2024年5月4日发(作者：)

其他３４３

３００ＭＷ单元机组再热汽温控制系统

设计新方法及其工程应用

周传心¨，王海宁２，杨培宏２，

薛翔宇２，王永健２，史西银２，韩忠旭３

（１．北京国电智深控制技术有限公司，北京市海淀区，１００１９２；２．衡丰发电有限责任公司，

河北省衡水市，０５３０００１；３．中国电力科学研究院电厂自动化研究所，北京市海淀区，１００１９２）

摘要：本文运用代数等价观测器（ＡＥＯ）的概念指导状态反馈和状态观测器的参数整定，并

应用于３００ＭＷ单元机组以烟气挡板再循环为调节手段的锅炉再热器蒸汽温度控制系统中，同时

引入“加速器”、“正踢”“反踢”、“模拟柔性模糊控制”等概念，和变参数ＰＩＤ调节器共同组成

一个综合型再热汽温自动调节系统，并利用通用的计算机分散控制系统（ＤＣＳ）中的标准算法模

块对其功能进行了实现，有效地克服了传统的ＰＩＤ调节对大滞后对象控制效果不理想的缺点，使

再热汽温控制效果有了明显改善，在喷水阀全关的工况下，以８ＭＷ／ｒｎｉｎ的速率升降５０ＭＷ负荷

的工况下，再热器蒸汽温度控制系统连续处于自动方式，取得了蒸汽温度最大偏差控制在５℃以

内的优良控制效果，为解决蒸汽温度这种大惯性大迟滞受控对象的控制难题提供了一个范例。

关键词：代数等价观测器（ＡＥＯ）；再热汽温自动调节；大惯性：大迟滞

引言

在单元机组中，再热器蒸汽温度是一个很重要的参数，它的控制品质直接关系着机组的

安全运行和经济效益，同时由于电网调度对电厂协调控制系统提出了更高的运行要求，对再

热汽温的控制也就要求得更高了。近年来，针对锅炉蒸汽温度受控对象通常具有大惯性、大

迟延、参数慢时变等特点，通常采用现代控制理论［１．２］中基于观测器的状态反馈与传统的

ＰＩＤ控制相结合的方法［３－７］，将汽温惰性区动态特性由状态观测器代替。但对于锅炉再热

汽温采用烟气挡板再循环为主要调节手段的系统来说，机组再热蒸汽温度调节系统通常还要

依靠微量喷水或紧急喷水，采用非喷水调节手段的再热蒸汽温度控制系统的实践成果还缺少

工程范例。

针对这一实际问题，认真分析了锅炉汽温控制系统的理论研究和工程实践的现有成果，

运用增量式函数观测器（ＩＦＯ—ＫＡｘ）［５］和代数等价观测器Ｉｓ，９］（ＡＥＯ）的概念指导状态反

馈和状态观测器的参数整定Ｄ０３，并应用于一台３００ＭＷ单元机组的锅炉再热器蒸汽温度控

制系统中，取得了一定的效果。

本文在前述工作的基础上，借鉴并引人“加速器”、“正踢”“反踢”、“模拟柔性模糊控

制”等概念［１ｌ￣１３］，和变参数ＰＩＤ调节器共同组成一个综合型再热汽温自动调节系统，并利

