中國能源建設(shè)集團(tuán)華北電力試驗(yàn)研究院，天津 300000

一、引言

目前世界電力的主要來源是由電廠提供，所以電力工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中起著舉足輕重的作用。而隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速發(fā)展，對于電廠機(jī)組的要求也變得越來越高，發(fā)展方向朝著“大容量、高參數(shù)、高自動化”轉(zhuǎn)變[1]。就自動化而言，為了提高自動化程度，就要從自動控制理論及控制方法等方面入手。

電廠的種類有以下幾種：火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、風(fēng)力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠。火力發(fā)電廠依靠煤、石油、天然氣等自然資源作為燃料，隨著人們對于環(huán)境保護(hù)意識的提高，垃圾成為一種新的燃燒資源，焚燒垃圾的垃圾發(fā)電廠的建設(shè)速度得到快速地發(fā)展，成為很多地方的標(biāo)桿工程。

火力發(fā)電廠的工作原理是將燃料的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，通過鍋爐將熱能轉(zhuǎn)化為水蒸氣的熱能，水蒸氣經(jīng)過汽輪機(jī)，將熱能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)的機(jī)械能，再通過汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能?；鹆Πl(fā)電廠的主要系統(tǒng)包括：燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)的核心就是鍋爐燃燒，使高溫?zé)煔饨?jīng)過汽水系統(tǒng)產(chǎn)生符合工質(zhì)要求的水蒸氣。

汽包的蒸汽經(jīng)過過熱器的加熱后達(dá)到工質(zhì)要求，進(jìn)入主蒸汽管道，所以有時過熱器終端的過熱蒸汽溫度也被視為主蒸汽溫度，成為電廠機(jī)組整套運(yùn)行中的重要參數(shù)之一[2-4]。針對溫度控制的方法有很多[5]，主要采用的方法是煙氣溫度控制和減溫水流量控制。

某垃圾焚燒發(fā)電廠，采用的過熱器是由三級、二級和一級過熱器組成，布置在水平煙道內(nèi)，兩級減溫器布置在一、二、三級過熱器之間。運(yùn)行人員通過設(shè)計(jì)好的單回路PID控制系統(tǒng)，通過控制單級過熱器的入口溫度，間接控制單級過熱器的出口溫度。

在調(diào)試過程中，運(yùn)行人員時常需要根據(jù)出口溫度的波動來調(diào)整入口溫度的設(shè)定值，這無疑增加了運(yùn)行人員的工作量，為機(jī)組運(yùn)行中帶來不確定性，同時體現(xiàn)出單回路PID對于外界擾動過于敏感，抗擾性不強(qiáng)。所以，與業(yè)主溝通后采用串級PID控制系統(tǒng)取代單回路PID控制。過熱器組成如圖1所示。

二、控制器設(shè)計(jì)

PID控制器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，控制參數(shù)少，穩(wěn)定性和可靠性也比較高[6-7]，所以在工程項(xiàng)目中被經(jīng)常使用。其原理是根據(jù)：

其中，u(t)—控制律；

e(t) —誤差量；

Kp—比例P的系數(shù)；Ti—積分I的系數(shù)；Td—微分D的系數(shù)。

根據(jù)給定值和實(shí)際值的偏差，利用比例、積分、微分三個控制參數(shù)加權(quán)和構(gòu)成的控制量，對被控對象進(jìn)行控制。PID的控制律由比例P、積分I、微分D之間的加權(quán)和組成，其組合方式有很多，根據(jù)被控對象的特點(diǎn)和實(shí)際需要并不一定三個參數(shù)都需要用上。

比例控制參數(shù)在控制器設(shè)計(jì)當(dāng)中是不可忽略的，因?yàn)闉榱思涌煜到y(tǒng)的響應(yīng)速度，往往會設(shè)置比較大的控制參數(shù)，這樣雖然會實(shí)現(xiàn)加快跟蹤到目標(biāo)信號從而減小誤差，但是因?yàn)榉e分系數(shù)沒有與之匹配的改變而產(chǎn)生超調(diào)甚至是震蕩的效果。積分控制參數(shù)有時在控制器設(shè)定中會被忽略，因?yàn)槠渲饕饔檬窍o差，對于控制效果而言，既然能追蹤到信號并且穩(wěn)定到理想值也就不存在需要考慮的靜差，但是當(dāng)系統(tǒng)存在靜差時，選取適當(dāng)?shù)姆e分參數(shù)能夠在有限的時間內(nèi)完成靜差的消除。微分控制參數(shù)在控制器當(dāng)中常常和比例控制參數(shù)一起聯(lián)合使用，因?yàn)槲⒎挚刂茀?shù)的主要作用是抑制偏差和減小超調(diào)，從而避免控制效果出現(xiàn)震蕩，影響系統(tǒng)正常作業(yè)。微分系數(shù)設(shè)定的越大，其控制震蕩的效果也就越好，但是對信號當(dāng)中的噪聲也起到放大效應(yīng)。

