控制给水到锅炉中的供应的方法与流程

本发明涉及一种控制给水到锅炉中的供应的方法、用于控制给水到锅炉中的供应的系统、计算机程序以及计算机可读介质。

背景技术：

1、本发明关于用于控制经历收缩和膨胀现象的锅炉中的水位的策略。当锅炉上的蒸汽负载存在变化(系统中的主要扰动)时，可发生这些现象。蒸汽负载的此类变化将影响锅炉中的蒸汽压力，这继而影响悬浮在锅炉水中的蒸汽量。这导致所谓的水位的逆响应(非最小相位行为)，其中液位的初始响应与长期行为相反。

2、例如：如果蒸汽负载增加，则锅炉压力将下降，这导致悬浮在水中的蒸汽气泡的膨胀。该膨胀首先导致水位上升，并且随后导致锅炉中蒸汽和水的重新分配。重新分配导致水位下降的长期行为。水位控制策略设计成适应水位对扰动的逆响应的不利影响。

3、该不利影响可示为如下：归因于负载增加期间压力下降导致水位的初始上升，故当实际需要增加时，控制将降低给水流量。给水流量的该初始降低加剧了随后的水位下降。因此，需要通过避免此类初始控制响应来减少锅炉水位的波动。

4、锅炉汽包液位控制系统是现有技术中已知的。us 9476584描述了一种锅炉汽包液位控制系统，其使用配置成控制蒸汽流量的旁通阀的位置。控制器基于传感器信号控制给水流量和输入到蒸发器的热。传感器信号由测量流体流量、蒸汽流量、汽包压力、汽包温度和旁通位置的传感器生成。汽包压力可通过检测旁通阀的位置直接测量，旁通阀的位置提供可能导致汽包中水位的调整的锅炉中的压力变化的领先指标。

5、jp 2504939描述了一种锅炉液位控制装置，其控制用于将剩余蒸汽分流到冷凝器从而绕过蒸汽涡轮的旁通阀的开度。压力传感器用于确定蒸汽流量。

6、us 10185332描述了一种使用蒸汽流量信号与给水流量信号之间的差异的锅炉汽包液位控制方法。瞬态控制器基于绝对流量差异计算增益参数。附加参数包括旁通阀位置。

7、cn 109028023描述了如何通过向调节给水阀的plc发送信号来控制船用锅炉的蒸汽负载的变化。测量水位和蒸汽流量。引入蒸汽流速作为前馈控制信号。当蒸汽负载突然变化时，蒸汽流速信号引起给水调节阀初始地沿正确方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀打开。涡流流量计用于监测负载。

8、us 7931041描述了一种用于使用代表液位、气体/蒸汽流速、进给液体流速、容器压力和容器温度的滤波的输出信号来控制锅炉中的液位的方法。

9、us 10323547描述了一种锅炉的蒸汽液位控制系统，其测量绕过热回收蒸汽发生器的旁通阀的位置。

10、jp 2018080672描述了一种具有蒸汽控制阀开度检测器的蒸汽涡轮控制装置。其不涉及给水到锅炉中的供应。

11、k.j.和r.d.bell的“汽包锅炉动力学”(automatica，第36卷，第363-378页，2000年)描述了用于自然循环汽包锅炉的非线性动态模型。

12、s.w.smith的《数字信号处理的科学家和工程师指南》第2版(加利福尼亚技术出版社，1999年)描述了信号处理中的边缘检测。

13、g.f.gilman的《锅炉控制系统工程》第1版(isa—仪表、系统和自动化协会，2005年)描述了一种使用蒸汽流量的前馈水位控制方案。

14、d.lindsley的《发电厂控制和仪表—锅炉和热回收蒸汽发生器系统的控制》第1版(电气工程师学会，2000年)也描述了一种使用蒸汽流量的水位控制方案。

15、本发明的目的在于通过避免不良初始控制响应同时避免依赖蒸汽流量传感器来减少锅炉水位的波动。此类传感器将增加系统的成本并且降低可靠性。

技术实现思路

1、在本发明的第一方面中，以上目的通过一种控制给水到锅炉中的供应的方法来实现，该锅炉包括用于将给水供应到锅炉中的给水入口、用于从锅炉取得蒸汽的蒸汽出口以及用于测量锅炉中的液位的液位传感器，蒸汽出口包括限定蒸汽阀开度的蒸汽阀，该方法包括：

