德国西门子公司主蒸汽温度控制策略的分析与应用

　　摘要：主蒸汽温度控制多采用带导前汽温微分信号的汽温控制系统，也有采用引入代表负荷变化的微分前馈信号的汽温控制系统，并考虑蒸汽焓值校正系数、蒸汽过热度的保护功能等。但是，由于过热蒸汽温度控制对象具有时变性和非线性的特点，为了提高控制精度，德国西门子公司的主蒸汽温度控制策略通过计算过热器蒸汽的烩值确定喷水减温阀出口温度的设定值，使系统具有良好的控制品质，同时主蒸汽温度随负荷而改变，以适应不同运行工况下过热蒸汽温度动态特性的变化。
　　
　　一、德国西门子公司主蒸汽温度控制系统
　　
　　1.1控制原理
　　
　　德国西门子公司主蒸汽温度控制系统原理如图1所示。　　
　　由减温水阶跃扰动试验得到主蒸汽温度和二级减温器出口汽温（导前汽温）的阶跃响应曲线，再由主蒸汽温度和导前汽温响应曲线估算出惰性区的传递函数。可用特性参数：　　
　　估算惰性区传递函数的阶值数，并按表1设定各T，将各环节串联可得到PTn模块的传递函数。各T值随Tg变化，如某电厂300MW机组通过试验得出二级减温控制系统Tg=150－0.5D，一级减温控制系统Tg=300－D，其中D为主蒸汽流量，0～100％。
　　
　　图1中，Υθ1为主蒸汽温度变送器传递函数；Υθ2为导前汽温变送器传递函数；G01（s）为惰性区对象传递函数；G02（s）为导前区对象传递函数；GPI（s）为主调节器传递函数；Kz、Kμ，为执行机构、调节阀传递函数；W为减温水流量扰动；θ1为主蒸汽温度；θ2为导前汽温；K为一阶惯性环节的放大系数；T为一阶惯性环节的时间常数；n为一阶惯性环节的对象阶数。只要Υθ1=Υθ2满足：　　
　　则系统由原双回路控制系统（图1）简化为单回路控制系统（图2）。　　
　　1.2PTn模块的整定
　　
　　为了便于对主蒸汽温度控制系统进行整定，德国西门子公司给出了PTn模块的拟合参数（表1），本文选择对象阶数n=5。
　　
　　表1中，Tu为锅炉减温水流量的线性函数；Tg为锅炉负荷（主蒸汽流量）的线性函数。
　　
　　1.3变增益回路的整定
　　
　　在不同运行工况减温水流量扰动下蒸汽温度控制对象的动态特性存在较大差异，为了获得较好的调节效果，应在不同工况下进行试验，采用变参数调节。图1中内回路的作用是根据过热器的运行工况对控制器参数K进行增益调整，文献给出了德国西门子公司变增益回路的经验整定方法。
　　
　　1.4根据焙差变化进行变增益控制
　　
　　根据水蒸气热力性质表，在不同蒸汽压力和温度下过热蒸汽焓差变化不同，因此蒸汽温度控制对象的动态特性随运行工况而发生改变。根据主蒸汽焓差变化进行变增益控制（对控制器的参数K进行增益调整），是近年来德国西门子公司在蒸汽温度控制中多采用的方法。
　　
　　蒸汽温度每变化1℃所需的减温水量取决于在不同蒸汽压力和温度下过热蒸汽恰差变化。在一定的蒸汽压力和温度范围内，增益调整值是焓差的线性函数。
　　
　　根据减温水作用的区域，取导前汽温作为焓差计算的蒸汽温度参数，蒸汽压力参数则取主蒸汽压力信号，输入焓值计算表可得到蒸汽温度每变化1℃的焙差值。
　　
　　二、控制策略及其控制效果
　　
　　德国西门子公司主蒸汽温度控制系统如图3所示。
　　
　　该控制系统是具有导前温度信号的双回路蒸汽温度调节系统。与典型的具有导前微分信号的双回路蒸汽温度调节系统相比，其内回路采用了［（1一PTn值）火导前温度］作为反馈信号。
　　
　　图3中，回路①相当于一个实际微分环节，动态时使PTn模块的输出近似于主蒸汽温度，从而改善了主蒸汽温度调节对象的动态特性；稳态时回路①输出为零，使过热器出口蒸汽温度等于设定值。回路②根据过热器的运行工况，对控制器的参数进行增益调整。为了改善烟气侧扰动下控制系统的响应能力，引入了总燃料量微分前馈信号和燃烧器倾角微分前馈信号。除法模块A/B的增益调整值B由回路②输出。B是蒸汽压力和温度的线性函数，对于一级、二级减温控制系统，文献给出了B的函数关系。设二级减温器后蒸汽温度为470℃，回路②中的各系数可以设定为：K1=7,K2=0.012,
　　
　　K3=1.02。以同样方法可对二级减温控制系统变增益回路进行整定。
　　
　　根据主蒸汽熔差变化进行变增益控制的主蒸汽温度控制策略是根据过热器的运行工况对控制器的参数进行增益调整。根据减温水作用的区域，取导前汽温作为焓差计算的蒸汽温度参数，蒸汽压力参数（取主蒸汽压力信号）输入熔值计算表所给的值，便可得到蒸汽温度每变化1℃的焓差值。根据焓差值，由K2、K3构成了B的线性函数，B值的下限由K1给出。
　　
　　以某300MW机组为例，对德国西门子公司的主蒸汽温度控制策略进行验证，并与串级蒸汽温度控制系统进行比较，试验曲线如图4所示。　　
　　图4中，常规串级汽温控制系统主蒸汽温度设定值扰动量为5℃，过渡过程衰减率伞－0.8，稳态时间为40min，调节过程中稳态偏差太大（2℃），不能*主蒸汽温度控制系统品质指标的要求（DL/T77一2004）。德国西门子公司的主蒸汽温度控制系统主蒸汽温度控制设定值扰动量为5℃，过渡过程衰减率ψ=0.75～0.9，稳态时间为30min，调节过程稳态偏差为0.5℃，能够满足主蒸汽温度控制系统品质指标的要求（DL/T774一2004）。由此可见，德国西门子公司的主蒸汽温度控制系统较常规串级蒸汽温度控制系统具有更好的调节品质，由于仅对过热蒸汽温度惰性区的传递函数构造数学模型，所以受对象特性变化的影响较小，系统的鲁棒性较好。如果在上述试验条件下对德国西门子公司的主蒸汽温度控制系统参数略微调整，其控制品质将会进一步改善。因此，采用德国西门子公司的主蒸汽温度控制策略对模型的不确定因素和内外扰动均有很好的适应能力，其控制品质远优于常规串级控制。
　　
　　三、结论
　　
　　针对主蒸汽温度存在大惯性、大延迟的特性，常规串级控制难以取得良好的控制效果。采用德国西门子公司的主蒸汽温度控制策略，克服了单纯串级控制对大惯性、大延迟对象调节品质差、抗干扰性弱的缺点。实际测试结果表明，该控制策略具有较好的鲁棒性和抗干扰性，对主蒸汽温度具有较好的控制效果。