一种火电机组蒸汽温度的前馈控制方法技术领域
本发明涉及一种火电机组一级过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的前馈控制方法，属
于发电技术领域。
背景技术
大型火电机组锅炉采用喷水减温的方式调节一级过热蒸汽温度(屏式过热器出口
蒸汽温度)、二级过热蒸汽温度(高温过热器出口蒸汽温度)及辅助调节再热蒸汽温度(再热
器出口蒸汽温度)，多采用串级或导前微分反馈控制系统。随着火电机组频繁大幅参与电网
调峰调频，锅炉燃料量和蒸汽流量波动加剧，导致汽温控制系统控制品质变差。
从频域角度分析，串级或导前微分反馈控制系统的闭环频率响应特性主要取决于
被控对象的惯性和迟延，对象惯性和迟延越大，抗高频扰动能力越差。从时域角度分析，反
馈控制只有在扰动信号导致被控参数发生变化后控制器才会施加控制作用，然而对于大惯
性大迟延对象，从控制输出动作到被控参数响应要经历很长的时间，所以消除扰动的时效
性很差。本质上，一个慢速的反馈控制系统无法克服快速的扰动，这是当前汽温控制品质变
差的主要原因。
采用前馈控制是消除确定性扰动的有效措施，而前馈控制的关键在于找到能够灵
敏地反应主要扰动的前馈信号。对于被控对象具有大惯性大迟延特性的控制系统，前馈信
号必须具有足够的超前量。在稳定工况下：汽温是反映锅炉燃料侧放热与蒸汽侧吸热的能
量平衡信号，因此单一的燃料量信号或蒸汽流量信号都不能作为汽温控制的前馈信号；蒸
汽压力也是反映能量平衡的信号，但因受锅炉汽水系统蓄热的影响，其响应速度比汽温还
要慢，因此也不能作为汽温控制的前馈信号。在变负荷工况下：需要燃料量产生动态过调以
补偿锅炉蓄热量的变化，整体上燃料放热和蒸汽侧吸热处于动态失衡状态；特别是在启/停
燃烧器时炉膛内部局部燃烧工况剧烈变化，导致锅炉水侧和汽侧吸热比例变化；寻找能够
反映这些扰动的前馈信号更加困难。
大型火电机组锅炉二级过热汽温、一级过热汽温、再热汽温被对象整体惯性时间
约为100s，220s、360s左右。对象惯性时间越大越难控制，相对于二级过热汽温，一级过热汽
温、再热汽温控制品质更差，剧烈变负荷工况下波动幅度可达±15℃、±20℃。寻找合适的
前馈信号，是提高变负荷工况下一级过热汽温、再热汽温的控制品质的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种火电机组蒸汽温度的前馈控制
方法，以提高变负荷工况下一级过热汽温、再热汽温的控制品质。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种火电机组蒸汽温度的前馈控制方法，所述方法将锅炉二级过热汽温控制系统
主控制器前的偏差信号作为一级过热汽温和再热汽温控制系统的前馈信号，所述前馈信号
先经比例、微分运算，再经高低限幅处理后，迭加到锅炉一级过热汽温和再热汽温的控制系
统设定值上，从而实现一级过热汽温和再热汽温的前馈控制。
上述火电机组蒸汽温度的前馈控制方法，当锅炉屏式过热器、高温过热器、再热器
分左右两侧布置时，某侧一级过热汽温和再热汽温控制系统的前馈信号采用同侧二级过热
汽温控制系统主控制器前的偏差信号。
上述火电机组蒸汽温度的前馈控制方法，一级过热汽温控制系统的前馈信号经过
比例、微分运算后再进行高低限幅处理时，限幅值设置为±10℃，再热汽温控制系统的前馈
信号经过比例、微分运算后再进行高低限幅处理时，限幅值设置为±18℃。
本发明将二级过热汽温控制系统主控制器前的偏差信号作为一级过热汽温、再热
汽温控制系统的前馈信号，形成前馈-反馈复合控制系统，不仅有效提高了火电机组变负荷
