使用基于模型的温度平衡的蒸汽温度控制制造技术

本发明专利技术公开了一种使用基于模型的温度平衡的蒸汽温度控制。一种用于控制具有多个过热器部分的蒸汽生成锅炉系统的技术包括：确定多个控制信号以控制到涡轮的输出蒸汽的温度。该技术使用第一控制块以基于多个输入温度确定偏移值以及使用动态矩阵控制(DMC)块以基于输出温度和输出温度设置点确定输入蒸汽控制信号。该技术基于该偏移值修改其中一个输入蒸汽控制信号。已修改的输入蒸汽控制信号和未修改的输入蒸汽控制信号被提供给相应的现场设备以控制输入温度并且因此控制输出温度。

【技术实现步骤摘要】

本专利整体涉及锅炉系统的控制并且在一个具体实例中涉及使用基于模型的温度平衡进行用于生成锅炉系统的蒸汽的控制和优化。
技术介绍
各种工业以及非工业应用使用燃料燃烧锅炉，其中，燃料燃烧锅炉一般进行操作以通过燃烧各种类型的燃料如煤、煤气、石油、废料等等中的一种来将化学能转换为热能。燃料燃烧锅炉的示例性的使用是在热力发电机中，其中，燃料燃烧锅炉从经过锅炉中的大量管子和管道传递的水生成蒸汽，并且生成的蒸汽然后用于操作一个或多个蒸汽涡轮以产生电。热力发电机的输出基于锅炉中生成的热量的数量，其中，热量的数量直接由例如每小时消耗(例如燃烧)的燃料的数量确定。在许多情况中，发电系统包括锅炉，锅炉具有用于燃烧或以其他方式使用燃料来生成热量的炉子，热量又被传递给流经锅炉的各个部分中的管子或管道的水。典型的蒸汽生成系统包括具有过热器部分(其具有一个或多个子部分)的锅炉，其中，在该过热器部分中产生蒸汽并且蒸汽被提供给通常高压的第一蒸汽涡轮并且在第一蒸汽涡轮中使用。虽然基于热力的发电机的效率严重依赖于用于燃烧燃料并且传递热量给在锅炉的过热器部分或任意额外部分中流动的水的特定炉子/锅炉组合的热传递效率，但是该效率还依赖于用于控制锅炉的过热器部分或任意额外部分中的蒸汽的温度的控制技术。然而，如我们将理解的，发电厂的蒸汽涡轮一般在不同的时间运行在不同的操作等级上，以基于能量或负载需求产生不同数量的电流。对于大部分使用蒸汽锅炉的发电厂，在锅炉的最终过热器出口处的期望蒸汽温度设置点是保持恒定的，并且在全部负载等级上必需保持蒸汽温度接近该设置点(例如在窄的范围之内)。具体地，在使用(例如发电)锅炉的操作中，蒸汽温度的控制是关键的，因为从锅炉流出的和进入蒸汽涡轮的蒸汽的温度处于最优期望温度是重要的。如果蒸汽温度过高，则蒸汽可能由于各种冶金学的原因导致蒸汽涡轮的叶片损坏。另一方面，如果蒸汽温度过低，则蒸汽可能包括水颗粒，这又可能在蒸汽涡轮的长时期操作后损坏蒸汽涡轮的组件以及降低涡轮的操作效率。此外，蒸汽温度的变化还导致金属材料疲劳，其导致管道泄漏。一般，锅炉的每个部分(即过热器部分和任意附加部分如再热器部分)包括级联的热交换器部分，其中，从一个热交换器部分流出的蒸汽进入接下来的热交换器部分，使得在每个热交换器部分处蒸汽的温度增加直到蒸汽理想地以期望的蒸汽温度输出给涡轮为止。一些热交换器部分包括例如单独的主过热器，这些主过热器并行连接并且又可以串行连接到最终的过热器。在该级联配置中，主要通过控制在锅炉的第一级的输出处的水的温度(这主要通过改变提供给炉子的燃料/空气混合物或者通过改变提供给炉子/锅炉组合的燃烧速率对输入给水的比率来实现)来控制蒸汽温度。在不具有锅筒的直流式锅炉系统中，可以主要使用输入到系统的燃烧速率对给水比率来调节在涡轮的输入处的蒸汽温度。虽然改变提供给炉子/锅炉组合的燃料/空气比率和燃烧速率对给水比率操作良好地随着时间实现蒸汽温度的期望控制，但是仅使用燃料/空气混合物控制和燃烧速率对给水比率控制难以控制在锅炉的各种部分处的蒸汽温度的短期波动。反之，为了执行短期(以及次级)蒸汽温度控制，在位于紧靠涡轮的上游、最终热交换器部分之前处将饱和水喷雾到蒸汽中。该次级蒸汽温度控制操作一般发生在每个主过热器的输出处并且在锅炉的最终热交换器部分之前。为了实现该操作，沿蒸汽流动路径并且在热交换器部分之间设置温度传感器以测量在沿流动路径的关键点处的蒸汽温度，并且为了蒸汽温度控制目的而将测量的温度用于调节向蒸汽中喷雾的饱和水的量。在一些情况中，必须严重依赖喷雾技术来根据需要尽可能精确地控制蒸汽温度，以满足上述的涡轮温度约束。在一个实例中，经过锅炉中的一组导管来提供连续的水(蒸汽)流并且不使用锅筒以实际上将流出第一锅炉部分的蒸汽或水的温度进行平均化的直流式锅炉系统可能在蒸汽温度中经历更大的波动并且因此一般需要喷雾部分的更繁重的使用来控制到涡轮的输入处的蒸汽温度。