Smith 预估主汽温度控制在RB 试验中的应用

陈巍文，蒋 薇，徐柳斌，张关淼

（1.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；3.浙江大学 工程师学院，杭州 310015）

0 引言

火力发电机组汽温控制一直是火电厂模拟量控制系统的难点，其主要原因是汽温控制具有大延时、大惯性、非线性和时变性的特点，采用常规和简单的控制规律难以获得较好的调节效果[1]。

对于超（超）临界机组直流炉而言，其主汽温控制可认为是两段调节，即水煤比控制和喷水减温控制。其中，水煤比控制在直流机组汽温调节中起着至关重要的作用，从理论上分析，锅炉热效率、燃料发热量、给水焓决定了主汽温度的变化，但在实际运行中，要精确保证水煤比，特别是在变负荷及RB（辅机故障减负荷）等极端工况下尤为困难。因此，除了采用水煤比进行主汽温粗调以外，还会采用屏后（一级喷水）汽温调节系统、锅炉出口汽温调节系统（二级喷水减温）对主汽温度进行精确细调[2]。不同于超（超）临界机组直流炉，亚临界机组汽包炉的工质在汽包内一直处于汽、液两相共存的状态，压力、温度等状态参数具有相对稳定对应的关系，其主汽温度控制效果取决于喷水减温系统的调节。不论超（超）临界机组还是亚临界机组，喷水减温系统是汽温精准调节的重要手段，是汽温控制的核心。

对于发电机组而言，过高或过低的主汽温度都会影响整个控制系统的运行：主汽温过高，过热器易发生超温，造成汽轮机转子过度膨胀，影响汽轮机运行安全；主汽温过低，设备的生产效率下降，汽轮机末级蒸汽湿度增加，引起叶片磨损[3]。因此，主汽温度的准确合理控制关乎发电机组的安全稳定。某2×1 050 MW 燃煤发电工程作为“一带一路”重点海外项目，其机组主汽温度的良好控制尤为重要。

1 Smith 预估控制回路设计

针对主汽温度这个复杂的控制对象，文献[4]总结归纳了以下几类较为常见的控制策略：普通PID 串级控制、相位补偿控制、状态变量控制、Smith 预估控制以及自适应控制和人工神经网络控制。由于主汽温度具有大延迟的特点，采用普通PID 串级控制时往往会出现较大的超调量和振荡，系统的调节品质和稳定性能都会降低[5]，而该项目采用Smith 预估控制策略，取得了较好的控制效果。

Smith 预估控制器的原理如图1 所示。其中，R（s）为输入量，Y（s）为输出量，Gc（s）为控制器，Gp（s）e-τs为实际被控对象，Gs（s）为无时滞预估模型，τs 为被控对象时滞时间。

图1 Smith 预估控制器原理

根据逻辑结构图，可以得到控制器的传递函数是两个并联通道之和：

为消除被控对象时滞特性所产生的不良影响，确保理想的调节品质，需要将进入控制调节器的被调量Y′（s）进行无时滞化处理，因此，要求式（1）与Gp（s）相等，可以得到：

而式（3）也是Smith 预估控制回路的核心。

图2 所示为该项目运用Smith 预估控制逻辑结构。

图2 Smith 预估控制逻辑结构

根据过热器分段结构可知：当减温水调阀在有效行程动作，末级过热器进口温度Tinl会随之发生变化。但过热器管外烟气流速的对流、辐射对汽温存在时滞作用，故末级过热器出口温度Tout的变化显得较为缓慢。而Smith 预估器的作用就是消除上述滞后时间，将减温水调节器的控制对象从末级过热器出口温度Tout转变为末级过热器进口温度Tinl是控制策略的关键[6]。

令末级过热器出口温度Tout与末级过热器进口温度Tinl的关系定义为：

根据式（3）与式（4），可以得到减温水调节器的控制对象为：

从式（5）可以看出，含有τ 时间滞后环节的Tout已被消除，在动态调节过程中被调量转变成了具有快速响应特性的Tinl，采用常规PID 调节器即可获得较为理想的调节品质。末级过热器温度控制逻辑如图3 所示。

不仅如此，考虑机组RB 工况，由于快速减负荷的需要会使制粉系统迅速停止工作，燃料量的迅速减少会导致主汽温度发生大幅度的下降与波动[7-9]，结合该机组磨煤机设计台数和位置分布特点，考虑全炉膛燃烧印尼煤的实际情况，特设计增加了两级过热器减温水RB 超驰关闭减温水调阀20 s 的联锁逻辑，确保在RB 过程初期，主汽温度能够维持较高的水平，避免因机组蓄热的变化导致主汽温度大幅下降。

图3 末级过热器温度控制逻辑

针对机组不同负荷区间的稳态、动态运行工况，经过相关参数细调之后，上述控制策略取得了较好效果，但在RB 试验过程中，却由于超驰关闭减温水调阀的联锁逻辑，反而导致了类似积分饱和的现象，影响了调节控制效果，存在超温安全隐患。

2 RB 过程中积分饱和现象的分析

2.1 现象经过

单磨燃料RB 试验前，机组在协调方式下稳定运行，有功功率958 MW，制粉系统A，B，D，E，F，G 共6 套运行，主蒸汽压力24.48 MPa，主蒸汽温度600.3 ℃，再热蒸汽温度601.5 ℃，总煤量488 t/h，给水流量2 387 t/h，过热度23.4 ℃，总风量3 426 t/h，一次风压力11.9 kPa。经调度允许后，手动停G 制粉系统，燃料RB 触发，RB过程顺利，炉膛负压、总风量、给水流量、过热度、主汽调门开度等相关主（重）要参数平稳可控。

