專利名稱：起動或停車技術(shù)過程生產(chǎn)工藝技術(shù)部件的控制、調(diào)節(jié)方法及調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種例如在發(fā)電廠中使用的生產(chǎn)工藝技術(shù)過程起動或停車的調(diào)節(jié)方法和實施此方法的調(diào)節(jié)裝置。
這類調(diào)節(jié)方法尤其用于確定一些重要的輸入?yún)?shù)，其中有預(yù)先計算出的例如有關(guān)燃料量的、壓力額定值的、蒸汽溫度的、以及有關(guān)閥門和旁通管站點的重要調(diào)節(jié)參數(shù)的模擬設(shè)定值控制，尤其還有在發(fā)電廠的生產(chǎn)工藝技術(shù)部件起動或停車時帶有蒸汽旁通管站點和渦輪機的蒸汽發(fā)生器運行參數(shù)。
在工作原理的說明中很顯然控制量是為某一限定的時間間隔而預(yù)先確定的。燃料的加入量是在考慮到預(yù)先規(guī)定的極限值的情況下而得出的。這里須指出的是，水的噴射只有在起動過程結(jié)束時才可進行。
這種方法的缺點是，要試圖同時分解出控制響應(yīng)和干擾響應(yīng)，這樣調(diào)節(jié)質(zhì)量就達不到本可以達到的最優(yōu)化水平。而且由于使用了工作速度比實時快10倍的第二模擬裝置而引起的對計算時間的高要求，相應(yīng)地對所采用的計算機系統(tǒng)的效率也提出了很高的要求。
由鍋爐供應(yīng)商或程序供應(yīng)商所提供的起動曲線和停車曲線大多是以靜止不變的觀察研究作為基礎(chǔ)的。在此所使用的數(shù)字最優(yōu)化的方法不能用來改善起動/停車的程序步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，在使用一個與生產(chǎn)工藝技術(shù)過程平行運行的數(shù)學(xué)模型計算和校正控制量的模型方法的基礎(chǔ)上，在確定技術(shù)過程生產(chǎn)工藝技術(shù)部件起動或停車時一些重要輸入?yún)?shù)的過程中借助于一個調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)一種優(yōu)選措施，由此使控制響應(yīng)和干擾響應(yīng)相脫離，并且在技術(shù)過程的運行期間，特別是起動或停車時實現(xiàn)最優(yōu)理想位置的接入。此外本發(fā)明將對實施此方法的調(diào)節(jié)裝置加以說明。
本發(fā)明的任務(wù)是通過具有權(quán)利要求1所述特征的最優(yōu)化模型支持的預(yù)控制裝置對生產(chǎn)工藝技術(shù)過程的起動或停車而實行的控制和調(diào)節(jié)的方法，以及通過具有權(quán)利要求7所述特征調(diào)節(jié)裝置來解決的。本發(fā)明各項有利的具體方案在其他各項權(quán)利要求中都作了說明。
借助于脫機進行的最優(yōu)化和模擬過程，首先研究探討因選用了若干適當?shù)脑O(shè)定值控制、特別是因選用了適當?shù)钠饎忧€而帶來的改進的可能性，接著又把改進的可能性應(yīng)用到實際的設(shè)備上。計算出來的設(shè)定值控制在下文中稱為模型支持的預(yù)控制裝置。其中在考慮生產(chǎn)工藝技術(shù)的邊界條件和補充條件，尤其是考慮生產(chǎn)工藝技術(shù)-物理限值的情況下，把嚴謹?shù)膭討B(tài)的且大多是非線性的建模與脫機進行的數(shù)字最優(yōu)化過程相結(jié)合，然后將其應(yīng)用到實際技術(shù)過程中。
在脫機計算的過程中，首先算出了低水平的常規(guī)調(diào)節(jié)用的最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)分布曲線和最優(yōu)控制量分布曲線，以求在給定的補充條件下達到起動成本費用最優(yōu)的目標。在此尤其是把最低的燃料消耗量也作為補充條件加以考慮。在此運用了基本系統(tǒng)的嚴謹?shù)膭討B(tài)過程模型。用于此的還有最優(yōu)判別標準，并且隨著給定的補充條件的不同而計算出各種最優(yōu)化變量的最優(yōu)分布曲線。
