主蒸汽壓力控制

主蒸汽壓力控制是指通過調節燃料控制系統來維持鍋爐的主蒸汽壓力。它的基本任務是使燃料燃燒所提供的熱量適應鍋爐蒸汽負荷的需要；同時還要保證鍋爐安全經濟運行和滿足環保達標要求。主蒸汽壓力作為鍋爐燃燒控制的另一項主參數，過高會使各承壓部件應力增加，過低機組經濟性無法保證。詳細介紹了主蒸汽壓力控制系統的組成、主蒸汽壓力的動態特性；還分別介紹了基於神經網路的主蒸汽壓力控制、基於輻射能的主蒸汽壓力串級控制以及主蒸汽壓力的廣義預測控制三種控制方法。

基本介紹

• 中文名：主蒸汽壓力控制
• 外文名：main steam pressure control
• 要求：經濟性、安全性
• 類型：節能控制技術
• 領域：能源
• 學科：熱力學、自動化、控制學科

簡介

鍋爐燃燒過程控制系統一般包括 3 個子控制系統，即燃料控制系統、送風控制系統和引風控制系統。燃料控制系統通過調節進入爐膛的燃料量，維持主蒸汽壓力的穩定；送風控制系統通過調節進入爐膛的送風量，保持燃料燃燒所需要的空氣量和燃燒過程的經濟性；引風控制系統通過調節引風量，使送、引風量平衡，保持爐膛壓力的穩定。通過調節燃料控制系統維持主蒸汽壓力的穩定對整個鍋爐系統的運行起著重要作用，因此，控制主蒸汽壓力的穩定具有重要意義

影響主蒸汽壓力控制的因素

主蒸汽壓力作為鍋爐燃燒控制的另一項主參數，過高會使各承壓部件應力增加，設備損壞風險升高，汽輪機末幾級葉片蒸汽濕度增大，影響葉片壽命；過低機組經濟性無法保證外，為維持負荷需增大蒸汽流量，汽輪機組軸向位移增加，動靜碰摩的可能性增大。

內驅因素

直流爐轉為乾態運行後，其主蒸汽壓力來源於給水壓力，這也是直流爐區別於汽包爐的一個主要特點。直流爐主蒸汽壓力的變化必然伴隨著給水壓力的變化，反之給水壓力變化必然引起主蒸汽壓力的變化。在鍋爐給水控制系統中，分離器出口溫度設定值、省煤器入口給水流量的偏置值以及總燃料量能夠直接影響給水流量，而當汽機側閥門開度不變時，給水壓力就會隨給水流量變化，主蒸汽壓力也隨之變化，這些能夠直接驅使給水壓力變化的因素，暫稱之為內驅因素。降低分離器出口溫度設定值、增加省煤器入口給水流量的偏置值以及增加燃料量，會導致主蒸汽壓力升高；反之主蒸汽壓力降低。

由內驅因素導致主蒸汽壓力變化的過程，實際上就是燃水比動態變化過程對主蒸汽壓力產生影響的過程，這個過程是舊燃水比平衡向新燃水比平衡變化的過程，這個過程需要的自平衡時間較長，因而對主蒸汽壓力影響的時間也較長，在協調控制方式下可能出現壓力振盪的現象，不利於安全穩定運行，應該儘量避免因內驅因素導致的壓力變化。

舉個例子，在磨煤機堵煤後逐漸吹掃通暢的過程中，由於積存在磨煤機里的煤不計入協調控制的總燃料量中，會導致實際入爐煤量高於顯示煤量，即實際燃水比上升，過熱度上升，此時給水控制系統會增加給水量，給水壓力上升，主蒸汽壓力上升。若要維持主蒸汽壓力，則需開大汽機側閥門開度，增加機組出力。在這個過程中，不能因為過熱度上升而盲目降低分離器出口溫度設定值或者增加給水流量偏置值，這樣會使給水壓力進一步上升，致使主蒸汽壓力上升過快而超限。正確的方法是通過上調BTU數值降低燃料量，然後開大汽機側閥門以保證主蒸汽壓力不超限。

外擾因素

直接引起主蒸汽壓力變化的因素，如汽機側閥門開度的變化、吹灰器的投退、過再熱器減溫水的加減等，暫稱之為外擾因素。它們對主蒸汽壓力影響較為直接，也容易進行人為控制，因此調節起來更加快速，對主蒸汽壓力的擾動也更小一些。

