超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)建模與仿真

宋秋艷

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

近年來隨著我國超超臨界機(jī)組的大力發(fā)展，關(guān)于超超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟，由于超超臨界機(jī)組是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性、多變量對(duì)象，和常規(guī)亞臨界機(jī)組相比，超超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性及控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。在超超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)中存在大量的函數(shù)塊，這些函數(shù)塊被用來修正補(bǔ)償機(jī)組運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)特性，可以說這些函數(shù)塊就決定了超超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能。但是，國內(nèi)針對(duì)這些函數(shù)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(jī)組的過熱汽溫控制系統(tǒng)為例，針對(duì)工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際情況，建立模型，采用定性分析和仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，找出輸入輸出及內(nèi)部函數(shù)之間的關(guān)系，研究各個(gè)函數(shù)塊的具體形式。

1 過熱器模型的分析

根據(jù)模型建立的需要，對(duì)過熱器提出如下假設(shè)：

(1)過熱器分為三級(jí)，各級(jí)之間增加噴水減溫環(huán)節(jié)；

(2)考慮到噴水減溫環(huán)節(jié)其本質(zhì)是冷熱流的混合過程，而且在滿負(fù)荷條件下，混合后的工質(zhì)也不會(huì)有液態(tài)形式的水存在，且減溫后的輸出在下一級(jí)過熱器中只是一個(gè)單相工質(zhì)的過熱過程。所以減溫環(huán)節(jié)除了使蒸汽溫度降低外，對(duì)汽水流程中工質(zhì)的其它特性影響不是很大。為了簡(jiǎn)化模型，將各減溫環(huán)節(jié)與其后一級(jí)過熱器合并。

2 過熱器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則

根據(jù)上文所提出的過熱器段模型的假設(shè)方法，設(shè)計(jì)出控制器。其原理圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)控制原理圖

圖1中：Furnace代表鍋爐爐膛；MILL代表磨煤機(jī)；μD代表給水閥閥門；PI1是控制第一級(jí)減溫器的控制器；PI2是控制第二級(jí)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(jī)的控制器；N機(jī)組實(shí)際輸出功率；N0機(jī)組功率設(shè)定值；Tgro過熱器出口溫度設(shè)定值。函數(shù)塊f(t)ij對(duì)應(yīng)各控制器中的未知函數(shù)。

該控制器設(shè)計(jì)的目的如下：當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)荷小范圍變化時(shí)，控制系統(tǒng)要保持過熱器出口溫度不變，即保持原541℃。

當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如要求機(jī)組功率變化，為了防止蒸汽過熱引起機(jī)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(jí)減溫噴水保持過熱器出口溫度。當(dāng)溫度變化量超過第二級(jí)減溫器改變溫度的能力時(shí)，再通

過第一級(jí)減溫噴水改變進(jìn)入第二級(jí)過熱器的溫度。如果溫度變化量比較大，超過兩級(jí)減溫器的調(diào)溫能力時(shí)，這時(shí)候就需要通過改變進(jìn)入機(jī)組的給水量來改變第一級(jí)過熱器的出口溫度。比如：通常機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過給煤量來控制機(jī)組功率，通過給水量來控制過熱器出口溫度。當(dāng)要求機(jī)組功率上升5%時(shí)，此時(shí)可以假設(shè)過熱氣溫會(huì)上升30℃，兩級(jí)減溫器改變溫度的能力都設(shè)為±5℃。(這個(gè)值可以通過閥位系數(shù)來調(diào)整。但為了防止超調(diào)，一般會(huì)留有余量。此處為了便于仿真計(jì)算且不同數(shù)值對(duì)最終結(jié)果影響不大，故作此假設(shè)。實(shí)際運(yùn)行中各機(jī)組情況不同，應(yīng)當(dāng)具體情況具體分析。)此時(shí)過熱器出口溫度就達(dá)到571℃，這對(duì)機(jī)組的運(yùn)行是極其危險(xiǎn)的。為了保證機(jī)組安全運(yùn)行，就需要將過熱器出口溫度降到安全范圍內(nèi)。通過上文SAMA圖的分析可知：在此負(fù)荷條件下，第二級(jí)噴水減溫的目的是保持過熱器出口溫度不變，同時(shí)允許機(jī)組在±5℃的范圍內(nèi)變化。減溫器通過改變進(jìn)入末級(jí)過熱器入口的溫度來改變過熱器出口溫度。由于第二級(jí)減溫器改變溫度的能力為±5℃，所以就要求第二級(jí)過熱器出口溫度穩(wěn)態(tài)時(shí)最多比原溫度高5℃。當(dāng)溫度變化量超過5℃時(shí)，則通過第一級(jí)噴水減溫使其溫度降下來。由于本次仿真在模擬時(shí)將第一級(jí)噴水減溫器的溫度控制范圍設(shè)為±5℃，所以第一級(jí)過熱器出口溫度穩(wěn)態(tài)時(shí)最高比原溫度高10℃。如果溫度變化量超過了兩級(jí)噴水減溫器的調(diào)溫能力，則通過控制進(jìn)入機(jī)組的水量來調(diào)節(jié)溫度。下面通過仿真試驗(yàn)來說明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