在通過以數(shù)學(xué)-物理方法觀察研究技術(shù)過程的足夠精確的模型或是通過對測得的參數(shù)以及實際過程結(jié)構(gòu)特征的評價分析而求出不可測量的變量之后，就產(chǎn)生了質(zhì)量函數(shù)的表達式。借助于優(yōu)化器中合適的數(shù)字最優(yōu)化方法質(zhì)量函數(shù)值可減至最小或增至最大，其中該優(yōu)化器采用了便于觀察的數(shù)學(xué)過程模型，。在此一并考慮了各種待觀察研究的并為實現(xiàn)最優(yōu)化所必須遵循的生產(chǎn)工藝技術(shù)過程的邊界條件和補充條件。其結(jié)果就是觀察研究的過程模型的輸入?yún)?shù)的最優(yōu)理想狀況。這個最優(yōu)化的結(jié)果產(chǎn)生了影響被觀察研究技術(shù)過程的各種變量。在通過(脫機)模擬對用過程模型計算出的理想狀況檢驗之后就在實際技術(shù)過程的起動或停車時對理想位置進行鎖定。
在設(shè)備已處于工作運行狀態(tài)時，過程模型也可以由測量識別，或者通過這些測量進行檢驗。部分地也還需要一些生產(chǎn)工藝技術(shù)部件結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，例如幾何數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)。通過脫機進行的最優(yōu)化和模擬，研究探討因新的設(shè)定值控制例如借助于起動曲線而帶來的改進可能性，并隨后將它運用到實際的設(shè)備上。
利用模型支持的預(yù)控制裝置，人們就可以改善有關(guān)控制響應(yīng)的動態(tài)特性，而同時預(yù)控制裝置不會影響低水平控制環(huán)路的穩(wěn)定性。這樣在控制響應(yīng)和干擾變量特性最優(yōu)化時就存在兩個自由度。因此就要對執(zhí)行元件加以保護，并要減輕常規(guī)控制環(huán)路的負擔，這是由于執(zhí)行元件只需校正與最優(yōu)分布曲線的偏差值。還有一個優(yōu)點是，預(yù)控制裝置和調(diào)節(jié)裝置是可以彼此獨立進行設(shè)計和最優(yōu)化的。如果調(diào)節(jié)器針對干擾變量特性已經(jīng)調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)，那么就有可能在引進模型支持預(yù)控制裝置時不必重新確定此調(diào)節(jié)器的各種參數(shù)。
對于模型支持的預(yù)控制裝置來說，除了要觀察研究控制量之外，如果干擾變量的測量技術(shù)條件具備的話，那么也要對干擾變量進行觀察研究。為了重疊的在線控制量的產(chǎn)生，人們應(yīng)用了一個控制環(huán)路，在該控制環(huán)路中優(yōu)化器被用作為調(diào)節(jié)器。由此實時要求顯著降低，且控制環(huán)路不必必須以和低水平調(diào)節(jié)同樣的取樣時間進行工作，這是因為首要地是只對最初計算出的理想分布曲線進行調(diào)整。
即使與上述現(xiàn)有技術(shù)水平(見DE3133222及G.Kallina的“展望自由負載計算機在蒸汽發(fā)生器起動過程最優(yōu)化中的應(yīng)用”，《VGB發(fā)電技術(shù)雜志》第75卷1995年第7期(Vorausschauender Freilastrechner fuer das optimale Anfahren vonDampferzeugern)”VGB Kraftwerkstechnik 75(1995)，volume 7)相比也有許多優(yōu)點，這是由于用本發(fā)明的方法可以分開進行熱應(yīng)力的計算。
如果按照最優(yōu)判別標準仔細考慮燃料需要量的話，那就可以做到起動成本的最優(yōu)化。作為最優(yōu)化的結(jié)果則要求蒸汽發(fā)生器的水的噴射在起動過程之中就必須開始進行。該效果也可以對燃料需要量產(chǎn)生影響。為了縮短整個起動或停車時間并由此而降低然料成本，也要充分利用現(xiàn)有的自由數(shù)值，如利用厚壁構(gòu)件不穩(wěn)定熱應(yīng)力方面的自由數(shù)值。


現(xiàn)在根據(jù)附圖中示出的實施例對本發(fā)明作進一步的說明。附圖所示為圖1是帶有模型支持的預(yù)控制裝置的調(diào)節(jié)裝置的視圖，圖2是具有已知設(shè)定值和帶有模型支持的預(yù)控制裝置的現(xiàn)有調(diào)節(jié)裝置的視圖，圖3是蒸汽發(fā)生器典型起動過程模擬曲線圖，和圖4是蒸汽發(fā)生器最優(yōu)起動過程模擬曲線圖。
具體實施例方式
