火電廠主蒸汽溫度控制系統優化分析

任素龍，李帥華，張福東，劉 健

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031）

火電廠主蒸汽溫度控制系統優化分析

任素龍1，李帥華1，張福東1，劉 健2

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031）

針對常規主蒸汽溫度PID控制方法難以獲得較好調節效果的問題，分析影響主蒸汽溫度控制的因素，提出一種基于模糊控制和專家控制的主蒸汽溫度串級PID控制方法，并通過現場應用情況證明該控制方法比常規的PID控制方法具有更強的抗干擾能力和更好的控制品質。

主蒸汽溫度；模糊控制；專家控制；串級PID控制

1 概述

主蒸汽溫度是火電廠鍋爐運行中監測和控制的主要參數，其過高或者過低都會直接影響機組運行的經濟性和安全性，這就要求主蒸汽溫度必須穩定在機組允許的范圍內。由于主蒸汽溫度控制具有非線性、時變性、大延時和大慣性等特點，而且影響主蒸汽溫度的因素很多，使得常規的PID控制很難獲得較好的調節效果。目前關于主蒸汽溫度控制的研究很多，提出人工神經網絡、遺傳算法、自適應控制、模糊控制、專家控制、狀態變量控制等方法，這些方法主要應用于仿真研究，理論上都能不同程度的提高主蒸汽溫度的控制品質［1］。但是，由于控制方法本身的局限性以及主蒸汽溫度控制對象的復雜多變性等實際問題，導致這些方法在實際應用中很難達到理想的控制效果，也沒能得到推廣。以下設計提出了一種基于模糊控制和專家控制的主蒸汽溫度串級PID控制方法，該方法在石家莊裕華熱電廠2號機組的主蒸汽溫度控制系統中得到了很好的應用，主蒸汽溫度的控制效果較以前使用的常規串級PID控制有了很大的提高。

2 主蒸汽溫度控制的影響因素

傳統的火電廠主蒸汽溫度控制系統大多采用常規的PID串級控制策略。但是，主蒸汽溫度變化的影響因素比較復雜，在煙氣側有燃料性質的變化、風量及風煤比的變化、燃燒器及制粉系統運行方式的變化、受熱面清潔程度的變化等；在蒸汽側有鍋爐負荷的變化、給水溫度的變化、飽和蒸汽溫度和減溫水量的變化等，其中最主要的因素是鍋爐負荷、燃料性質和減溫水流量［2］。

因此，要控制好主蒸汽溫度，主蒸汽溫度自動控制系統必須對燃料變化、負荷波動、主蒸汽壓力波動、蒸汽吹灰投入等較大外部擾動具有足夠的快速響應能力，并且對各級減溫水自動調節之間的內部擾動要有較強的抑制能力，從而使系統具有足夠的穩定性和良好的調節品質。

3 火電廠主蒸汽溫度控制系統優化方案

基于模糊控制和專家控制的主蒸汽溫度串級PID控制方法，采用自調整模糊控制的輸出作為副PID調節器的前饋信號，當主蒸汽溫度實際值與設定值偏差較大時，根據偏差大小以及偏差變化率的大小，自調整副調PID控制將迅速增大或者減小減溫水調節閥的開度來抑制主蒸汽溫度的大幅波動，保證控制系統響應的快速性；串級主PID調節器采用專家變參數控制，當主蒸汽溫度偏差不太大時，根據主蒸汽溫度的偏差和偏差的變化方向來自動調整PID的參數，以保證較好的控制精度及穩定性。具體實現方案如下。

3.1 自調整模糊PID控制

主蒸汽溫度控制對象的特性以及常規PID控制自身的特點決定了主蒸汽溫度控制很難達到理想的控制效果，無法獲得常規PID控制所需要的精確數學模型；常規的PID控制參數是固定不變的，難以適應各種工況和克服各種擾動。模糊控制不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要操作人員的經驗知識及操作數據，非常適合用于非線性、大遲延系統的控制［3］。在常規PID控制的基礎上引入自適應模糊控制方法，發揮模糊控制的優點，以提高主蒸汽溫度控制效果。

3.1.1 模糊集和論域的確定

主蒸汽溫度自動控制系統采用偏差e和偏差的變化率ec作為系統的輸入量，選擇控制量的變化為輸出量的二維模糊控制器［4］。模糊控制器的輸入量是主蒸汽溫度與設定溫度之差（即偏差e）和偏差的變化率ec，在不同工況下，偏差e和偏差變化率ec的作用程度是不同的，引入一個加權因子a來區分兩者的不同作用程度，輸出量是減溫水調節閥門開度u。

在主蒸汽溫度自動控制系統中，偏差e所對應的論域為E，變化率ec所對應的論域為Ec，輸出量u所對應的論域為U，將它們都分為7檔：負大（NB）、負中（NM）、負小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），與此對應的量化論域均為［－9，－6，－3，0，＋3，＋6，＋9］。

