一种新型基础控制器在过热汽温串级控制系统中的运用

杨硕 杨宇 刘明伟

摘 要：在火电机组中，过热汽温既影响安全性，又影响经济性，因此过热汽温控制系统需要对过热汽温具有良好的控制能力。然而，过热汽温控制对象具有长惯性、长迟延特性，再加上减温器喷水后汽温测点位置选择不合适、减温水调节门性能差等原因，造成某些机组对过热汽温的控制能力较差。本文介绍了一种新型基础控制器（New Foundation Controller，NFC），分析了以NFC为基础的汽温串级控制系统的原理结构，并通过建立控制对象的工程模型来整定NFC参数。投运结果表明，这种新型基础控制器满足汽温自调系统长期投入的条件，达到了汽温串级控制系统改造的预期目的。

关键词：过热汽温;PID控制器;新型基础控制器;减温水;闭环控制

中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）03-0048-03

Application of a New Foundation Controller in Superheated

Steam Temperature Cascade Control System

YANG Shuo YANG Yu LIU Mingwei

（Zhanjiang Zhongyue Energy Co.， Ltd.，Zhanjiang Guangdong 524000）

Abstract： In thermal power units， the superheated steam temperature affects both safety and economy， therefore， the superheated steam temperature control system needs to have a good control ability on the superheated steam temperature. However， the superheated steam temperature control object has the characteristics of long inertia and long delay， coupled with the improper selection of the position of the steam temperature measurement point after the desuperheater sprays water， and the poor performance of the desuperheating water regulating valve， which causes some units to control the superheated steam temperature Poor ability. This paper introduced a new foundation controller （NFC）， analyzed the principle structure of the NFC-based steam temperature cascade control system， and tuned the NFC parameters by establishing an engineering model of the control object. The commissioning results show that the NFC meets the long-term investment conditions of the steam temperature self-adjusting system， and achieves the expected purpose of the steam temperature cascade control system transformation.

Keywords： superheated steam temperature;PID controller;new foundation controller;temperature control

過热汽温是火电机组运行中的一个重要的过程参数，不仅影响机组的安全性，也影响机组的经济性，这就要求过热汽温控制系统对过热汽温具有良好的控制能力。过热汽温控制对象具有大迟延、大惯性特性，而且易受输入锅炉的风、煤、水及燃烧工况等多种因素影响。为了提高过热汽温的控制性能，通常采用主调节器加副调节器的串级控制系统。主调节器用于过热汽温的闭环反馈控制，副调节器用于减温喷水后汽温的闭环反馈控制。主调节器和副调节器主要采用比例-积分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）[1]控制器或者比例-积分（Proportion-Integration，PI）控制器。

某630 MW亚临界机组的一级过热汽温串级控制系统喷水后，汽温测量元件的安装位置不合适，导致其不能够真实反映实际喷水后汽温变化，造成串级控制系统的控制性能较差。为解决喷水后汽温测量问题及提高过热汽温控制性能，本研究对一级过热汽温串级控制系统进行改造，用一种新型基础控制器（NFC）[2]构造新型汽温串级控制系统，主调节器采用NFC，副调节器采用PI，将副调节器改为控制减温水流量。经过调试，新型汽温串级控制系统已经成功投入运行并取得了良好的控制效果。

1 新型基础控制器

PID是一种在工业过程控制领域广泛运用的基础控制器，误差反馈控制是PID控制的核心。虽然PID控制得到了广泛应用，但是并不代表PID控制已经能够较好地满足控制的实际要求[2]。有研究[2]论述了PID控制的不足，提出了一种新型基础控制器，即NFC。NFC属于一种新型反馈控制器。构造NFC的基础是一种惯性组合滤波器（Inertial Combination Filter，ICF），ICF的基础来自一种内反馈控制器（Internal Feedback Controller，IFC）。有研究[2]用ICF构造一种高性能PI控制器（High Performance PI，HPPI）和一种高性能超前观测器（High Performance Leading Observer，HPLO），在常值扰动观测机制和超前观测机制上有所突破，将HPPI与HPLO串级组合，得到NFC。

