1、 第 25 卷第 1 期 电 站 系 统 工 程 Vol.25 No.1 2009 年 1 月 Power System Engineering 5 文章编号： 1005-006X(2009)01-0005-04 主汽温控制现状及其新方法应用研究*吴吕斌1罗自学1周怀春1张云涛2（ 1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室， 2.攀枝花钢铁集团发电厂） 摘 要 ： 分析了火电厂主蒸汽温度控制现状，通过对过热汽温的主要影响因素的分析，针对单元机组主汽温控制中的滞后特性，提出了将炉膛辐射能信号引入到主汽温控制回路的设想。 引入炉膛辐射能信号参与的主汽温控制控制策略， 改变了主汽温在惰性区内的延迟，使主
2、汽温的控制品质提高。通过在一台 300 MW 燃煤机组上的试验，获得了较好的效果。 关键词：主汽温；辐射能信号；前馈；控制 中图分类号： TK32 文献标识码： A Summary of Steam Temperature Control and Its New Application WU Lu-bin, LUO Zi-xue, ZHOU Huai-chun, ZHANG Yun-tao Abstract: It is fluctuant with a varied scope in coal-fired power plant as the different response chara
3、cteristics of leading and retarded control, and economical efficiency and steady operation of unit plant can be affected directly by steam temperature. Through analyzing the influence factors and specialty of superheated steam, a new control strategy on introducing Radiant Energy Signal into circuit
4、ry of steam temperature is put forward. Simulation and in-suit operation has been carried out in a 300MW pulverized boiler power plant. Key words: steam temperature; radiant energy signal; feed forward; control 随着电厂锅炉机组越来越向着高参数、 大容量的方向发展，对热工自动控制系统控制品质的要求也越来越高。电厂锅炉主蒸汽温度是电厂生产运行中的一个非常重要的监测和控制参数，过高或过低都会
5、影响到机组的安全性和经济性，一般要求主蒸汽温度基本上维持在额定值（即给定值）附近。主蒸汽温度过高，可能使过热器管道和汽轮机高压缸等设备产生高温变形而被损坏；主蒸汽温度过低，会导致机组热效率降低（资料表明，主蒸汽温度每降低 5 ，热效率下降 1%） ， 还可能使进入汽轮机低压缸末级叶片的蒸汽湿度过大，腐蚀或打断汽轮机叶片，危及汽轮机安全1,2。因此，一般要求主蒸汽温度基本上维持在额定值（即给定值）附近，与额定值的暂时偏差不超过 10 。为此，有必要全面分析主蒸汽温度控制状况， 进而给出系统性的参考调整和设计指导。 1 主蒸汽温度控制的难点分析 主蒸汽温度的控制多年来一直是电厂过程控制中的一个难点
6、3,4，主要是因为以下几点原因： (1) 主蒸汽温度是一个迟延现象比较严重的对象， 机组容量越大，迟延现象就越严重。当有些机组的主蒸汽温度的迟延太大时，反馈控制根本来不及控制。而 PID控制就是属于反馈控制。 (2) 主蒸汽温度容易受到多种因素的影响， 如烟气温度和压力的波动、负荷的变化、主蒸汽压力的变化、燃料量的变化、给水温度和流量的波动及减温水流量的抖动、吹灰器 收稿日期： 2008-07-02. *国家 863 计划 2007AA05Z306 资助 吴吕斌 (1966-)，男，博士生，教授级高级工程师。武汉， 430074 投入、磨煤机的切换等都会引起主蒸汽温度的变化。 (3) 主蒸汽温
