专利名称：锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器的制作方法
技术领域：
本发明属于设备控制技术领域，特别涉及一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡 控制器。具体是一种由蒸汽压力偏差信号驱动的、由压差补偿器和压力设定点优 化器两部分构成的、以确保蒸汽压力稳定均衡为目的的优化控制器。
背景技术：
锅炉-汽轮机单元已经成为目前国内最为流行且普遍采用的发电机组形
式，其典型特征是由单一的一台锅炉(亚临界、超临界、循环流化床、生 物质锅炉等)制备蒸汽供给单一的一台汽轮机，再由汽轮机带动发电机产生
电能。 一台锅炉、 一台汽轮机、 一台发电机及相关辅助设备共同构成单元制 发电机组。
已经证明，在燃烧矿物燃料的发电机组中，锅炉-汽轮机单兀是一种最为 高效和经济的形式。尽管如此，在锅炉-汽轮机单元的整个生产流程中仍存在 一些影响机组运行品质的固有矛盾，例如
燃料加入锅炉炉膛到高温高压蒸汽的产生需要较长时间，而电网对机组 输出功率的需求W时刻都在变化，为了提高锅炉侧蒸汽产出的速度，主蒸汽 调节阀的开度/^常被作为一种调节手段，当负荷指令A^增加时，通过增加 主蒸汽调节阀的开度，透支锅炉金属材料中的蓄热，快速地制备蒸汽，从而 响应电网的负荷需求，同时，相应地增加入炉燃料量S来平衡能量的供需关 系；但是，主蒸汽调节阔的开度的变化将不可避免地影响到蒸汽管道出口 (主
蒸汽调节阀前)的蒸汽压力/v(称为主蒸汽压力)，使其产生较大范围的波动，
而主蒸汽压力又是锅炉-汽轮机单元运行中最为重要的过程参数，其稳定性将 直接影响到机组的安全、经济运行。
综上所述，锅炉-汽轮机单元的负荷跟随速度与汽压平稳性是有矛盾的。 现有的控制方式(尤其是连接自动发电控制系统AGC的机组的控制方式)多强调负荷响应的快速性，而在一定程度上容忍或忽视蒸汽压力的频繁波动， 但在频繁改变的电网负荷需求的激励下，蒸汽压力的波动有时会趋向恶化， 进而引起自动系统的解裂甚至停机。
怎样在不影响锅炉-汽轮机单元负荷响应速度的同时提高蒸汽压力的平 稳性，即实现多种工况下的压力均衡控制是一个亟待解决的问题。
经对现有学术及技术文献的检索，未发现专门针对蒸汽压力均衡问题的研 究。而对于锅炉-汽轮机单元控制问题的研究多集中在对各种先进控制算法的尝 试和仿真对比上，如
高夫燕等人在《能源工程》(2004年，第6期，第12-15页)上发表的文章 "模糊祌经网络控制器用于电站主汽压控制的研究"根据主汽压被控对象的动 态特性，设计了一个模糊神经网络自适应控制系统，该系统引用了模糊高斯基 函数神经网络结构，并采用了基于变尺度优化学习的改进型学习算法，仿真实 验证明了该方法的有效性。但是，从工程应用的角度看，该研究存在两方面的
问题其一，文中将主蒸汽压力看作一个孤立的系统进行控制系统设计，没有充
分考虑汽压与机组输出功率之间的耦合关系，仅通过调节进入炉膛的燃料量来控 制蒸汽压力，没有设置对主蒸汽调节阀开度的限制，如电网负荷需求发生大范围
变化，这种方法将很难保证蒸汽压力的稳定；其二，文中控制系统所基于的神经 网络结构复杂，未知参数多且物理意义不明确，有大量参数需要通过寻优的方式 加以确定。因此，该方法很难在工业控制系统中实现，实用价值不高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提出一种锅炉-汽轮机单元的汽压均 衡控制器，该控制器结构简单，贴近实际运行情况、易于工程实现。
