火力發(fā)電機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)的研究

劉影

【摘 要】現(xiàn)有傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)的效能以無法滿足整個(gè)熱工系統(tǒng)要求，本文研究了傳統(tǒng)系統(tǒng)的組成以及不足，介紹了目前非常有廣泛應(yīng)用前景的數(shù)個(gè)新技術(shù)并加以分析，通過采集火力發(fā)電機(jī)組及鍋爐現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理，可實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電機(jī)組與鍋爐的最優(yōu)控制。

【關(guān)鍵詞】機(jī)組鍋爐；控制系統(tǒng)；傳統(tǒng)模型

引言：計(jì)算機(jī)革命為人們帶來的便捷不僅僅局限于生活，它為世界科技的進(jìn)步有著巨大的貢獻(xiàn)。各類操控紛紛引進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加以控制，這在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也使操作更為復(fù)雜。我們了解，傳統(tǒng)火力系統(tǒng)的操作控制手段較為單一，它的轉(zhuǎn)化能力以無法滿足日益增長的火力需求，而且對(duì)系統(tǒng)的掌控力薄弱，時(shí)長發(fā)生失控顯現(xiàn)。當(dāng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用在火力發(fā)電領(lǐng)域時(shí)，又帶來更多探索與思考。快速發(fā)展勢(shì)必會(huì)將各類數(shù)學(xué)模型加以完善，應(yīng)用在火力發(fā)電機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)的研究也近臻穩(wěn)定，但一個(gè)系統(tǒng)往往還有許多亟待解決的問題。從火力發(fā)電機(jī)組操控、研究的角度講，便有控制效果差，不穩(wěn)定性和大慣性等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)也造成無法發(fā)揮數(shù)學(xué)模型最大功能的局面。

1.傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)的不足

從目前電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析，不同時(shí)段的電力復(fù)合差值極大，這便需要調(diào)節(jié)量程較廣的機(jī)組系統(tǒng)支持，所以關(guān)于電網(wǎng)的用量分配尤為重要。想讓電力負(fù)載效能提升就必須精進(jìn)機(jī)機(jī)組系統(tǒng)。機(jī)組系統(tǒng)能力負(fù)載分配調(diào)控力必須加強(qiáng)，才會(huì)使整體可控，以應(yīng)對(duì)負(fù)載的線性變化和隨機(jī)變化。調(diào)控點(diǎn)隨需求變化便會(huì)影響裝置的運(yùn)行壽命和使用效率。這樣傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)便暴露出來。這種負(fù)責(zé)的、隨機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)將會(huì)使某一個(gè)或某幾個(gè)工作點(diǎn)位的銜接出現(xiàn)穩(wěn)定性波動(dòng)，這些看似簡單的問題實(shí)則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。國內(nèi)外科研人員正在逐步對(duì)發(fā)電機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，為得是解決需求體量大、量程范圍廣的設(shè)備能滿足新時(shí)代的需求。在改進(jìn)中，主要目標(biāo)是提升發(fā)電機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性、提高供能系統(tǒng)的工作效率和調(diào)控再熱溫度等工作能力。

2.鍋爐機(jī)組控制系統(tǒng)操作應(yīng)滿足的條件

鍋爐機(jī)組控制系統(tǒng)應(yīng)具備能夠穩(wěn)定開車、停車與經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性的需要，在調(diào)控中完善鍋爐系統(tǒng)連接點(diǎn)的順暢銜接，為了保證供能系統(tǒng)平穩(wěn)高效的應(yīng)對(duì)負(fù)載變化，確保系統(tǒng)安全推進(jìn)。以下有幾個(gè)條件需要滿足。

2.1下級(jí)系統(tǒng)多樣化并設(shè)立有效冗余措施

下級(jí)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮單獨(dú)下級(jí)系統(tǒng)的獨(dú)立性和整個(gè)控制系統(tǒng)的完整性，使連接通暢，每個(gè)指令傳達(dá)響應(yīng)迅速，無效信息交流應(yīng)盡量避免。與此同時(shí)，每個(gè)子系統(tǒng)不得長時(shí)間滿負(fù)載運(yùn)行，操控必須留出有效剩余空間，還需要考慮臨界點(diǎn)的負(fù)面效應(yīng)對(duì)整體的影響。

