6ES7223-1PH22-0XA8销售

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蒸汽温度控制是锅炉控制中一个重要组成部分,其性能好坏将直接影响负荷响应速度和炉管应力变化。本文以George Neal电厂三号机组改造为例,采用Smartprocess 蒸汽温度优化软件对蒸汽温度控制回路进行改进,终试验结果表明这种控制策略能够明显改善蒸汽温度控制效果,并且有效减少了炉管泄漏次数。

    1. 引言

    随着电力行业竞争的加剧,许多发电企业采取各种各样的手段来适应新形势的发展。虽然没有人能够预测未来将如何,但直接的措施就是降低运行和维护成本、降低煤耗,提高机组可用率。本文将以MidAmerican Energy 公司的George Neal 电站 3 号机组改造项目为例,介绍Smartprocess 蒸汽温度优化器在蒸汽温度控制中的应用,以提高汽温控制品质,减少炉管泄漏,终实现发电成本的降低。

    2. 用户背景

    George Neal电站位于IOWA州密苏里河边。其3号机组容量为515MW,采用Foster-Wheeler对冲式汽包炉和GE公司汽轮机,6台MPS-89磨煤机分别为前后炉墙的24个燃烧器供应煤粉。过热蒸汽温度通过一级和二级喷水控制,再热蒸汽温度通过喷水、过热挡板和再热挡板进行控制。锅炉控制系统采用WDPF系统。

    控制系统改造前,蒸汽温度的过度震荡过大,限制了机组响应速度,低负荷下响应速度为1%/min,高负荷下响应速度为0.3%/min。因此,用户会同EPRI和控制系统供应商艾默生公司讨论,决定利用Smartprocess 蒸汽温度优化器来改进负荷动态变化情况下的温度响应,从而实现负荷响应速度的提高。Smartprocess 蒸汽温度优化器是艾默生公司电力优化软件包中一个非常重要的模块,它采用预测控制和模糊逻辑来增强汽温控制回路的前馈作用,达到提高汽温控制品质的目的。

    3. 工程规划

    整个控制系统改造工程要实现两个任务:一是改进蒸汽温度控制,提高机组负荷响应能力;二是对比常规PID控制方式,记录优化系统的改进效果。整个工程的主要步骤包括:

    > 记录现有系统设计方案和性能
    > 优化当前系统并进行试验
    > 设计和安装蒸汽温度控制系统
    > 测试和记录控制系统的性能
    > 准备测试报告

    4. 现有系统评估

    现有的控制系统是一套常规PID控制系统。过热器二级喷水采用串级控制,一个外回路控制器,两个内回路控制器。过热器一级喷水也采用串级控制,内外回路控制器均有两个。烟气挡板由一个再热温度控制器控制在一个预先配置的范围。再热喷水控制回路为单PID回路。现有控制系统中特殊的就是蒸汽温度控制回路中没有任何前馈信号。图1为二级喷水控制回路的功能框图,TTFuzz模块为优化后增加的前馈模块。

    优化工作开始前,记录现有回路中PID控制器和其它的可调整模块的整定设置。然后对现有的PID参数进行调整,以期提高控制响应品质。过热喷水调节参数进行比较大的调整,负荷响应速度改善非常明显。进一步的试验分析表明当前的参数设置在某个工况下非常接近优化器给出的设定值。烟气挡板调节设置和再热喷水设置都做过很小的改动。

    5. 模型辨识与测试

    要设计多变量控制器,先建立过程模型。建立过程模型的方法有很多种,实用的是模型辨识。模型辨识（或者系统辨识）需要采集机组特定运行工况试验下的控制器输入输出以及扰动变量数据。这些试验用于激励出建模所需的所有过程模型特征。典型的试验包括:开环阶跃试验、伪随机二元序列试验和频率响应试验。如果需要,还可进行闭环设定值阶跃试验。如果已知扰动量对过程对象有很大的影响,则进行扰动试验。