3.1.2 自調整模糊控制規則

模糊控制器的控制性能除了與比例因子、量化因子有關外，主要還受控制規則的影響。控制規則是基于人們通過學習、試驗以及長期經驗積累而逐漸形成的，是一種控制策略的集合。操作人員的手動控制是通過對被控對象的觀測，再結合自己的經驗和技術知識，進行綜合分析并做出的控制決策。利用語言歸納手動控制策略的過程，就是建立模糊控制器的控制規則的過程。自調整模糊控制采用如下解析表達式：

式中：a為加權因子，采用下式計算：a＝｛（1－a0／k）／6｝×｜i｜＋a0，其中，i為［－9，－6，－3，0，＋3，＋6，＋9］，0＜a0＜1，0＜k＜1，當a0＝0.5，k＝0.8時，加權因子a的論域為［0.875，0.75，0.625，0.5，0.625，0.75，0.875］。a0和k需要根據實際自動控制系統的優化調整來確定。

當a＝0.5時，模糊控制規則見表1。

在主蒸汽溫度自調整模糊控制中，加權因子a體現了控制系統對誤差e和誤差變化率ec的不同重視程度。當誤差較大時，控制系統的主要任務是盡快減小誤差，此時，應加大誤差e在控制規則中的加權，即a應取較大的值；相反，當誤差較小時，此時系統已接近穩態，控制系統的主要任務是減小超調和震蕩，使系統盡快穩定，因此應加大誤差變化率的加權，即a應取較小的值。

表1 a＝0.5時的控制規則

采用自動調整加權因子的模糊控制系統，能夠隨著工況的變化，采用不同的控制策略來快速消除誤差，使系統盡快達到穩定狀態，完全體現了現場工作人員的控制策略，是一種具有高智能優化特點的控制方法。

3.2 專家變參數PID控制

專家系統是一個有大量專門知識與經驗的計算機程序系統。它應用人工智能技術，根據一個或多個人類專家提供的特殊領域知識和經驗進行推理和判斷，模擬人類專家做決策來解決那些需要專家決定的復雜問題［5］。主蒸汽溫度專家PID控制是一種將專家控制和PID控制相結合的控制方法，它利用專家經驗來自動調整PID參數［6］。該控制方法優于常規的PID控制，能適應控制對象的變化并具有良好的控制品質，具有較強的魯棒性和自適應能力。

3.2.1 專家變參數PID控制的實現方法

專家變參數PID控制方法是對常規PID控制的快速性和穩定性進行了優化：當系統超調較大時自動提高PID的比例作用和積分作用，使系統的偏差快速減小，當偏差較小時自動降低PID的比例作用和積分作用，使得系統較快達到穩態。變參數PID控制方法的實現方式有：分段常數式變參數PID控制、分段線性式變參數PID控制、分段非線性式變參數PID控制等。對于變參數PID控制，需要依據控制專家的經驗知識和經驗數據來確定PID參數的分段情況和各段參數。

根據誤差以及其變化率，分段線性式變參數PID控制可分為以下3種情況：

a.當M1≤｜e｜＜M2，并且e×ec＞0時，說明系統誤差的絕對值較大，并且誤差在朝偏差絕對值增大方向變化。此時，應將PID的積分作用加強，即減小積分時間常數Ki，使偏差絕對值盡快減小。

b.當｜e｜≥M2，并且e×ec＞0時，說明系統誤差的絕對值很大，并且誤差在朝誤差絕對值增大方向變化。此時，需同時加強PID的比例作用和積分作用，即需要增大比例系數Kp，減小積分時間常數Ki，以達到迅速調整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小，避免出現很大的超調。

c.在其他情況時，PID參數取初始值，即當｜e｜＜M1，盡管誤差絕對值朝增大的方向變化，或者誤差絕對值朝減小的方向變化，不管誤差多大，Kp和Ki均取初始值。

PID參數的分段情況見圖1。

圖1 PID參數的分段情況

圖1中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅸ 、Ⅹ、Ⅻ區域的誤差較小或者誤差絕對值朝著減小的方向變化，在該區域PID參數采用初始值；Ⅲ、Ⅶ、Ⅺ區域的誤差比較大并且誤差絕對值朝著增大的方向變化，此時PID調節只提高積分的作用來減小誤差的絕對值；Ⅳ、Ⅷ區域的誤差很大并且誤差絕對值朝著增大的方向變化，此時同時提高PID調節的比例作用和積分作用。專家變參數PID控制的優點是，可根據誤差的大小分別實施很強、較強或一般的調節作用，以抑制系統的誤差，避免自動控制系統出現較大的誤差。

