西門子主汽溫度控制策略的仿真研究

王文蘭 馬 然

(內蒙古工業(yè)大學電力學院，內蒙古 呼和浩特 010080)

0 引言

在火電廠控制系統(tǒng)中，主汽溫度控制一直是難以解決的問題，這主要是因為汽溫控制對象具有大延時、大慣性和時變性的特點，采用常規(guī)和簡單的控制規(guī)律均難以獲得較好的調節(jié)效果［1－2］。

目前，工程中常用的汽溫控制系統(tǒng)采用的是最基本的串級調節(jié)和具有導前微分的雙回路控制結構，并在此基礎上引入Simith預估和參數(shù)自適應等控制策略［3］。但以上控制策略的共同缺點是克服系統(tǒng)的純滯后性和大慣性環(huán)節(jié)的能力較弱。為了提高控制精度，本設計采用西門子公司主汽溫度控制策略。

1 控制系統(tǒng)特點分析

1.1 控制原理

西門子公司汽溫控制系統(tǒng)原理如圖1所示［4］，這是一個具有導前溫度信號的雙回路汽溫調節(jié)系統(tǒng)。內回路采用［(1－PTn)×導前溫度］為反饋信號。它相當于一個實際微分環(huán)節(jié)，動態(tài)時使PTn模塊的輸出近似與主汽溫相等，從而改善主汽溫調節(jié)對象的動態(tài)特性;穩(wěn)態(tài)時內回路輸出為零，使過熱器出口汽溫等于給定值。外回路的作用是根據(jù)過熱器的運行工況，對控制器的參數(shù)進行增益調整。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of the system

圖 1 中:γθ1為主汽溫變送器傳遞函數(shù);γθ2為導前汽溫變送器傳遞函數(shù);G01(s)為惰性區(qū)對象傳遞函數(shù);G02(s)為導前區(qū)對象傳遞函數(shù);GPI(s)為主調節(jié)器傳遞函數(shù);Kz、Ku為執(zhí)行機構、調門傳遞函數(shù);W為減溫水流量擾動;θ1為主汽溫;θ2為導前汽溫;K為一階慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù);T為一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù);n為一階慣性環(huán)節(jié)的對象階數(shù)。

對圖1作等效變換，由γθ1=γθ2，只要滿足下式:

則圖1可簡化為圖2所示框圖，即系統(tǒng)由原來的雙回路控制系統(tǒng)簡化為單回路控制系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)簡化圖Fig.2 Simplified diagram of the system

1.2 PTn模塊的整定

為了便于對汽溫控制系統(tǒng)進行整定，西門子公司給出了PTn模塊的擬合參數(shù)表。本文選擇n=6，如表1所示［5］。

表1中:Tu為鍋爐減溫水流量的線性函數(shù);Tg為鍋爐負荷(主汽流量)的線性函數(shù)。

表1 PTn模塊的擬合參數(shù)Tab.1 The fitting parameters of PTn module

通過減溫水階躍擾動試驗，得出主汽溫和二級減溫器出口汽溫(導前汽溫)的階躍響應曲線，再由主汽溫和導前汽溫響應曲線可估算出惰性區(qū)的傳遞函數(shù)。

二級減溫控制系統(tǒng)為:

一級減溫控制系統(tǒng)為:

式中:D為主蒸汽流量，0～100%。

1.3 變增益回路的整定

在不同運行工況下，減溫水流量擾動下汽溫控制對象的動態(tài)特性存在著較大的差異。因此，為了獲得較好的調節(jié)效果，應在不同工況下進行試驗，并采用變參數(shù)調節(jié)。圖1中內回路的作用就是根據(jù)過熱器的運行工況，對控制器的參數(shù)K進行增益調整。西門子公司給出了變增益回路的經驗整定方法［6］。

1.4 變增益控制

主蒸汽的焓值表示每1 kg蒸汽應具有的熱值，主蒸汽每變化1℃所對應的焓差變化表示每1 kg蒸汽所需的熱值改變。根據(jù)水蒸氣熱力性質表，在不同汽壓和汽溫工況下，過熱蒸汽的焓差變化是不同的。因此，汽溫控制對象的動態(tài)特性是隨著運行工況而發(fā)生改變的。根據(jù)焓差變化進行變增益控制是近年來西門子在汽溫控制中采用較多的方法。

汽溫每變化1℃所需的減溫水量取決于在不同汽壓和汽溫下過熱蒸汽的焓差變化。在一定的汽壓和汽溫范圍內，增益調整值是焓差的線性函數(shù)。

根據(jù)減溫水作用的區(qū)域，取導前汽溫作為焓差計算的汽溫參數(shù)，汽壓參數(shù)則取主汽壓力信號，輸入焓值計算表，即可得出汽溫每變化1℃的焓差值。

2 仿真研究

本文采用Simulink對西門子公司主汽溫度控制策略進行仿真研究［7］，并與串級汽溫控制系統(tǒng)進行比較。仿真結果如圖3所示。

圖3 兩種擾動下系統(tǒng)仿真結果Fig.3 Simulation results under two kinds of disturbances

由圖3可以看出，系統(tǒng)分別在t=150 s時加入定值擾動和在t=300 s時加入減溫水流量擾動。與傳統(tǒng)的串級控制相比，西門子主汽溫度控制策略的控制性能具有恢復時間快、振動幅度小的特點。試驗結果表明，采用西門子主汽溫度控制策略控制主汽溫具有很強的抗干擾能力，其控制品質得到很大改善。如果在以上情況下略微調整參數(shù)，其控制品質還會得到進一步改善。

總的來說，采用西門子主汽溫度控制策略對模型的不確定因素和內外擾動均有很好的適應能力，其控制品質要遠優(yōu)于常規(guī)的串級控制。

3 結束語

本文根據(jù)過熱器的運行工況，通過采用西門子主汽溫度控制策略，對控制器的參數(shù)進行增益調整，使過熱器出口汽溫等于給定值。從仿真結果來看，與一般串級汽溫調節(jié)系統(tǒng)和具有導前微分信號的雙回路汽溫調節(jié)系統(tǒng)相比，西門子主汽溫度控制策略具有更好的調節(jié)品質。

由于僅針對過熱汽溫惰性區(qū)的傳遞函數(shù)構造數(shù)學模型，所以該控制策略受對象特性參數(shù)變化的影響較小，系統(tǒng)的魯棒性較好。由此可見，西門子主汽溫度控制策略非常適用于主汽溫控制系統(tǒng)中存在大干擾、大延遲、時變性、不確定性和非線性的復雜熱工對象。

［1］邊立秀.熱工控制系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2002:145－148.

［2］李遵基.熱工控制系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2002:74－83.

［3］張玉鐸，王滿稼.熱工控制系統(tǒng)［M］.北京:水力電力出版社，2002:110－113.

［4］陳來九.熱工過程自動調節(jié)［M］.北京:水力電力出版社，1982:69－70.

［5］林文孚，胡燕.單元機組自動控制技術［M］.北京:中國電力出版社，2002:90－97.

［6］朱北恒.火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗［M］.北京:中國電力出版社，2006:233.

［7］王文蘭.控制系統(tǒng)MATLAB仿真與設計［M］.內蒙古:內蒙古教育出版社，2009:89 －92.