2、使用液位传感器测量锅炉中的液位，

3、确定蒸汽阀开度的变化率，以及

4、基于锅炉中的液位、针对锅炉的参考液位和蒸汽阀开度的变化率，控制给水经由给水入口到锅炉中的供应。

5、锅炉包括用于容纳水和蒸汽的容器。水经由给水入口供应到锅炉。蒸汽由输入到容器中的热生成。蒸汽经由蒸汽出口从锅炉取出。蒸汽出口由限定蒸汽阀开度的蒸汽阀控制。生成的蒸汽可用于操作蒸汽涡轮或其它类型的蒸汽消耗物。

6、锅炉还包括液位传感器。液位传感器测量锅炉中的液位。在液位下方，容器包括包含液态水和蒸汽气泡的两相流，且在液位上方，容器主要包括蒸汽。

7、一般使用控制方案，通过响应于测量的锅炉中的液位借助于进给泵和/或阀调整给水到锅炉中的供应来控制锅炉中的液位。然而，当锅炉上的蒸汽负载增加时，锅炉压力将下降。这导致悬浮在液态水中的蒸汽气泡释放，由此液位将初始地膨胀。因此，锅炉中的液位初始地上升，并且然后随着从锅炉取出更多的蒸汽而下降。使用朴素的控制器，例如不考虑膨胀现象的简单pid，对锅炉中初始液位上升的响应将是减少进给到锅炉中的水，随着更多蒸汽从锅炉取出，这随后将导致锅炉中水的液位过低。这可能潜在地导致锅炉归因于低液位而损坏。取而代之的是，初始响应应当是增加给水以抵消从锅炉取出的蒸汽的增加。

8、通过本解决方案，代表蒸汽阀的开度的信号和代表锅炉中液位的信号用于确定给水到锅炉中的供应。这两个信号很容易可用，并且因此不需要诸如锅炉蒸汽流量传感器的附加传感器。针对锅炉的参考液位是常数，其代表稳态条件下的正常液位，并且由锅炉的设计确定。蒸汽阀开度的变化率从代表蒸汽阀的开度的信号确定，并且用于补偿对扰动的逆响应，即当蒸汽负载增加时液位的下降。当蒸汽阀开度恒定时，即，当蒸汽阀静止并且蒸汽负载恒定时，蒸汽阀开度的变化率为零。当蒸汽阀开度因负载变化而变化时，即，当蒸汽阀移动时，蒸汽阀开度的变化率不为零。

9、通过使给水到锅炉中的供应基于测得的锅炉中的液位、针对锅炉的参考液位和蒸汽阀开度的变化率，可避免或减少对扰动的逆响应。

10、根据另一个实施例，给水入口包括限定给水阀开度的给水阀，其中该方法包括通过给水阀开度来确定给水到锅炉中的供应。

11、为了控制给水到锅炉的供应，可使用给水阀。给水阀的开度可用作用于锅炉水位控制器的致动信号。

12、根据另一个实施例，给水入口连接到泵，该泵限定流速，通过该流速确定给水到锅炉中的供应。

13、通过使用流量控制泵，可省略给水管线中的给水阀。

14、根据另一个实施例，流速基于泵的转速。

15、为了改变给水的供应，可改变泵的转速。

16、根据另一个实施例，使用pi控制方案来执行给水到锅炉中的供应的控制。

17、控制动作设计成最小化扰动中的变化的不利影响。pi(比例积分)控制器基于积分参数和比例或增益参数执行用于比例积分算法的计算，并且生成的输出是用于控制给水到锅炉的供应的流量控制信号。