本发明的技术方案为汽压均衡控制器由压差补偿器和压力设定点优化器两 部分构成，两者的输出A^和尸^分别与实际负荷信号W和实际汽压信号尸r求差 后作为机炉协调控制器的输入，即可实现对该锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制。W和由汽压偏差信号&、目标负荷期望值A^和蒸汽压力期望值尸^、 压差补偿器和压力设定点优化器的输出规则共同确定。其中，A为条件变量，驱 动不同规则间的转换及输入/输出影射关系的建立；A^和/^p为目标变量，系统 到达稳态后A^和尸w最终与A^和尸t^保持一致；压差补偿器和压力设定点优化 器的输出规则按照机组运行工况及蒸汽压力偏离期望值的程度设定。
具体实施步骤如下
1)建立压差补偿器的输出规则-
根据蒸汽压力偏离期望值的程度，即偏差信号尸￡的大小，按照如下五种情况建立压 差补偿器的输出规则。
①汽压偏差信号^在允许范围以内，如|/>￡|<0.()3/^|，且目标负荷期望值W
的变化速率在设定范围内，则采用离散表达式的输出规则为
，当|i^)N|0.03;W|且& < —,二) ，
其中，A^Q和AW^1)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的实际负荷目标值， A^^)为当前采样时刻的目标负荷期望值，/MQ为当前采样时刻的蒸汽压力偏差 信号，/VW为当前采样时刻的蒸汽压力期望值，攀)和琳-l)分别为当前采样时 刻和上一采样时刻的时间，Fw和尺v分别为预先给定(可修改)的实际负荷目标
值A^的下降速率和上升速率。|0.03;^|的误差边界可根据实际需要进行修改。
② 汽压偏差信号A在允许范围以内，但目标负荷期望值A^的上升速率超出 了设定速率i w，则采用离散表达式的输出规则为
聰《糊u+嬰-1)，当|尸￡(丰!0 )|且n:':、，
③ 汽压偏差信号^在允许范围以内，但目标负荷期望值7V,p的下降速率超出 了设定速率《v，则采用离散表达式的输出规则为
<formula>formula see original document page 7</formula>④蒸汽压力偏差信号尸￡超出允许范围但仍处于安全范围内，此时要暂时f
宜
止实际负荷目标值A^的变化，等待A回到允许范围以内，则采用离散表达式的
输出规则为Ay" = A^(A:-1)，当|0.03尸7
7":t 、
<尸'
本条规则在压力偏差信号,￡在[-0.05户印("，-0.03尸w(")和(0.03i^&),0.05/^("]
范围内变化时具有滞环特性，可防止实际负荷目标值A^在边界点的频繁切换。
⑤汽压偏差信号A超出安全范围，此时要将实际负荷目标值A^作反向调 节，促使&回到安全范围以内，则采用离散表达式的输出规则为
(A) = jV/;(A — 1) — a，当|A0)| > |0,05尸7
印、
本条规则中的《^P,.W项是对A^的反调，以此来影响主蒸汽调节阔的开
W+ 1
度&，从而主动减小蒸汽压力的偏差。a为反调系数， 一般在10 20之间取值；
超前-滞后环节^是为了动态地增强反调强度、快速消除压力偏差， 一般情况 r25 + l
下应取r一5，也可取Z"^^,此时反调项就变为比例环节。 综上所述，压差补偿器的输出规则可用一组方程描述
聰=^[/("《—1)] + ，一1),
州一/(A:-l)
<凡
当^丰l證^l且^f^^ 聰=^ -1)] + (")，
当^丰|0.呵,)|且""-，-D"
(1)
聰=，-1)，
当|0 )|<|/^
，=，-1)-《^^，
0.05，|
当K
r2x+ 1 |>|0.(b )
82)建立压力设定点优化器的输出规则
根据汽压偏差信号尸￡的大小，按照如下六种情况建立压力设定点优化器的输
出规则。
① 蒸汽压力偏差信号尸￡在允许范围以内，如| ￡|—0.03/^|，且蒸汽压力期望 值尸7^的变化速率在设定范围内，则采用离散表达式的输出规则为-
当kwi,.03&,Pwi且^、(:))二:::"《
其中，/Vw(Q和尸w(^ 1 )分别为当前采样时刻和上一采样时刻的实际汽压目标值，
F,和i^分别为预先给定(可修改)的实际汽压目标值p^的下降速率和上升速
率。|0.03/g的误差边界可根据实际需要进行修改。