圖1示出了按照本發(fā)明對于一個生產(chǎn)技術(shù)運行過程4的至少一個生產(chǎn)工藝技術(shù)部件起動或停車進行控制的方法和裝置，其中借助于調(diào)節(jié)裝置3形成至少一個輸出參數(shù)D4，和由一個在前面串接的模型支持的預(yù)控制裝置5形成至少一個調(diào)節(jié)參數(shù)D2，該調(diào)節(jié)參數(shù)D2又經(jīng)過相加點6作為最終調(diào)節(jié)參數(shù)D6提供給過程4。
對于預(yù)控制裝置5來說，除了要觀察研究至少一個反映實際過程4的輸出參數(shù)D7目標大小的控制量D1之外，還要觀察研究用作調(diào)節(jié)裝置3的控制量的模型輸出參數(shù)D3。在預(yù)控制裝置5的實際應(yīng)用中要區(qū)分兩種不同的情況。
a)在第一種情況下，已有最優(yōu)模型調(diào)節(jié)參數(shù)D2和能夠反映實際調(diào)節(jié)用的現(xiàn)實設(shè)定值的模型輸出參數(shù)D3的數(shù)值表(例如供查表法使用)，這些預(yù)選值是預(yù)先計算出來的并適當?shù)卮鎯ζ饋?，在起動或停車時作為數(shù)據(jù)流D6反饋到實際技術(shù)過程4中。
b)在第二種情況下，在起動或停車期間重復(fù)進行過程模型2的最優(yōu)化和模擬。為此，需按實際設(shè)備的情況對過程模型2進行調(diào)整修正，以便模型輸出參數(shù)D3能與過程輸出參數(shù)D7取得一致。
預(yù)控制裝置5包含一個優(yōu)化器1和一個過程模型2，它將優(yōu)化了的模型輸出參數(shù)D3提供給實際的調(diào)節(jié)，也就是提供給調(diào)節(jié)裝置3。與此同時，用于實際過程4的控制量D1被提供給優(yōu)化器1，優(yōu)化器1又給出一個優(yōu)化了的模型調(diào)節(jié)參數(shù)D2，用作輸入?yún)?shù)提供給預(yù)控制裝置5的過程模型2，此外調(diào)節(jié)參數(shù)D2還將加到調(diào)節(jié)裝置3的輸出參數(shù)D4上，以形成調(diào)節(jié)參數(shù)D6。過程模型2的模型輸出參數(shù)D3被提供給調(diào)節(jié)裝置3用作設(shè)定值，此外D3還與低水平的、特別是在實際過程4中不可測量的變量D5一起反饋給優(yōu)化器1。
在第二種情況b)下按實際技術(shù)過程4的要求對過程模型2進行的調(diào)整修正是通過可測量的過程參數(shù)D7進行的。這樣就能夠排除過程模型2與實際過程4之間的偏差，尤其是在實際過程4中出現(xiàn)干擾變量D8時，依然能排除兩者間的偏差。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明在過程4既已有調(diào)節(jié)裝置3可供支配使用又有已知的設(shè)定值D10的情況下，對服務(wù)于過程的預(yù)控制裝置5的布置。在此必須將已有的設(shè)定值D10提供給過程模型2。之后模型輸出參數(shù)D3在相加點7處用已有的設(shè)定值D10加以修正。經(jīng)修正的設(shè)定值D9最后提供給調(diào)節(jié)裝置3。
圖3和圖4中曲線圖的圖例 燃料的流量[Kg/s]，YE噴射調(diào)節(jié)閥的位置，YT渦輪機旁通管站點的位置， 鍋爐出口處蒸汽流量[Kg/s]，PD鍋爐出口處的蒸汽壓力[bar]，TD最后過熱之前蒸汽進入時的溫度[℃]，σA出口收集器處的熱應(yīng)力[N/mm2]，σT鍋爐的鍋同的熱應(yīng)力[N/mm2]。
圖3清楚地說明了蒸汽發(fā)生器典型起動的模擬以及噴射調(diào)節(jié)閥和渦輪機旁通管站點所在的位置(YE、YT)。其中燃料量( )在10000秒的時間之內(nèi)成斜坡狀上升。目標是蒸汽壓力(PD)從穩(wěn)態(tài)值PD≈0.1MPa(兆帕)上升到其目標終值15Mpa；蒸汽溫度(TD)從穩(wěn)態(tài)值TD≈146℃上升到其目標終值520℃；蒸汽流量(mD)從穩(wěn)態(tài)值 ≈0Kg/s上升到其目標終值163Kg/s。此外還繪出了出口收集器的兩條熱應(yīng)力(σA、σT)分布曲線。10000秒長的起動時間是按照把各項熱應(yīng)力值保持在允許極限值范圍內(nèi)的要求而得出來的。
