[科普中国]-主蒸汽压力控制

简介

锅炉燃烧过程控制系统一般包括 3 个子控制系统2，即燃料控制系统、送风控制系统和引风控制系统。燃料控制系统通过调节进入炉膛的燃料量，维持主蒸汽压力的稳定；送风控制系统通过调节进入炉膛的送风量，保持燃料燃烧所需要的空气量和燃烧过程的经济性；引风控制系统通过调节引风量，使送、引风量平衡，保持炉膛压力的稳定。通过调节燃料控制系统维持主蒸汽压力的稳定对整个锅炉系统的运行起着重要作用，因此，控制主蒸汽压力的稳定具有重要意义

影响主蒸汽压力控制的因素主蒸汽压力作为锅炉燃烧控制的另一项主参数，过高会使各承压部件应力增加，设备损坏风险升高，汽轮机末几级叶片蒸汽湿度增大，影响叶片寿命；过低机组经济性无法保证外，为维持负荷需增大蒸汽流量，汽轮机组轴向位移增加，动静碰摩的可能性增大3。

内驱因素直流炉转为干态运行后，其主蒸汽压力来源于给水压力，这也是直流炉区别于汽包炉的一个主要特点。直流炉主蒸汽压力的变化必然伴随着给水压力的变化，反之给水压力变化必然引起主蒸汽压力的变化。在锅炉给水控制系统中，分离器出口温度设定值、省煤器入口给水流量的偏置值以及总燃料量能够直接影响给水流量，而当汽机侧阀门开度不变时，给水压力就会随给水流量变化，主蒸汽压力也随之变化，这些能够直接驱使给水压力变化的因素，暂称之为内驱因素。降低分离器出口温度设定值、增加省煤器入口给水流量的偏置值以及增加燃料量，会导致主蒸汽压力升高；反之主蒸汽压力降低。

由内驱因素导致主蒸汽压力变化的过程，实际上就是燃水比动态变化过程对主蒸汽压力产生影响的过程，这个过程是旧燃水比平衡向新燃水比平衡变化的过程，这个过程需要的自平衡时间较长，因而对主蒸汽压力影响的时间也较长，在协调控制方式下可能出现压力振荡的现象，不利于安全稳定运行，应该尽量避免因内驱因素导致的压力变化。

举个例子，在磨煤机堵煤后逐渐吹扫通畅的过程中，由于积存在磨煤机里的煤不计入协调控制的总燃料量中，会导致实际入炉煤量高于显示煤量，即实际燃水比上升，过热度上升，此时给水控制系统会增加给水量，给水压力上升，主蒸汽压力上升。若要维持主蒸汽压力，则需开大汽机侧阀门开度，增加机组出力。在这个过程中，不能因为过热度上升而盲目降低分离器出口温度设定值或者增加给水流量偏置值，这样会使给水压力进一步上升，致使主蒸汽压力上升过快而超限。正确的方法是通过上调BTU数值降低燃料量，然后开大汽机侧阀门以保证主蒸汽压力不超限。

外扰因素直接引起主蒸汽压力变化的因素，如汽机侧阀门开度的变化、吹灰器的投退、过再热器减温水的加减等，暂称之为外扰因素。它们对主蒸汽压力影响较为直接，也容易进行人为控制，因此调节起来更加快速，对主蒸汽压力的扰动也更小一些。

由外扰因素引起的压力波动，缺乏源动力，非事故情况下不会造成主蒸汽压力超限，可以通过一些小范围调整使压力重新趋向平稳。例如降负荷过程的初始阶段，汽机侧阀门关小，由于锅炉释放蓄热以及燃烧系统的迟滞性，主蒸汽压力会有上升趋势，此时可以投入吹灰器运行，起到缓和乃至抑制压力上升的作用，使降负荷过程平稳过渡到协调控制的正常程序中，这样调整既控制住了主蒸汽压力，又减小了协调控制的后续扰动。 对锅炉主蒸汽压力的控制实际上是协调控制系统闭环反馈控制的一个缩影。在稳态情况下，主蒸汽压力、汽机侧阀门开度、机组负荷、燃料量、给水流量都是不变的，任意一个参数发生变化就会导致其余参数一起发生变化，直至达到新的稳态。例如：投入吹灰器→机组负荷下降→汽机侧阀门开大→主蒸汽压力下降→燃料量增加→给水流量增加→蒸汽流量增加→机组负荷回升→汽机侧阀门关小→主蒸汽压力上升→燃料量下降→给水流量下降→趋向平稳。在这样一个闭环控制系统里，找到主蒸汽压力变化的原因，认清主蒸汽压力变化的趋势，对症下药，才能安全高效地控制主蒸汽压力。

主蒸汽压力控制系统是一个复杂的多输入回路，燃料量的变化、风量及其分布、负荷、主汽流量等都对主蒸汽压力有影响。一般对主蒸汽压力影响最大的因素就是燃料量的变化，负荷变化(以主汽流量反映)作为外扰，燃料变化、送风变化作为内扰，通过汽包压力反映出来。主蒸汽压力的给定值由人工设定与主汽流量的变化综合得出，主调变量选择给煤量。常规设计为主蒸汽压力—汽包压力—主汽流量的串级加前馈控制系统，

