一种二次再热主蒸汽温度串级控制系统及控制方法与流程

本发明属于热力发电技术领域，涉及一种二次再热主蒸汽温度串级控制系统及控制方法。

背景技术：

随着经济的日益发展和人们生活水平的提高，工厂用电和居民家庭用电造成的能源资源消耗和二氧化碳排放的急剧增加。再热是指将汽轮机内做了部分功的蒸汽引出进行再次加热，然后引回汽轮机继续做功。通过合理的再热，可以降低排汽湿度，提高热力循环效率。采用二次再热技术的超(超)临界机组在相同参数下，在提高机组整体效率的同时相应降低了二氧化碳、氮氧化物等的排放量，是我国火电机组未来重要发展方向。由于二次再热火电机组与同容量的一次再热机组相比，在工艺结构方面有较大差异。如锅炉侧增加了一级再热系统，汽水流程增加；受热面布置更加复杂及采用烟气再循环来减少炉膛吸热量增加对流受热面吸热量等，使机组的动、静态特性有较大变化。因此二次再热机组在汽轮机、锅炉及其相关系统的配置，尤其在主蒸汽温度的控制方面要比一次再热机组复杂得多。

主蒸汽温度系统是一个多输入单输出对象，主蒸汽温度主要受蒸汽流量、烟气热量和减温水流量三个因素的影响。其中通过改变减温水流量来控制主蒸汽温度，该调节方式调节灵敏且精密。三级过热器采用喷水减温控制主汽温时，由于对象控制通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求较小的蒸汽温度控制偏差，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。

申请公开号为cn110687778a的中国发明专利申请《电供热系统串级控制方法及主调节器pid参数整定方法电供热系统串级控制方法及主调节器pid参数整定方法》公开了主调节器自整定方法：初始化参数及粒子群，每个粒子位置中包含3个变量，若粒子满足变异条件，则对粒子进行变异操作，并更新粒子的位置，若不满足变异条件则对粒子的权重、速度、位置和适应值进行更新迭代；若满足变异条件，每个粒子若其适应值比该粒子所经历过的最优位置pi的适应值好，则将其作为当前的pi；对每个粒子，将其适应值与整个粒子群所经历过的最优位置pg的适应值进行比较，若其适应值比整个粒子群所经历过的最优位置pg的适应值好，则将其作为当前的pg；以当前粒子群的最优位置pg作为初始搜索点，调rosenbrock算法进行局部搜索，更新pi及pg，输出粒子的3个变量。

虽然上述发明专利申请能够提高系统响应速度，但是并未解决过热蒸汽温度控制通道惯性迟延大、被调量反应慢，三级过热器采用喷水减温控制主汽温时的单回路控制系统控制品质差的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于如何改善三级过热器采用喷水减温控制主汽温时的控制品质。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的。

一种二次再热主蒸汽温度串级控制系统，包括主回路控制系统、副回路控制系统、二级过热器(1)、二级减温器(2)、三级过热器(4)、pid控制器(9)、减温水调节阀(10)；所述的二级过热器(1)、二级减温器(2)、三级过热器(4)依次采用密封管道串接；所述的减温水调节阀(10)通过三通密封管道连接于二级过热器(1)和二级减温器(2)之间；所述的副回路控制系统的输入端连接于二级减温器(2)和三级过热器(4)之间，用于采集三级过热器(4)入口处的汽温；所述的副回路控制系统的输出端与pid控制器(9)连接，用于控制减温水调节阀(10)的开度对三级过热器(4)出口主汽温进行粗调；所述的主回路控制系统的输入端连接于三级过热器(4)出口处，用于采集三级过热器(4)出口主汽温，所述的主回路控制系统的输出端与pid控制器(9)连接，用于控制减温水调节阀(10)的开度对三级过热器(4)出口主汽温进行细调。

