自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用研究

張向偉

（國能邳州生物發電有限公司，江蘇徐州 221300）

0 引言

國內電力事業蓬勃發展，成為推動經濟社會持續發展的不竭動力源泉。尤其是現代化技術手段的靈活應用，開始推行分散控制以及調度自動化，在優化資源配置的同時，有效改善用電荒的問題。但是由于諸多因素的限制和束縛，致使國內電力供應自動化水平還存在欠缺，為了維護電力生產全過程安全穩定，創造更高的經濟效益，應積極引入自動化技術和設備，在自動控制理論支持下，實現火電廠熱工自動化改進。基于自動控制理論中狀態空間法、時域法和數學模型，深入摸索其運行規律，圍繞核心目標優化控制器設計，以實現火電廠高效生產和運行。

1 熱工儀表非線性特性校正

1.1 熱工儀表的非線性特性

非線性是任何系統存在的共同特性，相應的火電廠熱工儀表普遍存在程度不一的非線性特性，如節流式流量儀表的差壓和流量關系，汽包水位儀表中水位和差壓關系，閥位顯示儀表中閥門開度和流量的關系等，均屬于非線性函數關系，或多或少影響到儀表顯示準確度以及參數測量合理性。為了最大限度減少非線性關系所產生的誤差，主要是通過非線性顯示刻度、減少儀表測量范圍以及加入非線性校正環節的方式，減少測量偏差[1]。但是前兩種方法并未對傳輸信號線性處理，即便可以一定程度上降低測量偏差，但難以滿足自動控制裝置所需要的線性信號需求。最后一種方法可以提升測量精度，實現相關參數線性化處理，因此如何做好儀表非線性校正和辨識成為核心內容。

（1）模擬線性化。依托于傳統模擬儀表，借助模擬電路的方式來線性化處理輸出信號，作為自動控制裝置信號。模擬線性化基于硬件設施、模擬信號方式對信號線性處理，是一種有效方法。例如，基于電子開放器，實現差壓和流量平方關系補償，此種補償方式屬于非線性補償。

（2）數字線性化。基于智能儀表來轉換輸入信號，實現輸出信號線性化處理和呈現。數字線性化主要是通過專門軟件和數字化信號來線性化處理輸出信號，屬于軟方法。如，數字巡測儀中，在單片機存儲器中記錄下熱工儀表非線性特性，操作便捷，數字線性化輸出信號[2]。

未來儀表裝置將會朝著數字化、微型化、智能化方向發展，加之DCS、DAS 以及FCS 等虛擬儀表廣泛應用，是火電廠熱工自動化發展的主要趨勢，需要進一步深化研究關于熱工儀表非線性特性校正的數字化線性方法。單片機使用簡單、便捷、實用，但存儲容量較小，運行速度慢，需要進一步優化和改進[3]。總的說來，查表法存在很大的缺陷和不足，表現在外部環境變化的同時，會導致熱工儀表非線性變化，但是單片機自身卻無法動態修改和調整，最終測量精準度下降。另外，查表數據信息無法存儲在單片機數據點上，多通過現行插值法處理，同樣會增加數據偏差，所以查表法更適合精度要求偏低的場合。曲線擬合法的缺陷，受到曲線類型和項數多少因素影響到測量精度，所以熱工儀表非線性改變后，后續修改不方便，亟待優化完善[4]。

1.2 BP 神經網絡的氧化鋯量計非線性補償

BP 神經網絡屬于單向傳播的多層前饋網絡如圖1 所示，其本質上是n 維輸入向量x，同權值矩陣w 運算結果為隱含層第一層若干接點輸入WX，并經由節點神經元從傳遞函數計算，確定輸出X1，結果與權值矩陣W1 計算，然后在隱含層第二層節點計算，以此類推，逐層遞進，到輸出層m 個節點，換算得到m維輸出向量Y。如果輸入x 值，輸出Y-=f（x），BP 網絡輸出Y 不等于Y-，可以按照誤差代價函數E=∑（yi--yi）2/2（i-1，2，…，m）一階梯度信息學習，獲取各個權值最佳值。BP 網絡權值通過從后往前遞進尋找最優值，如果誤差過大，影響到精度，可以按照誤差代價函數重新調整，直到滿足期望精度方可停止調整。一般情況下，節點神經元傳遞函數多選擇Sigmoid 型。

圖1 BP 神經網絡結構

2 主蒸汽壓力調節

2.1 常見調節策略

主蒸汽壓力調節策略方法多樣，傳統的方法如下：

其中，D 是主蒸汽流量信號，Pd是氣泡壓力，Ck是鍋爐蓄熱系數。結合相關資料了解到，熱量信號DQ部位出現明顯超前情況，所以構成的串級調節無法顯著改善系統延遲特性（圖2）。相較于主蒸汽壓力偏差信號而言，燃煤量作為導前信號的方式，呈現鮮明的超前作用，但更多的反映在燃煤數量方面，無法反饋燃煤質量和燃燒率。

圖2 單元機組協調控制系統

2.2 串級調節策略

串級調節將中間被調量作為爐膛輻射信號，基于Matlab仿真分析。較之單回路PID 調節方式，熱量信號的串級調節方式，調節特性改善效果較小，與串接調節方式比較而言，單回路PID 調節串級調節方式，系統特性改善效果更加明顯，并且在一定程度上對規避燃料側內擾情況有著突出作用[5]。但中間被調量是主分量和隨機分量構成，直接納入到串級調節系統，調節過程動態特性也將隨之降低，增加調節器的誤動概率，調節系統也會出現更大的偏差。因此，應實行串級調節新策略予以規避。

2.3 主蒸汽壓力LQ 次優調節策略

火電廠鍋爐容量和較大，并呈現出鮮明的熱慣性大的特征，所以調節對象不可避免出現延遲。延遲特性的存在，致使調節系統調節過渡時間延長，超調量增加，無形中影響到設備的安全穩定運行，以及機組運行效率和效益[6]。使用PID 調節器設備，在火電廠生產中應用，可以顯著改善調節系統延遲特性。結合PID調節器的優勢特點來看，基于自動控制理論，優先選擇現行二次型性能指標，在此基礎上實現主蒸汽壓力調節器優化設計，并制定有效的調節策略來實現，提升火電廠熱工自動化水平。

3 結論

在火電廠熱工自動化中滲透應用自動控制理論，是提升火電廠各環節自動化、智能化水平的關鍵所在。需要結合實際情況選擇合適的指標參數，多方優化設計，制定安全防護措施，以便于提升火電廠生產效率的同時，保障作業全過程安全穩定，對于火電廠平穩可持續發展具有積極作用。