過熱器針對于溫度控制而設(shè)置。因?yàn)槔贌a(chǎn)生的熱量相對不穩(wěn)定，導(dǎo)致煙氣溫度波動幅度大，工況時常發(fā)生變化，而常規(guī)的PID控制對于時變對象的非線性控制，其控制效果并不理想，所以采用串級PID控制，改善系統(tǒng)的大滯后性，提高控制器對外界擾動的抗擾性，增強(qiáng)過熱器對于溫度控制的穩(wěn)定性。以單級過熱器為例，串級PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，副PID控制器對減溫器水流量進(jìn)行控制，從而控制過熱器前的導(dǎo)前區(qū)溫度；而主PID控制器根據(jù)過熱器后的惰性區(qū)溫度與設(shè)定值的偏差，將輸出值傳送給副PID，成為PID的設(shè)定值，所以串級PID控制器利用主PID控制器控制過熱器出口的溫度，控制系統(tǒng)的輸出信號，即主氣溫，起到細(xì)調(diào)的作用，而副PID控制器控制過熱器入口的溫度，克服內(nèi)部擾動對主汽溫度的影響，控制過熱器入口溫度，起到粗調(diào)的作用[8]。因?yàn)橹鱌ID控制器根據(jù)過熱器出口溫度和擾動的變化情況，不斷地修正副PID的設(shè)定值，從而提高過熱器整個控制系統(tǒng)的抗擾性和自適應(yīng)能力，相比于單回路PID的設(shè)定值不變，串級PID的隨動特性可以增強(qiáng)溫度控制的穩(wěn)定性，這樣運(yùn)行人員只要設(shè)置好過熱器的出口溫度就可以，減小了監(jiān)視過程中的工作量和提高了智能性。

三、仿真及實(shí)驗(yàn)

以MATLAB2014b為仿真平臺，用Simulink搭建模型，采用串級PID控制。圖3為單級過熱器的仿真模型。

其中，導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)為：

惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為：

蒸汽流量的擾動值是10，煙氣流量的擾動值是15，同時延遲時間是15s。

通過圖4過熱器溫度變化仿真圖能夠看到，溫度的理想值在時間0s～400s時是230℃，在400s時溫度理想值發(fā)生突變到達(dá)260℃。溫度實(shí)際值在230℃基本穩(wěn)定后，在400s時跟蹤溫度理想值變化，仿真圖很好地反應(yīng)了溫度實(shí)際值在480s時跟蹤上理想值，并且跟蹤效果很理想，沒有明顯的大幅度振動，同時在受到外界蒸汽流量和煙氣流量擾動的情況下，能保證溫度控制的穩(wěn)定性，反應(yīng)出串級PID控制系統(tǒng)的抗擾性、自適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

圖5和圖6是實(shí)際現(xiàn)場的一級減溫水和二級減溫水的溫度控制曲線。通過圖5和圖6，能夠很直觀地看出，串級PID控制在內(nèi)外環(huán)都采用PI參數(shù)控制后，副PID控制器的跟蹤效果比較理想，主PID控制器的溫度控制相對穩(wěn)定，但是仍有浮動，溫度振幅能夠控制在額定值10℃范圍之內(nèi)。

四、結(jié)論

采用串級PID控制取代單回路PID控制，能夠?qū)崿F(xiàn)過熱器溫度穩(wěn)定控制，通過輸入過熱器的出口設(shè)定溫度，減少了運(yùn)行人員的工作量，提高了其自動化的能力。但是，通過一級、二級過熱器的實(shí)際運(yùn)行情況，出口溫度仍然有波動，主要原因是生活垃圾作為燃燒燃料，每時每刻產(chǎn)生的熱量不同，導(dǎo)致煙氣溫度波動幅度大；同時，減溫器有嚴(yán)重內(nèi)漏，漏水量不清楚，為過熱器調(diào)試增加難度。在外界擾動情況明顯并處于常態(tài)的情況下，串級PID控制仍能使過熱器的溫度穩(wěn)定在理想值附近，體現(xiàn)出其抗擾性和穩(wěn)定性，改善大滯后性。