7、度被控对象工艺流程复杂， 不同的机组主蒸汽温度特性完全不同， 很难得到对象与干扰之间准确的数学模型。即使通过现场试验的办法得到当时对象的数学模型，但随着时间的推移和机组工况的变化，对象的模型会发生变化。 2 主汽温控制应用研究现状5目前，主蒸汽温度控制基本上沿用 PID串级控制策略。在主蒸汽温度串级 PID控制系统中，有时会将负荷信号、燃料量信号、主蒸汽压力信号、给水流量信号以前馈形式引入到串级系统的副调节器中，以实现“超前”调节。但以调节参数固定不变的 PID控制器来控制主蒸汽温度这种时变的复杂对象时，控制效果仍会很不理想。为此，以智能控制技术的思想被广泛的用于主蒸汽温度控制过程控制中， 不
8、少学者和技术人员开展了对主蒸汽温度控制的相关研究， 主要有以下几个方面： (1) 预测控制技术在主汽温控制的应用 预测控制的最大优点是对模型精度要求不高， 且跟踪性能好，比较适用于复杂工业过程的控制，特别是比较适合于大滞后被控过程的自动控制。 由于主蒸汽温度被控对象是一个大迟延系统，能实现“超前”控制是改善控制效果的一个有效手段。由于预测控制具有优良的性能，国内外不少学者对预测控制技术在火电机组热工过程控制中应用进行了一些研究5 9，并针对主汽温系统多扰动、大迟延、大惯性、动态特性复杂等，给出了控制策略。仿真结果表明都能较好地克服对象的多扰动特性和大时滞特性， 有较强的抗干扰能6 电 站 系
9、统 工 程 2009 年第 25 卷 力和鲁棒性。 (2) 模糊控制技术在蒸汽温度控制中的应用 文 10针对传统 PID控制中的非线性和不确定性在实际电厂运行过程中对电厂运行效率的不利影响， 提出一种基于神经网络模糊控制理论的非线性预测控制器（ NFGPC） ，该控制器中包含了一个局部的神经网络线性模块，用于 200 MW的电站锅炉的过热蒸汽的控制。将模糊控制理论、神经网络等技术用于对电厂的主汽温控制、 过热汽温的控制成为了很多学者经常采用的一种手段， 实践也证明这种方法取得了不错的效果。 文 11设计了一种具有变论域思想的自适应预测模糊控制器，并应用于 600 MW主汽温控制系统中，获得了良
10、好的控制品质；并且针对多变量控制系统，设计了一种基于遗传算法的受限模糊广义预测控制算法， 此算法可以优化任何形式的目标函数同时能够使系统快速收敛。将其应用于 300 MW的某燃油单元机组协调控制系统中，有效减小了系统的超调量，提高了系统的快速性。文 12针对主汽温具有影响因素多、时滞较大及模型时变的特点，提出了主汽温自整定模糊控制算法，该算法利用解析公式形式，对主汽温偏差及其变化率、导前汽温变化率进行了综合考虑，并可根据运行工况自动调整各模糊变量的加权因子， 其控制效果优于常规的控制系统。 文 13提出一种聚焦式模糊变结构控制算法，能使系统在多种干扰下具有较强鲁棒性的同时，具有较快的响应速度，
11、仿真结果表明：新算法具有很好的动态品质，可以有效地消除系统的稳态误差，其控制效果良好。 Eliasi等14将自适应模糊控制理论应用于核电站主蒸汽的控制中， 在负荷变化时采用预测控制与模糊理论相结合， 在实践中取得了不错的效果。 (3) 神经网络技术在主汽温控制中的应用 基于神经网络的自学习模糊 PID控制器在控制品质方面明显优于常规 PID控制系统，尤其在变工况时，控制效果更加明显。 此类控制的特点是将神经网络所具有的自学习能力与 PID控制器的鲁棒性相结合，实现了对非线性、大时滞系统模型的控制。神经网络采用多层前传网络结构，针对 BP算法容易陷入局部最小的缺陷，提出了数值积分寻优和 BP算法
12、相结合的 IBP神经网络训练算法。仿真结果表明了所设计控制系统优良的控制性能。 (4) 遗传算法在电厂主汽温控制中的应用 针对电厂过程控制中主蒸汽温度的大迟延性、 非线性和时变性，文 15在充分分析主蒸汽温度被控对象动态特性和现场实际情况的基础上， 将现代控制理论中的状态观测器技术，用于实现主蒸汽温度的导前汽温的重构；采用神经网络技术，实现了准确性较高的主蒸汽温度前馈控制；采用模糊控制技术， 在很难获得主蒸汽温度被控对象的数学模型的情况下，实现了对主蒸汽温度的有效控制；设计出适用于过程控制的基于遗传算法机理的模糊控制器动态优化方法， 解决了一般遗传算法实时性差的难题， 实现了对电厂主蒸汽温度模