② 汽压偏差信号&在允许范围以内，但蒸汽压力期望值尸^的上升速率超出 了设定速率7 />，则采用离散表达式的输出规则为
= 孝-1)]十尸77#-1)，当0.03PAp("|且f 、W"
③汽压偏差信号4在允许范围以内，但蒸汽压力期望值户7^的下降速率超出 了设定速率Fp，则采用离散表达式的输出规则为
P ffc) —P (A: —1、
/^(" = &[#)-1)]十&(A-1)，当|尸#)卜|0.03&一且、F,，
④ 汽压偏差信号A超出允许范围但仍处于安全范围内，此时要暂时停止实际
汽压目标值尸77 的变化，等待A回到允许范围以内，则采用离散表达式的输出规 则为
= 1)，当lO.O3P 0t)卜^0t)l,.O5^("l ，
本条规则在压力偏差信号尸￡在[-0.05尸7:, ("，-0.03C,(")和(0.037^ W,0.05/^(Q]
范围内变化时具有滞环特性，可防止实际汽压目标值iVw在边界点的频繁切换。
⑤ 汽压偏差信号尸￡大于安全范围上限+0.05&,，此时要将实际汽压目标值户^做一负向阶跃，主动拉近尸w与iV的距离，缓解功率变化与蒸汽压力稳定的矛盾， 促使系统尽快回到稳态，则采用离散表达式的输出规则为
_P7K(" = 0.98/>ra("l)，当尸￡ (" > +0.05i^(" ⑥汽压偏差信号户￡小于安全范围下限-0.05~，此时要将实际汽压目标值/^
做一正向阶跃，主动拉近/Vw与/V的距离，缓解功率变化与蒸汽压力稳定的矛盾，
促使系统尽快回到稳态，则采用离散表达式的输出规则为
Pra = 1(" 1)，当户￡ (" < -0.05i^ (/t)
综上所述，压力设定点优化器的输出规则可用一组方程描述
当&《|0.03&p且& < ，-尸""1) <凡，
—/(A —1)
& (A) =[#) - # 一 l)] + g7;(/c -1),
=巧,,一攀一 l)] + &0 — 1)，
A" (A)
当|尸/;(丰|0 )|且
/(A)-/(A—1)
，-1)，
当|0.03A:、,,(/t)| <S |0.05/^(々)| :0.98P/K(/t-l)， 当AW>+0.05/^(A) 1.02/^(/t-l), 当尸/;.("<-0.05PAp("
(2)
3)汽压均衡控制器实现汽压均衡控制的的方式
将上述规则(1)和(2)在分散控制系统DCS中应用软件组态的方式，或 应用硬件电路与软件编程相结合的方式加以实现。
在DCS中实现汽压均衡控制器最为方便，只需应用组态的方式按照(1)和 (2)编制规则，然后将压差补偿器的输出A^和压力设定点优化器的输出尸77e作 为机炉协调控制器的给定输入即可。若DCS的存储容量或运算负荷受限，就需要采用硬件电路与软件编程相结 合的方式实现汽压均衡控制。该硬件电路除包含中央处理器外，还包含I/0接口、
通信接口、同歩电路、实时时钟、EPROM、 RAM、故障检测电路、掉电检测电 路等。其中1/0接口用于连接键盘和显示器;通信接口用于与DCS进行数据通信; 同步电路与实时时钟用于数据采集与传输中的时间同步；EPROM用于存储由软 件编制的压差补偿器和压力设定点优化器的输出规则；RAM用于存储来自DCS 的实时数据；故障检测电路用于在运算失败时自动复位程序；掉电检测电路用于 在电压突降或瞬间断电时保护中央处理器中的状态信息。该电路通过通信接口从 DCS中获得蒸汽压力偏差信号户￡、目标负荷期望值A^和蒸汽压力期望值户W; 再将运算后产生的压差补偿器的输出A^和压力设定点优化器的输出P^送回到 DCS中，作为机炉协调控制器的实际目标值，即可实现蒸汽压力的均衡控制。
考虑到实际系统的复杂性，在工程应用中，还需要结合现场试验对上述规 则中选择的压力控制边界点(10.03^g禾口l0.05/g)进行适当调整和重新设定。
本发明的有益效果是应用木发明提出的方法，工程技术人员可以针对各种 类型的锅炉-汽轮机单元，在常规机炉协调控制的基础上新增汽压均衡控制器， 方便有效地解决机组输出功率大范围变化时蒸汽压力频繁超限的问题，实现 蒸汽压力的均衡控制，提高机组运行水平。