本文介紹函數(shù)塊設(shè)計(jì)時(shí)只介紹第二級(jí)過熱器控制系統(tǒng)中的時(shí)間函數(shù)塊f(x)12，f(x)22。第一級(jí)過熱器控制系統(tǒng)中的函數(shù)塊基本與第二級(jí)過熱器控制系統(tǒng)中的函數(shù)塊相同。

3 過熱器控制系統(tǒng)的仿真研究

3.1 原始PID控制器設(shè)計(jì)

按照SAMA圖設(shè)計(jì)思路，初步建立控制系統(tǒng)，其原理圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

見圖2，給煤量控制機(jī)組功率，給水量控制過熱器出口溫度。當(dāng)功率設(shè)定值上升5%時(shí)，其仿真曲線見圖3～圖6。此時(shí)的控制效果并不是最佳的結(jié)果，4個(gè)PI控制器的目的只是為了保證負(fù)荷上升時(shí)，各級(jí)溫度能夠保持在相應(yīng)的設(shè)定值上。從圖上可以看到，運(yùn)行300s后，末級(jí)過熱器出口溫度變化量ΔTgr、第二級(jí)過熱器出口溫度變化量ΔT3、第一級(jí)過熱器出口溫度變化量ΔT2分別達(dá)到設(shè)定值。但此時(shí)超調(diào)較大，控制效果不好。下面將詳細(xì)介紹各函數(shù)塊的設(shè)計(jì)思路，為其它系統(tǒng)函數(shù)塊的設(shè)計(jì)提供方法。

3.2 函數(shù)塊設(shè)計(jì)

圖中f(x)12、f(x)22的作用是根據(jù)負(fù)荷指令來計(jì)算第一級(jí)和第二級(jí)過熱器出口溫度設(shè)定值。根據(jù)上文的假設(shè)可知，f(x)12、f(x)22分別為兩個(gè)飽和環(huán)節(jié)，其曲線見圖3、圖4。f(x)12、f(x)22的作用是當(dāng)負(fù)荷上升時(shí)，如果溫度上升范圍在第二級(jí)減溫器控制范圍內(nèi)時(shí)，第一級(jí)減溫器閥門開度不變。當(dāng)溫度上升范圍超過第二級(jí)減溫器控溫能力時(shí)，第一級(jí)減溫器閥門開度相應(yīng)做出變化。當(dāng)溫度上升范圍超過兩級(jí)減溫器控溫能力時(shí)，則通過調(diào)節(jié)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(jù)圖2所示搭建好機(jī)組控制系統(tǒng)以后，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值變化時(shí)，過熱器內(nèi)各點(diǎn)的溫度也會(huì)相應(yīng)地變化。這個(gè)變化量可以通過不斷地做機(jī)組模型的開環(huán)仿真試驗(yàn)得到。一般來說，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，給水量不變，燃料量增加會(huì)使機(jī)組的功率和過熱器出口蒸汽溫度上升。此時(shí)，不同的機(jī)組功率對(duì)應(yīng)不同的過熱器出口蒸汽溫度。本文設(shè)計(jì)控制器的目的就是通過改變給水量和燃料量來使機(jī)組功率變化的同時(shí)能保持過熱器出口蒸汽溫度的穩(wěn)定。通常情況下，過熱器出口蒸汽溫度允許在一定的范圍內(nèi)變化，這個(gè)范圍就是過熱器各點(diǎn)溫度的允許變化量。例如，當(dāng)負(fù)荷上升到要求過熱器入口溫度變化3℃時(shí)(3℃＜5℃)，通過調(diào)節(jié)第二級(jí)減溫器就能夠保持過熱器出口溫度，見圖5。當(dāng)過熱器入口溫度變化8℃時(shí)(5℃＜8℃＜10℃)，該溫度已經(jīng)超過第二級(jí)減溫器的控溫能力，但是通過調(diào)節(jié)第一級(jí)減溫器可以將它降下來，其仿真曲線見圖6。當(dāng)過熱器入口溫度變化30℃時(shí)(30℃＞10℃)，該溫度超過兩級(jí)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(jié)果可知，按上文所說的思路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)可以，將過熱器出口蒸汽溫度的變化量控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，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(huán)節(jié)，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(shí)的仿真曲線

圖6 過熱器入口溫度變化8℃時(shí)的仿真曲線

圖7 原始PID控制器的仿真曲線

4 結(jié)論

本文通過針對(duì)SAMA圖的定性分析，介紹了超超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)中的過熱汽溫控制系統(tǒng)。分析了該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題，詳細(xì)介紹了過熱汽溫控制系統(tǒng)中控制器的測(cè)量值和設(shè)定值是如何確定的。在此基礎(chǔ)上，介紹了控制系統(tǒng)中一些函數(shù)塊的設(shè)計(jì)方法，得出了

各個(gè)函數(shù)塊的具體形式。雖然在設(shè)計(jì)中還有很多不足，但是本文為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了思路，為其它控制系統(tǒng)中函數(shù)塊的設(shè)計(jì)提供了方法。由于機(jī)組模型設(shè)計(jì)工況的限制，本文中只介紹了在滿負(fù)荷工況這一種運(yùn)行條件下過熱汽溫控制系統(tǒng)中時(shí)間函數(shù)塊的設(shè)計(jì)方法，但是，其它工況條件下的其它控制系統(tǒng)函數(shù)塊也可以按照這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，系統(tǒng)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(chǔ)上，才能設(shè)計(jì)完備的控制器。

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