快速适应给水温度变化的给水控制方法

摘要

本发明公开了一种快速适应给水温度变化的给水控制方法，针对给水温度变化对汽包水位调节系统的影响，在常规给水控制系统基础上，引入给水温度校正回路，克服给水温度变化对给水调节品质的影响，提高给水控制系统和机组运行的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及火电机组自动控制技术领域，特别是涉及一种快速适应给水温 度变化的给水控制方法。

背景技术

电站锅炉汽包水位间接地反映了锅炉负荷与给水平衡的关系，是发电机组 运行的主要控制参数之一。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重 时会导致蒸汽带水增多，从而增加过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至 使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏锅炉水循环，引起锅炉 水冷壁的破裂。

锅炉在运行中，由于各因素的相互作用，水位是经常变化的。引起汽包水 位发生变化的主要因素有物质平衡关系(即给水量与蒸发量之间的平衡关系)和 汽包水空间内工质状态变化(当锅炉压力变化时，水和蒸汽的比容发生变化)两 个。其中，进入汽包的工质流量和离开汽包的工质流量的不平衡引起的水位变 化，采用汽包水位、给水流量和蒸汽流量的三冲量控制系统可以有效克服。汽 包水空间内蒸汽含量和水密度变化引起的水位变化在此前尚没有简单、实用的 解决办法。汽轮机高加解列、机组低负荷运行时出现的汽包水位波动幅度增大、 甚至汽包水位发散造成机组跳闸的现象，就是由于汽包内水密度改变而引起汽 包水位调节对象特性发生较大变化、原调节系统品质恶化引起的。

目前，部分专利和文献提出了改善汽包水位控制系统调节品质的方法，但 仍没有通过直接检测和间接检测汽包内水密度变化而采取的有效控制方法。

名称“一种锅炉水位的控制方法及控制系统”，申请号为200710040287.0(公 开号CN 101101112 A)的中国专利申请。该方法基于三冲量串级控制系统原理， 通过设置汽包水位上下限位置，并分别与水位实时测量值比较，强制控制给水 调节阀的全开和全关。该方法虽然在瞬时时间下能够做到迅速调节，但单纯依 赖水位阈值强制控制给水阀具有很高的危险性，并且没有合理考虑干扰量引起 的水位变化，不能从根本上解决水位波动问题。

名称“一种汽包水位控制系统”，申请号为201010286449.0(公开号CN  1011922704 A)的中国专利申请。该方法通过主辅PID回路附加修正学习模块， 通过跟踪、判断汽包水位的变化速率来修正给水阀的开度指令，该控制系统具 备一定的智能性，但系统不能识别扰动信号类型，其控制信号主要还是通过汽 包水位发生变化后的大小及变化速率运算产生。控制作用具有滞后性，难以解 决汽包水位的大幅波动问题。

名称“一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法”，申请号为201210492396.7 (公开号CN 102997222 A)的中国专利申请。该方法采集控制系统偏差变化量 e，并计算出偏差变化率ec，代入预先建立的云模型控制器，经云推理后输出整 定值ΔP、ΔI、ΔD，再与常规PID控制器进行线性运算，由整定后生成新参数 的PID控制器决定系统输出量。该方法对汽包水位控制系统的稳定性、调节过 程的快速性及非确定性干扰有一定的作用，该方法仍然是通过汽包水位及其变 化速率修正调节系统PID参数进行的调节，该系统仍然不能识别扰动信号类型， 其控制作用具有滞后性，不能快速克服因为工质变化引起汽包水位的大幅波动 问题。

文献《电站锅炉汽包水位系统的单神经元自适应PID控制》，作者彭道刚， 杨平。将基于单神经元的自适应PID控制策略应用到电站锅炉的汽包水位控制 中，并将蒸汽流量信号引入到经过改进后的单神经元中来考虑负荷变化对汽包 水位的影响，改善汽包水位的调节品质，其涉及的输入变量是汽包水位、汽包 水位设定、蒸汽流量，对汽包内工质状态发生变化的干扰没有明确的对策。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的在于提供一种采用给水温度校正给水控制系 统参数，提高给水控制系统调节性能的方法。为此，本发明采用的方案如下。