由外擾因素引起的壓力波動，缺乏源動力，非事故情況下不會造成主蒸汽壓力超限，可以通過一些小範圍調整使壓力重新趨向平穩。例如降負荷過程的初始階段，汽機側閥門關小，由於鍋爐釋放蓄熱以及燃燒系統的遲滯性，主蒸汽壓力會有上升趨勢，此時可以投入吹灰器運行，起到緩和乃至抑制壓力上升的作用，使降負荷過程平穩過渡到協調控制的正常程式中，這樣調整既控制住了主蒸汽壓力，又減小了協調控制的後續擾動。 對鍋爐主蒸汽壓力的控制實際上是協調控制系統閉環反饋控制的一個縮影。在穩態情況下，主蒸汽壓力、汽機側閥門開度、機組負荷、燃料量、給水流量都是不變的，任意一個參數發生變化就會導致其餘參數一起發生變化，直至達到新的穩態。例如：投入吹灰器→機組負荷下降→汽機側閥門開大→主蒸汽壓力下降→燃料量增加→給水流量增加→蒸汽流量增加→機組負荷回升→汽機側閥門關小→主蒸汽壓力上升→燃料量下降→給水流量下降→趨向平穩。在這樣一個閉環控制系統里，找到主蒸汽壓力變化的原因，認清主蒸汽壓力變化的趨勢，對症下藥，才能安全高效地控制主蒸汽壓力。

主蒸汽壓力控制系統是一個複雜的多輸入迴路，燃料量的變化、風量及其分布、負荷、主汽流量等都對主蒸汽壓力有影響。一般對主蒸汽壓力影響最大的因素就是燃料量的變化，負荷變化(以主汽流量反映)作為外擾，燃料變化、送風變化作為內擾，通過汽包壓力反映出來。主蒸汽壓力的給定值由人工設定與主汽流量的變化綜合得出，主調變數選擇給煤量。常規設計為主蒸汽壓力—汽包壓力—主汽流量的串級加前饋控制系統，

汽包壓力作為副環變數，負荷變化作為前饋變數，當負荷發生變化時，主汽流量也隨之發生變化，通過調節給煤量調節主蒸汽壓力，從而改變鍋爐供汽量。在煤質穩定、煤顆粒均勻的情況下，控制效果還可以。但實際煤質、煤量的變化很大，控制不穩定。

主蒸汽壓力的動態特性

鍋爐的燃燒過程利用燃料燃燒產生的熱量生產蒸汽,再利用蒸汽驅動汽輪機做功.主蒸汽壓力是衡量蒸汽產量與外界負荷是否相適應的重要標誌.主蒸汽壓力PT受到的擾動主要有:燃燒量擾動,稱為基本擾動或內部擾動;汽輪機耗汽量的擾動,稱為外部擾動.下面分析在上述兩種擾動下鍋爐主蒸汽壓力的動態特性.

(a)內部擾動下主蒸汽壓力的動態特性.記燃燒量為u_B.當u_B作階躍變化時,爐膛熱負荷立即增大,汽包壓力上升,蒸汽流量D隨之增加.若汽輪機調汽閥開度不變,主蒸汽壓力會增大,從而使蒸汽流出量增加,最終達到新平衡.此過程具有自平衡性。

（b）外部擾動下主蒸汽壓力的動態特性.外部擾動由電網負荷變化引起,它通過改變蒸汽閥開度u_g,使汽輪機進汽量發生變化.

主蒸汽壓力控制系統的組成

主蒸汽壓力是影響鍋爐燃燒狀況的關鍵因素，主蒸汽壓力的變化反映鍋爐蒸汽產量與負荷耗汽量之間的不平衡，需要改變燃料量以改變蒸汽產量，從而適應負荷耗汽量的變化。

將燃油系統控制空氣流量控制迴路"變偏置雙交叉限幅燃燒控制系統（風油配比）與主蒸汽壓力控制迴路相結合，主蒸汽壓力控制迴路作為主控制迴路，當主蒸汽壓力的實際輸出值與給定負荷的主蒸汽壓力產生誤差時，通過控制器的作用對燃油流量進行調節，此時同樣通過雙交叉限幅控制進行風油配比，同時對空氣流量進行調節，將燃油系統和空氣流量系統的輸出值作為主蒸汽壓力控制系統的輸入值，再經過燃燒系統燃油燃燒"傳熱"產生蒸汽，最後輸出主蒸汽壓力!這樣就將燃燒系統的幾個控制迴路聯合起來，構成了船用鍋爐的燃燒控制系統!燃油控制系統"空氣流量控制系統和風油配比（雙交叉限幅燃燒控制系統）均採用常規控制方法，在此對主蒸汽壓力的控制策略進行研究。

