一種在線模糊控制的鍋爐過熱蒸汽溫度調節方法

摘 要:傳統的鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統通過檢測過熱蒸汽溫度及其變化趨勢來調節減溫水量，從而維持過熱蒸汽溫度在允許的范圍之內#65377;由于過熱蒸汽溫度在減溫水量擾動下延遲較大，這種特性使過熱蒸汽溫度的控制滯后，控制效果不理想#65377;分析現有熱電廠鍋爐過熱蒸汽溫度調節系統的控制策略，提出利用鍋爐出口蒸汽溫度的變化率和爐膛出口煙氣溫度作為前饋信號，解決過熱蒸汽溫度調節的滯后性#65377;基于此設計一種鍋爐過熱蒸汽溫度在線模糊PID雙模控制方法，并給出詳細設計方案#65377;現場運行表明該方法可有效提高原系統的魯棒性#65377;

關鍵詞:鍋爐;過熱蒸汽溫度;在線模糊控制;魯棒性

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A

1 前 言

過熱蒸汽溫度是火力發電廠鍋爐設備的重要參數#65377;但受現場工況影響，過熱蒸汽溫度這一調節對象成為一個時變的#65380;非線性#65380;大滯后#65380;大慣性的復雜熱工控制對象，控制起來比較困難，因此也產生了多種不同的控制方法#65377;雖然已有些文獻對此問題作出研究^[1-3]，但現場熱蒸汽溫度調節的滯后性和穩定性仍沒有較好解決#65377;本文在分析現場工況的基礎上，提出了一種解決過熱蒸汽溫度滯后性的軟測量方法，并利用在線模糊PID雙模控制方法改善系統的魯棒性#65377;

2 影響過熱蒸汽溫度變化的主要擾動因素

鍋爐蒸汽過熱系統的控制任務就是控制過熱器出口汽溫在規定范圍內， 并保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度，從而保證過熱器的正常使用壽命，又能為汽輪機的安全運行提供有力的保障#65377;主蒸汽溫度是否穩定是衡量鍋爐運行質量的重要技術指標之一#65377;

本文所探討的是35～130t/h中溫中壓電站鍋爐過熱蒸汽溫度的控制方法#65377;過熱蒸汽溫度調節系統結構如圖1所示#65377;

由圖1我們可以看出，影響過熱蒸汽溫度變化的主要擾動因素有:1)減溫水流量的變化;2)負荷(過熱蒸汽流量)的變化;3)煙氣溫度的變化;4)過熱器熱交換性能的變化#65377;各種擾動因素之間又相互影響，控制其中的任何一個變量，都可實現對過熱蒸汽溫度的調節#65377;

3 經典的過熱蒸汽溫度串級控制系統

根據圖一所示的過熱蒸汽溫度調節系統結構圖，可設計出過熱蒸汽溫度經典串級控制系統#65377;過熱蒸汽溫度串級控制系統原理如圖2所示#65377;調節器I稱主調節器 ，調節器Ⅱ稱為副調節器#65377;將過熱器出口蒸汽溫度調節器Ⅰ的輸出信號，不是用來控制調節閥而是用來改變調節器Ⅱ的給定值 ，起著最后校正作用#65377;這兩級調節器串在一起 ，各有其特殊任務#65377;調節閥直接受調節器Ⅱ的控制 ，而調節器Ⅱ的給定值受到調節器Ⅰ的控制 ，形成了特有的雙閉環系統 ，由副調節器和減溫器出口溫度θ2形成的閉環稱為副環#65377;由主調節器和主信號θ形成的閉環稱為主環#65377;可見副環是串在主環之中 ，故稱為串級控制系統#65377;

計算技術與自動化2007年6月第26卷第2期趙 煒等:一種在線模糊控制的鍋爐過熱蒸汽溫度調節方法在以上所述的控制方法中，主#65380;副調節器PID參數整定困難，在鍋爐負荷穩定時效果尚可，能基本解決主汽溫度控制的時變性問題，但無法解決主汽溫度控制的大滯后問題，控制效果不十分理想#65377;

4 在線模糊控制的方案及實現

模糊控制器由于具有快速跟蹤特性，非常適合于對大慣性#65380;大滯后的非線性被控對象進行控制#65377;但普通的模糊控制器穩態精度較差，產生這一問題的主要原因是，當系統接近穩態時，偏差及其變化率在模糊集合上的投影為零，模糊控制器不再進行調節動作，也即進入了“死區”#65377;系統在此區域里的動態特性完全依賴于受控對象的動態特性#65377;所以，改進模糊控制器的調節品質可以從改進模糊控制器的“死區”特性入手#65377;這里我們采用雙控制模塊的控制器#65377;當鍋爐處于動態時(過熱蒸汽溫度升降大， 偏差大)投入在線模糊控制，保證減溫調節系統的快速響應;當系統穩定時，則進行在線模糊PID控制#65377;采用模糊控制模塊，模糊控制模塊進入“死區”后，第二個控制模塊投入使用，將系統調節到穩態#65377;本系統選用PID調節器作為第二個控制模塊，就構成了Fuzzy-PID雙模控制器#65377;