    就本工程而言,所有的蒸汽温度控制回路都进行开环阶跃试验和闭环设定值响应试验。此外,还进行了反映扰动效果的负荷变化和磨煤机起停试验。所有测试耗时5天完成。DCS的历史站用于记录所有的测试数据。整套试验采集150个数据点;并且试验期间,这些点在历史站上的采集死区配置为接近0。如果采集数据的死区过大,模型辨识软件将无法产生好的效果。高保真度数据对辨识模型的度是至关重要的。

    试验结束后,数据将从历史站中提取出来,然后开始模型辨识阶段。由于本项目采用了两种不同的控制技术,所以需要两种不同的模型。

    6. 控制器设计

    本工程所采用的Smartprocess 蒸汽温度优化器包含两种立的技术。模型预测控制用于调整外回路控制器的设定值,而动态前馈系统则用于动态补偿内回路的设定值。图1给出了控制系统如何和常规控制系统接口。其它回路也采用类似的方案实现。

    模型预测控制系统采用Aspen Target控制器,而动态前馈采用TTFuzz控制器。Target控制器有5个控制变量、5个被控变量和许多扰动变量。TTFuzz控制器有6个前馈输出和大约40个扰动输入变量。

    Aspen Target控制器采用带非线性校正系数（神经网络）的线性小二乘模型（PLS: Partial Least Squares）,具体的组合方式可以参考混合模型。这种合成模型克服了纯神经网络模型的外推泛化问题。神经网络模型有两种学习规则,Kalman和可变矩阵。神经网络的隐层数和隐层节点数都是可调的。

    TTFuzz前馈控制器属于Takagi-Sugeno模型,用于补偿影响过程对象的可测量扰动。基于这些扰动变量,前馈控制器将产生前馈补偿信号以补偿PID回路的扰动。的补偿计算需要的过程模型和扰动影响模型。前馈概念可以这样理解:从控制变量到被控变量的模型（传递函数）可以通过各种试验获得,如同扰动变量到被控变量的建模过程。由于扰动的当前值是可测量的,那么它对被控变量的影响也是能够确定的,从而可以得出控制变量的修正值,实现扰动对被控变量影响的小化。

    7. 工程实施

    这两种控制器都在直接连接WDPF数据高速公路的Sun Ultra工作站上实现。数据接口软件用于实现控制器和常规DCS逻辑的数据交换。另外,绘制了新的操作界面,用于切换选择控制模式和常规控制模式,并允许操作人员根据需要起动和停止控制策略。现有的蒸汽控制界面也经过一定的修改,可以显示出当前的控制模式。

    由于再热汽温有两个控制变量,所以TTFuzz控制器协调控制档板和再热喷水阀。再热喷水对机组热效率有负面影响,因而从控制策略上讲,要尽可能减小喷水量。综合考虑以上因素,整个控制策略如下:

    > 如果喷水修正值为负而且喷水阀门尚未全关,则仅采用喷水修正值。
    > 如果喷水修正值为负而且喷水阀门已经关闭,则继续保持喷水阀门关闭,剩余修正由挡板回路完成。
    > 如果喷水修正值为正（阀门开启）,则会调整挡板直至饱和后,才使用喷水控制。

    8. 验收

    验收过程包括了非常详细的测试方案,以确保整个优化系统的所有组成部分都能够满足要求。测试包括三种运行类型和四种不同的控制器组合,总共12项测试。运行类型包括:

    > 从全负荷（约500MW）降至400MW,然后回升到全负荷。
    > 从380MW降至280MW,然后返回380MW
    > 一台磨煤机停运

    控制器配置方案有:
    > 全部采用原来的PID控制器整定设置
    > 采用新的PID控制器整定设置
    > 采用新的PID控制器整定设置和TTFuzz控制器
    > 采用新的PID控制器整定设置和TTFuzz、Aspen Target控制器在

    Neal 3号机组,吹灰是连续进行的,这是蒸汽温度控制的一个主要扰动。为了减小因吹灰所导致的测试结果差异,在每次测试期间,都进行同样的吹灰步骤。也就是说,每次测试中的吹灰过程是相同的,以使其对蒸汽温度的影响相似。

