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基于广义预测控制的除氧器水位快速控制方法仿真.docx
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基于广义预测控制的除氧器水位快速控制方法仿真.docx
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摘要
凝结水节流技术利用低压加热器系统蓄热辅助响应一次调频、变负荷的功率需求,提高汽轮机稳态
高调门开度,降低节流损失,提高机组运行经济性。该项技术应用时,受常规 PID(proportional,
integral and differential)除氧器水位控制响应相对较慢的约束,凝结水节流动作幅度较小,辅助
负荷响应作用难以充分发挥。针对该问题,通过深入分析广义预测控制算法,提出一种基于广义预
测控制的除氧器水位快速控制方法,用于在凝结水节流响应过程中出现过高或过低水位时,快速恢
复水位,保障凝结水节流系统运行安全。仿真试验表明,该方法能够快速平抑除氧器水位扰动,在
确保凝结水节流系统安全运行的前提下提高凝结水节流动作幅度。该方法可作为凝结水节流技术应
用时的一种除氧器水位快速控制方法。
Abstract
Condensate throttling technology (CTT) can be applied to response to the power
needs of primary frequency control or load change control by release or store of
thermal storage in low pressure heater system. The operation economy of thermal
power units can be improved by the enhancement of steady state turbine governor
opening which leads to reduction of governor throttling loss. When CTT is
implemented, the amplitude of throttling flow is small due to the restraint of the
relative slow response of existing PID (proportional, integral and differential)
controller for de-aerator water level (DWL) control, which inhibits the full play of
CTT benefits. Aiming at this problem, through in-depth analysis of the generalized
predictive control (GPC), a DWL fast control method based on GPC was proposed,
which is used to restore the water level quickly when too high or too low de-aerator
water level happens during condensate throttling responding, so as to ensure the
operation safety of the condensate throttling system. Simulation results show that
the DWL disturbances can be restrained fast, and a large throttling flow can be
achieved on the premise of the safety operation of CTT by proposed method. The
proposed method can be a choice for DWL fast control when CTT is applied.
译
关键词
凝结水节流; 除氧器水位; 广义预测控制; 水位快速控制; 串级 PID 控制
Keywords
condensate throttling; de-aerator water level; generalized predictive control; fast
water level control; cascade PID control
译
凝结水节流技术通过算法施加凝结水流量扰动,间接改变进入低压加热器的抽汽流量,从而改变进
入低压缸做功的蒸汽流量,调节低压缸出力和机组功率。该技术可用于辅助响应机组一次调频、变
负荷时的调节功率需求,通过降低汽轮机高调门为满足一次调频、变负荷考核而预留节流裕度,降
低其稳态节流损失,提高机组运行经济性。该项技术在 20 世纪 90 年代被提出后,在国内外得到
了较多应用
[ 1-6]
。
在凝结水节流响应过程中,流量扰动幅度越大,持续时间越长,则从低压加热器系统释放或吸收蓄
热响应功率越高,辅助调频、变负荷能力越强。然而,凝结水流量大幅度、长时间扰动时,除氧器
