660MW机组燃料-汽压系统锅炉蒸汽压力动态面控制

张武林1胡广廷2

（1.浙江省兰溪市浙能兰溪电厂浙江省兰溪市321110；2.浙江蓝天求是环保股份有限公司浙江省杭州市310012）

摘要：锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全运行，而且其稳定状况反映了燃烧过程中能量的供求关系。在工程上蒸汽压力系统的控制主要以传统的PID控制、智能控制或二者相结合的控制为主。针对锅炉蒸汽压力的控制目前有模糊PID[1]、基于粒子群优化算法的分数阶控制方法、基于反推的PID控制方法和滑模预测控制等方法。基于此，本文主要对660MW机组燃料-汽压系统锅炉蒸汽压力动态面控制进行分析探讨。

关键词：660MW机组；燃料-汽压系统；锅炉蒸汽；压力动态面控制

1、前言

经过多年的发展，动态面控制理论逐渐得到充实，进一步出现了自适应动态面控制，神经网络动态面控制，模糊动态面控制，输出反馈动态面控制等。此外，动态面控制在机器人系统、飞行系统、电机系统、磁悬浮系统、电液比例系统等方向的应用研究业已展开。

2、燃料汽压控制系统结构

当电厂入炉煤是设计煤种时，燃料量控制系统如图1左侧部分所示。电网调度指令N0经“负荷—燃煤量函数f1（x）”计算出设计煤种理论燃料量，然后利用主蒸汽压力设定值P0与主蒸汽压力实际值PT的差值进行闭环调整，得出设计煤种实际燃料量，然后此信号被送入锅炉主控，通过自动或手动的方式（M/A），进而调整各给煤机的转速，实现入炉燃料量的控制。

式中：DQ为通过P1或给水流量（代表直流锅炉的负荷）计算得出的理论入炉煤量，t/h；DM为修正后的燃料量，t/h；kQ为燃料发热系数。若DQ大于DM，

通过式（2）增大积分功能，增大BTU校正系数kQ，进一步增大燃料量反馈信号DM，直至消除DM与DQ之间的差值。以此实现燃煤的BTU校正。传统的燃料量控制系统为利用主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力实际值之间的偏差进行闭环PID控制，笔者采用自抗扰控制器代替传统的PID控制器对燃料量进行控制，借助自抗扰控制器中的扩张状态观测器估计出扰动大小，在图1中“负荷—燃煤量f1（x）”前馈控制的基础上，进一步实现燃料量指令的闭环修正，更加准确地控制燃料量，同时防止主蒸汽压力因煤质热值变化带来的反复波动。

3、660MW机组燃料—汽压系统模型

3.1模型的建立

为得出超临界机组燃料—主汽压之间的动态数学模型，根据蒸汽在锅炉各管道内流通的路径，借助压力节点的方法，将超临界直流锅炉动态数学模型分为3个压力节点：蒸发节点（从不饱和水到过热蒸汽的产生）、过热节点（从过热蒸汽的产生到锅炉出口）与主蒸汽管道节点（从锅炉出口到汽轮机控制阀门入口）。其中汽轮机控制阀门入口前的压力即本文想求取的主蒸汽压力。应用集总参数法，将压力节点每处的参数视为相同，因此每个节点的压力可以用简化的集总参数模型表示，见图2。

此外，还需根据水和水蒸气热力性质表查得不同压力、不同温度下对应的比体积与比焓值。

4、燃料—汽压系统控制模型仿真

以某660MW超临界机组为例，分别对图3直流锅炉被控对象的数学模型的三种工况（100%THA、75%THA、50%THA）进行仿真，仿真过程中，应用MATLAB中的Simulink模块建立系统模型，其中的自抗扰控制器（包括TD、ESO、NLSEF）算法可用S函数编程，并对自抗扰算法的参数进行设置，然后搭建Simulink控制模型。仿真实验的具体内容为：在第400s处，100%THA工况，主蒸汽压力由基准值0.9阶跃变化为1；75%THA工况，主蒸汽压力由基准值0.65阶跃变化为0.85；50%THA工况，主蒸汽压力由基准值0.4阶跃变化为0.6；并假定在第650s处，煤质突然变好，即对燃料加一微小扰动，观察主蒸汽压力的变化。同时，对相同工况下对应的数学模型进行传统的PID控制。在100%THA工况下，用时间乘偏差平方积分准则ITSE——式（17）得到PID控制器的最佳参数分别为：KP=4.0、KI=0.075、KD=1.0；经过调试，自抗扰控制器的最佳参数为：β1=0.025、β2=1.90、b=0.125。

获得最佳控制参数后，分别利用PID控制器与自抗扰控制器对相同工况下的燃料—汽压系统模型进行仿真，从仿真结果可以看到传统PID控制器与自抗扰控制器控制效果的比较。从仿真曲线可以看出：当外界负荷发生变化时（第400s处），与传统的PID控制相比，自抗扰控制对超临界机组主蒸汽压力的控制调节时间短、超调量小，对主蒸汽压力具有较好的控制品质；当出现燃料量扰动时（第650s处），自抗扰控制器能够快速做出反应，其抗干扰的能力更强；在100%THA工况下，两种控制器的控制效果差不多，但随着负荷的减小，PID控制效果变差，自抗扰控制器的控制效果基本不变，表明自抗扰控制器具有较强的鲁棒性。

5、结语

将自抗扰控制器应用于超临界机组燃料—汽压系统模型，利用ESO实时估计出燃煤热值自发扰动并进行实时补偿。通过扰动的前馈补偿有效提高了超临界机组主蒸汽压力控制的抗干扰和自适应能力，进一步优化了燃料量指令。与传统PID控制相比，自抗扰控制对主蒸汽压力的控制效果更好，抗干扰的能力更强，具有较强的鲁棒性。

参考文献

[1]王东风，王晓燕，韩璞.锅炉–汽轮机系统的分数阶控制器设计[J].中国电机工程学报，2010，30(5)：113-119.

[2]韩璞，魏乐.锅炉–汽轮机单元协调控制的反推PID方法[J]，中国电机工程学报，2010，30(2)：17-22.

[3]李鹏.Backstepping控制算法在燃料–汽压控制系统中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2009.