火電廠鍋爐汽包水位的智能控制研究

陳振山，高明帥，張紅俠

（華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045）

0 引 言

中國(guó)一直是能源消耗大國(guó)，國(guó)家的主要能源供給來(lái)源于煤炭，因此火力發(fā)電廠是主要的煤炭能源消耗單位。在火力發(fā)電廠安全生產(chǎn)發(fā)電的過(guò)程中，鍋爐是最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，其中水位、壓力和溫度是鍋爐安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。水位過(guò)高會(huì)影響汽水分離，從而產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；水位過(guò)低則會(huì)影響汽水循環(huán)，使得鍋爐局部溫度過(guò)高而產(chǎn)生危險(xiǎn)事故。因此，對(duì)于火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行而言，汽包水必須要實(shí)施穩(wěn)定可靠的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制。

本論文主要結(jié)合鍋爐運(yùn)行過(guò)程中汽包水控制的特點(diǎn)及其控制現(xiàn)狀，有針對(duì)性的提出面向火力發(fā)電廠汽包水的智能自動(dòng)控制策略與措施，以期從中能夠找到合理有效的汽包水自動(dòng)控制方案，并以此和廣大同行分享。

1 鍋爐汽包水控制概述

1.1 汽包水特性分析

所謂汽包，就是指鍋筒，是鍋爐運(yùn)行中最為重要的受壓元件。汽包內(nèi)有汽水分離裝置，實(shí)現(xiàn)汽水分離，有一定的飽和水量，具有一定的蓄熱能力，并緩和汽壓的變化速率，但是汽包中汽水分離的過(guò)程受到汽包水位的影響，水位過(guò)高會(huì)影響汽水分離，從而產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；水位過(guò)低則會(huì)影響汽水循環(huán)，使得鍋爐局部溫度過(guò)高而燒壞鍋爐。

鍋爐在運(yùn)行時(shí)，汽水平衡是很重要的一個(gè)運(yùn)行指標(biāo)。汽包及蒸發(fā)管中貯藏的蒸汽和水，貯藏量的多少是以被調(diào)量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時(shí)，汽包水位就恒定不變。

近年來(lái)，隨著鍋爐容量和壓力的不斷升級(jí)，鍋爐汽包水位的控制精度要求也逐漸提高，汽包水位的控制由過(guò)去單純的控制水位一個(gè)指標(biāo)發(fā)展到不僅僅要控制水位，還要控制汽水分離率、汽水循環(huán)率等多指標(biāo)控制，因此汽包水位控制的難度也逐漸加大。

1.2 汽包水控制現(xiàn)狀

過(guò)去對(duì)于鍋爐汽包水水位的控制，采用常規(guī)儀表結(jié)合操作工人的手動(dòng)操作控制實(shí)現(xiàn)對(duì)汽包水位的控制，由于鍋爐汽包水位具有強(qiáng)非線性、大時(shí)滯等特點(diǎn)，傳統(tǒng)常規(guī)儀表僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)帶沖量的控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)受控過(guò)程的控制，因此控制效果并不理想；而手動(dòng)操作在很大程度上又取決于操作工人的經(jīng)驗(yàn)，因此傳統(tǒng)的控制手段無(wú)法改變鍋爐高能耗運(yùn)行的狀態(tài)，并且鍋爐運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性無(wú)法得到有效的保證。

隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了PID控制器。利用PID控制器來(lái)控制汽包水位，盡管對(duì)于系統(tǒng)而言，系統(tǒng)控制誤差大大縮小了，控制的精度相比于過(guò)去的傳統(tǒng)手動(dòng)控制有了大幅提升，但是利用PID控制器實(shí)現(xiàn)的汽包水位控制，系統(tǒng)不穩(wěn)定且很容易產(chǎn)生虛假水位現(xiàn)象，難以獲得較好的控制效果。

針對(duì)上述傳統(tǒng)的汽包水位控制模式在實(shí)際應(yīng)用中的諸多不足，本論文擬將模糊自適應(yīng)控制方案應(yīng)用于鍋爐的汽包水位控制中，不依賴(lài)汽包水位數(shù)學(xué)模型的任何信息，只需要汽包的輸入輸出數(shù)據(jù)，既可以消除虛假水位現(xiàn)象，又能克服各種擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽包水位的自動(dòng)化智能化控制的目的。