三级过热器入口处的汽温与出口主汽温变化趋势是一致的，而三级过热器入口处的汽温的响应速度明显快于出口主汽温，从控制对象的控制通道中加入三级过热器入口处的汽温作为过主汽温度串级控制系统的副回路控制系统的参数，用于控制减温水调节阀的开度对三级过热器出口主汽温进行粗调，提高了控制系统的响应速度，改善了控制系统的控制品质。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的副回路控制系统包括第一热电偶温度传感器(3)、第一温度变送器(6)；所述的主回路控制系统包括第二热电偶温度传感器(5)、第二温度变送器(7)、粒子群智能运算器(8)；所述的第一热电偶温度传感器(3)安装于二级减温器(2)的输出端；所述的第一热电偶温度传感器(3)与第一温度变送器(6)电连接，所述的第一温度变送器(6)的输出端与pid控制器(9)电连接；所述的第二热电偶温度传感器(5)安装于三级过热器(4)的输出端；所述的第二热电偶温度传感器(5)与第二温度变送器(7)电连接；所述的第二温度变送器(7)的输出端与粒子群智能运算器(8)电连接；所述的粒子群智能运算器(8)的输出端与pid控制器(9)电连接；所述的pid控制器(9)的输出端与减温水调节阀(10)的控制端电连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第一热电偶温度传感器(3)采集二级减温器(2)输出端的温度，将温度信号送入第一温度变送器(6)，所述的第一温度变送器(6)将温度信号转换为与温度成线性关系的标准电信号送入pid控制器(9)中；与此同时，所述的第二热电偶温度传感器(5)采集三级过热器(4)输出端的温度，将温度信号送入第二温度变送器(7)，所述的第二温度变送器(7)将温度信号转换为电动势信号送入粒子群智能运算器(8)中，粒子群智能运算器(8)将输入的标准电信号经过运算后，送入pid控制器(9)中；pid控制器(9)根据输入的信号来控制减温水调节阀(10)的开度。

作为本发明技术方案的进一步改进，当第一热电偶温度传感器(3)处温度发生变化时，先对三级过热器(4)出口主汽温进行粗调；所述的粗具体为：温度信号直接经pid控制器(9)运算后，改变减温水调节阀(10)的开度来改变减温水的流量，初步维持三级过热器(4)入口处的汽温，对三级过热器(4)出口主汽温进行粗调；再对三级过热器(4)出口主汽温进行细调；所述的细调具体为：三级过热器(4)出口主汽温的细调由粒子群智能运算器(8)控制，只要三级过热器(4)的出口汽温未达到主汽温设定值，粒子群智能运算器(8)的输出就不断地变化，使pid控制器(9)不断地调节减温水调节阀(10)的开度来改变减温水的流量，直到主汽温恢复到主汽温设定值为止。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的热电偶温度传感器的采用omega公司的高温k型热电偶，k型热电偶可以直接测量0℃到1300℃范围的液体蒸汽温度，型号为kqxl-14e-18。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的减温水调节阀(10)采用vatak公司的气动式阀门，气动式减温水调节阀的特点是按照输入信号自动调节系统的流量，实现机组运行过程中自动控制。

一种应用于二次再热主蒸汽温度串级控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，将主汽温度设定值r(t)与系统输出值y(t)做差得到误差值e(t)，计算公式为：

e(t)＝r(t)-y(t)(1)

其中，r(t)为主汽温度设定值，y(t)为系统输出值，e(t)为误差值。

步骤二，将误差值e(t)送入粒子群智能运算器(8)中进行运算，得到比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd；将比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd输入到pid控制器(9)中得到控制器输出值u(t)，所述的控制器输出值u(t)的计算公式为：

其中，kp、ki和kd分别为比例、积分和微分系数，u(t)为控制器输出值，t自变量，τ为积分中间变量；

步骤三，所述的控制器输出值u(t)与副回路扰动共同输入到控制对象传递函数器后输出系统输出值y(t)，用来控制减温水调节阀(10)的开度。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的步骤二中的粒子群智能运算器(8)中进行运算的方法为：