图1是锅炉-汽轮机单元汽压均衡控制器的组成结构及其机炉协调控制系 统连接的原料示意图。
图2锅炉-汽轮机单元汽压均衡控制器的硬件电路结构图。
图3所示是某电厂500MW锅炉-汽轮机单元的非线性模型图。
图4是实施例中定压运行方式下汽压均衡控制器性能试验的响应曲线图。
图5是某电厂500MW锅炉-汽轮机单元的滑压运行曲线图。图6是实施例中滑压运行方式下汽压均衡控制性能试验的响应曲线。
具体实施例方式
本发明提出一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，以下结合附图和实 施例对本发明的技术方案作进一步描述。
图1所示，汽压均衡控制器1由压差补偿器2和压力设定点优化器3两部 分构成。将压差补偿器2的输出A^和设定点优化器3的输出尸M分别与实际 负荷信号7V和实际汽压信号/V求差后作为机炉协调控制器4的输入，即可实 现对锅炉-汽轮机单元5的汽压均衡控制。
图2所示为汽压均衡控制器1采用硬件电路与软件编程相结合的实现方 式。该硬件电路除包含中央处理器外，还包含i/o接口、通信接口、同步电路、 实时时钟、EPROM、 RAM、故障检测电路、掉电检测电路等。其中I/0接口 用于连接键盘和显示器；通信接口用于与DCS进行数据通信；同歩电路与实 吋时钟用于数据采集与传输中的时间同歩；EPROM用于存储由软件编制的压 差补偿器和压力设定点优化器的输出规则；RAM用于存储来自DCS的实时 数据；故障检测电路用于在运算失败时自动复位程序；掉电检测电路用于在 电压突降或瞬间断电时保护中央处理器中的状态信息。该电路通过通信接口 从DCS中获得蒸汽压力偏差信号/^、目标负荷期望值A^和蒸汽压力期望值 户 ；再将运算后产生的压差补偿器的输出A^和压力设定点优化器的输出/V 送回到DCS中，作为机炉协调控制器的实际目标值，即可实现对蒸汽压力的 均衡控制。
实施例图3所示是某电厂500MW锅炉-汽轮机单元的非线性模型，机组 的额定参数分别为主蒸汽压力16.18Mpa，汽包压力18.97Mpa,主蒸汽流量 1650t/h,输出功率500MW。燃料量3%和主蒸汽调节阀开度〃％分别满足速率
和幅值限制|dS/dz|^1.0/5， O.OSS^IOO.O以及0.0^^100.0。基于上述模型，应用本发明给出的方法实现锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制，具体实施步骤 如下
1)首先，按照线性解耦控制理论设计出该模型的机炉协调控制器
<formula>formula see original document page 13</formula>2) 然后，按照式(1)邻式(2)的形式以软件编程的方式实现压差补偿 器和压力设定点优化器，二者组成汽压均衡控制器。其中，压力控制边界点 选为(10.03i^l和l0.05P 1)，反调系数《 = 18，时间常数r,r^
3) 接着，按图1的形式，连接汽压均衡控制器与机炉协调控制器，即可 实现对该锅炉-汽轮机单元模型的压力均衡控制。
为了检验本发明提出的汽压均衡控制器的性能，分别进行两组仿真试验
① 定压运行方式下汽压均衡控制器性能试验
设定机组工作在定压运行方式(主蒸汽压力的设定值不随机组输出功率而 改变)，升降负荷速率不受限制(即&> ， 4=+ )，试验从，50s开始， 目标负荷期望值W,p从500MW阶跃下降到400MW，输出功率响应曲线如图4 上部曲线所示。图中的点划线---为实际负荷目标值A^和实际汽压目标值 Pm点线■■-为目标负荷期望值A^和蒸汽压力期望值P ；虚线…-为未加 入汽压均衡控制器时机组的输出功率；蒸汽压力曲线如图4下部曲线所示； 实线——为加入汽压均衡控制器后机组的输出功率及蒸汽压力曲线。从试验曲 线可以看出，由丁-汽压均衡控制器的加入，实际负荷目标值Ww和实际汽压目