2 鍋爐汽包水位的智能控制設(shè)計(jì)研究

2.1 汽包水位的測(cè)量分析

長(zhǎng)期以來(lái)，汽包水位的測(cè)量一直是實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包水位智能控制的難點(diǎn)問(wèn)題。汽包水位是由汽包水位傳感器實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)的，但是傳感器本身具有一定的可靠性，一旦傳感器故障就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行人員誤判斷、誤操作，水位預(yù)警失靈，停爐保護(hù)拒動(dòng)，這會(huì)造成重大的鍋爐安全事故。因此，汽包水位的測(cè)量一直是工業(yè)控制過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。

針對(duì)傳統(tǒng)的汽包水位測(cè)量的不足，本論文提出多傳感器融合測(cè)量的思想，因?yàn)榫科浔举|(zhì)而言，汽包水位的測(cè)量實(shí)質(zhì)上是對(duì)給水量和蒸汽量的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二者之間的平衡。因此，改變過(guò)去傳統(tǒng)的單純依靠汽包水位傳感器測(cè)量的方法，改為依靠對(duì)給水量測(cè)量和蒸汽量測(cè)量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制汽包水位的目的。那么如何可靠的實(shí)現(xiàn)對(duì)給水量和蒸汽量的測(cè)量呢？這里需要引入傳感器融合的思想，即采用多個(gè)傳感器同時(shí)分別監(jiān)測(cè)給水量和蒸汽量，將傳感器本身的可靠性納入考慮范圍，將多個(gè)傳感器分別監(jiān)測(cè)到的給水量和蒸汽量，結(jié)合傳感器自身的可靠度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終得出可信度較高的蒸汽量和給水量，而控制系統(tǒng)根據(jù)所監(jiān)測(cè)到的給水量和蒸汽量進(jìn)行自動(dòng)的智能化控制，調(diào)節(jié)給水量或者蒸汽量的大小，進(jìn)而達(dá)到控制汽包水位的目的。那么究竟如何結(jié)合傳感器本身的可靠度進(jìn)行給水量或者蒸汽量的監(jiān)測(cè)呢？

以給水量為研究對(duì)象，可以假設(shè)：令H1表示給水量傳感器存在故障，H0表示給水量傳感器無(wú)故障，N個(gè)本地給水量傳感器分別收到k個(gè)未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)向量Xi后，

其中 Xi＝ ［xi，1，xi，2，…，xi，k］，i＝1，2，…，N，xi，j∈ ｛0，1｝；

分別在本地作出一個(gè)b位（b≤k）的決策向量Ui＝ ［ui，1，ui，2，…，ui，b］，i＝1，2，…，N，ui，j∈ ｛0，1｝；

各個(gè)給水量傳感器的偵測(cè)正確的概率為Pd＝P［xi，j＝1｜H1］，1≤i≤N，1≤j≤k；

誤報(bào)概率為Pf＝［xi，j＝1｜H0］，1≤i≤N，1≤j≤k。

本地決策向量集 ［U1，U2，…，UN］傳輸?shù)饺诤现行模捎诮o水量傳感器都不是絕對(duì)理想的，存在一定程度的噪聲，因此決策中心接收到的向量集為 ［R1，R2，…，RN］，其中

式中，σ為給水量傳感器信號(hào)的平均信噪比，gi，j為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的獨(dú)立高斯變量，gi，j～N（0，1），附加噪聲ni，j也服從正態(tài)分布，ni，j～N（0，1）。

融合中心的全局一位決策u0是基于向量集［R1，R2，…，RN］的，中心的偵測(cè)及誤報(bào)概率分別為PD和PF，有PD＝p［u0＝1｜H1］，PF＝p［u0＝1｜H0］。

為衡量決策規(guī)則的性能，必須計(jì)算偵測(cè)與誤報(bào)概率，從而為基于給水量傳感器可靠性的多傳感數(shù)據(jù)融合提供支撐。由此可見(jiàn)，利用這種多傳感器的數(shù)據(jù)融合的方法，其實(shí)質(zhì)是將無(wú)模型自適應(yīng)控制的方案應(yīng)用于鍋爐的汽包水位控制中，不依賴(lài)汽包水位數(shù)學(xué)模型的任何信息，只考慮傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將傳感器本身的可靠度納入考慮范圍，只需要汽包的輸入輸出數(shù)據(jù)，既可以消除虛假水位現(xiàn)象，又能克服各種擾動(dòng)。

2.2 鍋爐汽包水位控制方法

上文分析了鍋爐汽包水位的監(jiān)測(cè)方法，提出了基于傳感器本身可靠度的多傳感器數(shù)據(jù)融合監(jiān)測(cè)方法，擺脫了過(guò)去由單一水位傳感器實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)的諸多不足，不受具體的數(shù)學(xué)模型限制，大大提高了鍋爐汽包水位的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。那么在實(shí)現(xiàn)了汽包水位準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)汽包水位的智能控制呢？從上面的分析可以看出，由于是采用分別監(jiān)測(cè)給水量和蒸汽量的方法實(shí)現(xiàn)汽包的輸入量和輸出量的監(jiān)測(cè)的，因此對(duì)于汽包水位的控制，就需要從汽包輸入量和輸出量的控制入手實(shí)現(xiàn)。