水位易出现过高或过低水位,危及运行安全,因此一般设置凝结水流量动作幅度。针对机组常规运
行负荷区间,主要采用串级 PID(proportional, integral and differential)除氧器水位控制,
其针对较大水位扰动的调节时间较长,一般为数分钟,如电力行业标准
[ 7]
中对除氧器水位的调节
时间规定为:针对设定值±60 mm 的扰动,在 10 min 内进入稳定区间(±20 mm)。以上述相
对较慢的水位调节速率为前提,设置凝结水节流动作幅度,可能引起流量扰动幅度、时长过小,致
使凝结水节流辅助调频、变负荷效果不够显著。针对该问题,有必要设计针对除氧器过高或过低水
位的快速控制方法,以在保障机组运行安全的前提下充分利用凝结水节流技术的辅助负荷响应潜力。
针对除氧器水位调节问题,诸多专家学者已开展了大量研究及应用,但这些研究及应用偏重于除氧
器水位的全程自动控制
[ 8-12]
、除氧器水位与凝泵出口母管压力的协调控制
[ 13-15]
、凝汽器热井水位
与除氧器水位的协调控制
[ 16]
及除氧器特性仿真
[ 17]
等方面,因此,有必要对除氧器水位的快速控
制进行深入研究。
广义预测控制(generalized predictive control , GPC)是在自校正控制基础上发展起来的一
种基于参数模型的预测控制方法,具有模型要求低、在线计算方便、控制效果好、鲁棒性强等特点
[ 18-23]
,特别适合于以提升响应速度、控制精度为目的的系统控制,在火电机组机炉协调控制系统、
主蒸汽温度控制系统、再热蒸汽温度控制系统、锅炉燃烧控制系统、锅炉汽包水位控制系统等中均
有应用
[ 24-26]
。本文在深入分析该方法的基础上,将其引入到除氧器水位调节领域,提出一种基于
广义预测控制的除氧器水位快速控制方法,通过广义预测控制器调节除氧器水位,在除氧器水位过
高或过低时快速恢复水位至安全运行范围内。本文首先建立常规 PID 除氧器水位控制系统数学模型,
在此基础上通过修改控制器建立广义预测控制除氧器水位快速控制系统,随后结合算例进行仿真研
究,最后给出结论。
1 串级 PID 除氧器水位控制系统
关于除氧器水位控制,在常规负荷范围内一般采用如图 1 所示的串级三冲量 PID 控制系统。
图 1 串级 PID 除氧器水位控制系统
Fig. 1 De-aerator water level control system based on cascade PID
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
图 1 中:r(t)为除氧器水位设定值;LD 为除氧器水位过程量;Fw 为给水流量;FR 为外环输出的对
内环的凝结水流量需求;yc 为除氧器水位执行器指令;FN 为除氧器入口凝结水流量;Fd 为进入除
氧器的疏水流量、抽汽流量等流量。
串级 PID 除氧器水位控制系统主要包括被控对象(除氧器水位)、执行器和控制器 3 部分,下面
分别建立它们的数学模型。
1.1 除氧器水位
以常见的喷雾淋水盘式卧式高压除氧器
[ 27]
为例,根据其几何结构,在研究的水位范围内,可将其
近似为一个水平放置的圆筒,其两端的端盖折算成一定筒体长度。在凝结水节流辅助响应一次调频
过程中,除氧器抽汽流量 、高加疏水流量、高加给水流量变化 较小,为便于分析,忽略这些 变化,
主要考虑凝结水流量变化对除氧器水位的影响。
由质量守恒定律,并根据除氧器几何关系,可写出除氧器流量-水位模型:
ΔLD(t)=∫t0FΔ2LLD(t)(2R−LD(t))−−−−−−−−−−−−−−−√dtΔLD(t)=∫0tFΔ2LLD(t)(2R-LD(t))dt
(1)
式中:ΔLD(t)为 t 时刻除氧器水位相对初始稳态值的增量,ΔLD(t)=LD(t)−LD0;LD(t)为 t 时刻除
氧器水位;LD0 为扰动前的初始稳态除氧器水位;FΔ 为以平衡流量为起点的流入除氧器的净流量;
R 为除氧器半径;L 为除氧器长度。
1.2 执行器模型
以除氧器上水调阀为例建立除氧器水位控制的执行器模型,如图 2 所示。
图 2 除氧器水位执行器数学模型
Fig.2 Mathematic model of de-aerator water level control actuator
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
图 2 中: τd 为纯 延 时; Ts 为执 行 器的 惯 性 时 间常 数 ;限 速模 块 模拟 实 际 执 行器 的 速率 限 制 ; F
(x)模拟执行器开度-凝结水流量关系;限幅模块限制流量响应幅度。
1.3 串级 PID 控制器
除氧器串级 PID 控制器模型如图 1 中的控制器部分所示,主要包括以水位调节为目标的外环和以
凝结水流量调节为目标的内环 2 部分。外环根据除氧器水位设定值和测量值偏差计算出需求的凝结
水流量 FR,该部分再加上由给水流量确定的凝结水流量需求,得到总的凝结水流量需求。内环根
据凝结水流量需求和实测值,输出执行器的指令 yc。系统的水位波动由水位偏差产生后调节凝结水
流量来抑制。
2 基于 GPC 的除氧器水位快速控制系统
采用 GPC 控制器
[ 22]
替换图 1 中的串级 PID,其他保持不变,可得到基于 GPC 的除氧器水位快速
控制系统,如图 3 所示。
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