過熱汽溫控制系統

過熱汽溫控制系統是維持過熱蒸汽溫度在規定的範圍內是電廠安全經濟運行的控制系統。過熱汽溫的常規控制系統包含最基本的串級調節和具有導前微分的雙迴路控制機構。改進控制系統包含PID+狀態反饋控制方案、Smith預估控制方案、套用模糊理論的控制方案、套用神經網路的控制方案四種。

基本介紹

• 中文名：過熱汽溫控制系統
• 外文名：Superheated Steam Temperature Control System
• 常規控制：串級調節、雙迴路控制機構
• 改進控制：PID+狀態反饋、Smith預估等
• 意義：維持過熱蒸汽溫度在規定的範圍
• 所屬學科：控制科學

研究背景

過熱蒸汽溫度是鍋爐運行的重要指標之一，維持過熱蒸汽溫度在規定的範圍內是電廠安全經濟運行的重要保證。維持過熱汽溫穩定、控制過熱汽溫在允許的範圍內、保證整個過熱器不要超溫是過熱汽溫控制系統的重要任務。過高可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機的高壓部分金屬材料損壞，降低使用壽命；過低又會降低電廠的循環熱效率，影響汽輪機的安全經濟運行。汽溫變化過大，將導致鍋爐和汽輪機金屬管材及部件的疲勞，危及機組的安全。

火電廠的主汽壓力、燃燒工況、吹灰、鍋爐送風量等的變化都是影響汽溫變化的因素，都會引起汽溫的波動，並使過熱汽溫、再熱汽溫在較長時間會偏離設定值。因此，加強對過熱汽溫的有效控制是使機組安全運行，提高控制品質的關鍵。

過熱汽溫的常規控制系統

目前，工程中常用的過熱汽溫控制系統，還是採用最基本的串級調節和具有導前微分的雙迴路控制機構。

過熱汽溫串級控制系統

基於過熱汽溫系統的特點，為了改善系統的動態特性，引入中間點信號作為控制系統的補充信號，從而構成了串級控制系統。

採用導前微分信號的過熱汽溫雙迴路控制系統

導前汽溫微分信號的控制系統。並引入了導前汽溫微分信號為調節器的補充信號，從而提高調節質量。通過分析得出了串級控制系統的主副兩個調節迴路的工作比較獨立，系統投運時參數整定、調試直觀方便，而有導前汽溫微分信號的雙迴路調節系統的兩個迴路在參數在整定時相互影響、不易掌握。

過熱汽溫的改進控制系統

對於過熱汽溫的特性，廣大學者和研究熱人員給予了過熱汽溫控制系統廣泛的關注，並提出許多新的控制方案，下面簡要介紹有代表性的四種。

PID+狀態反饋控制方案

在串級調節的基礎上，增加了狀態觀測器，並將狀態變數反饋到減溫器的執行器上。當被控對象發生變化時，可以更快的了解變化信息，並通過反饋直接作用到執行器上，改善了系統的動態特性。

Smith預估控制方案

在傳統串級控制的基礎上，主控制迴路採用了Smith預估器。實踐證明，在汽溫控制中採用Smith預估控制，對於抑制超調是非常有效的。由於Smith預估器可根據搭設的數學模型來預先估計出所採用的控制動作對過程變數的可能影響，而不必等到過程變數有所反應後再去校正所採取的控制動作，從而提高調節效果。

套用模糊理論的控制方案

模糊控制方案仍然採用了串級控制系統的結構，內迴路與傳統的串級控制相同，主調節器採用模糊控制器。模糊控制器的設計是根據人工控制規則，將人工控制的實踐經驗加以總結而得到一個多級Fuzzy條件語句，採用模糊集合理論實現，模糊控制規則的質量決定了系統的控制性能。

套用神經網路的控制方案

神經網路控制器中引入過熱汽溫設定值及其偏差，線上補償調節器，提高了對象動態特性的變化的適應性。同時研究人員還提出了預測智慧型控制、神經網路模糊控制等方案，研究表明，這些方法的控制效果比傳統的控制有了很大的提高。總而言之，隨著先進控制的發展，對過熱汽溫的控制將有更好的控制方案。

實施方法

過熱汽溫控制對象是典型的具有大滯後、大慣性的隨著工況而變的時變對象。傳統的控制是根據以前控制作用序列的控制效果來決定當前時刻的控制作用，但對大慣性的滯後過程，會造成汽溫的過調或欠調。Smith預估控制算法是一種克服大滯後、大慣性的有效方法，但是它依賴於精確的對象數學模型，在對象模型失配時，控制品質惡化。

針對過熱汽溫大遲延、大慣性、非線性、影響因素多等特點，廣大學者和研究人員給予了過熱汽溫控制系統廣泛的關注，結合先進控制的原理提出了許多新的控制方案。如採用狀態反饋十PI控制對過熱汽溫進行控制，在改善了整個調節系統的動態特性的同時保留了串級控制的優點；採用預估的控制方案是在傳統串級控制的基礎上，主控制迴路採用了預估器。實踐證明，在汽溫控制中採用預估控制，對於抑制超調是非常有效的；採用模糊理論的控制方案，仍然用了串級控制系統的結構，內迴路與傳統的串級PID控制相同，主調節器採用模糊控制器。

國內外研究進展

過熱汽溫的控制一直是火電廠模擬量控制系統的難點，主要是因為過熱汽溫控制對象具有大延時、大慣性、非線性和時變性等特點，釆用常規和簡單的控制規律難以獲得較好的調節效果。長期以來，過熱汽溫的控制是火電廠自動控制領域研究的熱點方向，目前已經出現了相當多的控制方案以及套用嘗試。

目前，工程中常用的汽溫控制系統，還是採用最基本的串級調節和具有導前微分的雙迴路控制機構。由於過熱汽溫系統具有大延時、大慣性，為了改善系統的動態特性，引入中間點信號作為控制系統的補充信號，從而構成了串級控制系統，通過主副迴路的調節器去控制執行機構，以改變減溫水量來維持過熱汽溫基本不變。與此同時還有一些改進的過熱氣溫控制方法，比如說PID+狀態反饋控制、Smith預估控制、套用模糊理論的控制等。在實際套用中都取得了較好的控制效果，有利於電廠的安全穩定運行。因此，近年來人們對於先進控制策略的研究更加深入，希望能提出更好的控制方案套用於過熱汽溫控制系統。