3.2.2 PID參數Kp和Ki的確定

在自動控制PID自動調節過程中，作用在PID上的參數由式（2）、（3）確定。

式中：A和B為可變參數，Kp0為PID比例系數的初始值，Ki0為PID積分時間的初始值。

專家變參數PID控制在不同階段采用不同的控制參數：在偏差初始形成階段，即｜e｜從零增大到M1的過程，M1的值需要根據實際調節情況確定，這里取M1＝3，在該范圍內誤差較小，不需要改變PID的初始調節參數，此時取A＝1、B＝1，系統采用常規的PID參數進行調節，保證被控制量穩定在允許的范圍內；在偏差較大階段，即M1≤｜e｜＜M2，此時需要加強積分作用來減小誤差，這里取M2＝6、A＝1、B＝0.6；在誤差很大階段，即｜e｜≥M2，需要同時加強比例作用和積分作用來快速減小誤差，避免PID調節出現很大的超調，這里取M2＝6、A＝1.2、B＝0.4；在誤差絕對值減小階段，為了避免自動調節出現振蕩，將PID調節自動轉為常規調節方式，此時，A＝1、B＝1。

變參數PID控制的各個參數不僅要依據專家的經驗數據來確定，還需要根據現場調整的情況進行修正。根據實際調節情況劃分不同的調節區間，以及根據PID自動調節的指標來修正A和B，最終達到一個理想的調節品質。

4 現場應用情況及效果

石家莊裕華熱電廠2號機組的主蒸汽溫度控制采用三級減溫方式，備用級采用常規的單級PID控制，一級和二級減溫采用串級PID控制。在機組進行完脫硝改造后，原來的主蒸汽溫度控制經常出現超調現象，不能滿足主蒸汽溫度的控制要求。根據原主蒸汽溫度的調節情況，對主蒸汽溫度自動控制進行了優化設計，將自調整模糊控制和專家控制應用到主蒸汽溫度的自動控制系統中。

對備用級、一級和二級減溫水調節都增加了燃料前饋信號，一定程度上提高了主蒸汽溫度的調節效果，但是在負荷變化較大時，主蒸汽溫度還是常常出現超調現象。為了進一步提高對主蒸汽溫度的控制效果，在一級和二級減溫水串級PID控制中加入了自調整模糊控制方法和專家控制方法，主蒸汽溫度自調整模糊控制與專家變參數串級PID控制系統結構見圖2。自調整模糊控制的輸出作為副PID調節器的前饋信號，當主蒸汽溫度實際值與設定值偏差較大時，根據偏差大小以及偏差變化率的大小，自調整副PID控制將迅速增大或者減小減溫水調節閥的開度來抑制主蒸汽溫度的大幅波動，保證控制系統響應的快速性。串級主PID調節器采用專家變參數控制，當主蒸汽溫度偏差不太大時，根據主蒸汽溫度的偏差和偏差的變化方向來自動調整PID的參數，以保證較好的控制精度及穩定性。

自調整模糊控制結合專家控制的變參數PID串級調節控制方法在石家莊裕華 熱電廠2號機組的主蒸汽溫度控制中應用較好，該方法較常規的串級PID控制方法具有更好的調節品質和更強的抗干擾能力。通過主蒸汽溫度二級減溫水調節的定值擾動試驗可知，當主蒸汽溫度設定值減小5℃時，左側和右側二級減溫水調節閥均快速增加開度，使主蒸汽溫能夠快速趨近設定值，提高了系統調節響應速度。當偏差較小時，控制系統自動減小調節作用，使主蒸汽溫度盡快趨于穩定，避免主蒸汽溫度調節出現過調或振蕩現象。

圖2 自調整模糊控制與專家變參數串級PID控制系統結構

5 結束語

以上提出的自調整模糊控制結合專家控制的變參數PID串級調節控制方法不僅在機組穩態時有很好的調節品質，而且在機組負荷或者燃料性質變化等復雜工況時也有很好的調節品質，大大提高了主蒸汽溫度控制系統的穩定性和抗干擾能力。該方法在火電廠主蒸汽溫度控制中具有很強的工程實用性和普遍性，可為解決火電廠主蒸汽溫度波動大、超調的問題提供一個有效實用的手段。

［1］王文蘭，孔昭東，劉劍恒.火電廠主汽溫的西門子控制策略應用研究［J］.電力自動化設備，2011，31（3）：139-141.

［2］朱北恒.火電廠熱工自動化系統試驗［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］夏 蕾，袁鎮福.火電廠鍋爐主汽溫度控制策略研究［J］.鍋爐技術，2007，38（5）：6-10，72.

［4］段愛霞，黃永志，劉子玉.主汽溫模糊控制器的設計［J］.華電技術，2010，32（1）：35-38.

［5］陶永華.新型PID控制及其應用［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［6］黃東杰.專家PID控制算法中參數對控制結果的分析［J］.儀器儀表用戶，2006，13（5）：128-130.

本文責任編輯：王洪娟

Optimization of Main Steam Temperature Control System in Power Plant

The regulating effect of conventional and simple PID control is poor for the main steam temperature control，the reasons of the main steam temperature control are analysised.A fuzzy control and expert control strategy in the cascade PID control is suggested for the main steam temperature control.The application results show that the main steam temperature control method suggested in this paper has better control performance and stronger adaptive capability to the noises than those of the normal PID control method.

main steam temperature control；fuzzy control；expert control；cascade PID control

1001-9898（2014）05-0038-03

2014-06-19

任素龍（1982－），工程師，主要從事電廠熱工自動化控制方面的工作。

TK223.7

B