摘要：针对超临界机组汽温控制过程中的大延迟、大惯性问题，通过一种近似滑动窗滤波器（approximate sliding window filter, ASWF）构造出高性能PI控制器（high performance proportion integration,HPPI）和超前观测器（(high performance leading obser ver,HPLO）。将HPPI用于大延迟、大惯性过程控制，能够更有效地提高跟踪常值扰动的效率，更好地消除系统稳态偏差。HPLO能够提前获取系统响应的信息，极大提高过程控制的性能。动静态分开作用的微分前馈策略可以解决大幅变负荷过程中微分前馈的扰动问题，优化汽温调节系统的动态特性。通过仿真试验和实际应用，有效验证了NFC和微分前馈策略的有效性。

关键词：超临界；汽温控制；近似滑动窗滤波器；新型基础控制器；微分前馈策略

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

随着我国燃煤火电机组的不断发展，进一步降低机组煤耗率、实现节能减排，已经成为新建火电机组的重要技术指标，其中提高机组主蒸汽参数是降低煤耗率的重要手段之一，据相关研究表明[1]，在超临界参数范围内，机组主蒸汽压力每增加1MPa，机组热耗率可下降0.13%～0.15%，主蒸汽温度每升高10℃，热耗率可降低0.25%～0.30%；再热蒸汽温度每升高10℃，热耗率可降低0.15%～0.20%。但是汽温过高，容易造成锅炉过热器、管壁等超温，发生锅炉爆管，因此需采用有效手段，减少汽温超温，维持蒸汽温度在设定值附近，使机组安全、稳定、节能运行[2]。

2　汽温控制系统的结构

目前超临界机组过热器系统的换热方式主要为辐射+对流，以辐射为主。过热汽温的控制主要是通过调节煤水比为主要手段，加以减温水辅助。超临界机组锅炉的再热器系统则主要以对流换热方式为主，常用的工艺流程有两种：烟气挡板调节和燃烧器摆角调节。当采用烟气挡板调节时，换热方式为纯对流特性；当采用燃烧器摆角调节时，换热形式为辐射+对流，以对流换热为主。再热汽温的自动控制虽然也可以像过热汽温控制一样采用喷水减温的调节方式，但该方式会大大降低机组运行效率，在紧急情况下作为事故喷水使用。

目前过热汽温控制主要以串级调节为主，主回路的任务是维持过热器出口汽温恒定，但延迟和惯性较大，常采用PID调节，副回路任务是快速消除内部扰动，要求调节过程迅速，但精度要求不高，常采用PI控制器。

再热汽温控制系统常采用烟气挡板+微量喷水调节，锅炉的尾部烟道被分割为两个并联烟道，分别布置低温再热器和低温过热器，改变两个烟道挡板的开度，就可以分配流经再热器和过热器的烟气流量，从而实现再热汽温的精确控制，温度过高时，喷入微量减温水降温。

3　汽温控制中存在的问题

超临界机组各工质段的密度、比热容变化异常剧烈，传热特性和流动规律十分复杂，特别是在变压运行时，随着负荷的大幅变动，工质压力会在超临界至亚临界范围内变化，造成工质特性急剧变化，使得机组运行具有严重的非线性。例如，工质的比热、密度、焓值与其温度和压力的关系是非线性的，传热特性、流量特性也是非线性的，各参数间存在非相关的多元函数关系，使得被控对象的动态特性参数在工况不同时变化较大[3]。

过热汽温具有大延迟、大惯性、时变性强的特点，常规PID很难兼顾系统汽温响应特性、抗扰动特性以及对象参数摄动下的鲁棒稳定性[4]。再热蒸汽的比热容比过热蒸汽小得多，更容易产生低温和超温现象，加之电厂制定了相关考核制度，使得再热汽温的精确控制成为了令运行人员头疼的问题。

反馈控制中，消除系统偏差需要积分作用，一些高性能控制策略之所以没有大规模普遍应用，例如：SMITH预估、神经网络和模糊控制等，主要原因在于：在实际控制过程中难以得到准确的数学模型[5]。

针对汽温控制过程中大延迟、大惯性、波动大等特点，通过ASWF构造出HPPI和HPLO，形成新型基础控制器（NFC）[6]。在此控制策略的基础上，加入一种动静态分开作用的微分前馈策略，在某超临界机组汽温控制中取得了很好的效果。

4　先进控制技术及策略

4.1　构造NFC

如图1（a）所示，通过一种ASWF可构造出高性能积分器，仿真试验证明该积分器具有比常规积分器更高
的效率[6]。

通过超前观测可以提前获取系统响应的信息，可以极大提高过程控制的性能，常见的超前观测形式有：微分器、比例微分、相位超前校正等。图1（b）所示为一种具有较高相位超前效率的 HPLO。通过一种高增益PI（High gain PI,HGPI）控制器，实现了ASWF的逆变换。对逆变换的输出进行1阶滤波，得到HPLO。