汽包压力作为副环变量，负荷变化作为前馈变量，当负荷发生变化时，主汽流量也随之发生变化，通过调节给煤量调节主蒸汽压力，从而改变锅炉供汽量。在煤质稳定、煤颗粒均匀的情况下，控制效果还可以。但实际煤质、煤量的变化很大，控制不稳定。

主蒸汽压力的动态特性锅炉的燃烧过程利用燃料燃烧产生的热量生产蒸汽,再利用蒸汽驱动汽轮机做功.主蒸汽压力是衡量蒸汽产量与外界负荷是否相适应的重要标志.主蒸汽压力PT受到的扰动主要有:燃烧量扰动,称为基本扰动或内部扰动;汽轮机耗汽量的扰动,称为外部扰动.下面分析在上述两种扰动下锅炉主蒸汽压力的动态特性2.

(a)内部扰动下主蒸汽压力的动态特性.记燃烧量为uB.当uB作阶跃变化时,炉膛热负荷立即增大,汽包压力上升,蒸汽流量D随之增加.若汽轮机调汽阀开度不变,主蒸汽压力会增大,从而使蒸汽流出量增加,最终达到新平衡.此过程具有自平衡性。

（b）外部扰动下主蒸汽压力的动态特性.外部扰动由电网负荷变化引起,它通过改变蒸汽阀开度ug,使汽轮机进汽量发生变化.

主蒸汽压力控制系统的组成主蒸汽压力是影响锅炉燃烧状况的关键因素，主蒸汽压力的变化反映锅炉蒸汽产量与负荷耗汽量之间的不平衡，需要改变燃料量以改变蒸汽产量，从而适应负荷耗汽量的变化2。

将燃油系统控制空气流量控制回路"变偏置双交叉限幅燃烧控制系统（风油配比）与主蒸汽压力控制回路相结合，主蒸汽压力控制回路作为主控制回路，当主蒸汽压力的实际输出值与给定负荷的主蒸汽压力产生误差时，通过控制器的作用对燃油流量进行调节，此时同样通过双交叉限幅控制进行风油配比，同时对空气流量进行调节，将燃油系统和空气流量系统的输出值作为主蒸汽压力控制系统的输入值，再经过燃烧系统燃油燃烧"传热"产生蒸汽，最后输出主蒸汽压力!这样就将燃烧系统的几个控制回路联合起来，构成了船用锅炉的燃烧控制系统!燃油控制系统"空气流量控制系统和风油配比（双交叉限幅燃烧控制系统）均采用常规控制方法，在此对主蒸汽压力的控制策略进行研究。

基于神经网络的主蒸汽压力控制由于神经网络是从微观结构与功能上对人脑神经系统的模拟而建立起来的一类模型，具有模拟人的部分智能的特性，主要是具有非线性学习能力和自适应性，使神经控制能对变化的环境（包括外加扰动量测噪声"被控对象的时变特性三个方面）有自适应性，且成为基本不依赖于模型的一类控制，因此决定了它在控制系统中应用的多样性和灵活性。

神经网络控制即神经网络的控制4，是指在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模，或充当控制器，或进行推理，以及同时兼有上述某些功能的适应组合/络是一种多层前馈型神经网络，其神经元的传递函数是 8 型函数，输出量为 0到 1之间的连续量，它可以实现从输入到输出的任意非线性映射!由于权值的调整采用反向传播学习算法，因此也称BP网络。该 BP网络是前向网络的核心部分，体现了人工神经网络的精华。利用神经网络具有逼近任意非线性函数的能力，对船用锅炉的主蒸汽压力系统进行BP 神经网络控制。

大型高参数机组的主蒸汽温度高，主蒸汽压力大，对机组燃烧系统的控制提出了更高的要求"燃烧系统的主要任务就是维持主蒸汽压力的稳定，主蒸汽压力是表征生产过程中的一个极为重要的参数，同时也是保证锅炉安全运行的必要条件之一"主蒸汽压力过高会导致机组设备的损坏，主蒸汽压力过低时不能保证机组正常运行，主蒸汽压力的不稳定不仅会对机组设备以及整个发电过程造成很大的负面影响，同时也会给企业造成较大的经济损失"虽然不同的机组其负荷特性随其对象不同而不同，但是机组控制的主要目标之一就是要克服干扰因素，维持主汽压在规定的范围内变化，以保证机组安全#经济#稳定运行"火电机组通常采用调节燃料量和送风量的方式来完成对机组锅炉主蒸汽压力的调节，但是从燃料量到主蒸汽压力的传递通道是一个大滞后。大惯性时间常数的对象"主汽压波动的原因是多方面的，但其变化的本质是由于机组热量变化失衡而引起的，而机组热量变化失衡的主要影响因素是锅炉燃烧的波动以及蒸汽侧的波动"在正常运行工况下，影响主汽压波动的主要因素就是内扰( 燃料量) 的变化，这个扰动对主汽压的影响最大; 蒸汽侧的波动也会对主汽压也有一定的影响，这个可以看做外扰"为了维持机组适当的主蒸汽压力，就必须保证锅炉煤粉燃烧产生的热量能够跟随蒸汽侧波动热量的变化，以尽量保证机组热量变化平衡"针对电厂主蒸汽压力这样一个大迟延、大惯性时间常数的调节对象。