18、根据另一个实施例，控制给水到锅炉中的供应包括：基于锅炉中的液位与针对锅炉的参考液位之间的差异生成给水控制动作，以及基于给水控制动作和蒸汽阀开度的变化率的总和来确定给水到锅炉中的供应。

19、蒸汽阀开度信号的变化率可以以前馈方式(即在控制器之后，进给阀的开度(或备选地，进给泵的流量/速度)基于该控制器来控制)添加到控制动作。以此方式，当扰动发生时，给水控制动作的校正项立即引入，而不必在控制器采取校正动作之前等待水位下降。控制器通常使用线性siso控制方案来生成控制动作。控制器优选是pi控制器，并且控制动作优选是pi控制动作。

20、根据另一个实施例，控制给水到锅炉中的供应包括：基于蒸汽阀开度的变化率和锅炉中的液位与针对锅炉的参考液位之间的差异的总和来生成给水控制动作，以及通过给水控制动作确定给水到锅炉中的供应。

21、备选地，蒸汽阀开度信号的变化率可以以反馈方式添加，即在控制器之前添加到测得的液位，进给阀的开度(或备选地，进给泵的速度)基于控制器来控制。以此方式，给水控制输入的校正项引入采取校正动作的控制器中。控制器通常使用线性siso控制方案来生成控制动作。控制器优选是pi控制器，并且控制动作优选是pi控制动作。

22、根据另一个实施例，该方法包括通过对蒸汽阀开度使用相位超前滤波器来确定蒸汽阀开度的变化率。

23、水进给的开度由超前滤波器提供的水位控制中的扰动补偿来控制。超前滤波器在对滤波器的输入恒定的情况下提供零输出，但当输入变化时(即当蒸汽负载突然变化时)提供非零输出。滤波的蒸汽阀开度的变化率代替了以上前馈和反馈方案中的蒸汽阀开度的变化率。

24、根据另一个实施例，该方法进一步包括以下步骤：

25、使用压力传感器测量锅炉中的压力，以及

26、基于锅炉中的压力和针对锅炉的参考压力控制输入到锅炉中的热。

27、输入到锅炉中的热可由第二控制器控制。热输入基于压力测量和针对锅炉的参考压力。压力测量由容器中的压力传感器进行。因此，压力代表锅炉中的总能量。针对锅炉的参考压力是常数，其代表稳态条件下的正常操作压力，并且由锅炉的设计确定。

28、根据另一个实施例，控制输入到锅炉中的热包括：基于锅炉中的压力与针对锅炉的参考压力之间的差异生成热输入控制动作，以及通过热输入控制动作确定输入到锅炉中的热。

29、输入到容器中的液体中的热基于控制动作。较高的热输入将引起生成较多的蒸汽，导致较高的压力，并且反之亦然。

30、根据另一个实施例，使用pi控制方案来执行对输入到锅炉中的热的控制。

31、控制动作设计成最小化扰动中的变化的不利影响。pi(比例积分)控制器基于积分参数和比例或增益参数执行用于比例积分算法的计算，并且生成的输出是流量控制信号。

32、在本发明的第二方面中，以上目的通过一种具有用于控制给水到锅炉中的供应的控制系统的锅炉实现，该锅炉包括用于将给水供应到锅炉中的给水入口、用于从锅炉取得蒸汽的蒸汽出口、以及用于测量锅炉中的液位的液位传感器，蒸汽出口包括限定蒸汽阀开度的蒸汽阀，控制系统基于锅炉中的液位、针对锅炉的参考液位和蒸汽阀开度的变化率，控制给水经由给水入口到锅炉中的供应。

33、根据另一个实施例，根据第二方面的以上锅炉可包括根据第一方面的方法的特征中的任何。

34、在本发明的第三方面中，以上目的通过包括指令的计算机程序实现，当该程序由计算机执行时，指令引起计算机执行根据第一方面的方法。

35、根据前述方面的包括反馈扰动补偿的控制解决方案可优选地实施为可编程逻辑控制器(plc)中的软件。

36、在本发明的第四方面中，以上目的通过其上储存有第三方面的计算机程序的计算机可读介质来实现。