DEB的新认识

于达仁 徐志强 翁一武 李月华

摘 要：DEB(Direct Energy Balance)协制系统是美国Leeds & Northrup公司首先提出，并在国内获得了广泛应用的单元机组协制策略。分析了DEB协制系统的设计思想和控制机理，指出DEB系统实际上是采用了增益调度的思想，有效消除了由单元机组对象的动态特性随负荷变化的改变，提高了单元机组在不同负荷下的性能。这是对DEB系统的一种新的认识，同时对DEB系统调试中的参数整定也有重要意义。这种设计思想对于一些较复杂的非线性对象的控制系统设计也有一定的借鉴作用。

关键词：单元机组； 非线性； DEB协制系统；增益调度控制 文章编号：1001－2060（1999）05－0379-04

1 前言

锅炉单元机组是一具有较强的非线性的对象，随着负荷变化，其动态特性发生了很大变化。因此采用常规的基于小偏差线性化方法设计的协制系统，在机组变动工况运行时，难以保证最佳的控制品质。 DEB(Direct Energy Balance)协制系统是美国Leeds & Northrup公司首先提出并获得了广泛应用的一种单元机组协制策略，经过不断的发展和完善，到目前为止已经经历了四代。其中最新的DEB IV系统是目前较为成功的一种单元机组协制系统设计。 本文分析了DEB IV系统的设计思想和控制原理，以及单元机组的动态特性随负荷产生变化的原因，指出DEB系统实际上是一种根据单元机组的特点设计的构思精巧的增益调度控制设计：随着负荷改变，自动调整控制器参数，使之适应对象动态特性随负荷不同的变化，改善部分负荷下单元机组的性能。这是对DEB协制系统的一种新的认识，同时对DEB系统调试中的参数整定也有重要意义。

2 单元机组的动态特性

2.1 单元机组的非线性动态数学模型

［1］

图1中给出了一个单元机组的锅炉数学模型，这个模型虽然简单，但是其中包括了主要的非线性特性。模型中主要参数的物理意义和参考数值如表1中所示。

表1 锅炉非线性数学模型主要参数的物理意义

CB Ksh 锅炉蓄热系数(176s) 过热器阻力系数(0.07) TF 燃烧通道的时间常数(48s) τ 燃烧通道的延迟时间常数(9s) μT μB Pd PT 汽轮机阀门开度(0～1) 燃烧率指令(0～1) 汽包压力(14.14MPa) 主蒸汽压力 2.2 单元机组参数随负荷变化的原因分析

目前热工界一般认为锅炉是一变参数对象，由图1中可见，从非线性角度研究锅炉的模型，锅炉实际上是一固定参数的非线性模型，锅炉的非线性主要来于过热器压降的平方阻力特性以及汽机调节阀门开度与机前压力的乘积。由于过热器的阻力系数Ksh很小，其中的压降与锅炉的主蒸汽压力相比其值很小，因此当忽略过热器中的压降带来的非线性时，

图1 锅炉的非线性数学模型

不会带来很大的误差。从而单元机组的主要非线性特性可如图2所示，

图2 锅炉汽包对象的框图

图中SG为热量信号，即燃料燃烧传给锅炉的热量。

这一系统可以看作是一变反馈增益系统，系统的反馈增益随着汽机阀位的变化而变化，机组的增益和时间常数也随之改变，增益及时间常数与阀门的开度成反比关系(1)。

(1)

当机组的负荷较低时，汽机阀门的开度较小，反馈也较小，系统的增益和时间常数较大；反之，当系统的负荷较高时，汽机的阀门开度较大，反馈较强，系统的增益和时间较小，从而使整个系统的动态特性随机组工况的改变发生了很大的变化。所以，单元机组动态特性随负荷变化的根本原因在于锅炉系统的非线性。

3 DEB系统的设计思想

3.1 直接能量平衡的含义

在锅炉的DEB协制系统中［2］(图3)，均采用了能量平衡信号(PS×P1/PT)为锅炉侧的前馈给定信号，以热量信号(P1+CBdPd/dt)为锅炉主控制器的反馈。理论和实践表明，汽机的第一级压力P1与主蒸汽压力PT的比值(P1/PT)线性代表了汽轮机的有效阀位，能灵敏反映阀位的细微变化，而且只对阀门的开度变化有反映，不受燃料量变化(内扰)的影响。将(P1/PT)乘以主汽压力的给定值PS，即构成了所谓能量平衡信号

(PS×P1/PT)，它是机炉耦合的基本信号。它准确反映了汽机对锅炉的能量需求，协调机炉间的能量平衡。而且它只反映外扰，即汽机调节阀开度变化的影响，而不受内扰(燃料量变化)的影响。同时也消除了其它可能作为负荷前馈的信号，如蒸汽流量或汽机第一级压力P1，在锅炉侧扰动时的正反馈的作用。

图3 DEB协制系统框图

热量信号(P1+CBdPd/dt)中，汽机的第一级压力P1代表了进入汽机的蒸汽流量，即锅炉的能量输出。Pd为锅炉的上锅筒压力，CB为锅炉的蓄热系数，CBdPd/dt则代表了锅炉上锅筒蓄热的动态变化。(P1+CBdPd/dt)代表了单位时间内，燃料燃烧传给锅炉的热量。 锅炉的主调节器前的入口参数为 BD＝Ps×P1/PT-(P1+CBdPd/dt)

当稳态时，上式中的微分项为零，从而有Ps×/P1PT＝P1，即Ps=PT。此时，汽机的能量需求和锅炉的能量输出达到平衡，这也就是所谓直接能量平衡的含义。从上式中可见，DEB系统固有保持Ps＝PT的能力，因