圖4示出了在遵循上述極限值的情況下蒸汽發(fā)生器在2500秒后結(jié)束起動過程的最優(yōu)起動模擬，這也就意味著圖4中的起動過程是圖3示出的起動過程的4倍。此外燃料消耗量在圖3中是在10000秒之后達到穩(wěn)定值，而在圖4中在2500秒之后就達到穩(wěn)定值，在達到穩(wěn)定值后 曲線的下方是個平面，燃料消耗量在圖4的最優(yōu)起動情況下約比圖3中典型起動時少3倍。圖4與圖3的區(qū)別是，圖4的模擬完全充分地利用了(σA、σT)熱應(yīng)力的自由數(shù)值。在這種情況下，根據(jù)圖1，為模擬而接入燃料、壓力和蒸汽溫度的最優(yōu)理想位置以及噴射調(diào)節(jié)閥和渦輪機旁通管站點的預(yù)控量。在確定這些最優(yōu)化設(shè)定值控制時，質(zhì)量函數(shù)值(J)則通過數(shù)字最優(yōu)化減至最小。
現(xiàn)在以圖4為范例來敘述導(dǎo)致圖4中最優(yōu)分布曲線的質(zhì)量函數(shù)以及邊界條件和補充條件。以下的積分式被選用作質(zhì)量函數(shù)式J=∫t0tE[wpD,wTD,wm·D][pD(t)-pD,SW]2[TD(t)-TD,SW]2[m·D(t)-m·D,SW]2dt]]>在此將質(zhì)量函數(shù)J的最小值選作為優(yōu)化目標。質(zhì)量函數(shù)的各種變量代表以下意義J關(guān)于加權(quán)的二次冪的偏差的積分值，t0起動開始的時刻，tE起動結(jié)束的時該，WPD蒸汽壓力二次冪偏差的加權(quán)系數(shù)，WTD蒸汽溫度二次冪偏差的加權(quán)系數(shù)， 蒸汽量二次冪偏差的加權(quán)系數(shù)，PD，SW蒸汽壓力的目標設(shè)定值，TD，SW；蒸汽溫度的目標設(shè)定值， 蒸汽量的目標設(shè)定值。
在遵循下列邊界條件和補充條件的情況下0[Kg/s]≤ ≤50.4[Kg/s]，0[Kg/s2]≤ ≤0.0053[Kg/s2](單調(diào)增加燃料數(shù)量)，·0.05≤YT≤1(渦輪機旁通管的調(diào)整范圍)，
·0≤YE≤1(噴射調(diào)節(jié)閥的調(diào)整范圍)，·max|σA|≤7[N/mm2](出口收集器處熱應(yīng)力最大值)，·max|σT|≤10[N/mm2](汽包的熱應(yīng)力最大值)，·TD，E(t)＞T飽和＝f(PD)(最后過熱之前的蒸汽進入溫度TD，E(t)應(yīng)高于飽和蒸汽的溫度T飽和，T飽和是蒸汽壓力PD的函數(shù))，·TD(t)＞TD，E(t)(保證的過熱值，即最后過熱的出口溫度高于進口的溫度)。
優(yōu)化變量有燃料量 ，渦輪機旁通管站點的位置YT和噴射調(diào)節(jié)閥的位置YE。這些變量相當于圖1中的調(diào)節(jié)參數(shù)D2。圖3、圖4中的過程模型參數(shù) TD、TD、E和PD相當于圖1中模型輸出參數(shù)D3，它們是通過模擬，也就是通過將調(diào)節(jié)參數(shù)D2輸入過程模型而求得的。
在實際應(yīng)用中投入使用的不僅有熱應(yīng)力值，而且也有厚壁構(gòu)件中的溫度差值。這些溫度差值是通過置入的熱電偶檢測到的。前面介紹的方法同樣也可以使用。
權(quán)利要求
1.技術(shù)過程(4)的至少一個生產(chǎn)工藝技術(shù)部件起動或停車的控制和調(diào)節(jié)方法，其中a)借助于調(diào)節(jié)裝置(3)和串接在前面的數(shù)學(xué)模型支持的預(yù)控制裝置(5)而形成至少一個提供給該技術(shù)過程(4)的調(diào)節(jié)參數(shù)(D6)，b)預(yù)控制裝置(5)的優(yōu)化器(1)在收到用于實際過程(4)的至少一個控制量(D1)后，給出至少一個最優(yōu)化的模型調(diào)節(jié)參數(shù)(D2)，該調(diào)節(jié)參數(shù)(D2)作為輸入?yún)?shù)提供給預(yù)控制裝置(5)的過程模型(2)，同時還相加到調(diào)節(jié)裝置(3)的至少一個輸出參數(shù)(D4)上，以形成調(diào)節(jié)參數(shù)(D6)。c)過程模型(2)的至少一個模型輸出參數(shù)(D3)作為設(shè)定值提供給調(diào)節(jié)裝置(3)，同時還與低水平的、尤其是在實際技術(shù)過程中不可測量的變量(D5)一起反饋給優(yōu)化器(1)，d)優(yōu)化的模型調(diào)節(jié)參數(shù)(D2)和模型輸出參數(shù)(D3)或者是在起動或停車過程中以查表的方式反饋到實際技術(shù)過程中，或者是借助于過程模型(2)重復(fù)形成，其中該過程模型(2)參照實際過程(4)進行調(diào)整修正，和e)具有預(yù)控制裝置(5)、調(diào)節(jié)裝置(3)和實際過程(4)的裝置在控制量(D1)變化時的控制響應(yīng)與實際過程(4)在干擾變量(D8)作用時的干擾響應(yīng)脫離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中觀察研究的過程模型是在優(yōu)化器中用數(shù)學(xué)-物理方法的質(zhì)量函數(shù)表達式求得的，且該質(zhì)量函數(shù)借助于適宜的最優(yōu)化方法而被最大化或最小化。