1)初始化粒子群，随机产生粒子的位置和速度，并确定粒子的最优位置及整个粒子群的最优位置；

2)对每个粒子的适应值与其所经历的最优位置进行对比，并更新最优位置；

3)对每个粒子的适应值与整个粒子群所经历的最优位置进行对比，并更新整个粒子群的最优位置；

4)根据公式(3)以及公式(4)更新粒子的速度及位置；

5)若迭代次数和绝对误差时间积分满足要求，则退出算法，得到最优解，否则返回步骤2)。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的步骤4)所述的更新粒子的速度及位置的公式为：

xt+1＝xt+vt+1(4)

其中，vt和vt+1分别表示粒子更新前、后的速度；xt和xt+1分别表示粒子更新前、后的位置；c1、c2为加速常数；r1、r2为产生的随机数；pt^best和gt^best分别为粒子的个体最优位置和全局最优位置，w为惯性因子。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的步骤5)中的绝对误差时间积分值作为粒子群智能运算器的性能评价指标，其值越小系统的性能越好；所述的绝对误差时间积分的计算公式为：

其中，jmin为绝对误差时间积分值，e(t)为输出与输入之间的误差，t为时间；

所述的迭代次数和绝对误差时间积分满足要求指的是：迭代次数达到设置值600，同时绝对误差时间积分值小于设定值0.1。

本发明的优点在于：

(1)本发明针对三级过热器入口处的汽温与出口主汽温变化趋势是一致的，而三级过热器入口处的汽温的响应速度明显快于出口主汽温，从控制对象的控制通道中加入三级过热器入口处的汽温作为过主汽温度串级控制系统的副回路控制系统的参数，用于控制减温水调节阀的开度对三级过热器出口主汽温进行粗调，提高了控制系统的响应速度，改善了控制系统的控制品质。

(2)本发明的主汽温串级控制系统采用了粒子群算法，不仅具有串级系统响应速度快的特点，同时结合粒子群算法的智能运算，自动针对主回路pid参数进行整定，使pid串级控制整定方法简洁、对运行工况适应性强。

附图说明

图1是本发明实施例的二次再热主蒸汽温度串级控制系统结构图；

图2是本发明实施例的二次再热主蒸汽温度串级控制系统控制框图；

图3是本发明实施例的二次再热主蒸汽温度串级控制系统的控制方法流程图；

图4是本发明实施例的二次再热主蒸汽温度串级控制系统仿真模型图；

图5是本发明实施例的二次再热主蒸汽温度串级控制系统仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

如图1所示，一种二次再热主蒸汽温度串级控制系统，包括主回路控制系统、副回路控制系统、二级过热器1、二级减温器2、三级过热器4、pid控制器9、减温水调节阀10；所述的二级过热器1、二级减温器2、三级过热器4依次采用密封管道串接；所述的减温水调节阀10通过三通密封管道连接于二级过热器1和二级减温器2之间；所述的副回路控制系统的输入端连接于二级减温器2和三级过热器4之间，用于采集三级过热器4入口处的汽温；所述的副回路控制系统的输出端与pid控制器9连接，用于控制减温水调节阀10的开度对三级过热器4出口主汽温进行粗调；所述的主回路控制系统的输入端连接于三级过热器4出口处，用于采集三级过热器4出口主汽温，所述的主回路控制系统的输出端与pid控制器9连接，用于控制减温水调节阀10的开度对三级过热器4出口主汽温进行细调。

三级过热器入口处的汽温与出口主汽温变化趋势是一致的，而三级过热器入口处的汽温的响应速度明显快于出口主汽温，从控制对象的控制通道中加入三级过热器入口处的汽温作为过主汽温度串级控制系统的副回路控制系统的参数，用于控制减温水调节阀的开度对三级过热器出口主汽温进行粗调，提高了控制系统的响应速度，改善了控制系统的控制品质。