用通用的计算机分散控制系统（ＤＣＳ）中的标准算法模块对其功能进行了实现，更加有效地

周传心：男，１９７９年生，硕士生。

＊周传心Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｃｈｕａｎｘｉｎ＠ｇｄｚｈｉｓｈｅｎ．ｃｏｉｎ

３４４过程控制科学技术与应用——第１９届中固过程控制会议论文集

克服了传统的温度调节系统对大滞后受控对象控制效果不理想的缺点，使再热汽温控制效果

有了进一步的改善：在以８ＭＷ／ｍｉｎ速率由３０３ＭＷ降至２５０ＭＷ，再热汽温偏离设定值为

１．２℃；以６ＭＷ／ｍｉｎ速率由２１５ＭＷ升至３００ＭＷ，再热汽温偏离设定值为３．２℃；这一优

良的控制效果，为解决再热蒸汽蒸汽温度的控制难题提供了一个成功范例。

１再热蒸汽温度控制系统的设计方案

１．１

技术流程

左右侧再热汽温取平均后作为烟气侧再热汽温测量值；再热汽温的定值是由负荷来决定

的。再热汽温定值与测量值求偏差并经变参数ＰＩ调节器运算后，与负荷、磨煤机启停、“正

踢”“反踢”、“加速器”、“模糊控制”等前馈信号叠加输出，其输出与观测器的输出相加作

为烟气挡板动作指令。

１．２技术内容

１．２．１代数等价观测器锅炉再热器烟气挡板再循环调节系统，由于其受控对象没有导

前区，控制系统中也没有副调节器，并且蒸汽流量和挡板开度指令的函数关系，由于物理上

的原因，很不容易确定。这就给增量型观测器的参数整定带来了实际的困难。

调试时，利用概率统计方法，根据长期运行中负荷和烟气挡板实际对应关系求出的数学

期望值，整定不同负荷下负荷和烟气挡板的函数关系，并运用代数等价观测器（ＡＥＯ）的

概念来指导状态反馈和状态观测器的参数整定，其中再热器的状态观测器的传递函数取为：

ＷＴ㈤＝［鲁］４［忐］４砥［忐］４

㈩

虽然蒸汽流量和挡板开度指令的函数关系，（ｚ）不是十分确定，但由于Ｋ。缩小了４倍，从

而进入观测器的信号误差也同样缩小了，可以防止观测器内局部波形过大进入算法饱和区而

产生失真。

１．２．２模拟柔性模糊控制算法增量型状态观测器虽然能够预测汽温的变化趋势，有效

克服汽温过调或振荡的现象，但这种预测行为有赖于引入到观测器输入端信号的变化；在实

际运行工作中，当运行人员修改设定值时，为使将调节系统快速动作，因此在汽温自动调节

回路中加入模拟柔性模糊控制即“正踢”和“反踢”功能，使其根据设定值的变化幅度和汽

温的变化速率来进行智能判断。当运行人员修改设定值ＡＴｏ时，这时该算法根据再热汽温

设定值的变化幅度△Ｔｏ，计算出一个烟气挡板预动作的指令即“正踢”

