【摘 要】火电厂在我国电力生产中担负着主要的任务，较之于其他发电方式见效快的明显优点，因此，火电厂的安全、稳定及高效运行仍然是电力生产中需要研究解决的重要课题。本文主要结合文献资料，对火力发电热工系统非线性影响因素做了总结，并针对热工自动控制系统的非线性分析做了阐述。

【关键词】火力发电；热工自动化；非线性

0 引言

火电厂热工自动控制系统中普遍并不可避免地存在着非线性环节，这些非线性因素颠覆着由线性控制理论分析得出的结论，也或多或少地影响着控制结果。而所谓的线性系统只是在忽略了非线性因素或在一定条件下对非线性环节进行线性化后的模型。所以很多实际中出现的现象不可能用线性理论的方法来分析，线性方法在这些复杂系统面前是无能为力的，只能用非线性方法来处理。

1 非线性因素控制系统的理论及特点

1.1 系统的基本理论

非线性是广泛的存在于生产和生活中，它有各种表现形式。而非线性控制理论也是多种多样的，但是，由于非线性因素控制系统的复杂性，没有一种理论能解释所有的非线性现象。非线性因素控制系统的个性差异决定了不可能找到一种普遍适用的方法来解决所有的非线性控制问题，所以非线性控制理论本身也是色彩纷呈的，人们发展了不同的控制策略以适应千差万别的非线性因素控制系统。

1.2 系统的特点

非线性因素控制系统是与线性因素控制系统相对的，所谓的线性因素控制系统是满足叠加原理的系统，它只是在忽略了非线性因素或在一定条件下进行了线性化处理后的理想模型。线性化有两个基本限制：由于线性化是在工作点附近的近似，因此仅能预测出这点邻域内非线性因素控制系统的“局部”特性，而不能预测出远离工作点的“非局部”特性，当然也就不能预测整个状态空间的“全局”特性；非线性因素控制系统动力学远比线性系统学丰富，有一些“本质上的非线性”只有在非线性条件下才能发生，因此不能由线性模型描述或预测。

（1）有限逃逸时间。非稳定线性系统的状态只有当时问趋于无穷时才会达到无穷，而非线性因素控制系统的状态可以在有限时间内达到无穷。

（2）极限环。对于振荡的线性时不变系统，必须在虚轴上有一对特征值，这是在有扰动的条件下几乎不可能保持的非鲁棒条件。即使我们能做到，振荡幅度也将取决于初始状态。

（3）多孤立平衡点。线性系统只有一个孤立平衡点，这样它就只有一个吸引系统状态的稳态工作点，而与初始状态无关。非线性因素控制系统可以有多个孤立平衡点，其状态可能收敛于几个稳态工作点之一，收敛于哪个工作点取决于系统的初始状态。

（4）混沌。非线性因素控制系统的稳定特性可能更为复杂，它既不是平衡点，也不是周期振荡或殆周期振荡，这种特性通常称为混沌。有些混沌运动显示出随机性，尽管系统是确定的。

（5）分频振荡、倍频振荡或殆周期振荡。稳定线性系统的输出信号频率与输入信号频率相同。而非线性因素控制系统在周期信号激励下，可以产生具有输入信号频率的分频或倍频振荡，甚至可以产生殆周期振荡，其中一个例子就是殆周期振荡频率之和，而不是每个振荡频率的倍频。

（6）特征的多模式。同一非线性因素控制系统显示出两种或多种模式是很正常的。无激励系统可能有不止一个极限环。具有周期激励的系统可能会显示倍频、分频或更复杂的稳态特性，这取决于输入信号的幅度和频率。

2 非线性因素在火力发电热工系统中的影响及分析

2.1 热工系统中的非线性因素

随着现代科学技术的发展，发电机组已由过去的中温、中压、中小容量发展到现今的大容量、高参数的单元机组。近几年来，国内大型火电机组的自动控制系统均采用进口的分散控制系统（DCS）来实现，由于采用了DCS，使先进的控制策略可较方便应用于电站的自动控制系统中。

目前国内大型火电机组的自动控制系统，不论是直接从国外引进还是国内自主生产，绝大部分仍然采用常规的控制方案。由于火电机组被控过程往往具有大滞后、非线性和时变性的特点。这些常规的控制方案难于取得理想的控制效果，许多发电厂的关键控制系统，均未能取得好的控制品质，严重影响了大型火电机组的安全、经济运行。

非线性问题可以分为无记忆非线性问题和有记忆非线性问题。之所以称为无记忆、零记忆或静态，是因为非线性因素控制系统在任一时刻的输出仅由该时刻的输入决定，而与历史输入无关。典型的无记忆非线性特性有中继器非线性特性、饱和非线性特性、死区非线性特性、量化非线性特性等。而有记忆的非线性特性是指任一时刻的输出与全部历史输入有关。典型的有记忆非线性特性比如：迟滞非线性和间隙非线性。

组成实际热工系统的环节总是在一定程度上带有非线性。例如，作为放大元件的晶体管放大器，由于它们的组成元件都有一个线性工作范围，超出这个范围，放大器就会出现饱和现象；执行元件例如电动机，总是存在摩擦力矩和负载力矩，因此只有当输入电压达到一定数值时，电动机才会转动，即存在不灵敏区，同时，当输入电压超过一定数值时，由于磁性材料的非线性，电动机的输出转矩会出现饱和；各种传动机构由于机械加工和装配上的缺陷，在传动过程中总存在着间隙，等等。实际热工系统总是或多或少地存在着非线性因素，这些环节影响着我们的控制品质，分析和研究这些环节将是十分重要的工作。

