过热汽温系统数学建模算法

蒸汽过热器是锅炉的重要组成部分，作用是将饱和蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽。为了提高电厂热力循环的效率，蒸汽的初参数不断提高。蒸汽压力的提高要求相应提高过热蒸汽温度，否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高，影响汽轮机的安全。过热蒸汽温度很高，而过热蒸汽吸热能力较差，因而，建立过热器精确的数学模型，对其进行较为精确的控制，对实际电厂过热器管子金属长期安全工作是有非常重要的指导意义。

过热蒸汽系统在仿真模型中是从蒸汽发生器出口，一直到过热蒸汽进入汽轮机之前的蒸汽管线及相关设备。整个过热蒸汽系统动态模型建立在质量与能量平衡的基础上。逻辑与控制1：1仿真。过热蒸汽系统根据过热蒸汽模型的特点，在建模上主要可分成：受热面算法、混合联箱算法。

过热汽温系统受热面算法

本算法仿真单相介质换热器的动态传热和流动过程，对换热器的外部积灰和内部结垢以及管壁泄漏等过程也给予仿真。受热面主要计算各传热系数：

（1）烟侧换热系数

（2）工质热换侧系数

（3）烟侧放热量

（4）工质吸热量

过热汽温系统混合联箱算法

为了减小热偏差，可以将过热器受热面分成几级，对某一级来说受热不同的管子联到了同一联箱，在联箱内使蒸汽充分混合，这样在某一级中产生的热偏差，经混合后可以消除或减小，级分得越多，热偏差值就越小。一般中压锅炉，过热器分两级，级间混合一次。高压锅炉常将过热器分三级、混合两次或分四级、混合三次。超高 压锅炉将过热器分四级、五级。更高参数的锅炉将过热器的级数分得更多。所以混合联箱在过热器系统中对于消除或减小热偏差是很重要的。

该算法模拟了最多5种质量和能量的混合，也可以模拟某些物质（如硅Si）的浓度。根据进入联箱的各种流体的流量及其对应的焓/深度，计算出口的焓或指定元素的质量浓度。混合可以是瞬时的（无质量），也可计算为设备阻塞。无论哪种情况，假定混合为理想混合 。2100433B

一般过热系统采取的是喷水减温作为过热汽温的调节方式，分别在屏式过热器以及末级过热器入口布置两个喷水减温器，构成两级喷水减温系统，通过调节减温器喷水量调节主蒸汽温度，减温水来自锅炉给水系统。本文以末级过热器和布置在其入口位置的喷水减温器构成的末级过热系统为具体的研究对象，分别对过热器、喷水减温器进行机理分析，建立其机理模型 。过热系统结构简图如图2所示：

其中，

针对过热器的实际结构，一般将各段过热器按流程顺序相连成一个整体，并将其视为一根等效单相受热管，容积和金属质量为各段过热器容积和金属质量的总和，同时不考虑过热蒸汽的重位压降。单相受热管物理模型如图3所示：

图3中，

基于这些简化假定，可以根据流体力学、热力学和传热学等的基本原理，建立起如下的动态数学模型。

（1）质量守恒方程（连续方程）

在管内取长度为dy的微元体，截面积为F，管内介质的流量是长度和时间t的函数。根据质量守恒

式中，D为管内介质流量；v为介质比容。

（2）能量守恒方程

式中，η为工质焓；

（3）管内放热方程

式中，

（4）管壁金属的热平衡方程

式中，

最终过热器入口温度扰动的传递函数

式中参数为：

锅炉燃烧流程：在炉膛的前、后墙的拱上均匀布置了46 个旋风分离燃烧器，一次风机将经过空气预热器的热一次风送入磨煤机，热一次风携带双进双出磨煤机研磨好的煤粉、空气混合物沿着煤粉管道输送到燃烧器。二次风机将通过空气预热器的二次风送入炉膛前、后墙二次风出口。从前、后墙拱上燃烧器喷射的煤粉气流在下炉膛燃烧后火焰向上折，形成所谓的“W”型火焰。燃烧形成的烟气随着火焰往上经过上部炉膛，上炉膛内布置了屏式过热器，它既吸收炉膛中火焰的辐射热,又以对流方式吸收流过它的烟气的热量；接着烟气流过锅炉的水平烟道，水平烟道布置了高温过热器和高温再热器，它们主要以对流传热方式吸收流过它的烟气的热量；然后烟气转弯向下流动，在这里烟气通过挡板被分为两股平行的对流受热烟道，这个区域称为热回收区。前、后两个烟道内分别布置了低温过热器、低温再热器，通过调节这两个烟道内的挡板开度来调整流入两个烟道的烟气流量从而达到控制再热汽温的目的。