13、糊控制系统中的模糊控制器的实时在线动态优化。文 16针对工程实际应用，提出了一种改进的变参数 PID 控制策略，提出了鲁棒整定的思想，并采用免疫遗传算法进行设计参数的鲁棒优化调整， 对变参数 PID 控制的参数优化设计是成功和有效的， 使得具有多模型特性的汽温控制系统在不同的负荷下均获得很好的调节品质。 3 基于辐射能信号的主汽温控制新方法研究 由于锅炉内部 80%的热量是通过辐射来传递， 只有 20%的热量是通过对流来传递的， 因此对炉内辐射的研究和监测对控制整个锅炉的燃烧过程， 提高锅炉运行的安全性和经济性都是至关重要的，而主蒸汽温度、过热蒸汽温度和再热蒸汽的温度都和炉内的燃烧状况有密切的
14、联系，因此，要对主蒸汽温度有更好的控制效果， 对辐射能展开相应的研究是非常重要的。 课题组成功将火焰监测技术应用于工业锅炉的燃烧监测中去，为炉膛燃烧监测和辐射能信号的提取创造了条件，使得辐射能信号参与锅炉运行控制成为可能。 作者在国内首次提出炉膛辐射能信号在热工中应用的设想17。研究表明，辐射能信号能够很好地反映炉膛燃烧状况，同样也能够反映炉膛出口的烟气的变化趋势，而炉膛出口的烟气的变化是引起过热汽温波动的直接原因之一。 所以通过检测辐射能信号及其变化趋势来提前调节减温水量， 从而控制过热蒸汽温度是可行的。 3.1 引入辐射能信号的前馈仿真 运用 MATLAB 的 SIMULINK 仿真工具包
15、进行计算机仿真，将新控制策略（图 1）的仿真结果与原有的控制方式的仿真结果作对比。 TOE(辐射能)GET(S)GPT(S)(喷水)PTS-(设定值)PIDGE(S)图 1 辐射能前馈通道的补偿环节 不加前馈补偿环节，当辐射能阶跃扰动时（即辐射能相对于过热汽温的阶跃响应） ，输出响应仿真曲线（见图 2） 。 0 1000 2000 3000 4000 5000-101234汽温响应曲线（）时间（s）图 2 不加前馈补偿时的辐射能扰动响应曲线 加前馈补偿环节（新策略）仿真，辐射能为单位阶跃扰动时， （即辐射能相对于过热汽温的阶跃响应） ， 输出响应曲线如图 3 所示。 第 1 期 吴吕斌等：主汽
16、温控制现状及其新方法应用研究 7 从仿真结果可以看出， 新策略中辐射能作为扰动对输出的影响很小，而没有加入补偿环节的瞬态响应偏离值比较大。所以，利用炉膛辐射能作为前馈信号的补偿环节，构成新的控制策略，足以提高过热汽温的控制品质，能够更加有利于控制过热汽温的稳定。 0 1000 2000 3000 4000 5000-0.2-0.10.00.10.20.30.4时间（s）汽温响应曲线（）图 3 辐射能扰动的响应曲线 3.2 辐射能信号在主汽温控制的方案设计 如图 4 所示， 在原主汽温控制回路中引入辐射能微分信号，并作为减温水调节前馈。蒸汽流量校正回路和热值信号之和作为原导前汽温控制信号， 与辐
17、射能信号由乘法器合成为主控回路的导前控制信号。其中，辐射能信号和原导前信号采用比例系数进行调节两者作用的强弱， 从而可按不同的比例将辐射能信号和热量信号引入到主汽温的导前控制回路。 图 4 主汽温中引入辐射能信号原理图 3.3 引入辐射能信号的主汽温控制效果 辐射能引入减温水调节系统试验是：切过热减温水自动；修改逻辑，增加辐射能、热量比例系数调节模块；重新投回自动。设定热量系数和辐射能微分作用系数，分别按1:0（即 :热量信号占 100%， 屏蔽辐射能信号） /8:2/6:4/5:5/4:6/ 2:8/0:1 进行试验。 试验过程： 2005 年 8 月 4 日 21:17 到 22:43，负
18、荷以速率 6MW/min 由 296MW 降至 276MW，至 21:58 稳定，其间有一次调频动作， 22:10 完成。将辐射能信号引入到协调控制燃料主回路，其中热量信号占 90%，辐射能信号占 10%；22:10:14 开始，负荷由 276MW 升至 296MW， 22:28 稳定。 图 5 为负荷及主汽压图示，主汽压和负荷过渡平稳，几乎没有超调现象。 可以看出：引入辐射能信号于主汽温调节回路中后，在大负荷扰动的情况下，主汽温能维持在设定值。因为辐射能信号能及时反映燃烧的变化，在增减负荷时，根据辐射能信号的变化，通过辐射能信号的导前作用及时调节喷水减温，从而使主汽温保持相对稳定。 0 10