1.1 惯性组合滤波器

本研究对输入信号的1～[n]阶惯性输出取平均，得到[n]阶ICF。ICF的传递函数为：

[ICF（s）=1ni=1i=n（1+TICFns）-i]                     （1）

式中，[ICF（s）]为ICF的传递函数;[TICF]为时间常数;[n]为惯性阶次。

在单位阶跃输入下，本研究得到ICF输出特性，如图1所示。结果发现，[n]越大，ICF输出跟踪输入的速度也越快。但是，随着[n]的增加，输出跟踪输入的速度趋于饱和，工程上最大可取[n]=16，文中默认[n]=16。

1.2 高性能PI控制器

用ICF构造HPPI，HPPI和高效积分器（High Efficiency Integrator，HEI）的传递函数分别为：

[HPPI（s）=KHPPI[1+HEI（s）]]                     （2）

[HEI（s）THEI=TICF=ICF（s）1-ICF（s）]                            （3）

式中，[HPPI（s）]為HPPI的传递函数;[KHPPI]为外部比例增益;[HEI（s）]为高效积分器的传递函数;[THEI]为时间常数，数量上[THEI=TICF]。HEI结构如图2所示。

1.3 高性能超前观测器

用ICF构造HPLO，HPLO和1阶惯性滤波器（First Order Inertial Filter，FOIF）的传递函数分别为：

[HPLO（s）THPLO=TICF=（1+KC）FOIF（s）1+KCICF（s） ]                    （4）

[FOIF（s）=11+TFOIFs]                           （5）

式中，[HPLOs]为HPLO的传递函数;[THPLO]为时间常数，数量上[THPLO=TICF];[KC]为ICF到HPLO的变换增益，原则上[KC]>>1，通常取[KC]=10;[FOIF（s）]为1阶惯性滤波器的传递函数;[TFOIF]为时间常数，数量上取[TFOIF=0.1THPLO]。

1.4 新型基础控制器结构与参数整定

将HPPI和HPLO串级组合，得到NFC，其传递函数为：

[NFC（s）=HPPI（s）HPLO（s）]                      （6）

式中，[NFC（s）]为NFC的传递函数。

有研究[2]给出了一种根据Z-M模型（Ziegler-Nichols for Model，Z-N：M）的NFC参数整定方法。Z-N：M和滑动窗滤波器（Sliding Window Filter，SWF）的传递函数分别为：

[Z-N：M（s）=KZ-Ne-τZ-NsSWF（s）]                        （7）

[SWF（s）=1-e-TZ-NsTZ-Ns]                                 （8）

式中，[Z-N：M（s）]为Z-N：M的传递函数;[KZ-N]为过程增益;[TZ-N]为过程时间常数;[τZ-N]为过程滞后常数;[SWF（s）]为滑动窗滤波器的传递函数。

Z-N：M是一种过程对象（Process Object，PO）的工程模型，建立PO的Z-N：M，如图3所示。

图3中，[PVPOt]为PO在单位阶跃输入的过程输出，[PVZ-N：Mt]为Z-N：M等效在单位阶跃输入的过程输出。[KPO]为PO的增益。根据图3，对NFC参数进行整定，其用公式可以表示为：

[KHPPI=1KZ-N ]                               （9）

[THEI=τZ-N+TZ-N ]                        （10）

[THPLO=TZ-N2]                                  （11）

NFC僅依靠简单的对象开环特性确定控制器参数，避开了复杂烦琐的中间过程，非常适合应用于工程中。

2 基于减温水闭环反馈控制的过热汽温串级控制系统

某630 MW亚临界汽包炉机组的过热器一级喷水后，汽温测点安装位置离喷水减温器出口太近，造成喷水后汽温不能正确反映减温水流量的变化，导致一级过热汽温调节品质一直不理想，人们需要对一级过热汽温串级控制系统进行改造。