RB 试验前，机组各参数调节正常，主汽温度设定值600 ℃，实际主汽温度600.3 ℃，二级过热器减温水两侧调阀平均开度28.4%，控制平稳。23:08:06，机组触发燃料RB，主汽温度开始下降，由于RB 信号会触发过热器减温水调阀的超驰关信号，因此在RB 过程初期（20 s），各级过热器减温水调阀均处于全关状态，23:09:26 时达到该RB 过程最低值596.7℃。随着热力系统逐渐达到新的稳定，主汽温度开始回升，最高值至612.6℃，严重偏离设定值，调节效果不甚理想，调节过程如图4 所示。

图4 单磨RB 过程主汽温度控制情况

2.2 原因分析

由图4 可知，在RB 初期，减温水快关的确对主汽温度提升有较大帮助，但随着热力系统的变化，特别是过热度的回升以及金属蓄热的释放，流经屏式过热器的蒸汽温度也在逐渐回复，因此作为温度细调和精调的减温水，应及时把握温度的变化趋势，适时乃至提前动作，确保主汽温度的稳定[10]。

以末级过热器减温水为例，结合图3 可知，减温水调节PID 的设定值为末级过热器进口温度Tinl，PID 的被控量为：

式中：Tset为主汽温度设定值；为燃料量微分。

根据RB 动作后汽温开始回升的实际工况，此时的燃料量已达到稳定且微分作用已基本结束，因此，可以将式（6）简化为：

从式（7）可以看到，Tout和Tinl的变化影响了PID 被控量的变化，将PID 的设定值及被控量整理为：

因Tset保持不变且主汽温度降幅较大，虽然Tinl已开始缓慢回升，但基于过热器结构特性，Tinl的变化趋势要提前于Tout，即Tinl回升时Tout可能还处于下降阶段或稳定阶段，因此（Tset-Tout）将长时间保持较大数值，这就导致了减温水调阀一直处于全关状态，直至Tout反超温度设定值之后，才开始介入调节，出现了较为典型的积分饱和现象。

3 优化措施及效果

3.1 优化措施

根据上述积分饱和现象及分析结果，提出以下优化措施：

（1）增加RB 过程中主汽温度变化的微分前馈。因RB 类型的不同，其过程复杂多样、不可预测，主汽温度的变化快慢及变化幅度很难一一表征，借鉴模糊控制理念，设计了选定控制偏差、误差变化率、控制作用的离散模糊子集[11]，通过对主汽温度的实时采集，及时掌握主汽温度的变化趋势，运用函数功能块F（x）来实现在主汽温度不同变化速率下减温水的不同前馈量值[12-13]。

（2）优化减温水PID 被控量逻辑，实现RB 过程中抗积分饱和的能力。在机组RB 工况下，通过对被控量值的锁定，将（Tset-Tout）进行剔除处理，在一定时间内减温水PID 将根据RB 触发时（Tset-Tout）和Tinl的关系提前进行调节。与此同时，在该控制回路上还设计增加了（Tset-Tout）量值叠加温度修正的功能，该修正基于不同RB 类型对主汽温所产生的不同影响，灵活区分叠加作用强弱[14]，确保RB 后期蒸汽温度，特别是主汽温度快速大幅飙升时汽轮机的安全运行。

（3）增加RB 触发后主汽温度设定值切换的逻辑[15]。在机组RB 发生后，将主汽温度设定值切换为595 ℃，主动降低温度设定值，进一步避免后续的温度超温。待RB 复位后，运行人员可手动改变温度设定值偏置，恢复对主汽温度的正常控制。

以末级过热器减温水为例，优化后的控制逻辑如图5 所示。

3.2 优化效果

通过对上述相关逻辑优化后，主汽温度调节品质改善效果明显。以燃料量波动、炉内风烟流场扰动、火焰偏烧情况最为恶劣的空预器RB 试验为例，其末级过热器进口温度在RB 触发后经过3 min 18 s 开始回升；主汽温度经过5 min 27 s开始回升。随着Tinl的缓慢攀升，末级减温水调阀随之开始调节，待主汽温度开始上升时，主汽温度变化微分的前馈也逐渐介入。整个空预器RB过程中，主汽温度最低581.8 ℃，最高597.3 ℃，调节效果显著，调节过程如图6 所示。

图5 优化后末级过热器温度控制逻辑

图6 逻辑优化后空预器RB 过程主汽温度控制情况

4 结语

在具有大延时、大惯性、非线性和时变性特点的主汽温度控制中，针对应用Smith 预估控制方法在RB 过程中出现的近似积分饱和现象，提出了一种运用增加主汽温度变化微分前馈和优化RB 过程PID 导前设定值逻辑的改进Smith 预估控制策略。该方法通过实时采集主汽温度的变化趋势，及时调整对减温水的前馈量值，同时优化减温水PID 导前设定值逻辑，通过对RB 过程中导前设定值的锁定，实现近似抗积分饱和的能力。在空预器RB 试验中，超调量控制在2.3℃，峰值时间在RB 触发后的15 min 42 s，系统稳定后无振荡。试验结果表明，该策略控制品质改善明显，积分饱和现象得以消除，满足了控制要求，对同样采取Smith 预估控制策略的机组具有借鉴意义。