标值？7^相比于为目标负荷期望值A^和蒸汽压力期望值P7V有明显改变，在
此作用下，机组的压力平稳性明显提高，同时保持了机组原有的对电网负荷 需求的跟随能力。
② 滑压运行方式下汽压均衡控制器性能试验设定机组工作在滑压运行方式(主蒸汽压力的定值随机组输出功率定值的 变化而变化，对应关系曲线如图5所示)。升降负荷速率及汽压变化速率设
定为卞w =-15MW/min， =+15MW/min， FP =-0.3MPa/min， i P =+0.3MPa/min。 试验从t=50s开始，目标负荷期望值Mp从300MW以12MW/min的速率上升 到400MW，蒸汽压力期望值/V,p按滑压曲线变化响应曲线如图6所示。从试 验曲线可以看出，即使在滑压运行方式下，汽压均衡控制器的加入也能明显 提高机组的压力平稳性，同时保持良好的负荷跟随能力。以上阐述的是本发 明给出的一个实施例表现出的优良控制效果。需要指出的是，本发明不只限 于上述实施例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范 围的前提下可通过对其进行适当的变形来适应多种类型的锅炉-汽轮机单元。
权利要求
1. 一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，其特征在于锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器由压差补偿器和压力设定点优化器两部分组成压差补偿器依据规则，根据汽压偏差信号PE的大小动态调整负荷指令变化的速率和方向，产生实际负荷目标值NR；压力设定点优化器根据运行工况，在汽压偏差信号PE的驱动下，依据规则动态调整蒸汽压力的设定值，产生实际汽压目标值PTR；将NR和PTR分别与实际负荷信号N和实际汽压偏差信号PT求差后作为机炉协调控制器的输入，从而实现对锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制。
2. 根据权利要求1所述的一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，其特征 在于，所述压差补偿器根据汽压偏差信号尸￡的大小产生出实际负荷目标值7\^所 依据的规则如下当S 0.034一且FA, <^~~^ <足导)=i w W" — —1)] +(A 一 1)，当^丰i。.呵,)l且w,)nl)〉凡 w=4 [/w— -1)]+A; (A—1)，当IC)I ^0.037^(^1且，-，-l) ) — — 1)(1)当l0.03/^(/c)kl&.(A0l一0.05^聰:导-1)-a^^("rj+ 1 当l^踏l0.05C)'式中，A^④和A^(hl)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的实际负荷目标值， A^(Q为当前采样时刻的目标负荷期望值，/M&)为当前采样时刻的汽压偏差信号， P,("为当前采样时刻的蒸汽压力期望值，《A)和^:-l)分别为当前采样时刻和上 一采样时刻的时间，i^和7 w分别为预先给定的实际负荷目标值A^的下降速率和 上升速率，^^1《,W项是对A^的反调，以此来影响主蒸汽调节阔的开度^，2V + 1 '从而主动减小蒸汽压力的偏差，"为反调系数， 一般在10 20之间取值，超前-滞后环节Ilili是为了动态地增强反调强度、快速消除压力偏差， 一般情况下应 r一 + l取。>^，也可取r,-、，此时反调项就变为比例环节。规则中，汽压偏差信号尸￡在[-0.05/^(",-0.03尸印(i:))和(0.03/^(",0.05/^W]范 围内变化时具有滞环特性，可防止实际负荷目标值A^在边界点的频繁切换。 1ow/g和|O.OS/g的误差边界可根据实际需要进行修改。