此可以取消机前压力的闭环校正回路，从而避免了调节过程中的超调和振荡。因而与其它类型的协制系统相比，DEB的系统较为简单，机、炉之间的配合更为直接，系统的工作也更为平稳［3，4］。 3.2 DEB的增益调度思想分析

由前文的分析可知，单元机组的动态特性随负荷改变的原因是由对象的非线性造成的。而且随着负荷的改变，汽轮机的调节阀门的开度发生变化，系统的动态特性也随之立即发生变化，这一过程是很快的，因此单元机组的协制系统也应能适应这一变化。 由式(1)可以看出，锅炉系统的稳态增益随阀门开度的变化为1/μT，如果将锅炉的给定Ps乘上阀门的开度μT，成为Ps×μT，则正好可以与增益的变化相抵消，能消除对象的稳态增益的变化，从而使锅炉的稳态增益成为常数。注意到P1/PT实际上就是汽轮机阀门的开度μT，则锅炉的给定信号可写为(PS×P1/PT)，这正好是能量平衡信号的表达式。从这个角度看，DEB系统实际上一种增益调度控制：自动调整给定值的大小，使之与对象增益的变化相抵消，消除对象的稳态增益随负荷的变化。 同时考虑到锅炉具有较强的蓄热能力，因此和汽轮机相比，其动态相应速度相对较慢；而且虽然由过热器压降造成的非线性的数值较小，但是也还是会对机组的动态特性产生影响，为了克服它们的影响，由

Pd=PT+P21Ksh

(2)

式中Pd代表了锅炉的蓄热，将上式微分，则锅炉蓄热的动态变化为

(3)

式(3)表明锅炉蓄热的动态变化可分为两部分，前一项是由主汽压改变而引起的锅炉蓄热量的变化，后一项则是由过热汽压降引起的，该项具有非线性。这两项应用于锅炉指令中，将能进一步改善系统的性能。但是直接应用过程变量PT和P1构成锅炉的指令信号是不行的，因为过程扰动将干扰指令信号。因此，在实际系统中使用的锅炉的指令信号中，以PS代替PT，以汽机的预期功率代替P1，从而有

(4)

由式(4)中可以看出锅炉的燃烧率给定信号中，除能量平衡信号，还包括了锅炉的变汽压蓄热项，以补偿锅炉主汽压变化和过热器压将引起

的锅炉动态特性的变化，同时后两项还起到增加PI调节器偏差的作用以进一步提高锅炉的响应速度，加强锅炉调节系统的调节作用。

4 仿真计算结果

图3中给出了机组在不同负荷下运行时，汽压给定值扰动下的机前压力PT的过渡过程曲线。汽压给定扰动为-2%，速率为每分钟0.5%，图中实线为机组在100%负荷时汽压扰动下的过渡过程曲线，虚线为70%负荷下的过渡过程曲线。

图4中给出了机组在不同负荷时，在投入汽机侧功率控制系统的机前压力PT的过渡过程曲线。图中实线为机组在90%负荷下，功率指令以每分钟1%的速率增加到100%负荷的过渡过程曲线，虚线为机组的功率指令以同样速率从为70%负荷增加到80%负荷时的过渡过程曲线。

图4 DEB Ⅳ系统在压力给定值扰动下的过渡过程

图5 DEB Ⅳ系统在功率给定扰动下的过渡过程

由图3和图4中可以看出，DEB Ⅳ系统在不同负荷下，机组在汽压定值扰动和功率指令扰动的过渡过程差别显著减小。基本上消除了非线性特性对机组性能的影响，使机组在不同负荷下都具有较好的控制性能。 同时应该指出的是：DEB系统仅仅使用了一种简单的乘法补偿对象的非线性，这种补偿是不彻底的，它仅仅消除了对象的增益随工况的变化，而不能消除由非线性造成对象时间常数随机组工况的变化，在不同负荷下机组的动态特性还是有一定变化。因此，如图3和图4中所示，

当机组在部分工况下工作时，系统的过渡过程时间比在额定负荷下有所延长，性能还是有所降低。

5 结论

单元机组动态特性随负荷不同而变化的根本原因在于系统的非线性，而DEB系统根据单元机组的特点，以能量平衡信号为锅炉的给定信号，实现了增益调度的思想，消除了由对象的非线性特性造成的对象的增益随负荷的变化，明显改善了单元机组不同负荷下动态特性，提高了部分负荷下控制的品质。这是对DEB系统的一种新的认识。同时对DEB系统调试中的参数整定也有重要意义。

对于一些较复杂的非线性对象，如果能根据对象的特点，采用类似于DEB系统的设计思想进行控制系统的设计，将能简化控制系统的设计并改善系统的控制质量。

基金项目：国家自然科学基金资助项目 59776047

作者简介：于达仁(1966-)，男，博士导师，现任哈尔滨工业大学能源学院教授，主要从事汽轮机、锅炉及电站热力系统的建模、仿真、控制和故障诊断研究.通讯处：150001 哈尔滨工业大学能源学院仿真、调节与计算

作者单位:于达仁 徐志强 哈尔滨工业大学能源学院 翁一武 李月华 哈尔滨.第七０三研究所

参考文献

〔1〕Cheres E. Small and medium size drum boiler models suitable for long term dynamic Response. IEEE Transaction on Energy Conversion,Dec 1990，5(4)∶686～692.

〔2〕陈来九.单元机组协制系统策略——兼议L&N公司协制的发展.火电厂热工自动化，1993(1).

〔3〕陈允济，易凡.DEB Ⅳ——协制系统的特点及分析.华东电力，1996(4).

〔4〕郑昶，曹在基.DEB协制系统.动力工程，19(4).

(辉编)

收稿日期：1998-12-16； 修订日期：1999-03-01