循環流化床鍋爐汽包水位的智能控制

楊廣鑫，劉占查

(1.天津大沽化工股份有限公司，天津 300455； 2.河北國超信息科技有限公司，河北 辛集 052360)

循環流化床(CFB)鍋爐技術是近年來在國際上發展起來的新一代高效、低污染清潔燃燒技術。CFB鍋爐技術是我國電力工業的跨世紀導向工程，是應用較廣的環保煤發電技術之一，CFB鍋爐是化工行業用電、供熱的重要設備。

在CFB鍋爐應用過程中，自動化控制問題是困擾其技術發展的關鍵因素之一。目前，在我國化工企業自備電廠的循環流化床鍋爐的運行中，汽水、燃燒兩大系統基本上均為人工手動遙控操作。筆者就CFB鍋爐穩定運行的自動控制進行了探討、摸索、實踐，利用人工智能技術、自適應和模糊理念，實現了CFB鍋爐汽包水位的智能控制。

1 CFB鍋爐

鍋(汽水系統)：由省煤器、汽包(汽水分離器)、下降管、聯箱、水冷壁、過熱器和再熱器等設備及其連接管和閥門組成。

爐(燃燒系統)：由爐膛、燃燒器、點火裝置、空氣預熱器、煙風道及爐墻、構架等組成。

CFB鍋爐的工作可分為3個過程：燃料燃燒、煙氣傳熱和水的汽化。

(1)燃燒過程。燃料由煤斗通過給煤機、送煤風和播煤風將燃煤送入爐膛，當煤在到達燃燒溫度后，一邊燃燒，一邊向后移動。

(2)傳熱過程。燃料燃燒釋放出熱量，其煙氣與爐膛內的水管進行強烈的輻射傳熱，隨后煙氣進入尾部煙道，與省煤器和預熱器進行熱交換，最終由煙囪排出。

(3)汽化過程。是蒸汽的產生過程，包括水循環和汽水分離兩個部分。化學處理后的水通過除氧器除氧后經省煤器預熱，進入汽包。CFB鍋爐工藝流程如圖1所示。

圖1 燃煤鍋爐工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of coal fired boiler

2 問題的提出

鍋爐汽包水位穩定就是蒸汽流量等于給水流量(產出蒸汽與汽包供水相等)。

影響汽包水位穩定的因素有蒸汽負荷(汽輪機發電、對外供熱等)、燃燒工況(煤質、煤量、一次風、二次風等)、給水系統壓力等。這些工藝參數發生變化，直接影響汽包水位的穩定性。

目前我國熱力鍋爐(供熱或發電)自動化水平相對較低，汽包水位控制給水由人工遠程手動操作，勞動強度大、水位波動頻繁，影響汽水分離后蒸汽的品質，嚴重(蒸汽帶水)時易損壞汽輪發電機噴嘴和葉輪片等設備，更為嚴重的是斷水十幾秒后鍋爐將燒干或爆炸。目前，鍋爐汽包水位采用的自動控制方法大部分基于三沖量PID、多變量前饋-反饋、PID串級等控制技術，在鍋爐運行相對穩定(內、外擾動小)的情況下實現自動控制，抗干擾能力弱。

在系統中，為確保鍋爐的安全正常運行，汽包水位測量需3種以上的測量原理和多點檢測，如雙色水位計(云母水位計)、差壓式水位計、電極式水位計和電容式液位計。電容式液位計的測量是基于兩電極間的液體及氣體介電常數不同，液位升高或下降，使兩電極間的電容量隨之變化。但在鍋爐汽包水位測量中，被測介質的介電常數是隨溫度的變化而變化，氣液相在汽水分離處介電常數接近，使得在氣液臨界區測量不穩(波動)，對實現汽包水位自動控制產生不利影響。

根據供熱、發電等鍋爐蒸汽生產的自動控制現狀，鍋爐運行原理及蒸汽生產過程中的各種干擾因素，進行實際動態測試及數據回歸分析，傳統的控制方法不能及時消除鍋爐汽包水位偏差，抗干擾能力差。

針對上述問題，筆者采用一種新型的控制方式，即一個二維模糊控制與PID控制相結合，組成鍋爐汽包給水混合控制(Fuzzy-PID控制器)，實現供熱、發電CFB鍋爐(220 t/h、130 t/h CFB鍋爐)汽包水位的智能控制。

3 解決方案

熱力鍋爐汽包的水位會因負荷、燃燒工況和給水壓力等參數的變化而波動，汽包水位是鍋爐運行中一個非常重要的監控參數，它間接反映了鍋爐負荷(產生的蒸汽量)和給水量之間的物料平衡關系，保證汽包內的水位在一定的允許范圍內是鍋爐和汽輪機安全運行的重要條件之一。

3.1 汽包水位的測量

由于電容式液位計在氣液相分離處測量極不穩定，因此，對水位輸入變量進行“峰谷回歸”數據處理，有效抑制輸入信號的干擾因素。而差壓式液位測量，既使由于汽包內壓力、溫度變化造成液體的體積(密度)變化，其平衡容器輸出的差壓值相對不變。在汽包水位控制回路中，應盡量選擇差壓式平衡容器測量法，為控制提供準確、穩定的數據依據。