    9. 优化结果

    WDPF的历史存储和检索系统（即历史站）用于记录这些测试结果。图2显示了在三种不同控制器配置下高负荷段的过热汽温响应曲线。为了能够量化分析回路特性,所有的测试数据都进行平均误差、大误差和标准差分析。测试结果表明:与旧的PID整定参数相比,新的PID整定参数非常好地改进了的回路性能;带TTFuzz的PID比不带TTFuzz的PID的控制效果也有明显提高;增加Aspen Target控制后,回路性能有了一定的边际改善。

风能作为一种取之不尽、清洁的可再生能源，它的开发利用已经受到了的普遍重视。作为风力资源丰富的国家之一，我国在风力发电机组的国产化方面了较快的进展，“九五”期间实现了600kW风力发电机组96％的国产化率，成功开发了600kW失速型风力发电机组控制系统这一关键技术。目前，我们承担了国家863“兆瓦级变速恒频风力发电机组电气控制系统”的研制攻关任务，研制工作正在积有效地开展中。
    变速恒频风力发电机组与失速型风力发电机组相比，其中一个很大的优点是额定风速以上输出功率平稳。变速恒频风力发电机组运行在额定风速以上时，既要使额定功率点以上输出功率平稳，避免波动，又要使发电机组传动系统具有良好的柔性，同时还要考虑对风电机组实现有效保护。目前我们研制的兆瓦级变速恒频风电机组主要采用了变桨距控制技术。变桨距控制技术是在风高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片功角，从而改变风电机组获得的空气动力转距，使机组功率输出保持稳定。本控制策略采用了功率反馈闭环控制系统，来实现变速恒频机组额定风速以上的控制目标。
    [B]变桨距机构介绍[/B]
    变桨距执行机构是由机械和液压系统组成，它沿着风机的纵向轴调节风机的桨叶。因为桨叶的惯量很大，且变桨距执行机构不应该消耗大量的功率，所以执行机构具有的限制能力，其动态特性是在桨距角和桨距速率上均具有饱和限制的非线性动态，当桨距角和桨距速率小于饱和限度时，桨距动态呈线性。变桨执行机构如图1所示。

    变频器干扰问题一般分为三类:
    （1） 变频器自身干扰;
    （2） 外界设备产生的电磁波对变频器干扰;
    （3） 变频器对其它弱电设备干扰。

    2　干扰形成的原因、主要表现及解决办法
    2.1 干扰形成的原因
    变频器主要由整流电路，逆变电路，控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成，电力电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，它要进行快速开关动作，因而产生高次谐波，这样变频器输出波形除基波外还含有大量高次谐波。无论是哪一种干扰类型，高次谐波是变频器产生干扰的主要原因。

    2.2 干扰的主要表现
    变频器出现干扰的主要表现是:
    （1） 电机速度不稳, 时快时慢;
    （2） 电机有时自动停机;
    （3） 操作任何按钮（包括变频器上按钮）电机都停不下来。

    2.3 解决干扰的办法
    （1） 接地端子以“三种方式”接地（单接地）, 接地线愈短愈好, 而且接地良好;
    （2） 控制回路线使用屏蔽线，而且屏蔽线远端屏蔽层悬空，近端接地;
    （3） 根据产品要求, 合理布线, 强电和弱电分离, 保持一定距离, 避免变频器动力线与信号线平行布线, 应分散布线;
    （4） 增加抗无线干扰滤波器，变频器输入和输出抗干扰滤波器或电抗器;
    （5） 采取防止电磁感应的屏蔽措施，甚至可将变频器用金属铁箱屏蔽起来;
    （6） 适当降低载波频率;
    （7） 若用通讯功能，RS485通讯线用双绞线。