2.1 原理结构

图4是改造后的一级过热汽温串级控制原理图。主调节器采用NFC，用于控制一级过热汽温。副调节器采用PI，用于控制减温水流量。控制原理是：通过主调节器NFC对一级过热汽温及设定值的偏差进行运算，输出一级过热汽温反馈控制量。将反馈控制量与负荷设定、负荷速率等相关的汽温前馈量叠加输出，作为副调节器PI的设定值，即减温水流量设定值。PI输出减温水调节门开度指令，实现减温水流量的闭环反馈控制。

2.2 建立控制对象的工程模型

为了快速而准确地整定NFC的参数，笔者分别在240 MW和550 MW两个基本负荷点，测定减温水流量至一级汽温的控制对象特性。其具体方法如下：机组负荷稳定在基本负荷点10～20 min;锅炉主控、汽机主控、减温水调门控制切至手动，并保持输出不变;设置机组负荷、被调汽温、减温水调节门开度、减温水流量记录曲线;手动反向调节减温水调节门开度，快速增加或减少减温水调门开度5%～10%;等待被调汽温过渡到新的稳定值;根据测试记录，确定对象响应过程滞后时间[τZ-N]、过程时间常数[TZ-N]、过程稳态值，确定过程增益[KZ-N];根据[τZ-N]、[TZ-N]、[KZ-N]建立控制对象的工程模型，即Z-N：M。

2.3 主调节器参数整定

在240 MW和550 MW两个基本负荷点，得到Z-N：M，其用公式可以表示为：

[Z-N：M240（s）=3.26e-97s1-e-400s400s]                （12）

[Z-N：M550（s）=0.435e-63s1-e-124s124s]               （13）

式中，[Z-N：M240（s）]为在240 MW的Z-N：M;[Z-N：M550（s）]为在550 MW的Z-N：M。

根据[Z-N：M240（s）]，在240 MW，NFC参数为[KHPPI]=0.306、[THEI]=497 s、[THPLO]=200 s;根据[Z-N：M550（s）]，在550 MW，NFC参数为[KHPPI]=2.29、[THEI]=187 s、[THPLO]=62 s。

对于不同负荷，控制对象特性差异较大，NFC参数也差异较大，因此，NFC参数采用负荷变参数调节。

2.4 副调节器及参数确定

副调节器用PI，PI的传递函数为：

[PI（s）=KP+1TIs]                            （14）

式中，[PI（s）]为PI的传递函数;[KP]为比例增益;[TI]为积分时间常数。

减温水流量控制属于快速回路，本研究通过试凑法整定PI参数，最终给出PI参数，[KP]=0.15，[TI]=8 s。

2.5 系统投运结果

控制器参数整定完成，在减温水有调节裕量的前提下，汽温自调系统可以长期投入。图5是机组在调频模式下汽温自调系统的调节情况：在负荷稳定工况下，被调汽温与设定值的偏差在3 ℃以内，负荷变动工况下，被调汽温与设定值的偏差在5 ℃以内;减温水流量与设定值偏差为0.5 t/h，满足汽温自调系统长期投入的条件，达到了汽温串级控制系统改造的预期目的。

3 结语

过热汽温串级控制系统的主调节器采用NFC代替原PID，采用减温水流量闭环控制方式代替原方式（测量不准确的喷水后汽温），克服了减温水调门开度-流量特性差的问题，最终投入一级过热汽温调节自动，取得较好的效果，为机组稳定运行和调频运行提供了进一步的保障。同时，其可以为喷水后汽温测量不准确、调节阀门特性差的机组进行汽温控制系统改造、优化提供较好的参考。

参考文献：

[1]李军，黄卫剑，万文军，等.一种高性能PID控制器的研究与工程应用[J].广东电力，2018（7）：42-48.

[2]李军，周永言，刘哲，等.在工业过程控制领域：基础控制技术的进展与展望[J].自动化学报，2019（12）：1-18.