一种快速适应给水温度变化的给水控制方法，包括步骤：

在原给水控制系统中引入给水温度信号；

根据所述给水温度信号，通过函数算法，计算汽包水位控制器比例增益修 正系数和积分时间修正系数；

将所述比例增益修正系数与原给水控制系统汽包水位控制器对应的比例增 益系数相乘，得到校正后的汽包水位控制器比例增益系数；将所述积分时间参 数与原给水控制系统汽包水位控制器对应的积分时间参数相乘，得到校正后的 汽包水位控制器积分时间参数；

将所得到的校正后的汽包水位控制器比例增益系数和积分时间参数引入原 给水控制系统的汽包水位控制器中，实现给水温度对给水控制系统控制参数的 校正。

本发明的快速适应给水温度变化的给水控制方法，针对给水温度变化对汽 包水位调节系统的影响，在常规给水控制系统基础上，引入给水温度校正回路， 克服给水温度变化对给水调节品质的影响，提高给水控制系统和机组运行的安 全性。

附图说明

图1是给水流量扰动下汽包水位动态特性；

图2是本发明的采用给水温度校正给水控制系统的原理示意图；

图3是本发明实施例之一采用给水温度校正给水控制器参数的流程示意图；

图4是本发明实施例之二采用给水温度校正汽包水位偏差的流程示意图；

图5是本发明实施例之三采用给水温度校正蒸汽流量微分信号的流程示意 图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方 式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

在给水流量阶跃扰动作用下，水位控制对象的动态特性表现为有起始惯性 的无自平衡能力的特点。

当给水量增加时，虽然给水流量大于蒸汽流量，但汽包水位一开始却并不 立即增加，而要呈现出一段起始惯性。这是由于给水温度低于汽包内饱和水的 温度，给水吸收了原有饱和水中一部分热量，使得水面下汽泡容积减少。当水 面下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位才由于汽包中储水量的增加而逐渐 上升，最后当水面下汽泡容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量 的增加而逐渐上升。

图1中，H为给水流量扰动下汽包水位的实际变化曲线，可以认为是曲线 H1和曲线H2合成的结果。H1为不考虑水面下汽泡容积的变化，仅考虑汽水物 质不平衡时的水位反应曲线；H2为不考虑汽水物质不平衡，仅考虑给水过冷度 引起的水面下汽泡容积变化时的水位反应曲线。因此，给水流量扰动下汽包水 位的动态特性可用传递函数表示为:

$W\left(s\right)=\frac{ϵ}{s}-\frac{\mathrm{ϵ\tau }}{1+\mathrm{\tau s}}---\left(1\right)$

简化合并得：

$W\left(s\right)=\frac{ϵ}{s(1+\mathrm{\tau s})}---\left(2\right)$

式中：τ—迟延时间，秒(s)；

ε—响应速度，单位给水流量改变时水位的变化速度

s—拉普拉斯算子

响应速度ε也称飞升速度，可从阶跃响应曲线中求取：

$ϵ=\frac{\mathrm{tg\alpha }}{\mathrm{\Delta W}}=\frac{\mathrm{\Delta H}}{\mathrm{\Delta W}}---\left(3\right)$

飞升速度ε与扰动量的大小无关，只与锅炉的结构、容量有关：锅炉的容 量越大，ε越大。迟延时间τ与省煤器的形式有关，非沸腾式省煤器τ较小， 沸腾式省煤器τ较大。现代大型机组多采用非沸腾式省煤器，τ较小。给水温 度的变化对迟延τ影响较大，给水温度越低，迟延τ越大，如机组运行中高加 解列后会增加给水控制对象的迟延。