2.2整體響應(yīng)鏈應(yīng)有連鎖緊急停車功能

系統(tǒng)工作中難免遇到錯(cuò)誤操作，為避免擴(kuò)大影響，連鎖緊急停車功能應(yīng)作為必要功能設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中。連鎖緊急停車功能作為最重要的服務(wù)設(shè)備之一是為了確保安全生產(chǎn)目標(biāo)達(dá)成。同時(shí)還能幫助維護(hù)、測試和校準(zhǔn)順利實(shí)施。

2.3系統(tǒng)開、停車平穩(wěn)并保證自動(dòng)切換平順

當(dāng)某一子系統(tǒng)接收或發(fā)出的信號(hào)有誤是，緊急停車功能應(yīng)自動(dòng)發(fā)揮功能，使部分或整體停止工作，直到系統(tǒng)自行校正或人工校正后重新啟動(dòng)。系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)當(dāng)收到不利信號(hào)時(shí)，連鎖緊急停車功能的自動(dòng)切換和人工切換過程都需平順，不應(yīng)只在收到人工指令后運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)得到正確信號(hào)時(shí)，連鎖緊急停車功能需要提示操作人員后才可重新啟動(dòng)。

3.火力發(fā)電機(jī)組鍋爐輔助管控系統(tǒng)的組成與進(jìn)展

火力發(fā)電機(jī)組鍋爐輔助管控系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成：負(fù)載調(diào)控系統(tǒng)、下級(jí)控制系統(tǒng)和負(fù)載調(diào)整單元[2]。負(fù)載調(diào)控系統(tǒng)又分為負(fù)載調(diào)整核心和機(jī)組鍋爐的核心控制體系。負(fù)載調(diào)整核心根據(jù)上級(jí)系統(tǒng)指令和原料進(jìn)爐控制的操作，設(shè)定結(jié)果負(fù)載指令，通過提升、降低負(fù)載運(yùn)行速度等流程，可以接收現(xiàn)場負(fù)載要求指示，確保機(jī)組鍋爐輔助管控系統(tǒng)推進(jìn)。要求汽輪機(jī)和機(jī)組鍋爐的控制手段愈加平順，通過負(fù)載調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控現(xiàn)場負(fù)載要求指示，將信號(hào)傳遞至汽輪機(jī)和機(jī)組鍋爐調(diào)控反應(yīng)器。汽輪機(jī)和機(jī)組鍋爐調(diào)控反應(yīng)器識(shí)別上一程序信號(hào)，同時(shí)分析當(dāng)前狀況，計(jì)算出最優(yōu)負(fù)載調(diào)控方式，并對(duì)能決定系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控和搭配調(diào)整，參數(shù)包括實(shí)時(shí)傳輸運(yùn)載信號(hào)、傳遞負(fù)載信號(hào)、熱能關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)置值等。調(diào)節(jié)機(jī)組鍋爐傳輸信號(hào)與下級(jí)系統(tǒng)傳輸指令的銜接，達(dá)到上級(jí)系統(tǒng)與下級(jí)系統(tǒng)上傳下行的目的，下級(jí)系統(tǒng)及時(shí)反饋，上級(jí)系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整。

3.1自動(dòng)響應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)

