模糊控制在單元機組鍋爐給水閥門自動切換控制中的應用

摘要：某電廠300 MW單元機組控制系統采用西門子TELEPERM ME DCS集散控制系統，在對其鍋爐給水系統閥門切換的改造過程中，利用模糊控制理論，根據實際運行狀況及運行資料，通過大量的實驗分析，設計出切實可行的給水閥門切換邏輯，使燃煤鍋爐給水系統給水閥門實現自動切換，解決了大容量單元機組燃煤鍋爐實現全程給水自動控制所必須解決的一個關鍵問題。本系統的投運不僅節約了改造、更換給水系統所需的大量資金，由于機組實現自動啟動，大大縮短了啟動時間，使機組啟動過程中消耗的燃料量明顯下降，經濟效益十分顯著；同時也給出了模糊控制技術在控制工程中實際應用的一種思路。

關鍵詞：計算機集散控制系統； 單元機組； 模糊控制； 全程給水系統； 閥門自動切換

中圖分類號：TP273．4文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0300-03

1問題的提出

某電廠300 MW單元機組控制系統采用西門子TELEPERM ME DCS集散控制系統，圖1為給水系統流程簡圖。當機組負荷在15%以下時，圖1中的截止閥S17－3處于關閉狀態，C10－1控制閥處于工作狀態，啟動泵的轉速保持在較低的允許數值。轉速閉環控制回路維持給水母管壓力一定，C10－1閥閉環控制回路維持汽包水位一定。隨著機組負荷的增加，汽包蒸發量（主汽流量）增大，鍋爐要求的給水量不斷增加，C10－1控制閥的開度也逐漸開大。當C10－1閥的開度達到90%左右時，它已不能滿足鍋爐對給水量的要求，需要開啟主隔離閥S17－3，即進行控制閥C10－1與截止閥S17－3之間的切換。

由于S17－3閥是一個非常大的開環控制閥，為防止S17－3閥開啟時引起水位大的擾動，必須根據控制閥C10－1和截止閥S17－3及給水管道系統的特性，按照一定的規律緩慢地開啟截止閥S17－3和關閉控制閥C10－1（或反過程）。如果該問題處理不當，將使給水全程控制不能實現。

2設計思想的確定及依據

大旁路調節閥(C10－1)與主給水截止閥(S17－3)的特性是截然不同的，調節閥C10－1能連續控制，而截止閥S17－3是具有快開特性的開關閥。S17－3截止閥的開啟與關閉，將直接影響汽包壓力、汽包水位、給水流量等鍋爐運行中的重要監控參數。在S17－3開啟的初始階段，給水流量的變化很大，將對汽包水位產生較大的沖擊，特別是當閥兩端的壓差較大時，這一沖擊更為嚴重。為了降低大旁路調節閥C10－1與主給水閥S17－3的切換過程對汽包水位系統的擾動，使系統能夠自動穩定地運行，應該利用操作人員的切換操作經驗，采用閉環控制的方法；同時考慮汽包水位、給水流量、主汽流量、汽包壓力等參數以及它們的變化率，來決定S17－3閥的開啟及停止，必要時應能使其關小一定的開度，簡單地采用按時間比例的方式進行切換。

由于S17－3閥的特性不很清楚，現場條件又不允許對其進行精確的特性試驗，加之影響切換過程的參數多且關系復雜，因而采用常規的方法來控制S17－3閥的開啟與關閉的確存在一定的難度。經過現場調研發現，有經驗的運行人員有時能夠利用手動操作完成這一切換過程。

在切換過程中，運行人員通過觀察汽包水位的偏差及其變化率，給水流量的變化率，以及給水流量與主汽流量之間的平衡關系，來決定S17－3閥的開啟與關閉，從而保證了在切換過程中汽包水位在工藝允許的范圍內變化，給水控制系統能正常運行。

在調研過程中，通過現場觀察操作人員在閥門切換過程中的實際操作以及與操作人員座談，可以總結出操作人員在閥門切換過程中的以下邏輯思維過程：

切換一般選擇在第一臺磨啟動后，第二臺磨啟動前進行；切換前一般先將汽包水位的給定值降低（設定值由原來的0降低到-25 mm左右），以防止在S17－3閥開啟的初始階段由于給水流量的突然增加而使汽包水位超越上限；操作人員的操作主要依據汽包水位H、給水流量F、蒸汽流量D的測量值及其變化量ΔH、ΔF、ΔD，給水流量F與蒸汽流量D的差值(F-D)及其變化量Δ(F-D)，以及汽包壓力P的高低來決定主給水閥(S17－3）的開啟、停止開啟和關閉。

操作人員的操作過程可用下列條件語句表示：

if H=NL and ΔNL then open S17－3;

…

if H=NM and ΔH=PM then stop open S17－3;

…

if H=NS and ΔH＝NL then open S17－3;

…

if H=NS and if ΔH＝NB then open S17－3;

…

由以上分析可見，采用模糊控制理論，運用操作人員的操作經驗，可以設計出滿足工藝要求的切換方案。

3切換方案的設計

3．1輸入/輸出變量的確定

3．1．1輸入/輸出變量的確定

由于汽包壓力P、汽包水位H、給水流量F和主汽流量D以及它們的變化率等參數均對S17－3閥的動作有關，例如，若汽包壓力P過低，或汽包水位H過高，或主汽流量D（反映負荷的大小）較小時，S17－3閥不能開啟。因而都可以作為模糊控制器的輸入量；在切換過程中，除了要控制S17－3的動作外，調節門C10－1的開度和變速給水泵的轉速等都需要進行控制，即它們都可以作為模糊控制器的輸出變量。這就是說，若將上述參數都作為模糊控制器的輸入量和輸出量，將構成一個多輸入/多輸出的模糊控制器，如圖2所示。這樣一來，模糊控制器的結構將會變得非常復雜。

方案中的有關參數，是在現場實際運行實驗的基礎上，經過多次修改以后確定的。該切換方案現場運行情況良好，基本能滿足機組運行工況及給水全程控制系統的要求。

4結束語

本文在對某電廠300 MW單元機組燃煤鍋爐給水系統閥門切換的改造過程中，利用模糊控制技術，根據實際運行狀況及運行資料，通過大量的實驗分析，設計出切實可行的給水閥門切換邏輯，使燃煤鍋爐給水系統給水閥門實現自動切換，解決了大容量單元機組燃煤鍋爐實現全程給水自動控制所必須解決的一個關鍵問題。在經濟上，本系統的投運，不僅節約了改造、更換給水系統所需的大量資金，同時，由于機組的啟動實現自動，大大縮短了啟動時間，使機組啟動過程中消耗的燃料量明顯下降，經濟效益十分顯著。在技術上，本文提供了模糊控制技術在實際控制工程中應用的一種思路。

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