2.2 热工系统中的非线性因素的影响分析

火电厂热力过程自动控制系统中，其主要控制对象锅炉、汽机是一个多输入、多输出的复杂系统，各个控制通道互相关联，难以精确测定被控制对象的动态特性。在实际运行条件下以试验响应曲线计算出的对象传递函数被广泛应用，以此为依据所求出的PID控制器整定参数具有参考价值，在现场调试过程中，调试人员以此为依据，并根据实际暂态过程进行修整。对于大型火电机组，热工过程实质上是一个慢时变、非线性的过程，热工调节对象是一个非线性、时变性、大惯性且具有时延的对象。

（1）锅炉汽水系统分析

锅炉的汽水系统是热工系统的重要组成，结合其结构图，锅炉水循环回路为：汽包→下降管→循环泵→下联箱→水冷壁→上联箱→导汽管→汽包。

从汽包分离出来的饱和蒸汽经顶棚过热器至蝼井烟道的包墙过热器，低温过热器分为二级，一级为卧式逆流布置在竖井烟道内，二级为立式布置在烟道内。低温过热器经一级减温器后进入中温过热器，中温过热器布置在炉膛出口，为屏式过热器。中温过热器蒸汽经二级减温后，左右交叉进入高温过热器。过热器一、二级减温水来自高加出口、给水调节门前。高温过热器布置在水平烟道的高温再热器后，采用先逆流后顺流的布置方式，经高温过热器出口联箱，主蒸汽管到汽轮机高压缸做功。汽轮机高压缸做功后的蒸汽通过冷再热蒸汽母管经减温后进入低温再热器，再热器减温水来自给水泵中间抽头，低温再热器为墙式辐射受热面，布置在炉膛上部，加热后的蒸汽左右交叉进入高温再热器，高温再热器顺流布置在中温过热器后，加热后的蒸汽到汽机中压缸做功。

（2）过热汽温控制系统分析

过热器的材料采用耐高温、高压的合金钢，过热器正常运行的温度已接近钢材允许的极限温度。在现代火力发电厂热工控制中，锅炉出口过热蒸汽温度是锅炉的主要参数之一，也是整个汽水行程中工质的最高温度，对电厂的安全经济运行有重大影响。因此，必须相当严格地将主汽温控制在给定值附近。

随着电力工业的发展，现代锅炉机组大多采用那些高参数、大容量、高效率的大型锅炉，其结构也更复杂，其过热器管道相应地加长。在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，有蒸汽流量、燃烧状况、过热器入口蒸汽焙值、锅炉给水温度、流经过热器的烟气流量、流速、温度以及锅炉受热面的积灰、结渣、结垢情况等。在这些因素的共同作用下，主汽温对象除了具有多容大惯性、大延迟特性之外，往往表现出一定的非线性和时变特性，因此，过热汽温控制是锅炉各项控制中较为困难的任务之一。

一般中、高压锅炉主汽温的要求对汽温控制系统来说是非常高的，长期偏差不允许超过±5℃，暂时偏差不允许超过±10℃。主汽温偏高会威胁机组的安全经济运行，因为会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏。主汽温偏低则会影响机组运行的经济，降低机组的热效率，同时主汽温偏低会使蒸汽的含水量增加，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。

目前广泛采用喷水减温作为控制汽温的手段。对采用喷水减温器的过热蒸汽温度控制系统，有的机组只采用一级减温，这种系统比较简单，但因被控对象在基本扰动下的迟延时间太长，往往在机组负荷变动等扰动下蒸汽温度偏差较大。目前大多数机组都采用二级（或三级）喷水减温控制方式。对采用二级喷水减温的过热蒸汽温度控制系统，如果仅从锅炉出口蒸汽温度的调节效果来考虑，则一级减温相当于粗调，二级减温相当于细调。

（3）整定好的串级系统分析

过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将饱和蒸汽加热成为一定温度的过热蒸汽，它由辐射过热器、对流过热器和减温器等组成。过热汽温控制系统被控对象的惯性和迟延较大，受到的干扰因素多，具有非线性、时变等特点。影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽火含值变化、流经过热器的烟气温度及流速变化、锅炉受热面结垢等。尤其在大容量、高参数的发电机组中，被控对象更加复杂，对控制系统的要求更高，常规的汽温串级控制已经不能满足要求。

蒸汽温度是火电机组安全、高效、经济运行的重要参数，蒸汽温度过高会使过热器和汽轮机高压缸金属超温，严重影响机组的安全运行，汽温偏低会降低机组的热效率，影响机组运行的经济性，因此对蒸汽温度控制的要求相当严格，而蒸汽温度控制一直是电站热控领域的一大难题。

在火力发电厂，锅炉过热汽温控制系统是提高机组热效率和保证机组安全运行的重要组成部分。然而，过热汽温控制又是锅炉各项控制任务中较困难的一项，其原因主要是过热汽温的干扰因素很多，很频繁并且扰动量大。在各种扰动作用下，过热汽温动态特性具有大迟延，大惯性，时变性和非线性的特点，从而加大了控制的难度，因此很难建立精确的模型，传统的控制方法也就很难对过热汽温进行有效的控制。建议从一被整定好的串级汽温控制系统出发，并当考虑非线性环节时，研究对其的影响，做到对系统进行控制。

3 结语

非线性环节对热工自动控制系统的影响及对策是一个非常复杂的问题，由于目前对非线性因素控制系统的研究手段尚不完备，没有统一的方法研究所有的非线性系统，并且很多方法只是在某一方面具有优势，所以我们对于非线性因素控制系统也只能用综合性的方法来分析和研究。

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[责任编辑：杨玉洁]