基於神經網路的主蒸汽壓力控制

由於神經網路是從微觀結構與功能上對人腦神經系統的模擬而建立起來的一類模型，具有模擬人的部分智慧型的特性，主要是具有非線性學習能力和自適應性，使神經控制能對變化的環境（包括外加擾動量測噪聲"被控對象的時變特性三個方面）有自適應性，且成為基本不依賴於模型的一類控制，因此決定了它在控制系統中套用的多樣性和靈活性。

神經網路控制即神經網路的控制，是指在控制系統中採用神經網路這一工具對難以精確描述的複雜的非線性對象進行建模，或充當控制器，或進行推理，以及同時兼有上述某些功能的適應組合/絡是一種多層前饋型神經網路，其神經元的傳遞函式是 8 型函式，輸出量為 0到 1之間的連續量，它可以實現從輸入到輸出的任意非線性映射!由於權值的調整採用反向傳播學習算法，因此也稱BP網路。該 BP網路是前向網路的核心部分，體現了人工神經網路的精華。利用神經網路具有逼近任意非線性函式的能力，對船用鍋爐的主蒸汽壓力系統進行BP 神經網路控制。

大型高參數機組的主蒸汽溫度高，主蒸汽壓力大，對機組燃燒系統的控制提出了更高的要求"燃燒系統的主要任務就是維持主蒸汽壓力的穩定，主蒸汽壓力是表征生產過程中的一個極為重要的參數，同時也是保證鍋爐安全運行的必要條件之一"主蒸汽壓力過高會導致機組設備的損壞，主蒸汽壓力過低時不能保證機組正常運行，主蒸汽壓力的不穩定不僅會對機組設備以及整個發電過程造成很大的負面影響，同時也會給企業造成較大的經濟損失"雖然不同的機組其負荷特性隨其對象不同而不同，但是機組控制的主要目標之一就是要克服干擾因素，維持主汽壓在規定的範圍內變化，以保證機組安全#經濟#穩定運行"火電機組通常採用調節燃料量和送風量的方式來完成對機組鍋爐主蒸汽壓力的調節，但是從燃料量到主蒸汽壓力的傳遞通道是一個大滯後。大慣性時間常數的對象"主汽壓波動的原因是多方面的，但其變化的本質是由於機組熱量變化失衡而引起的，而機組熱量變化失衡的主要影響因素是鍋爐燃燒的波動以及蒸汽側的波動"在正常運行工況下，影響主汽壓波動的主要因素就是內擾( 燃料量) 的變化，這個擾動對主汽壓的影響最大; 蒸汽側的波動也會對主汽壓也有一定的影響，這個可以看做外擾"為了維持機組適當的主蒸汽壓力，就必須保證鍋爐煤粉燃燒產生的熱量能夠跟隨蒸汽側波動熱量的變化，以儘量保證機組熱量變化平衡"針對電廠主蒸汽壓力這樣一個大遲延、大慣性時間常數的調節對象。

基於輻射能的主蒸汽壓力串級控制

目前主蒸汽壓力的控制方案主要有兩類: 一類是採用單迴路控制調節方案，其設計簡潔，過程控制參數整定方便，但是控制回響速度相對較慢"另一類是串級迴路控制調節方案，由於燃料在爐內的停留時間約為幾秒鐘，相對於大滯後的主蒸汽壓力來講是一個快速的過程，因此引入適當的中間被調量，構成串級PID 控制系統對主蒸汽壓力進行調節串級PID 控制系統中的外迴路能夠消除系統穩態誤差; 內迴路能夠滿足整個控制系統的快速性要求，抗二次干擾能力強，同時又改善了主汽壓對象的動態特性，克服燃料側內擾的能力顯著增強.

