategysimulationof main steam temperature controlfor 1GW ultra-supercriticalpower unit[J].Control and InstrumentsinChemicalIndustry, 2011, 38(9): 1050-1053.

[2] 侯新建,張衛東,包一鳴,等.1 000 MW超超臨界機組主汽溫控制設計[J].自動化儀表，2009,30(11)：8-10.

HOU Xinjian, ZHANG Weidong, MAO Yiming, et al. Control designof main steam temperature control for100MWultra-supercritical power unit[J]. Process Automation Instrumentation, 2009, 30(11): 8-10.

[3] 于海東,孫建國,劉翠蘭.Smith預估器在過熱汽溫控制中的應用[J].價值工程，2012,20(9)：20-21.

YU Haidong, SUNJianguo, LIU Cuilan. Applicationof Smith controller insuperheater steam temperaturecontrol[J].Value Engineering, 2012, 20(9): 20-21.

[4] V.Jenifer Poorani, L.D.Vijay Anand.Comparison of PID Controller and Smith PredictorController for Heat Exchanger[R].IEEE International Conference on Emerging Trends in Computing，2013：217-221.

[5] 李萌,沈炯.基于自適應遺傳算法的過熱汽溫PID參數優化控制仿真研究[J].中國電機工程學報，2002,22(8):145-149.

LI Meng, SHEN Jiong. Simulating study of adaptive GA-basedPID parameter optimization for the controlof superheated steamtem-perature[J]. Proceedings of the CSEE,2002, 22(8): 145-149.

[6] 劉志遠, 呂建虹, 陳來九.基于神經網絡在線學習的過熱汽溫自適應控制系統[J].中國電機工程學報，2004,24(4):179-183.

LIU Zhiyuan, LU Jianhong, CHEN Laijiu.Super-heated steam temperature adaptivecontrolsystembased on neural network onlinelearning[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(4):179-183.

[7] 李國勇.一種新型的模糊PID控制器[J].系統仿真學報，2003,15(10):1492-1496.

LI Guoyong. Anewfuzzy PID controller[J]. Journal of SystemSimulation, 2003, 15(10):1492-1496.

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。

劉 巖(1981—)，男，碩士，工程師，研究方向為涉網試驗與自動調試技術。

TK323

A

2095-6843(2017)05-0441-05

(編輯李世杰)