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征是，在考慮邊界條件和補充條件特別是考慮生產(chǎn)工藝技術(shù)-物理限值的情況下，把嚴謹?shù)膭討B(tài)建模與進行最優(yōu)化相結(jié)合，共同應(yīng)用到實際生產(chǎn)技術(shù)過程中。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征是，為調(diào)整修正過程模型(2)，使用了實際過程(4)的至少一個可測量的輸出參數(shù)(D7)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征是，如果設(shè)備已處于工作運行狀態(tài)，則過程模型(2)完全地或部分地由測重識別，或通過這些測量進行檢驗。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征是，如果生產(chǎn)工藝技術(shù)部件是帶有噴水裝置的蒸汽發(fā)生器，那么該噴射在起動過程結(jié)束之前就要開始進行，這樣才能在遵循現(xiàn)有限定條件下做到起動成本最優(yōu)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征是，借助于預(yù)控制裝置(5)，將調(diào)整校正的作用施加到存在于過程中的調(diào)節(jié)裝置(3)上。
8.技術(shù)過程(4)的至少一個生產(chǎn)工藝技術(shù)部件起動或停車的調(diào)節(jié)裝置，其中，具有一個包括由優(yōu)化器(1)和過程模型(2)的預(yù)控制裝置(5)，預(yù)控制裝置(5)的最優(yōu)化模型輸出參數(shù)(D3)提供給實際調(diào)節(jié)裝置(3)，優(yōu)化器(1)給出的模型調(diào)節(jié)參數(shù)(D2)在相加點(6)處與調(diào)節(jié)器(3)的輸出相加。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求7的調(diào)節(jié)裝置，其中，預(yù)控制裝置(5)所用于的過程既已具有調(diào)節(jié)裝置(3)，又具有已知的設(shè)定值(D10)，已經(jīng)具有的設(shè)定值(D10)提供給過程模型(2)，模型輸出參數(shù)(D3)在相加點(7)處由已經(jīng)具有的設(shè)定值(D10)調(diào)整校正，由此得出的規(guī)定值(D9)提供給調(diào)節(jié)裝置(3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及起動或停車技術(shù)過程的至少一個生產(chǎn)工藝技術(shù)部件的控制、調(diào)節(jié)方法及調(diào)節(jié)裝置，其中通過一調(diào)節(jié)裝置和一包括一優(yōu)化器和一過程模型的預(yù)控制裝置至少形成提供給過程的一個調(diào)節(jié)參數(shù)。向優(yōu)化器提供用于實際過程的至少一個給定參數(shù)。由優(yōu)化器發(fā)出的至少一個優(yōu)選模型調(diào)節(jié)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)提供給預(yù)控制裝置的過程模型，該優(yōu)選模型調(diào)節(jié)參數(shù)還須加到調(diào)節(jié)裝置的至少一個輸出參數(shù)上，以便形成調(diào)節(jié)參數(shù)。過程模型的模型輸出參數(shù)提供給調(diào)節(jié)裝置用作設(shè)定值，并與實際過程中不可測量的變量一起并行反饋給優(yōu)化器。實際過程至少應(yīng)有一個可測量的輸出參數(shù)，用于對過程模型進行調(diào)整修正。
文檔編號G05B17/00GK1392459SQ02126280
公開日2003年1月22日 申請日期2002年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月16日
發(fā)明者K·克呂格爾, M·羅德, R·弗蘭克 申請人:Abb研究有限公司