在过热系统中，来自汽包的饱和蒸汽流经顶棚过热器、包墙过热器、低温过热器、可疏水式屏式过热器及末级过热器达到符合设计要求的过热蒸汽出口温度。为了消除热偏差通常会在屏式过热器与高温末级过热器之间设置联箱进行蒸汽一次交叉混合。在屏式过热器入口和末级过热器入口蒸汽管道上，分别设置两级喷水减温器以控制过热蒸汽温度。末级过热器出口主蒸汽由集箱一端引出。

过热系统蒸汽流图如图1所示：

在过热系统中，除了两级喷水减温器外，过热系统的其他环节可以归为单相受热管来处理，它们的特点是工质在受热过程中不会发生相变。在锅炉运行过程中，过热器内的工质温度、压力、比焓和密度等热力参数均随时间和空间的变化而变化，是典型的分布参数环节。

火力发电厂热工控制中，锅炉出口过热蒸汽温度（主汽温）是锅炉的主要参数之一，也是整个汽水行程中工质的最高温度，对电厂的安全经济运行有重大影响。单元机组各级过热蒸汽温度控制的惯性时间常数和迟延时间都很大，且机组容量越大，过热器管道越长，惯性时间和纯迟延时间也越长；另外，锅炉动态特性随工况或干扰等因素变化发生变化。影响过热汽温的主要因素有：流量、压力、燃烧状况、减温水调节阀的开度。上述任何一个因素的变化都会导致过热蒸汽温度不同程度的变化。除此之外，过热汽温度往往表现出一定的非线性和时变特性。随着科学技术不断创新发展和机组容量不断增大，对过热汽温系统建立比较精确的模型显得尤为重要。

工程中常用的过热汽温控制系统，还是采用最基本的串级调节和具有导前微分的双回路控制机构。

过热汽温控制系统过热汽温串级控制系统

基于过热汽温系统的特点，为了改善系统的动态特性，引入中间点信号作为控制系统的补充信号，从而构成了串级控制系统。

过热汽温控制系统采用导前微分信号的过热汽温双回路控制系统

导前汽温微分信号的控制系统。并引入了导前汽温微分信号为调节器的补充信号，从而提高调节质量。通过分析得出了串级控制系统的主副两个调节回路的工作比较独立，系统投运时参数整定、调试直观方便，而有导前汽温微分信号的双回路调节系统的两个回路在参数在整定时相互影响、不易掌握。

对于过热汽温的特性，广大学者和研究热人员给予了过热汽温控制系统广泛的关注，并提出许多新的控制方案，下面简要介绍有代表性的四种。

过热汽温控制系统PID 状态反馈控制方案

在串级调节的基础上，增加了状态观测器，并将状态变量反馈到减温器的执行器上。当被控对象发生变化时，可以更快的了解变化信息，并通过反馈直接作用到执行器上，改善了系统的动态特性。

过热汽温控制系统Smith预估控制方案

在传统串级控制的基础上，主控制回路采用了Smith预估器。实践证明，在汽温控制中采用Smith预估控制，对于抑制超调是非常有效的。由于Smith预估器可根据搭设的数学模型来预先估计出所采用的控制动作对过程变量的可能影响，而不必等到过程变量有所反应后再去校正所采取的控制动作，从而提高调节效果。

过热汽温控制系统应用模糊理论的控制方案

模糊控制方案仍然采用了串级控制系统的结构，内回路与传统的串级控制相同，主调节器采用模糊控制器。模糊控制器的设计是根据人工控制规则，将人工控制的实践经验加以总结而得到一个多级Fuzzy条件语句，采用模糊集合理论实现，模糊控制规则的质量决定了系统的控制性能。

过热汽温控制系统应用神经网络的控制方案

神经网络控制器中引入过热汽温设定值及其偏差，在线补偿调节器，提高了对象动态特性的变化的适应性。同时研究人员还提出了预测智能控制、神经网络模糊控制等方案，研究表明，这些方法的控制效果比传统的控制有了很大的提高。总而言之，随着先进控制的发展，对过热汽温的控制将有更好的控制方案。

过热汽温的控制一直是火电厂模拟量控制系统的难点，主要是因为过热汽温控制对象具有大延时、大惯性、非线性和时变性等特点，釆用常规和简单的控制规律难以获得较好的调节效果。长期以来，过热汽温的控制是火电厂自动控制领域研究的热点方向，已经出现了相当多的控制方案以及应用尝试。

工程中常用的汽温控制系统，还是采用最基本的串级调节和具有导前微分的双回路控制机构。由于过热汽温系统具有大延时、大惯性，为了改善系统的动态特性，引入中间点信号作为控制系统的补充信号，从而构成了串级控制系统，通过主副回路的调节器去控制执行机构，以改变减温水量来维持过热汽温基本不变。与此同时还有一些改进的过热气温控制方法，比如说PID 状态反馈控制、Smith预估控制、应用模糊理论的控制等。在实际应用中都取得了较好的控制效果，有利于电厂的安全稳定运行。因此，近年来人们对于先进控制策略的研究更加深入，希望能提出更好的控制方案应用于过热汽温控制系统。 2100433B