所述的副回路控制系统包括第一热电偶温度传感器3、第一温度变送器6；所述的主回路控制系统包括第二热电偶温度传感器5、第二温度变送器7、粒子群智能运算器8；所述的第一热电偶温度传感器3安装于二级减温器2的输出端；所述的第一热电偶温度传感器3与第一温度变送器6电连接，所述的第一温度变送器6的输出端与pid控制器9电连接；所述的第二热电偶温度传感器5安装于三级过热器4的输出端；所述的第二热电偶温度传感器5与第二温度变送器7电连接；所述的第二温度变送器7的输出端与粒子群智能运算器8电连接；所述的粒子群智能运算器8的输出端与pid控制器9电连接；所述的pid控制器9的输出端与减温水调节阀10的控制端电连接。

所述的第一热电偶温度传感器3采集二级减温器2输出端的温度，将温度信号送入第一温度变送器6，所述的第一温度变送器6将温度信号转换为与温度成线性关系的标准电信号送入pid控制器9中；与此同时，所述的第二热电偶温度传感器5采集三级过热器4输出端的温度，将温度信号送入第二温度变送器7，所述的第二温度变送器7将温度信号转换为电动势信号送入粒子群智能运算器8中，粒子群智能运算器8将输入的标准电信号经过运算后，送入pid控制器9中；pid控制器9根据输入的信号来控制减温水调节阀10的开度。

当第一热电偶温度传感器3处温度发生变化时，先对三级过热器4出口主汽温进行粗调；所述的粗具体为：温度信号直接经pid控制器9运算后，改变减温水调节阀10的开度来改变减温水的流量，初步维持三级过热器4入口处的汽温，对三级过热器4出口主汽温进行粗调；再对三级过热器4出口主汽温进行细调；所述的细调具体为：三级过热器4出口主汽温的细调由粒子群智能运算器8控制，只要三级过热器4的出口汽温未达到主汽温设定值，粒子群智能运算器8的输出就不断地变化，使pid控制器9不断地调节减温水调节阀10的开度来改变减温水的流量，直到主汽温恢复到主汽温设定值为止。

所述的热电偶温度传感器的采用omega公司的高温k型热电偶，k型热电偶可以直接测量0℃到1300℃范围的液体蒸汽温度，型号为kqxl-14e-18。

所述的减温水调节阀10采用vatak公司的气动式阀门，气动式减温水调节阀的特点是按照输入信号自动调节系统的流量，实现机组运行过程中自动控制。

粒子群智能运算器8将输入的标准电信号经过运算后，送入pid控制器9中；pid控制器9根据输入的信号来控制减温水调节阀10的开度。

如图2所示，所述的粒子群智能运算器8将输入的标准电信号经过运算后送入pid控制器9中的方法包括以下步骤：

步骤一，将主汽温度设定值r(t)与系统输出值y(t)做差得到误差值e(t)，计算公式为：

e(t)＝r(t)-y(t)(1)

其中，r(t)为主汽温度设定值，y(t)为系统输出值，e(t)为误差值。

步骤二，将误差值e(t)送入粒子群智能运算器8中进行运算，得到比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd；将比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd输入到pid控制器9中得到控制器输出值u(t)，所述的控制器输出值u(t)的计算公式为：

其中，kp、ki和kd分别为比例、积分和微分系数，u(t)为控制器输出值，t自变量，τ为积分中间变量；

步骤三，所述的控制器输出值u(t)与副回路扰动共同输入到控制对象传递函数器后输出系统输出值y(t)，用来控制减温水调节阀10的开度。

如图3所示，所述的步骤二中的粒子群智能运算器8中进行运算的方法为：

1)初始化粒子群，随机产生粒子的位置和速度，并确定粒子的最优位置及整个粒子群的最优位置；

2)对每个粒子的适应值与其所经历的最优位置进行对比，并更新最优位置；

3)对每个粒子的适应值与整个粒子群所经历的最优位置进行对比，并更新整个粒子群的最优位置；

4)根据公式(3)以及公式(4)更新粒子的速度及位置；

所述的更新粒子的速度及位置的公式为：

xt+1＝xt+vt+1(4)

