電站鍋爐的過熱汽溫是機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)之一，但由于汽溫被控對(duì)象的滯后很大，常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)，或采用導(dǎo)前微分補(bǔ)償信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)，對(duì)滯后較大的汽溫控制往往不能獲得理想的控制品質(zhì)。不少電廠當(dāng)機(jī)組負(fù)荷僅以2% MCR/min的速率變化時(shí)，汽溫就偏離設(shè)定值10℃以上，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
    巴陵石化公司熱電事業(yè)部5臺(tái)鍋爐的容量分別是130t/h和220t/h，其主汽溫和一級(jí)汽溫均通過噴水來調(diào)節(jié)，由于存在如下原因使常規(guī)的控制系統(tǒng)難于投入：

    ① 被控對(duì)象的慣性和滯后很大，使整個(gè)汽溫控制系統(tǒng)的可控性變差；
    ② 在正常情況下，一、二級(jí)噴水的需要量較小，噴水閥閥位一般在較小的位置，造成執(zhí)行器存在較大的死區(qū)和噴水閥閥位與流量之間存在強(qiáng)的非線性，而且由于閥位小造成了閥門兩側(cè)的壓差較大，閥門的磨損也較嚴(yán)重；
    ③ 由于鍋爐的容量小，當(dāng)啟停制粉系統(tǒng)時(shí)，三次風(fēng)對(duì)汽溫的影響很大，若不加控制，汽溫會(huì)變化20～30℃；
    ④由于鍋爐為母管制方式運(yùn)行，而母管蒸汽壓力由于種種原因變化頻繁且變化幅度大，導(dǎo)致汽溫的變化快且幅度大。所有的這些問題均導(dǎo)致了常規(guī)的PID串級(jí)控制方案不能正常投入運(yùn)行。
    為此，巴陵石油化工公司熱電事業(yè)部與東南大學(xué)一起進(jìn)行新型汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究及實(shí)施。2003年11月，新的基于狀態(tài)變量控制器的過熱汽溫控制系統(tǒng)在5號(hào)爐上通過了調(diào)試，并投入了運(yùn)行。之后，相繼推廣到其它鍋爐的汽溫控制中。經(jīng)過10多次升、降負(fù)荷和啟、停制粉系統(tǒng)的試驗(yàn)，一、二級(jí)汽溫控制在允許的范圍內(nèi)，確保了一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定投入。

1  一、二級(jí)汽溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

    巴陵石化公司熱電事業(yè)部5臺(tái)鍋爐均通過調(diào)整甲、乙兩側(cè)的一級(jí)噴水量來調(diào)節(jié)進(jìn)入二級(jí)噴水減溫器的蒸汽溫度；同樣，通過調(diào)節(jié)甲、乙兩側(cè)的二級(jí)噴水流量來控制主蒸汽溫度。對(duì)于一級(jí)汽溫控制，甲、乙兩側(cè)相互獨(dú)立，可設(shè)計(jì)成兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)。而對(duì)二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，由于甲、乙兩側(cè)的汽溫被調(diào)量是同一測(cè)點(diǎn)的溫度，因此，甲、乙兩側(cè)只能設(shè)計(jì)成一套控制系統(tǒng)。
    通過在7號(hào)爐上（蒸汽量為130t/h）的一、二級(jí)噴水閥門的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)（在鍋爐蒸發(fā)量為110t/h工況點(diǎn)上），可方便地求出主汽溫和一級(jí)汽溫被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型分別為：

主汽溫導(dǎo)前區(qū)的數(shù)學(xué)模型為：
                  (1)
主汽溫慣性區(qū)的數(shù)學(xué)模型（輸出測(cè)點(diǎn)為T101-1）為：
            (2)
一級(jí)汽溫導(dǎo)前區(qū)的數(shù)學(xué)模型為：
            (3)
一級(jí)汽溫慣性區(qū)的數(shù)學(xué)模型為：
            (4)

從公式(2)、(4)可知，主汽溫和一級(jí)汽溫均具有很大的慣性時(shí)間，特別是一級(jí)汽溫，其慣性和滯后相對(duì)更大。

2  基于狀態(tài)變量控制器的一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)

2.1  原控制方案分析及改進(jìn)設(shè)想
    巴陵石化公司熱電事業(yè)部5臺(tái)爐原一、二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)是常規(guī)的串級(jí)控制方案，由于噴水被控對(duì)象的慣性很大，對(duì)串級(jí)系統(tǒng)而言只有當(dāng)調(diào)節(jié)器整定得很慢（即比例帶和積分時(shí)間均很大）時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)才可能是穩(wěn)定的。而另一方面，汽溫的擾動(dòng)較多且擾動(dòng)對(duì)汽溫的影響快，因此，只有調(diào)節(jié)器快速、及時(shí)動(dòng)作（最好是在被調(diào)量變化之前就動(dòng)作），才有可能使被調(diào)量具有好的控制品質(zhì)。顯然，對(duì)于滯后很大的被控過程，若采用串級(jí)控制方案，被調(diào)量的控制品質(zhì)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一對(duì)無法調(diào)和的矛盾，這就導(dǎo)致了常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)的投入效果不理想。合理的想法是先通過先進(jìn)的大滯后補(bǔ)償技術(shù)對(duì)汽溫被控對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的等效汽溫對(duì)象具有較好的動(dòng)態(tài)特性（較小的慣性和滯后），只有這樣，才能在不失控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件下，加快噴水門的動(dòng)作速度，有效減少汽溫的最大動(dòng)態(tài)偏差。而基于狀態(tài)變量的控制技術(shù)就是一種有效的動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償技術(shù)。

2.2  基于狀態(tài)變量控制技術(shù)的汽溫控制系統(tǒng)
    當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，在過熱器中蒸汽流程上的各點(diǎn)溫度總是先于主汽溫的變化，如果控制系統(tǒng)根據(jù)這些流程上的各點(diǎn)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一旦這些溫度發(fā)生變化，控制系統(tǒng)馬上動(dòng)作、及時(shí)調(diào)節(jié)，就能取得好的控制效果。在常規(guī)的串級(jí)汽溫控制方案的基礎(chǔ)上，考慮增加過熱器流程上各點(diǎn)溫度后所組成的狀態(tài)變量控制系統(tǒng)如圖1所示。