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摘要：針對超臨界機組汽溫控制過程中的大延遲、大慣性問題，通過一種近似滑動窗濾波器（approximate sliding window filter, ASWF）構造出高性能PI控制器（high performance proportion integration,HPPI）和超前觀測器（(high performance leading obser ver,HPLO）。將HPPI用于大延遲、大慣性過程控制，能夠更有效地提高跟蹤常值擾動的效率，更好地消除系統穩態偏差。HPLO能夠提前獲取系統響應的信息，極大提高過程控制的性能。動靜態分開作用的微分前饋策略可以解決大幅變負荷過程中微分前饋的擾動問題，優化汽溫調節系統的動態特性。通過仿真試驗和實際應用，有效驗證了NFC和微分前饋策略的有效性。

關鍵詞：超臨界；汽溫控制；近似滑動窗濾波器；新型基礎控制器；微分前饋策略

Abstract: In order to solve the large delay and large inertia problem in the supercritical unit steam temperature control process, a high performance proportion integration (HPPI) and high performance
leading observer (HPLO) are constructed by an approximate sliding window filter (ASWF). HPPI is used for large delay and large inertia process control, which can more effectively improve the efficiency of tracking constant value disturbance and better eliminate system steady state deviation. HPLO can obtain the information of the system response in advance and improves the performance of the process control greatly. The differential feedforward strategy of dynamic and static separation can solve the differential feedforward disturbance problem in the large load change process and optimize the dynamic characteristics of the steam temperature regulation system. The NFC and differential feedforward strategy are proved to be effective through the simulation test and practical applications.

Key words: Supercritical; Steam temperature control; Approximate sliding window filter; New basic controller; Differential feedforward strategy

1　引言

隨著我國燃煤火電機組的不斷發展，進一步降低機組煤耗率、實現節能減排，已經成為新建火電機組的重要技術指標，其中提高機組主蒸汽參數是降低煤耗率的重要手段之一，據相關研究表明[1]，在超臨界參數范圍內，機組主蒸汽壓力每增加1MPa，機組熱耗率可下降0.13%～0.15%，主蒸汽溫度每升高10℃，熱耗率可降低0.25%～0.30%；再熱蒸汽溫度每升高10℃，熱耗率可降低0.15%～0.20%。但是汽溫過高，容易造成鍋爐過熱器、管壁等超溫，發生鍋爐爆管，因此需采用有效手段，減少汽溫超溫，維持蒸汽溫度在設定值附近，使機組安全、穩定、節能運行[2]。

2　汽溫控制系統的結構

目前超臨界機組過熱器系統的換熱方式主要為輻射+對流，以輻射為主。過熱汽溫的控制主要是通過調節煤水比為主要手段，加以減溫水輔助。超臨界機組鍋爐的再熱器系統則主要以對流換熱方式為主，常用的工藝流程有兩種：煙氣擋板調節和燃燒器擺角調節。當采用煙氣擋板調節時，換熱方式為純對流特性；當采用燃燒器擺角調節時，換熱形式為輻射+對流，以對流換熱為主。再熱汽溫的自動控制雖然也可以像過熱汽溫控制一樣采用噴水減溫的調節方式，但該方式會大大降低機組運行效率，在緊急情況下作為事故噴水使用。

目前過熱汽溫控制主要以串級調節為主，主回路的任務是維持過熱器出口汽溫恒定，但延遲和慣性較大，常采用PID調節，副回路任務是快速消除內部擾動，要求調節過程迅速，但精度要求不高，常采用PI控制器。

再熱汽溫控制系統常采用煙氣擋板+微量噴水調節，鍋爐的尾部煙道被分割為兩個并聯煙道，分別布置低溫再熱器和低溫過熱器，改變兩個煙道擋板的開度，就可以分配流經再熱器和過熱器的煙氣流量，從而實現再熱汽溫的精確控制，溫度過高時，噴入微量減溫水降溫。