（a）积分器构造

（b）HPLO构造

（c）NFC示意图

图1 控制器构造示意图

在HPPI和HPLO的基础上，构造出一种NFC，如图1（c）所示。

4.2　仿真试验

为了更好地结合实际，仿真试验的过程对象采用某火电厂再热烟气挡板模型，外扰耦合模型为1阶惯性环节，外扰为-1，具体表达式如下：

通过matlab仿真，分别对NFC和PID进行参数整定[7]，得到其阶跃响应如图2所示。

图2 NFC与PID控制特性仿真试验结果

从仿真结果可以看出，对于大延迟、大惯性的控制对象，NFC的响应速度和抗干扰能力明显优于传统PID调节。

4.3　动静态分开作用的微分前馈策略

传统的PID调节通过对偏差进行运算产生调节作用，但是在快速变负荷过程中（2%～3%ECR／min），风、煤、水快速变化，汽温也随之波动，因此需要引入前馈快速调节，消除这种波动。采用总燃料量微分的前馈策略，可减少汽温波动，快速返回到设定值，但又衍生出一些其它问题。机组在升负荷时，由于前馈作用的提前动作，过热汽温被控制在设定值附近，取得了满意的控制效果。但升负荷结束后，产生了一系列更大的升温过程（如曲线4所示），经仔细分析，该过程是由于控制系统的微分前馈引起的[8]。如图3所示：机组在升负荷时（如曲线1所示），总燃料量的微分前馈作用使减温水门开度（如曲线5 I段所示）提前增大，主汽温（曲线4a段）未出现大的变化，控制效果良好；在升负荷过程结束以后，总燃料量也趋于平稳（如曲线2所示），主汽
温也向设定值靠拢，但此时总燃料量的微分作用突然消失，使得减温水阀门迅速关小（如曲线5 II段所示），在
总燃料量和给水流量都保持不变的情况下，减温水的突然减少势必对系统造成一种扰动，打破原有的煤水比平
衡，导致主汽温出现超温（如曲线4 b段所示）。同理，降负荷过程也存在同样的问题（在此不再赘述）。综上
所述，在负荷变化过程中，前半部分的微分前馈取得了较满意的控制效果，但微分作用后半部分的释放阶段，
造成了系统的扰动，在笔者看来这明显是多余的。

图3 机组升负荷过程中过热气温控制系统的主要参数曲线

针对微分释放过程的扰动，可通过一种动静态分开作用的微分策略来解决，逻辑如图4所示。

图4 动静态分开作用的微分前馈回路

微分作用输入采用负荷设定，负荷稳定时，前馈输出为0，控制系统为传统PID调节系统，调节器设置合理的参数后系统易稳定；动态时能快速反应，克服汽温调节系统的大延迟特性。前馈回路主要分为2个阶段：

（1）第一阶段为：设定是否到位的状态判断。负荷设定到位后（负荷设定变化率的绝对值由90%减小到50%），RS触发器置位，前馈信号输出保持；

（2）第二阶段为：前馈信号的复位判断。负荷到位后，前馈信号的输出一直处于保持状态，在微分前馈消失后需及时释放，以便在下次负荷变动时，汽温前馈能够重新动作。复位条件有两个，一是微分前馈输出值减少至小于0.15，二是负荷设定变化率的绝对值大于90%。

4.4　实际应用

将本文中的NFC和动静态分开的微分策略运用于某1000MW超超临界燃煤机组的过热汽温和再热汽温调节系统。机组负荷从920MW降到430MW的变负荷过程中，过热汽温最大波动幅度为597～605℃（SP=602℃），再热汽温最大波动幅度为588～597℃（SP=592℃）。过热汽温和再热汽温的波动被控制在±5℃以内，本文所述控制策略取得了较好的控制效果。

图5 优化后机组汽温调节情况示意图

5　结束语

通过ASWF实现了HPPI，该控制器能够更有效地提高跟踪常值扰动的效率，更好地消除系统稳态偏差。HPLO能够提前获取系统响应的信息，可以极大提高过程控制的性能。动静态分开作用的微分前馈策略可以解决大幅变负荷过程中微分前馈的扰动问题，优化汽温调节系统的动态特性。通过仿真试验和实际应用，有效验证了NFC和微分前馈策略的有效性。

参考文献：

[1] 韩英昆, 孟祥荣, 牟琳, 等. 超临界火电机组再热汽温控制系统分析[J]. 山东电力技术, 2010, ( 1 ) : 66 - 70.

[2] 王国玉, 韩璞, 王东风, 等. PFC—PID串级控制在主汽温控制系统中的应用研究[J]. 中国电机工程学报, 2002, 22 ( 12 ) : 50 - 5.

[3] 夏明. 超临界机组汽温控制系统设计[J]. 中国电力, 2006, 39( 3 ) : 74 - 77.

[4] 祝凌风. 电站锅炉过热汽温控制策略的改进研究[D]. 华中科技大学, 2005.

[5] 邹治军. 基于模糊控制的Smith预估器的改进研究和设计[D]. 合肥工业大学, 2005.

[6] 李军, 黄卫剑, 万文军, 等. 一种新型反馈控制器的研究与应用[J]. 控制理论与应用, 2019 : 1 - 13.

[7] 李军, 刘哲, 周永言. 一种类似积分器和滑动窗跟踪微分器的研究与应用[J]. 自动化学报, 2019 : 1 - 12.

[8] 黄卫剑. 一种动静态分开作用的微分前馈策略[J]. 华北电力技术, 2008, ( 4 ) : 5 - 8.

作者简介：

刘昌一（1993-），男，四川成都人，热控工程师，工学硕士，现就职于广东电科院能源技术有限责任公司，主要从事火电厂热工控制方面的试验和研究工作。

摘自《自动化博览》2020年1月刊