德國西門子公司主蒸汽溫度控制策略的分析與應用

　　摘要：主蒸汽溫度控制多采用帶導前汽溫微分信號的汽溫控制系統，也有采用引入代表負荷變化的微分前饋信號的汽溫控制系統，并考慮蒸汽焓值校正系數、蒸汽過熱度的保護功能等。但是，由于過熱蒸汽溫度控制對象具有時變性和非線性的特點，為了提高控制精度，德國西門子公司的主蒸汽溫度控制策略通過計算過熱器蒸汽的燴值確定噴水減溫閥出口溫度的設定值，使系統具有良好的控制品質，同時主蒸汽溫度隨負荷而改變，以適應不同運行工況下過熱蒸汽溫度動態特性的變化。
　　
　　一、德國西門子公司主蒸汽溫度控制系統
　　
　　1.1控制原理
　　
　　德國西門子公司主蒸汽溫度控制系統原理如圖1所示。　　
　　由減溫水階躍擾動試驗得到主蒸汽溫度和二級減溫器出口汽溫（導前汽溫）的階躍響應曲線，再由主蒸汽溫度和導前汽溫響應曲線估算出惰性區的傳遞函數。可用特性參數：　　
　　估算惰性區傳遞函數的階值數，并按表1設定各T，將各環節串聯可得到PTn模塊的傳遞函數。各T值隨Tg變化，如某電廠300MW機組通過試驗得出二級減溫控制系統Tg=150－0.5D，一級減溫控制系統Tg=300－D，其中D為主蒸汽流量，0～100％。
　　
　　圖1中，Υθ1為主蒸汽溫度變送器傳遞函數；Υθ2為導前汽溫變送器傳遞函數；G01（s）為惰性區對象傳遞函數；G02（s）為導前區對象傳遞函數；GPI（s）為主調節器傳遞函數；Kz、Kμ，為執行機構、調節閥傳遞函數；W為減溫水流量擾動；θ1為主蒸汽溫度；θ2為導前汽溫；K為一階慣性環節的放大系數；T為一階慣性環節的時間常數；n為一階慣性環節的對象階數。只要Υθ1=Υθ2滿足：　　
　　則系統由原雙回路控制系統（圖1）簡化為單回路控制系統（圖2）。　　
　　1.2PTn模塊的整定
　　
　　為了便于對主蒸汽溫度控制系統進行整定，德國西門子公司給出了PTn模塊的擬合參數（表1），本文選擇對象階數n=5。
　　
　　表1中，Tu為鍋爐減溫水流量的線性函數；Tg為鍋爐負荷（主蒸汽流量）的線性函數。
　　
　　1.3變增益回路的整定
　　
　　在不同運行工況減溫水流量擾動下蒸汽溫度控制對象的動態特性存在較大差異，為了獲得較好的調節效果，應在不同工況下進行試驗，采用變參數調節。圖1中內回路的作用是根據過熱器的運行工況對控制器參數K進行增益調整，文獻給出了德國西門子公司變增益回路的經驗整定方法。
　　
　　1.4根據焙差變化進行變增益控制
　　
　　根據水蒸氣熱力性質表，在不同蒸汽壓力和溫度下過熱蒸汽焓差變化不同，因此蒸汽溫度控制對象的動態特性隨運行工況而發生改變。根據主蒸汽焓差變化進行變增益控制（對控制器的參數K進行增益調整），是近年來德國西門子公司在蒸汽溫度控制中多采用的方法。
　　
　　蒸汽溫度每變化1℃所需的減溫水量取決于在不同蒸汽壓力和溫度下過熱蒸汽恰差變化。在一定的蒸汽壓力和溫度范圍內，增益調整值是焓差的線性函數。
　　
　　根據減溫水作用的區域，取導前汽溫作為焓差計算的蒸汽溫度參數，蒸汽壓力參數則取主蒸汽壓力信號，輸入焓值計算表可得到蒸汽溫度每變化1℃的焙差值。
　　
　　二、控制策略及其控制效果
　　
　　德國西門子公司主蒸汽溫度控制系統如圖3所示。
　　
　　該控制系統是具有導前溫度信號的雙回路蒸汽溫度調節系統。與典型的具有導前微分信號的雙回路蒸汽溫度調節系統相比，其內回路采用了［（1一PTn值）火導前溫度］作為反饋信號。
　　
　　圖3中，回路①相當于一個實際微分環節，動態時使PTn模塊的輸出近似于主蒸汽溫度，從而改善了主蒸汽溫度調節對象的動態特性；穩態時回路①輸出為零，使過熱器出口蒸汽溫度等于設定值。回路②根據過熱器的運行工況，對控制器的參數進行增益調整。為了改善煙氣側擾動下控制系統的響應能力，引入了總燃料量微分前饋信號和燃燒器傾角微分前饋信號。除法模塊A/B的增益調整值B由回路②輸出。B是蒸汽壓力和溫度的線性函數，對于一級、二級減溫控制系統，文獻給出了B的函數關系。設二級減溫器后蒸汽溫度為470℃，回路②中的各系數可以設定為：K1=7,K2=0.012,
　　
　　K3=1.02。以同樣方法可對二級減溫控制系統變增益回路進行整定。
　　
　　根據主蒸汽熔差變化進行變增益控制的主蒸汽溫度控制策略是根據過熱器的運行工況對控制器的參數進行增益調整。根據減溫水作用的區域，取導前汽溫作為焓差計算的蒸汽溫度參數，蒸汽壓力參數（取主蒸汽壓力信號）輸入熔值計算表所給的值，便可得到蒸汽溫度每變化1℃的焓差值。根據焓差值，由K2、K3構成了B的線性函數，B值的下限由K1給出。
　　
　　以某300MW機組為例，對德國西門子公司的主蒸汽溫度控制策略進行驗證，并與串級蒸汽溫度控制系統進行比較，試驗曲線如圖4所示。　　
　　圖4中，常規串級汽溫控制系統主蒸汽溫度設定值擾動量為5℃，過渡過程衰減率傘－0.8，穩態時間為40min，調節過程中穩態偏差太大（2℃），不能*主蒸汽溫度控制系統品質指標的要求（DL/T77一2004）。德國西門子公司的主蒸汽溫度控制系統主蒸汽溫度控制設定值擾動量為5℃，過渡過程衰減率ψ=0.75～0.9，穩態時間為30min，調節過程穩態偏差為0.5℃，能夠滿足主蒸汽溫度控制系統品質指標的要求（DL/T774一2004）。由此可見，德國西門子公司的主蒸汽溫度控制系統較常規串級蒸汽溫度控制系統具有更好的調節品質，由于僅對過熱蒸汽溫度惰性區的傳遞函數構造數學模型，所以受對象特性變化的影響較小，系統的魯棒性較好。如果在上述試驗條件下對德國西門子公司的主蒸汽溫度控制系統參數略微調整，其控制品質將會進一步改善。因此，采用德國西門子公司的主蒸汽溫度控制策略對模型的不確定因素和內外擾動均有很好的適應能力，其控制品質遠優于常規串級控制。
　　
　　三、結論
　　
　　針對主蒸汽溫度存在大慣性、大延遲的特性，常規串級控制難以取得良好的控制效果。采用德國西門子公司的主蒸汽溫度控制策略，克服了單純串級控制對大慣性、大延遲對象調節品質差、抗干擾性弱的缺點。實際測試結果表明，該控制策略具有較好的魯棒性和抗干擾性，對主蒸汽溫度具有較好的控制效果。