3　汽溫控制中存在的問題

超臨界機組各工質段的密度、比熱容變化異常劇烈，傳熱特性和流動規律十分復雜，特別是在變壓運行時，隨著負荷的大幅變動，工質壓力會在超臨界至亞臨界范圍內變化，造成工質特性急劇變化，使得機組運行具有嚴重的非線性。例如，工質的比熱、密度、焓值與其溫度和壓力的關系是非線性的，傳熱特性、流量特性也是非線性的，各參數間存在非相關的多元函數關系，使得被控對象的動態特性參數在工況不同時變化較大[3]。

過熱汽溫具有大延遲、大慣性、時變性強的特點，常規PID很難兼顧系統汽溫響應特性、抗擾動特性以及對象參數攝動下的魯棒穩定性[4]。再熱蒸汽的比熱容比過熱蒸汽小得多，更容易產生低溫和超溫現象，加之電廠制定了相關考核制度，使得再熱汽溫的精確控制成為了令運行人員頭疼的問題。

反饋控制中，消除系統偏差需要積分作用，一些高性能控制策略之所以沒有大規模普遍應用，例如：SMITH預估、神經網絡和模糊控制等，主要原因在于：在實際控制過程中難以得到準確的數學模型[5]。

針對汽溫控制過程中大延遲、大慣性、波動大等特點，通過ASWF構造出HPPI和HPLO，形成新型基礎控制器（NFC）[6]。在此控制策略的基礎上，加入一種動靜態分開作用的微分前饋策略，在某超臨界機組汽溫控制中取得了很好的效果。

4　先進控制技術及策略

4.1　構造NFC

如圖1（a）所示，通過一種ASWF可構造出高性能積分器，仿真試驗證明該積分器具有比常規積分器更高
的效率[6]。

通過超前觀測可以提前獲取系統響應的信息，可以極大提高過程控制的性能，常見的超前觀測形式有：微分器、比例微分、相位超前校正等。圖1（b）所示為一種具有較高相位超前效率的 HPLO。通過一種高增益PI（High gain PI,HGPI）控制器，實現了ASWF的逆變換。對逆變換的輸出進行1階濾波，得到HPLO。

（a）積分器構造

（b）HPLO構造

（c）NFC示意圖

圖1 控制器構造示意圖

在HPPI和HPLO的基礎上，構造出一種NFC，如圖1（c）所示。

4.2　仿真試驗

為了更好地結合實際，仿真試驗的過程對象采用某火電廠再熱煙氣擋板模型，外擾耦合模型為1階慣性環節，外擾為-1，具體表達式如下：

通過matlab仿真，分別對NFC和PID進行參數整定[7]，得到其階躍響應如圖2所示。

圖2 NFC與PID控制特性仿真試驗結果

從仿真結果可以看出，對于大延遲、大慣性的控制對象，NFC的響應速度和抗干擾能力明顯優于傳統PID調節。

4.3　動靜態分開作用的微分前饋策略

傳統的PID調節通過對偏差進行運算產生調節作用，但是在快速變負荷過程中（2%～3%ECR／min），風、煤、水快速變化，汽溫也隨之波動，因此需要引入前饋快速調節，消除這種波動。采用總燃料量微分的前饋策略，可減少汽溫波動，快速返回到設定值，但又衍生出一些其它問題。機組在升負荷時，由于前饋作用的提前動作，過熱汽溫被控制在設定值附近，取得了滿意的控制效果。但升負荷結束后，產生了一系列更大的升溫過程（如曲線4所示），經仔細分析，該過程是由于控制系統的微分前饋引起的[8]。如圖3所示：機組在升負荷時（如曲線1所示），總燃料量的微分前饋作用使減溫水門開度（如曲線5 I段所示）提前增大，主汽溫（曲線4a段）未出現大的變化，控制效果良好；在升負荷過程結束以后，總燃料量也趨于平穩（如曲線2所示），主汽
溫也向設定值靠攏，但此時總燃料量的微分作用突然消失，使得減溫水閥門迅速關小（如曲線5 II段所示），在
總燃料量和給水流量都保持不變的情況下，減溫水的突然減少勢必對系統造成一種擾動，打破原有的煤水比平
衡，導致主汽溫出現超溫（如曲線4 b段所示）。同理，降負荷過程也存在同樣的問題（在此不再贅述）。綜上
所述，在負荷變化過程中，前半部分的微分前饋取得了較滿意的控制效果，但微分作用后半部分的釋放階段，
造成了系統的擾動，在筆者看來這明顯是多余的。