工况下一级过热汽温、再热汽温的控制品质，典型机组能够减小一级过热汽温波动±4℃、
再热汽温波动±6℃以上，而且可在一定程度上改善二级过热汽温的控制品质。二级过热汽
温对象惯性时间越小，一级过热汽温、再热汽温对象惯性越大，品质改善效果越为明显。此
外，本发明还具有组态、调试简单等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是说明本发明的一个实施例中二级过热汽温控制系统前馈信号引出位置；
图2是实施例中引入前馈控制的一级过热汽温控制系统。
图中和文中各符号清单为：DEV1～DEV4、第一减法模块～第四减法模块；SMU1～
SMU3、第一加法模块～第三加法模块；LAG1～LAG2、第一一阶惯性模块～第二一阶惯性模
块；PID1～PID2、第一PID(比例、积分、微分)控制器～第二PID控制器；PD、PD(比例、微分)控
制器；H//L、高低限幅模块。
具体实施方式
火电机组一级过热汽温为屏式过热器出口蒸汽温度，屏式过热器由前屏和后屏两
部分串联构成，额定负荷下对象惯性时间在200s～250s左右；二级过热汽温为高温过热器
出口蒸汽温度，额定负荷下对象惯性时间在90s～110s左右；再热过热汽温为再热器出口蒸
汽温度，再热器由低温再热器和高温再热器两部分串联构成，额定负荷下对象惯性时间在
340s～420s左右。因为对象惯性时间小，所以二级过热汽温相对容易控制。
锅炉汽水系统和风烟系统的结构决定了一级、二级过热汽温及再热汽温控制系统
所受到的干扰基本相同，受到干扰时汽温的变化趋势也基本相同。这样就存在着从汽温控
制系统内部寻找前馈信号的可能性。二级过热汽温对象的惯性时间最短，在受到干扰时，控
制系统也能够在最短的时间内做出响应。因此，二级过热汽温控制系统内的信号可以作为
一级过热汽温和再热汽温控制系统的前馈信号，同时满足灵敏性和超前性两个要求。
1、本发明的设计原理
火电机组中蒸汽依次流经屏式过热器、高温过热器、汽轮机高压缸、再热器，由于
以上各设备容积有限，压力传播的速度很快，所以蒸汽流量几乎同时变化。对于锅炉风烟系
统，烟气依次流经屏式过热器、高温过热器、再热器，由于烟气流动速度很快，所以各个设备
的吸热量也几乎同时变化。因此从设备结构及工作机理上决定了屏式过热器、高温过热器、
再热器所受到的扰动基本上是相同的。由于高温过热器管道最短，被控对象的惯性时间也
最小，因此二级过热汽温控制系统能够最先感知到扰动的出现。二级过热汽温控制系统中
的一些信号，可以用作一级过热汽温、再热汽温控制系统的前馈信号。
当锅炉屏式过热器、高温过热器、再热器分左右两侧布置时，锅炉运行状态不佳情
况下，左右侧容易出现烟温及烟气流量偏差。所以前馈信号适合用于相同侧的布置的屏式
过热器、再热器的控制系统。此外，锅炉为了减少左右烟气侧偏差造成的影响，蒸汽侧流程
都采用交叉布置的方案，即蒸汽流经左侧屏式过热器后，进入右侧高温过热器。所以采用相
同侧汽温控制系统的前馈信号，还避免了一级、二级汽温控制系统的相互耦合，防止控制系
统形成大环路反馈影响稳定性。
在二级过热汽温控制系统的众多信号中，主控制器前的偏差信号是最佳的前馈信
号。原因在于：(1)对于汽温控制系统，主控制器前的偏差信号是由汽温设定值与被控汽温
的偏差再迭加各种动态补偿信号计算得到的，能够准确快速地反应扰动变化；(2)在稳定工
况下偏差信号为零，经过比例、微分运算后输出仍然为零，作为前馈信号不会影响一级过热
汽温、再热汽温控制系统的静态工作点；(3)偏差信号中包含有动态补偿信号，作为前馈信