上述影响汽包水位变化速度因素中，锅炉容量、省煤器结构对于与正常投 入运行的锅炉设备来说，其参数基本不变化。通过合适的参数整定，汽包水位 可获得良好的调节性能。但对于给水温度的影响，常规给水控制系统难以获得 良好的控制效果。

本发明针对给水温度变化对汽包水位调节系统的影响，在常规给水控制系 统基础上，引入给水温度校正回路(图2)，克服给水温度变化对给水调节品质 的影响，提高给水系统和机组运行的安全性。

以下以具体实施例的方式对本发明方案进行详细说明。

实施例1,以给水温度函数校正汽包水位控制器参数。

如图3所示，是本实施例以给水温度函数校正汽包水位控制器参数的流程 示意图，其包括步骤：

步骤S101：在原给水控制系统中引入给水温度信号；

步骤S102：根据给水温度信号，通过函数算法，计算汽包水位控制器比例 增益修正系数和积分时间修正系数；

步骤S103：将上述比例增益修正系数与原给水控制系统汽包水位控制器对 应的比例增益系数相乘，得到修正后的汽包水位控制器比例增益系数；将上述 积分时间参数与原给水控制系统汽包水位控制器对应的积分时间参数相乘，得 到修正后的汽包水位控制器积分时间参数；

步骤S104：将所得到的校正后的汽包水位控制器比例增益系数和积分时间 参数引入原汽包水位控制器中，实现给水温度对给水控制系统控制参数的校正 功能。

某300MW机组采用的给水温度校正函数关系分别如表1、表2所示。

表1 给水温度对汽包水位控制器比例系数的修正函数

给水温度(℃) 0 200 270 300 比例修正系数 0.6 1.0 1.5 1.5

表2 给水温度对汽包水位控制器积分时间修正函数

给水温度(℃) 0 100 200 300 积分时间修正系数 2.0 1.5 1.0 0.75

实施例2，以给水温度函数校正汽包水位控制偏差。

如图4所示，是本实施例以给水温度函数校正汽包水位控制偏差的流程示 意图，其包括步骤：

步骤S201：在给水控制系统中引入给水温度测量信号；

步骤S202：根据给水温度信号，通过函数算法，计算汽包水位控制偏差修 正系数；

步骤S203：将上述偏差修正系数与汽包水位和汽包水位设定值的偏差相乘， 得到修正后的汽包水位控制偏差相乘后进入原汽包水位控制器进行PID运算， 产生至下级回路的控制指令。

某300MW机组采用的给水温度校正汽包水位控制偏差的修正函数关系如 表3所示。

表3 给水温度对汽包水位控制偏差的修正函数

给水温度(℃) 0 200 270 300 水位偏差修正系数 0.6 1.0 1.5 1.5

实施例3，以给水温度函数校正蒸汽流量微分增益

如图5所示，是本实施例以给水温度函数校正主汽流量微分增益的流程示 意图，其包括步骤：

步骤S301：在给水控制系统中引入给水温度测量信号；

步骤S302：根据给水温度信号，通过函数算法，计算蒸汽流量微分增益修 正系数；

步骤S303：将上述偏差修正系数与蒸汽流量微分模块输出相乘，得到修正 后的蒸汽流量微分前馈信号；

步骤S304：将上述校正后的蒸汽流量微分信号与蒸汽流量进行加权相加， 得到三冲量给水系统的蒸汽流量前馈信号；

步骤S305：蒸汽流量前馈信号与汽包水位主控制器的输出相加，得到给水 流量设定信号；

步骤S306：给水流量设定值与给水流量分别送到给水流量控制器的设定值 与测量值输入端，进行PI运算，形成给水主控输出信号，给水主控输出信号再 送至下级控制回路对给水泵转速进行调节。

某300MW机组采用的给水温度函数校正主汽流量微分增益修正系数如表4 所示。

表4 给水温度对蒸汽流量微分的修正函数

给水温度(℃) 0 100 200 300 主汽流量微分修正系数 1.2 1.0 0.6 0.5

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。