（1）給水量的控制

改變過(guò)去采用定速水泵供給鍋爐汽包的傳統(tǒng)方式，這是因?yàn)椴捎枚ㄋ偎霉┙o水量，一旦鍋爐汽包水位發(fā)生明顯變化時(shí)，定速水泵調(diào)節(jié)供給水量的速度跟不上汽包水位發(fā)生變化及導(dǎo)致惡化事故的速度，容易造成較大的安全事故隱患，因此定速水泵目前普遍應(yīng)用于小型的鍋爐系統(tǒng)。對(duì)于大型鍋爐系統(tǒng)，現(xiàn)在普遍采用單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)供給水量。

給水量的控制通常容易受到給水壓力、汽包壓力、調(diào)節(jié)閥開(kāi)度等因素的干擾，造成產(chǎn)生虛假水位，給汽包水位的控制帶來(lái)了難度；而單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)恰恰解決了虛假水位的問(wèn)題，這主要是因?yàn)椴捎脝渭?jí)三沖量控制系統(tǒng)，能夠?qū)⑵敵隽俊羝孔鳛榍梆佇盘?hào)，將給水量發(fā)生擾動(dòng)之后的給水量信號(hào)作為局部反饋信號(hào)。調(diào)節(jié)器根據(jù)這兩個(gè)反饋信號(hào)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)給水量的控制，消除了給水量擾動(dòng)帶來(lái)的影響，以及虛假水位帶來(lái)的汽包保護(hù)器的誤動(dòng)作，大大提高了給水量的控制精度，如圖1所示。

圖1 給水量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）蒸汽量的控制

蒸汽量的控制通常需要明確知道系統(tǒng)出口處的壓力、溫度、濕度、粘度等參數(shù)，才能夠計(jì)算出系統(tǒng)的輸出蒸汽量，這樣的處理過(guò)程不僅需要進(jìn)行大量的計(jì)算，同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)而言，蒸汽量的控制精度也并不高。因此，對(duì)于蒸汽量的控制，同樣道理，可以將汽包水位控制系統(tǒng)的輸入量——給水量作為前饋信號(hào)，由汽包內(nèi)的汽水分離器件實(shí)現(xiàn)汽水分離，并數(shù)字化控制蒸汽量的輸出，進(jìn)而達(dá)到控制系統(tǒng)蒸汽量輸出的目的，如圖2所示。

圖2 蒸汽量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制了系統(tǒng)的輸入量給水量和輸出量蒸汽量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐汽包水位的自動(dòng)化智能化控制，但是在控制過(guò)程中，還有很多具體的技術(shù)問(wèn)題，有待于廣大技術(shù)人員共同努力去解決。

3 結(jié) 語(yǔ)

本論文以應(yīng)用在火力發(fā)電廠領(lǐng)域中的鍋爐為研究對(duì)象的載體，以鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的汽包水位為具體研究對(duì)象，詳細(xì)分析探討了傳統(tǒng)汽包水位控制方法在實(shí)際應(yīng)用中所暴露出來(lái)的諸多不足與問(wèn)題，有針對(duì)性的提出了基于模糊自適應(yīng)控制的方案，將其應(yīng)用于鍋爐的汽包水位控制中，并分析研究了其中的技術(shù)問(wèn)題，提出了具體的汽包水位智能化控制設(shè)計(jì)措施，對(duì)于進(jìn)一步提高我國(guó)火力電廠鍋爐汽包水位的智能化控制水平具有較好的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。當(dāng)然，更多的具體的汽包水位控制策略與技術(shù)方案有待于廣大熱工專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的共同努力，才能夠最終實(shí)現(xiàn)火電廠鍋爐汽包水位控制水平的大幅提升。

［1］ 趙建立，王永征.大型火電機(jī)組熱工控制技術(shù)與實(shí)例［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

［2］ 海 山.鍋爐汽包水位的智能控制研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2008.

［3］ 王 卓.模糊控制在鍋爐水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.北京：北京科技大學(xué)，2005.

［4］ 愈海斌，褚 健.CFB鍋爐汽包水位的專(zhuān)家PID控制［J］.機(jī)電工程，2000，（3）：103－106.

［5］ 高 巖.基于專(zhuān)家系統(tǒng)的鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化控制［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25（5）：27－29.