号具有最好的超前性；(4)即使发生二级过热汽温控制系统执行机构动作幅度受限的情况，
前馈信号依然有效。
2、本发明的技术方案
本发明将二级过热汽温控制系统主控制器前的偏差信号作为前馈信号，经过比
例、微分运算，再经过限幅处理后，迭加到锅炉相同侧布置的一级过热汽温或再热汽温控制
系统设定值上，将前馈控制引入到一级过热汽温或再热汽温控制系统中。主控制器是指，控
制系统中最终调节汽温偏差的控制器。
以实际控制系统为例详细说明发明技术方案，见图1和图2。本例中二级过热汽温、
一级过热汽温均采用导前微分控制系统。图1虚线框内显示前馈信号从二级汽温控制系统
中引出的位置。图1中二级过热汽温反馈值减二级过热汽温设定值得到二级过热汽温偏差
信号；二级导前汽温信号减去自身经过一阶惯性环节后的信号得到二级导前汽温微分信
号，与二级过热汽温偏差信号相加后得到二级过热汽温控制系统主控制器前的偏差信号，
此偏差信号进入PID(比例、积分、微分)控制器后得到二级过热汽温自动输出信号，同时此
偏差信号也是本发明所述的前馈信号。此信号被引入至一级过热汽温、再热汽温控制系统。
图2为引入前馈控制的一级过热汽温控制系统，虚线框内显示了引入前馈控制后
在原控制系统中增加的逻辑。图2中前馈信号经过PD控制器后再经过高低限幅处理得到一
级过热汽温前馈修正信号；一级过热汽温反馈值减一级过热汽温设定值得到一级过热汽温
偏差信号，与一级过热汽温前馈修正信号相加后得到前馈修正后一级过热汽温偏差信号；
一级导前汽温信号减去自身经过一阶惯性环节后的信号得到一级导前汽温微分信号，与前
馈修正后一级过热汽温偏差信号相加后得到一级过热汽温控制系统主控制器前的偏差信
号，此偏差信号进入PID控制器后得到一级过热汽温自动输出信号。
3、本发明的实施步骤
(1)实施条件确认
实施本发明前需要确认，机组在50％～100％负荷变化范围内，一级过热汽温、二
级过热汽温、再热汽温能够投入自动控制，且控制系统中控制器参数经过整定，控制系统不
存在明显的振荡或调节速度缓慢的情况。
(2)逻辑组态
对照图1、图2所示逻辑，在机组分散控制系统(DCS)中对二级过热汽温、一级过热
汽温、再热汽温控制逻辑组态进行修改。如果锅炉屏式过热器、高温过热器、再热器分左、右
两侧布置，则需要分别对左、右两侧控制系统控制逻辑进行修改。其中，一级过热汽温控制
系统前馈信号经过PD运算后输出限幅模块H//L的限幅值设置为±10℃，再热汽温控制系统
前馈信号经过PD运算后输出限幅模块H//L的限幅值设置为±18℃。
(3)现场调试
本发明中，一级过热汽温、再热汽温控制系统中前馈控制逻辑部分PD模块的比例
系数、微分系数需要在机组运行状态下进行调试。调试时，比例系数、微分系数从零开始逐
渐增加。比例系数越大，前馈信号导致的前馈控制作用越强；微分系数越大，前馈信号变化
速率导致的前馈控制作用越强。调试过程中注意观察扰动时控制系统中前馈控制和反馈控
制导致执行机构动作变化所占的比例。当前馈控制作用为零时，执行机构的动作完全由反
馈控制作用产生；当前馈控制逐渐增强时，前馈控制作用所占的比例逐渐增加，并且同反馈
控制作用是同相的，即两者都使执行机构向一个方向动作；当前馈控制过强时，会出现反馈
控制作用与前馈控制作用反相的情况。前馈控制作用导致执行机构动作的比例占75％比较
合适。同时，前馈控制作用的强度还受到执行机构性能的限制，前馈控制作用越强，执行机
构动作幅度越大，磨损越严重。
本方法所涉及的控制逻辑物理意义明确，现场调试简单，只需要调试前馈环节中
的比例系数和微分系数两个参数，而且调试参数过程不影响原控制系统闭环稳定性。