自動(dòng)響應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)的意義在于根據(jù)實(shí)際信號(hào)，監(jiān)視各個(gè)子部門運(yùn)行狀態(tài)并動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)。當(dāng)用電高峰與用電低谷差別顯著時(shí)，自動(dòng)響應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)會(huì)自行調(diào)整多個(gè)輸入點(diǎn)并多項(xiàng)接收反饋。如此進(jìn)行的非線性調(diào)整這樣能夠?yàn)榘l(fā)電機(jī)組提供高效的控制策略。通過自動(dòng)響應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)控制原料質(zhì)量、系統(tǒng)設(shè)備老化、對(duì)鍋爐蒸汽溫度動(dòng)態(tài)特性的影響問題，運(yùn)行結(jié)果表明自適應(yīng)性控制比傳統(tǒng)的單輸入、單輸出控制要有明顯的高效性。在英國普林斯頓大學(xué)的科研人員創(chuàng)新了自動(dòng)響應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)，既能協(xié)調(diào)后端機(jī)組鍋爐，又能能夠調(diào)整主蒸汽位，從研究結(jié)果中我們非常清晰的看出，它的整體性能要比傳統(tǒng)單因素調(diào)節(jié)效率高數(shù)倍[3]。機(jī)組在運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)信息可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自主性的學(xué)習(xí)功能進(jìn)行捕獲，動(dòng)態(tài)信息將對(duì)運(yùn)行參數(shù)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，避免不確定因素的干擾，最終達(dá)到系統(tǒng)線性耦合的目的。通過這些研究實(shí)例也可以得出自適應(yīng)性控制能夠較好的解決非線性問題，效果比傳統(tǒng)的控制技術(shù)優(yōu)越。

3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

依靠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)控制已經(jīng)入住機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)。神經(jīng)系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)通過非線性映射能力和函數(shù)逼近能力。在這種非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以達(dá)到較好的控制效果。在歐洲某研究機(jī)構(gòu)的科研人員提出汽輪機(jī)與主蒸汽機(jī)協(xié)同作用的反向模型，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控核心，通過對(duì)汽輪機(jī)與主蒸汽機(jī)的程序算法模擬并逆向運(yùn)行，探索出響應(yīng)時(shí)間更短的控制時(shí)間，這應(yīng)用在鍋爐系統(tǒng)中將提高效能數(shù)倍。后來又有科研人員將復(fù)雜的控制系統(tǒng)分解為數(shù)個(gè)小節(jié)，應(yīng)用人工智能系統(tǒng)控制整個(gè)機(jī)組體系，實(shí)驗(yàn)表明，通過人工智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與重組，機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)可以達(dá)到較為匹配的程度，能夠解決部分系統(tǒng)并重新運(yùn)行，這對(duì)響應(yīng)原件的補(bǔ)償和解決隨機(jī)性有很大作用。

3.3預(yù)計(jì)算技術(shù)

慣性大，非線性程度過高等是熱能研究中的常見問題，由于這些因素致使無法形成成熟的算法，這也導(dǎo)致了傳統(tǒng)機(jī)組鍋爐系統(tǒng)無法建立完備的數(shù)學(xué)模型，輸入值與執(zhí)行值得差別在所難免。為了解決精度、魯邦特性等問題應(yīng)用在自動(dòng)化中的預(yù)算技術(shù)在熱能領(lǐng)域開始應(yīng)用。預(yù)測控制技術(shù)在量程廣的機(jī)組鍋爐控制系統(tǒng)中能夠自行調(diào)控汽輪機(jī)與主蒸汽機(jī)的配合。有研究表明預(yù)計(jì)算程序能夠明顯提高整體效率，此類控制器的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)單輸入和單輸出控制器性能。

4結(jié)語

火力發(fā)電機(jī)組鍋爐的發(fā)展研究表明，機(jī)組組成，程序架構(gòu)以及各項(xiàng)新技術(shù)的附加調(diào)整共同決定了控制系統(tǒng)的良好平穩(wěn)運(yùn)行，并保證高效性能。因此，對(duì)傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組鍋爐的改進(jìn)和完善才是保證性能的基礎(chǔ)，在完善效能的基礎(chǔ)上再對(duì)能耗等輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)展。本文介紹了一些新的控制技術(shù)：自動(dòng)響應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、預(yù)計(jì)算技術(shù)、虛擬控制系統(tǒng)，目的是為能夠?yàn)榛鹆Πl(fā)電機(jī)組鍋爐控制技術(shù)的發(fā)展提供一種新的研究思路。

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（作者單位：華能海南發(fā)電股份有限公司東方電廠）