19、020030 4005015.015.516.016.517.017.518.0Steam PressureTime /sSteamPressure/MPa276282288294300LoadLoad /MW图 5 辐射能信号引入时负荷扰动时的主汽温变化 0 1000 2000 3000 4000 50001.82.12.42.73.03.33.6OxygenTime /sOxygen/%0.650.700.750.800.850.900.95Radiant EnergyRadiant Energy(Relative value)图 6 烟气氧量与辐射能曲线 图 7 辐射能、热值信号系数都定
20、为 0.5 时的调节效果 热量信号与辐射能信号以不同的投入比例运行试验表明： 随着辐射能信号的比例加大， 主汽温的控制稳定性更好，整个试验过程中主汽温变化平稳。 4 结 语 通过分析主汽温控制的现状， 提出了能将汽水侧的热量信号与炉膛燃烧放热信号融合控制的方法。 辐射能信号作为表征锅炉内燃烧工况变化的测量信号， 具有对燃料响应的提前性。引入炉膛辐射能信号参与的主汽温控制控制策略，改变了主汽温在惰性区内的延迟，使主汽温的控制品质提高，获得了很好的效果。 （下转第 10 页） Setpoint & value of steaLoadRESTotalc oa10 电 站 系 统 工 程 2009 年
21、第 25 卷 BEF0.935,0.945， PYT125,128） ，把这个相同属性集合转化为关联规则 BEF0.935， 0.945=PYT125， 128， a1.280，1.306，通过分析原始数据得到该规则的支持度 5： 35%，置信度 5： 70%。本文取区间中心值作为目标值，得 100%负荷下过量空气系数目标值为 1.293，排烟温度目标值为126.5 。将上述数据挖掘方法应用于其它负荷下的最优值的确定， 并把运行最优值作为设定值进行试验， 结果见图 2。 表 4 最优种群表 过量空气系数 a 环境温度 T 锅炉效率 BEF 排烟温度 PYT1.280,1.306 14,20 0
22、.935,0.94 125,128 1.280,1.306 14,19 0.935,0.94 125,128 1.280,1.306 13,18 0.935,0.94 125,128 1.280,1.306 14,19 0.935,0.94 125,128 1.280,1.306 16,22 0.935,0.94 125,128 1.280,1.306 14,20 0.935,0.94 125,128 1.280,1.306 14,19 0.935,0.94 125,128 1.280,1.306 13,18 0.935,0.94 125,128 1.270,1.330 14,19 0.935
23、,0.94 125,128 1.280,1.306 16,22 0.935,0.94 125,128 1.280,1.306 11,18 0.935,0.94 125,128 图 2 优化前后效率对比 结果表明：运行参数经过优化后，机组运行经济性明显提高，锅炉效率平均有所提高，供电煤耗率、空气污染物排放也相应降低，具有明显的经济效益和社会效益。 4 结 论 火电机组运行参数优化目标值的合理确定是实施性能诊断和优化运行的前提和基础， 传统方法确定的运行优化目标值往往与机组实际运行状态不符，使应用受到很大限制。基于火电厂生产运行的大量历史数据， 本文提出了基于组织进化的关联规则确定电站运行优化目标
24、值的新方法。 通过对某 300 MW 机组实际运行数据的分析， 确定其重要可控参数的运行优化目标值， 并利用经验证有效的优化目标值指导运行。试验结果表明：基于组织进化的关联规则挖掘的运行优化目标值确定方法可以提高机组运行效率， 降低机组供电煤耗及污染物排放， 可以用于指导优化运行。 参 考 文 献 1 柏静儒 , 李少华 . 电站锅炉运行经济性热偏差计算 J. 东北电力学院学报 , 2001, 21(4): 57 60. 2 王培红 , 陈强 , 董益华 , 等 数据挖掘及其在电厂 SIS 中的应用 J. 电力系统自动化 , 2004, 28(8): 76 79. 3 Agrawal R, I
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