鍋爐運行的過程中，主蒸汽壓力作為一項重要的參數，反映出機組運行的經濟性和安全性，因此要求維持主蒸汽壓力在允許的範圍之內，尤其要求嚴格控制壓力過大現象的發生"為保證系統安全運行，主汽壓控制迴路中，必須具備燃燒熱波動內擾以及蒸汽熱波動外擾等具有足夠快的調節速度，同時又要使系統具有足夠的穩定性和良好控制品質的控制策略"在最初的串級控制系統中，是以主蒸汽壓力作為系統迴路的主反饋量，然而由於燃料量到主蒸汽壓力的傳遞通道是一個純遲延#大滯後的對象，嚴重製約了系統控制品質的提高"為了改善此串級控制系統的弊端，學者們提出了許多新的控制策略，引入了不同的中間調節變數用以改善系統的控制性能"如採用爐膛燃燒溫度作為中間調節變數，構成以主蒸汽壓力為主調參數，以爐膛燃燒溫度為副調參數的串級控制系統; 也有採用以燃料燃燒傳遞給鍋爐的熱量( 簡稱熱量信號) 作為系統的反饋控制量來改善調節對象特性的策略"但是這些策略也都存在一定的問題，以爐膛燃燒溫度作為中間被調量時，由於爐膛空間較大，幾個測點的溫度不足以反映整個爐膛內的燃燒狀況，這種方法套用效果不理想"而以熱量信號作為中間被調量的串級控制策略，熱量信號依然存在純遲延#大滯後的特性，與主蒸汽壓力相比並沒有明顯超前，系統的大滯後特性並沒有得到顯著的改善"因此如何尋找一個對燃料量變化的回響既準確又快速的反饋控制量是全面提高系統控制品質的關鍵"近年來，有人提出通過引入爐膛輻射能信號構造串級控制系統來完成對主蒸汽壓力的調節，利用輻射能信號快速回響鍋爐燃燒變化的特點，從而及時地減弱或消除由於鍋爐燃料量變化所帶來的主蒸汽壓力波動，提高主蒸汽壓力的控制品質，改善機組的負荷隨動能力，提升機組經濟性能"鍋爐爐膛輻射能信號與入爐煤質#燃煤量以及送引風量等因素關係密切，這些因素的變化均會導致爐膛輻射能信號發生不同程度的變化"煤粉從進入爐膛到燃盡僅有幾秒鐘的時間，在爐膛內燃燒的時間很短，因此爐膛輻射能信號能基本實時地反映爐內燃燒的變化，對燃料量的回響比主蒸汽壓力和熱量信號對燃料量的回響迅速很多，串級控制系統可有效利用輻射能的導前性能"隨著爐膛溫度測量技術的進步，基於數字圖像處理技術,基於聲學理論以及基於雷射光譜測量技術等方法都能相對精確的得到爐膛燃燒火焰溫度"根據爐內溫度分布，結合輻射能的計算公式便可以計算出爐膛輻射能信號，以此作為主蒸汽壓力串級控制系統的中間調節量，進而完成對主蒸汽壓力的控制調節"採用輻射能信號為中間調節量的主蒸汽壓力串級控制。

主蒸汽壓力的廣義預測控制

儘管鍋爐主蒸汽壓力在採用串級控制後能夠達到部頒標準.但由於電網負荷經常有較大波動,主蒸汽壓力也隨之波動;而且PID控制器的控制量變化頻繁,變化幅度也較大,加重了執行機構的負擔,縮短了執行機構的使用壽命.因此,有必要在原有的控制方案基礎上採用廣義預測控制,進一步改善控制品質.實現鍋爐主蒸汽壓力的廣義預測控制時,將原串級控制方案中的主調節器用GPC控制器代替,仍然引入二次油壓作為前饋,控制器的輸出為熱量信號,作為副調節器的設定值,副調節器的輸出為給煤機的轉速,通過控制給煤機轉速,從而改變給煤量.原來的串級控制是通過組態,由多個數采模組、控制模組來完成的.由於DCS系統中沒有GPC模組,且GPC算法相對複雜,不可能通過運算模組的組合來實現,必須另外實現GPC控制器.同時需要解決一些關鍵的技術問題,如GPC控制器如何與DCS系統相連線,如何存取FIX 32數據等等.此外為保證安全生產,還必須做到可以隨時切換到PID控制。