其中，vt和vt+1分别表示粒子更新前、后的速度；xt和xt+1分别表示粒子更新前、后的位置；c1、c2为加速常数；r1、r2为产生的随机数；pt^best和gt^best分别为粒子的个体最优位置和全局最优位置，w为惯性因子。

5)若迭代次数和绝对误差时间积分满足要求，则退出算法，得到最优解，否则返回步骤2)。

所述的绝对误差时间积分值作为粒子群智能运算器的性能评价指标，其值越小系统的性能越好；所述的绝对误差时间积分的计算公式为：

其中，jmin为绝对误差时间积分值，e(t)为输出与输入之间的误差，t为时间。

所述的步骤五中的迭代次数和绝对误差时间积分满足要求指的是：迭代次数达到设置值600，同时绝对误差时间积分值小于设定值0.1。

如图4所示，通过仿真实验对所述的控制方法进行测试，在仿真分析matlab上编写pso算法程序，同时在simulink系统中搭建pid模型文件；

进入simulink建模界面构建模型，设定的标准粒子群算法的初始参数如下所示：粒子数pop为40；最大迭代次数为100；kp，ki，kd三个参数的位置搜索范围为[0，100]，速度范围为[-1，1]；学习因子c1＝c2＝1.49；惯性权重从0.9到0.3线性下降；根据工业现场主汽温的控制特点，设置仿真时间为500s；利用粒子群优化算法进行pid整定，可得：

kp＝22.5632，ki＝0.1704，kd＝98.4566；

如图5所示，仿真结果表明，经粒子群算法优化之后，系统输出在产生第一次震荡后立即减小并趋于稳定，稳定时间在60s，主调节回路的控制性能得到显著提高。

实施例二

如图3所示，一种应用于所述的二次再热主蒸汽温度串级控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，将主汽温度设定值r(t)与系统输出值y(t)做差得到误差值e(t)，计算公式为：

e(t)＝r(t)-y(t)(1)

其中，r(t)为主汽温度设定值，y(t)为系统输出值，e(t)为误差值；

步骤二，将误差值e(t)送入粒子群智能运算器8中进行运算，得到比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd；将比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd输入到pid控制器9中得到控制器输出值u(t)，所述的控制器输出值u(t)的计算公式为：

其中，kp、ki和kd分别为比例、积分和微分系数，u(t)为控制器输出值，t自变量，τ为积分中间变量；

根据公式(2)得到传递函数公式为：

其中，ti为积分时间常数，td为微分时间常数；

所述的步骤二中的粒子群智能运算器8中进行运算的方法为：

1)初始化粒子群，随机产生粒子的位置和速度，并确定粒子的最优位置及整个粒子群的最优位置；

2)对每个粒子的适应值与其所经历的最优位置进行对比，并更新最优位置；

3)对每个粒子的适应值与整个粒子群所经历的最优位置进行对比，并更新整个粒子群的最优位置；

4)根据公式(3)以及公式(4)更新粒子的速度及位置；

所述的步骤4)所述的更新粒子的速度及位置的公式为：

xt+1＝xt+vt+1(4)

其中，vt和vt+1分别表示粒子更新前、后的速度；xt和xt+1分别表示粒子更新前、后的位置；c1、c2为加速常数；r1、r2为产生的随机数；pt^best和gt^best分别为粒子的个体最优位置和全局最优位置，w为惯性因子。

5)若迭代次数和绝对误差时间积分满足要求，则退出算法，得到最优解，否则返回步骤2)。

所述的步骤5)中的绝对误差时间积分值作为粒子群智能运算器的性能评价指标，其值越小系统的性能越好；所述的绝对误差时间积分的计算公式为：

其中，jmin为绝对误差时间积分值，e(t)为输出与输入之间的误差，t为时间；

所述的迭代次数和绝对误差时间积分满足要求指的是：迭代次数达到设置值600，同时绝对误差时间积分值小于设定值0.1。

步骤三，所述的控制器输出值u(t)与副回路扰动共同输入到控制对象传递函数器后输出系统输出值y(t)，用来控制减温水调节阀(10)的开度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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