圖3 機組升負荷過程中過熱氣溫控制系統的主要參數曲線

針對微分釋放過程的擾動，可通過一種動靜態分開作用的微分策略來解決，邏輯如圖4所示。

圖4 動靜態分開作用的微分前饋回路

微分作用輸入采用負荷設定，負荷穩定時，前饋輸出為0，控制系統為傳統PID調節系統，調節器設置合理的參數后系統易穩定；動態時能快速反應，克服汽溫調節系統的大延遲特性。前饋回路主要分為2個階段：

（1）第一階段為：設定是否到位的狀態判斷。負荷設定到位后（負荷設定變化率的絕對值由90%減小到50%），RS觸發器置位，前饋信號輸出保持；

（2）第二階段為：前饋信號的復位判斷。負荷到位后，前饋信號的輸出一直處于保持狀態，在微分前饋消失后需及時釋放，以便在下次負荷變動時，汽溫前饋能夠重新動作。復位條件有兩個，一是微分前饋輸出值減少至小于0.15，二是負荷設定變化率的絕對值大于90%。

4.4　實際應用

將本文中的NFC和動靜態分開的微分策略運用于某1000MW超超臨界燃煤機組的過熱汽溫和再熱汽溫調節系統。機組負荷從920MW降到430MW的變負荷過程中，過熱汽溫最大波動幅度為597～605℃（SP=602℃），再熱汽溫最大波動幅度為588～597℃（SP=592℃）。過熱汽溫和再熱汽溫的波動被控制在±5℃以內，本文所述控制策略取得了較好的控制效果。

圖5 優化后機組汽溫調節情況示意圖

5　結束語

通過ASWF實現了HPPI，該控制器能夠更有效地提高跟蹤常值擾動的效率，更好地消除系統穩態偏差。HPLO能夠提前獲取系統響應的信息，可以極大提高過程控制的性能。動靜態分開作用的微分前饋策略可以解決大幅變負荷過程中微分前饋的擾動問題，優化汽溫調節系統的動態特性。通過仿真試驗和實際應用，有效驗證了NFC和微分前饋策略的有效性。

參考文獻：

[1] 韓英昆, 孟祥榮, 牟琳, 等. 超臨界火電機組再熱汽溫控制系統分析[J]. 山東電力技術, 2010, ( 1 ) : 66 - 70.

[2] 王國玉, 韓璞, 王東風, 等. PFC—PID串級控制在主汽溫控制系統中的應用研究[J]. 中國電機工程學報, 2002, 22 ( 12 ) : 50 - 5.

[3] 夏明. 超臨界機組汽溫控制系統設計[J]. 中國電力, 2006, 39( 3 ) : 74 - 77.

[4] 祝凌風. 電站鍋爐過熱汽溫控制策略的改進研究[D]. 華中科技大學, 2005.

[5] 鄒治軍. 基于模糊控制的Smith預估器的改進研究和設計[D]. 合肥工業大學, 2005.

[6] 李軍, 黃衛劍, 萬文軍, 等. 一種新型反饋控制器的研究與應用[J]. 控制理論與應用, 2019 : 1 - 13.

[7] 李軍, 劉哲, 周永言. 一種類似積分器和滑動窗跟蹤微分器的研究與應用[J]. 自動化學報, 2019 : 1 - 12.

[8] 黃衛劍. 一種動靜態分開作用的微分前饋策略[J]. 華北電力技術, 2008, ( 4 ) : 5 - 8.

作者簡介：

劉昌一（1993-），男，四川成都人，熱控工程師，工學碩士，現就職于廣東電科院能源技術有限責任公司，主要從事火電廠熱工控制方面的試驗和研究工作。

摘自《自動化博覽》2020年1月刊