3.根据权利要求1所述的一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，其特征 在于，所述设定点优化器根据汽压偏差信号尸￡的大小产生出实际汽压目标值户^ 所依据的规则如下当<formula>formula see original document page 3</formula>当<formula>formula see original document page 3</formula>(2)当<formula>formula see original document page 3</formula>当<formula>formula see original document page 3</formula>式中，/V"幻和尸^(hl)分别为当前采样时刻和上一采样时刻的实际汽压目标值，F尸和&分别为预先给定的实际汽压目标值尸^的下降和上升速率。规则中，汽压偏差信号尸￡大于安全范围上限+0.05 时要将实际汽压目标值尸^做一幅值为0.027^(/t-l)的负向阶跃，主动拉近尸^与尸r的距离，缓解功率变化与蒸汽压力稳定的矛盾，促使系统尽快回到稳态。同理，汽压偏差信号A小于 安全范围下限-0.05/;时要将实际汽压目标值Pra做一幅值为0.02/^(A:-l)的正向阶跃，缓解功率变化与蒸汽压力稳定的矛盾。规则中，压力偏差信号尸￡在[-0.05P7:、#)，-0.03/>n#))和(0.03i^("0,05i^("]范围内变化时具有滞环特性，可防止实际汽压目标值户w在边界点的频繁切换。|0.03;|和|o.os/g的误差边界可根据实际需要进行修改。
4.根据权利要求1所述的一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器，其特征 在于，所述汽压均衡控制采用在分散控制系统DCS中应用软件组态的方式，或 应用硬件电路与软件编程相结合的方式加以实现；硬件电路中除包含中央处理器 外，还包含I/O接口、通信接口、同步电路、实时时钟、EPROM、 RAM、故障检测电路和掉电检测电路；其中I/0接口用于连接键盘和显示器；通信接口用于 与DCS进行数据通信；同歩电路与实时时钟用于数据采集与传输中的时间同歩； EPROM用于存储由软件编制的压差补偿器和压力设定点优化器的输出规则； RAM用于存储来自DCS的实时数据；故障检测电路用于在运算失败时自动复位 程序；掉电检测电路用于在电压突降或瞬间断电时保护中央处理器中的状态信 息；该电路通过通信接口从DCS中获得汽压偏差信号尸￡、目标负荷期望值Mp 和蒸汽压力期望值户z^;再将运算后产生的压差补偿器的输出A^和压力设定点优 化器的输出P^送回到DCS中作为机炉协调控制器的实际目标值。
全文摘要
本发明公开了属于发电设备控制技术领域的一种锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制器。其由压差补偿器和压力设定点优化器两部分组成压差补偿器根据汽压偏差信号P<sub>E</sub>的大小动态调整负荷指令变化的速率和方向，产生实际负荷目标值N<sub>R</sub>；压力设定点优化器在汽压偏差信号P<sub>E</sub>的驱动下，动态调整蒸汽压力的设定值，产生实际汽压目标值P<sub>TR</sub>。将N<sub>R</sub>和P<sub>TR</sub>分别与实际负荷信号N和实际汽压偏差信号P<sub>T</sub>求差后作为机炉协调控制器的输入，实现对锅炉-汽轮机单元的汽压均衡控制。应用本发明在常规机炉协调控制的基础上新增汽压均衡控制器，方便有效地解决机组输出功率大范围变化时蒸汽压力频繁超限的问题，实现蒸汽压力的均衡控制，提高机组的运行水平。
文档编号F22B35/18GK101504135SQ20091007971
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者刘吉臻, 方 房, 文 谭, 乐 魏 申请人:华北电力大学