Ｒ１＝ｆｌ（ＡＴ）

（２）

该指令直接加入控制指令中，使得烟气挡板立刻动作，它有一定的保持时间，该时间由下式

得出

Ｓ１一ｆ２（△丁）（３）

烟气挡板指令经时间Ｓ。后，变为零，因此该算法对烟气挡板的改变量为：

Ｓ１

ＤＲ＝．ｆＲｌ

ｄｆ

（４）

由式（４）可以看出预加的烟气挡板动作量是烟气挡板预动作幅度和持续时间的积分面

积，因此如果Ｒ１过大Ｓｌ过小，会使烟气挡板预动作信号消失后出现较大的过调现象，同

时，要考虑其对过热器烟气流量也及炉膛负压的影响；而如果Ｒｌ过小Ｓ１过大，则烟气挡

板预动作作用不明显，起不到克服锅炉迟滞的作用。故此，合理地设置ｆｌ（ｚ）和＾（ｚ）的

其他３４５

参数，才能使烟气挡板预动作量最佳地起到作用。

同理，当再热汽温要达到设定值时，此时要求汽温变化的过程已结束，但由于锅炉迟滞

的作用，此时进入再热器的烟气量将在随后的过程中对再热汽温产生调节过量的影响，因此

还设计了一个“反踢”（类似于“刹车器”）作用。“反踢”动作当下式成立时发生。

△Ｔ＝厂３（ＡＴｏ）

（５）

。式中，△Ｔ为再热汽温设定值与实际值的偏差。

当“反踢”触发时，它的时间由式（６）确定。

Ｓｚ兰ｆ４（△Ｔｏ）

（６）

而“反踢”的幅度是由当前再热汽温的偏差和偏差的微分来决定的。其数学描述如

式（７）所示。

Ｒｚ＝ｆｓ（Ｔｊ）

其中Ｌ＝△Ｔ＋△Ｔ

（７）

这样通过“反踢”的作用可以很好地防止因为再热汽温的惰性而引起的“超调”。

通过模拟柔性模糊控制算法对再热器烟气挡板的控制，能够使再热汽温很好地响应运行

人员的设定。

１．２．３锅炉正常运行过程中，由于某种不确定因素，将造成汽温偏差变化，鉴于此，

再热汽温调节回路中设计了“加速”回路，当再热汽温出现偏差时，该“加速”回路立即计

算出一个控制信号直接加到烟气挡板控制指令中，其数学表达如式（８）所示。

Ｏｏ＝ｆ６（△Ｔ）一＾（△Ｔ）△Ｔ

由式（８）可以看出“加速”回路的输出是再热汽温偏差的函数，相当于再热汽温偏差的

一个非线性比例调节器。这样可以改善传统ＰＩＤ控制的动态特性，缩短控制的过渡时间。

１．２．４

当再热汽温的控制偏差和偏差的微分同时向大的方向增长时，说明这时再热汽

温的控制偏差加速向不好的方向发展，因此这时要快速地改变烟气挡板的控制开度，为此这

里设计了一个简单的模糊控制器，该控制器的输出直接加到控制指令中。其工作原理可以用

下式表示：

当△Ｔ≤ａｏ且△Ｔ≤６０时，算法控制输出

△ＦＵｏ

Ｃ０

当ＡＴ≥ａｌ且△Ｔ≥ｂ１时，算法控制输出

△ＦＵｌ＝Ｃ１

该算法的加入可以改善控制的超调特性。

１．２．５根据长期运行中负荷和烟气挡板实际对应关系，引入了负荷和烟气挡板的函数

关系作为前馈信号，从而大大减轻了ＰＩＤ调节器的负担；并且由于烟气挡板再热汽温调节

系统在不同负荷下，其挡板与汽温的关系是非线性的，采用了变参数调节器，使其根据不同

的负荷来采用不同的调节参数，提高了系统稳定的能力。

１．２．６

当机组在大范围内变负荷时，需要启停磨煤机，而这对再热汽温系统存在着较

大的扰动，原风量信号不能提前反映此种扰动，因此，这里采用磨煤机的启停状态作为前馈

信号，起到了超前调节的目的。

２控制系统的实际应用效果

该控制方案在某电厂中得到了很好的应用，下面是该电厂的控制曲线图。

３４６过程控制科学技术与应用——第１９届中国过程控制会议论文集

图１

再热汽温变负荷曲线

图２设定值５℃扰动曲线

图１为降负荷试验：以８ＭＷ／ｍｉｎ速率由３０３ＭＷ降至２５０ＭＷ，再热汽温偏离设定值

为１．２℃；图２为定值扰动试验：改变定值５℃，再热汽温最大波动量为２℃，调节过程为

１５分钟。从上面的曲线可以看出，该方案的应用很好地改善了电厂再热汽温的控制效果，

为电厂再热汽温的控制提供了一个很好的范例。

３结语

本文对火电厂中再热汽温的控制进行了详细的说明，并针对其控制的难点，提出了一套

切实可行的控制方案，通过增量式函数观测器、“正踢”、“反踢”、“加速器”、“汽温模糊控

制”和磨启停时的动态控制等方法的加入组合成一套完善的再热汽温控制方案，并在实际电

厂中得到检验，得到了很好的控制效果。

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其他３４７

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