Fuzzy-PID雙模控制器由一個選通開關控制，系統遠離穩態時采用模糊控制模塊，系統接近穩態后，PID調節器被選通投入控制，將系統調節到穩態點#65377;系統接近穩態時，系統的動態特性接近線性，適合PID調節器進行調節 ，并且PID調節器可以達到較高的調節精度，克服了普通模糊控制器穩態精度較低的缺點，并且在模糊控制模塊進入“死區”后，由于有PID調節模塊對系統進行調節，提高了系統在穩態點附近的動態品質#65377;因此Fuzzy-PID雙模控制器是一種比較實用的模糊控制器#65377;

圖3是Fuzzy-PI雙模控制器的結構示意圖，圖中e和e*分別代表實際出口蒸汽溫度與設定值的偏差及偏差的變化率，u代表控制器輸出的控制量#65377;

基本模糊控制器模塊和PI調節器模塊都采用的是數字增量式控制算法#65377;即有:

其中，Tw(n)是水溫的實際值;Twd(n)是水溫的給定值;Δu(n)是由控制模塊輸出的控制量的變化量;t是控制器的采樣時間#65377;

在理想控制中，一般希望用減溫器出口溫度作為前饋以彌補主蒸汽溫度的大滯后 ， 但工藝上安裝往往有困難#65377;根據鍋爐的手動運行經驗可以總結成“控制鍋爐出口蒸汽溫度的變化率，用爐膛出口煙氣溫度作為前饋，防止出現較大超調”，通過模糊推理的方法，可以建立如下的控制查詢表#65377;

鍋爐過熱蒸汽在線模糊控制過程可以描述如下:

如果過熱蒸汽溫度誤差變化率T1C為負小(NS)而爐膛出口煙氣溫度誤差變化率T2C為負小(NS)時，則減溫調節閥門開度變化率UC為正大(PB);如果過熱蒸汽溫度誤差變化率T1C為正中(PM)而爐膛出口煙氣溫度誤差變化率T2C為負大(NB)時，則減溫調節閥門開度變化率UC為負中(NM)等，具體見在線模糊控制規則表(表1)#65377;采用上述推理，對生產過程經驗要求較少，且在動態中決定減溫調節閥門開度變化率UC#65377;這種調節方式與實際人工控制方式十分相似，即在操作減溫調節閥門時，靈活采取“觀察——調整——觀察”的步驟，其調整幅度是靈活的#65380;模糊的#65377;

具體過熱蒸汽溫度在線模糊控制流程如圖4所示#65377;

1) 定時器t1開始定時，在規定時間內都滿足|T1C -T0|<εT(其中T1C為過熱蒸汽溫度誤差變化率，T0為過熱蒸汽溫度設定額定值，εT為穩態偏差，εT的取值與設備和運行方式有關，可根據實際情況調整)，則開始在線模糊控制，否則t1清零，重新定時#65377;

2) 當t1沒有清零，不重新定時#65377;則t2定時開始，進入在線模糊控制程序，當檢測到ΔTi-1>0， ΔTi<0(其中ΔTi-1#65380;ΔTi為鍋爐過熱蒸汽溫度誤差)時，則表明控制目標值(鍋爐過熱蒸汽溫度)穩定在一定范圍內#65377;這時停止在線模糊控制，一直到下次啟動模糊控制程序#65377;

5 現場調試及運行結果

根據上述改進的控制系統， 修改了原控制系統的組態，我們將控制器參數用于現場， 通過現場調試做了進一步的修正， 并設定了前饋信號參數#65377;圖5表示: 在主蒸汽定值設定在450℃的情況下， 曲線1表示在改進后用Fuzzy-PID控制情況下主蒸汽溫度響應曲線最大動態偏差僅3℃，曲線2表示在改進前經典控制情況下主蒸汽溫度響應曲線動態偏差達到10℃#65377;實際運行效果較改進前明顯改善#65377;

6 結束語

以上控制方式在福建龍巖適中火電廠實現獲得了良好的效果，能將鍋爐過熱蒸汽溫度控制在±3 ℃范圍內#65377;與經典的過熱蒸汽溫度串級控制系統相比 ，它克服了大滯后的問題，達到了滿意的調節效果#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。