基于辐射能的主蒸汽压力串级控制目前主蒸汽压力的控制方案主要有两类: 一类是采用单回路控制调节方案，其设计简洁，过程控制参数整定方便，但是控制响应速度相对较慢"另一类是串级回路控制调节方案，由于燃料在炉内的停留时间约为几秒钟，相对于大滞后的主蒸汽压力来讲是一个快速的过程，因此引入适当的中间被调量，构成串级PID 控制系统对主蒸汽压力进行调节串级PID 控制系统中的外回路能够消除系统稳态误差; 内回路能够满足整个控制系统的快速性要求，抗二次干扰能力强，同时又改善了主汽压对象的动态特性，克服燃料侧内扰的能力显著增强1.

锅炉运行的过程中，主蒸汽压力作为一项重要的参数，反映出机组运行的经济性和安全性，因此要求维持主蒸汽压力在允许的范围之内，尤其要求严格控制压力过大现象的发生"为保证系统安全运行，主汽压控制回路中，必须具备燃烧热波动内扰以及蒸汽热波动外扰等具有足够快的调节速度，同时又要使系统具有足够的稳定性和良好控制品质的控制策略"在最初的串级控制系统中，是以主蒸汽压力作为系统回路的主反馈量，然而由于燃料量到主蒸汽压力的传递通道是一个纯迟延#大滞后的对象，严重制约了系统控制品质的提高"为了改善此串级控制系统的弊端，学者们提出了许多新的控制策略，引入了不同的中间调节变量用以改善系统的控制性能"如采用炉膛燃烧温度作为中间调节变量，构成以主蒸汽压力为主调参数，以炉膛燃烧温度为副调参数的串级控制系统; 也有采用以燃料燃烧传递给锅炉的热量( 简称热量信号) 作为系统的反馈控制量来改善调节对象特性的策略"但是这些策略也都存在一定的问题，以炉膛燃烧温度作为中间被调量时，由于炉膛空间较大，几个测点的温度不足以反映整个炉膛内的燃烧状况，这种方法应用效果不理想"而以热量信号作为中间被调量的串级控制策略，热量信号依然存在纯迟延#大滞后的特性，与主蒸汽压力相比并没有明显超前，系统的大滞后特性并没有得到显著的改善"因此如何寻找一个对燃料量变化的响应既准确又快速的反馈控制量是全面提高系统控制品质的关键"近年来，有人提出通过引入炉膛辐射能信号构造串级控制系统来完成对主蒸汽压力的调节，利用辐射能信号快速响应锅炉燃烧变化的特点，从而及时地减弱或消除由于锅炉燃料量变化所带来的主蒸汽压力波动，提高主蒸汽压力的控制品质，改善机组的负荷随动能力，提升机组经济性能"锅炉炉膛辐射能信号与入炉煤质#燃煤量以及送引风量等因素关系密切，这些因素的变化均会导致炉膛辐射能信号发生不同程度的变化"煤粉从进入炉膛到燃尽仅有几秒钟的时间，在炉膛内燃烧的时间很短，因此炉膛辐射能信号能基本实时地反映炉内燃烧的变化，对燃料量的响应比主蒸汽压力和热量信号对燃料量的响应迅速很多，串级控制系统可有效利用辐射能的导前性能"随着炉膛温度测量技术的进步，基于数字图像处理技术,基于声学理论以及基于激光光谱测量技术等方法都能相对精确的得到炉膛燃烧火焰温度"根据炉内温度分布，结合辐射能的计算公式便可以计算出炉膛辐射能信号，以此作为主蒸汽压力串级控制系统的中间调节量，进而完成对主蒸汽压力的控制调节"采用辐射能信号为中间调节量的主蒸汽压力串级控制。

主蒸汽压力的广义预测控制尽管锅炉主蒸汽压力在采用串级控制后能够达到部颁标准.但由于电网负荷经常有较大波动,主蒸汽压力也随之波动;而且PID控制器的控制量变化频繁,变化幅度也较大,加重了执行机构的负担,缩短了执行机构的使用寿命.因此,有必要在原有的控制方案基础上采用广义预测控制,进一步改善控制品质.实现锅炉主蒸汽压力的广义预测控制时5,将原串级控制方案中的主调节器用GPC控制器代替,仍然引入二次油压作为前馈,控制器的输出为热量信号,作为副调节器的设定值,副调节器的输出为给煤机的转速,通过控制给煤机转速,从而改变给煤量.原来的串级控制是通过组态,由多个数采模块、控制模块来完成的.由于DCS系统中没有GPC模块,且GPC算法相对复杂,不可能通过运算模块的组合来实现,必须另外实现GPC控制器.同时需要解决一些关键的技术问题,如GPC控制器如何与DCS系统相连接,如何存取FIX 32数据等等.此外为保证安全生产,还必须做到可以随时切换到PID控制。