在这些系统中，一般使用燃烧速率对给水比率控制连同过热器喷雾流动来调节炉子/锅炉系统。在这些以及其他锅炉系统中，分布式控制系统(DCS)使用级联PID (比例积分微分)控制器来控制提供给炉子的燃料/空气混合物和在涡轮上游执行的喷雾的量。然而，级联PID控制器一般以反作用的方式响应于待控制的从属过程变量(如待被传递到涡轮的蒸汽的温度)的实际值或等级与设置点之间的差或误差。即，控制响应发生在从属过程变量已经从其设置点漂移之后。例如，仅在传递给涡轮的蒸汽的温度已经从其目标漂移之后位于涡轮的上游的喷雾阀才被控制以重新调整它们的喷雾流。无疑，该反作用控制响应结合改变锅炉操作条件可能导致大的温度摆动，该大的温度摆动导致对锅炉系统的压力并且缩短管道、喷雾控制阀和系统的其他组件的寿命。
技术实现思路
本文描述的系统、方法和控制器的实施方式包括用于控制蒸汽生成系统的技术，包括使用动态矩阵控制来控制蒸汽生成系统的至少一部分，如输入蒸汽生成系统的最终过热器组件的蒸汽的温度。最终过热器组件加热输入蒸汽以产生输入到涡轮的输出蒸汽。本文所使用的术语“输出蒸汽”是指从蒸汽生成系统立即传递到涡轮中的蒸汽。本文所使用的“输出蒸汽温度”是离开蒸汽生成系统并且进入涡轮的输出蒸汽的温度。用于控制蒸汽生成系统的技术可以包括第一控制块，该第一控制块接收两个信号作为输入，该两个信号中的每个信号对应于该蒸汽生成系统的中间部分的实际值、等级或测量值。该技术进一步包括动态矩阵控制块，该动态矩阵控制块接收与该蒸汽生成系统的待被控制的部分的实际值、等级或测量值相对应的信号(例如实际输出蒸汽温度)作为其输入；以及该蒸汽生成系统的待被控制的部分的设置点(例如输出蒸汽温度设置点)。第一控制块基于其输入生成用于表示两个输入信号的实际值、等级或测量值之间的差的偏移值。动态矩阵控制块基于其输入生成与多个现场设备相关联的控制信号以控制中间部分的值、等级或测量值。该技术还包括用于根据该动态矩阵控制的控制信号生成第一控制信号和第二控制信号的模块。附加模块基于偏移值修改该第一控制信号。该技术被配置为将修改的第一控制信号提供给第一现场设备以控制该中间部分的一部分并且提供该第二控制信号给第二现场设备以控制该中间部分的附加部分。该第一现场设备和第二现场设备朝着蒸汽生成系统的至少一部分的期望输出蒸汽温度设置点影响该至少一部分。因此，延长了蒸汽生成系统的管道、阀和其他内部组件的寿命，因为该技术将由于系统中的温度和其他变量的摆动导致的压力最小化。【附图说明】图1示出了具有用于一组典型的蒸汽动力涡轮的过热器部分的典型的锅炉蒸汽循环的方框图，该过热器部分具有并行连接到最终过热器的两个主过热器；图2示出了用于以现有方式控制如图1的蒸汽动力涡轮的锅炉蒸汽循环的过热器部分的示意图；图3示出了以有助于优化系统的效率来控制图1的过热器部分的锅炉蒸汽循环的示意图；图4示出了一个用于控制蒸汽生成锅炉系统的示例性方法。【具体实施方式】虽然以下文本描述了本专利技术的多个不同实施方式的详细描述，但是应该理解本专利技术的法律范围是由本专利所附权利要求的文字限定的。详细描述仅被理解为示例性的并且不是描述本专利技术的每个可能的实施方式，因为描述每个可能的实施方式即使可能的也是不切实际的。可以使用当前技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制蒸汽生成锅炉系统的方法，所述蒸汽生成锅炉系统具有形成到最终过热器部分的并行连接的两个主过热器部分，所述方法包括：获得1)所述蒸汽生成锅炉系统的第一输入蒸汽的第一温度，2)所述蒸汽生成锅炉系统的第二输入蒸汽的第二温度，以及3)使用所述第一输入蒸汽和所述第二输入蒸汽生成的输出蒸汽的输出温度，所述输出蒸汽被传递到涡轮；由控制器基于所述第一温度和所述第二温度确定偏移值；基于所述输出温度和输出温度设置点生成用于控制所述第一温度的第一控制信号和用于控制所述第二温度的第二控制信号；基于所述偏移值修改所述第一控制信号；根据已修改的所述第一控制信号控制所述第一温度；并且根据所述第二控制信号控制所述第二温度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R·A·贝维里吉，
申请(专利权)人：爱默生过程管理电力和水解决方案公司，
类型：发明
国别省市：美国;US