    3　干扰源分析及抗干扰措施
    3.1 变频器本身的干扰
    电机经常停不下来，按任何按钮（包括变频器上按钮）都不管用，经查配电柜里接地地线没有连接到大地。我们国家供电系统一般都是三相四线制，若工厂电力变压器中性点直接接地（即电源接地形式为TN或TT），可以把配电柜里地线连接到中性线上。一些乡镇企业不重视地线连接，机床出厂时，按照GB/T5226.1-1996标准,地线与中性线是严格分开的，配电柜里中性线有接线端子“N”，地线有接地螺钉。由于该用户从变压器过来三根相线和一根中性线，只把中性线接到“N”端子上，而地线没有和中性线相连，虽说控制线使用了屏蔽线，屏蔽层也接到了接地螺钉，但没有和大地相连, 起不到屏蔽作用，导致了变频器因干扰失控电机停不下来。把配电柜里中性线和地线连接后即恢复正常，也可以把配电柜里地线直接接到大地。许多用户都是采取把地线与中性线相连的办法，但是采用这种办法存在弊端，就是如中性线断开, 启动机床某一动作, 可能使机床带电, 对人身造成危胁。这种干扰属于变频器本身干扰类型。

    3.2 外界设备对变频器的干扰
    电机偶尔停不下来，经检查屏蔽层接地正确良好，降低载波频率不起作用。变频器输入侧及输出侧加磁环滤波器不起作用，后来发现，机床配电柜相邻房间是动力配电室，变频器离配电室配电柜大约有1.5m，全厂有3台30kW电炉和两台45kW机床用电机，配电室配电柜有大电流流过，在电流周围有较强磁场，干扰了变频器正常工作，把机床配电柜远离配电室后即恢复正常，这属于外界设备对变频器干扰。

    3.3 变频器对外界设备的干扰
    起动变频器后，机床报警，经查找，电机线和监视电机的接近开关线穿在一根管里，接近开关接在PC机的输入端，当起动变频器后，高次谐波干扰了接近开关信号，使PC机误动作，产生机床报警，把穿在同一根管里的接近开关线或电机线任何一种改为屏蔽线后即恢复正常，这属于变频器对外界弱电设备干扰。

    3.4 高次谐波对电源的干扰
    同一个车间有几台设备，有变频调速的，有直流调速的，当起动变频调速后，相邻直流调速设备速度不稳，时快时慢，这是由于输入侧高次谐波引起的，在输入侧加电抗器后即恢复正常，这是属于高次谐波对电源的影响。

    4　结束语
    随着现代工业的快速发展，变频器的使用越来越广泛，但频器干扰问题给我们的生产带来了不便，为了使变频器调速系统及周围设备能稳定地工作，作为一名工程技术人员应该在设计及施工时给予充分的考虑，希望本文能在这方面提供一些帮助

目前较常用的交流电动机有两种：1、三相异步电动机。2、单相交流电动机。种多用在工业上，而二种多用在民用电器上。
    一、三相异步电动机的旋转原理
    三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1所示。图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P 式中f为电源频率、P是磁场的磁对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法：1、改变磁法；2、变频法。以往多用种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。
    旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。　 定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n1旋转磁场的转速n。因为设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。为此我们称三相电动机为异步电动机。 
    二、单相交流电动机的旋转原理
    单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。
    要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场。
    在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。因此，起动绕组可以做成短时工作方式。但有很多时候，起动绕组并不断开，我们称这种电动机为电容式单相电动机，要改变这种电动机的转向，可由改变电容器串接的位置来实现。
    在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩法，又称单相罩式电动机。此种电动机定子做成凸式的，有两和四两种。每个磁在1/3——1/4处开有小槽，如图3所示，把磁分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路铜环，好象把这部分磁罩起来一样，所以叫罩式电动机。单相绕组套装在整个磁上，每个的线圈是串联的，连接时使其产生的性依次按N、S、N、S排列。当定子绕组通电后，在磁中产生主磁通，根据楞次定律，其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后90度的感应电流，此电生的磁通在相位上也滞后于主磁通，它的作用与电容式电动机的起动绕组相当，从而产生旋转磁场使电动机转动起来。

    同步电动机的原理：
    同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因素的。
    同步电动机在结构上大致有两种：
    1、转子用直流电进行励磁。这种电动机的转子如图1所示，从图中可看出来，它的转子做成显式的，安装在磁铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁线圈的励磁电流。
    由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。
    当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁，这些磁就企图跟踪定子上的旋转磁，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。
    2、转子不需要励磁的同步电机
    转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面，如图2所示。所以是属于显转子，转子磁是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显的性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁跟住定子磁，使之同步。