3.2 汽包水位的自動控制

人工智能主要研究用人工的方法和技術，模仿、延伸和擴展人的智能，模糊控制是智能控制的一個重要分支。

針對諸多影響因素，結合PID調節規律、自適應、現代控制理念、人工智能的模糊控制，設計并實施了鍋爐汽包水位智能控制。

鍋爐運行中的各種干擾因素集中反映在水位的變化。設計一個二維模糊控制器，即汽包水位測量為輸入，水位測量值PV與設定值SP計算后，得到偏差e、偏差變化率Δe(即e=PV-SP，Δe=e′)，作為模糊控制器的輸入。其模糊控制器的組成如圖2所示。

圖2 二維模糊控制器組成Fig.2 Constitution of two-dimensional fuzzy controller

(1)輸入變量：PV的變化范圍[0,500]，SP的變化范圍[0,500]，e的變化范圍[-50,50]，△e的變化范圍[-5,5]。

PV模糊化[PVmin,PVLL，PVL，SP，PVH，PVHH，PVmax]論域的劃分如圖3所示。

圖3 模糊化論域劃分圖Fig.3 Zoning plan of fuzzy domain

語言變量：X1，X2，…，Xn。

X1=(PV>SP)∧上升；

X2=(PV>SP)∧下降；

X3=(PV

X4=(PV

X5=(PV>PVH)∧上升；

X6=(PV>PVH)∧下降；

X7=(PV

X8=(PV

X9=(PV>PVHH)∧上升；

X10=(PV>PVHH)∧下降；

X11=(PV

X12=(PV

(2)輸出變量：u1，u2，…，un。

(3)控制變量：OP。

(4)模糊推理。

IF(X1=T orX2=T orX3=T orX4=T) andPV

IF (X1=T orX2=T orX3=T orX4=T) andPV>PVLTHEN 規則1；

IFX5=T andPV

IFX6=T andPV

IFX7=T andPV>PVLLTHEN 規則1；

IFX8=T andPV>PVLLTHEN 規則3；

IFX9=T THEN 規則4；

IFX10=T THEN 規則5；

IFX11=T THEN 規則6；

IFX12=T THEN 規則7。

(5)模糊規則。

規則1～規則3中：K、K1為比例因子；T為控制周期；Ti為累加因子；TD為超前因子。

規則4,(u4)=-K2·f(en)等百分比遞減；

規則5,(u5)=Ts_[-K2·f(en)]定時等百分比遞減；

規則6,(u6)=Ts_[K2·f(en)]定時等百分比遞增；

規則7,(u7)=K2·f(en)等百分比遞增。

規則4～規則7中：K2為比例因子；f(en)為其他“規則i”的運算模型；Ts為運算周期的定時器。

(6)反模糊化。

控制(精確)量：

OP=OP+u1；

OP=OP+u2；

OP=OP+u3；

OP=OP+u4；

OP=OP+u5；

OP=OP+u6；

OP=OP+u7。

汽包水位在PVL至PVH范圍內，實施“規則1”運算控制，滿足鍋爐系統相對穩定的工作過程。

當汽包水位上升至[PVH，PVHH]區域或下降至[PVLL，PVL]區域后，由“規則2”“規則3”(模糊補償器)對給水量進行修正。

當汽包水位上升至[PVHH，PVmax]區域或下降至[PVmin，PVLL]區域后，由“規則4”“規則5”“規則6”“規則7”(模糊補償器)對給水量進行二次修正，然后進行模糊恢復修正水位的危險變化。

實施鍋爐汽包水位自動給水智能控制技術的構成如圖4所示。

圖4 汽包水位智能控制構成圖Fig.4 Constitution of drum water level intelligent control

實踐證明：Fuzzy-PID混合控制對CFB鍋爐汽包水位的給水調節，能夠滿足鍋爐運行工藝參數，即汽包水位穩定在±50 mm范圍內。

4 汽包水位智能控制實例

該自動控制系統應用在山西長治霍家工業霍氏自備電廠1臺220 t/h CFB鍋爐上，采用差壓法進行測量，鍋爐汽包水位基本穩定在±10 mm以內；該自動控制系統應用在陜西北元集團錦源化工熱電分廠2臺130 t/h CFB鍋爐上，采用電容式進行測量，鍋爐汽包水位基本穩定在±20 mm以內。可以看出：減弱了燃燒系統和排放等環節的干擾因素。

圖5為山西霍家工業霍氏自備電廠220 t/h CFB鍋爐汽包水位智能控制運行曲線,圖6為陜西北元錦源化工熱電分廠130 t/h CFB鍋爐汽包水位手動與智能控制的運行曲線的比較情況。

經過長時間運行，證明CFB鍋爐汽包水位智能控制有如下優勢：汽包水位穩定，控制靈敏，安全可靠性高，有效避免了內、外擾動因素的干擾，滿足了控制要求。

5 結語

熱力鍋爐的水位控制過程具有非線性、不穩定性、時滯等特點，傳統的鍋爐水位控制系統均采用串級三沖量PID控制，其控制性能穩定，但不能很好地解決“虛假液位”和外界較大干擾的問題。采用Fuzzy-PID混合控制有效避免了蒸汽負荷變化、燃燒工況變化和供水壓力變化對汽包水位的影響，實現了鍋爐的安全運行。

圖6 130 t/h CFB鍋爐汽包水位手動與智能控制的運行曲線的比較Fig.6 Comparison of drum water level curves between manually controlled and intelligently controlled 130-t/h CFB boiler