循環(huán)流化床鍋爐汽包水位的智能控制

上海自動(dòng)化儀表有限公司在氯堿企業(yè)自備電廠循環(huán)流化床鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制中引用了人工智能、自適應(yīng)、模糊等先進(jìn)的控制理念，設(shè)計(jì)并實(shí)施二維Fuzzy－PID混合控制，實(shí)現(xiàn)了熱力鍋爐汽包水位的智能控制，有效避免了蒸汽負(fù)荷變化、燃燒工況變化和供水壓力變化對(duì)汽包水位的影響，鍋爐汽包水位穩(wěn)定在±10mm(差壓式水位測(cè)量)、±20mm(電容式水位測(cè)量)以?xún)?nèi)(工藝要求±50mm)，實(shí)現(xiàn)了鍋爐的安全運(yùn)行。

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的新一代高效、低污染清潔燃燒技術(shù)。CFB鍋爐技術(shù)是我國(guó)電力工業(yè)的跨世紀(jì)導(dǎo)向工程，是應(yīng)用較廣的環(huán)保煤發(fā)電技術(shù)之一，CFB鍋爐是化工行業(yè)用電、供熱的重要設(shè)備。在CFB鍋爐應(yīng)用過(guò)程中，自動(dòng)化控制問(wèn)題是困擾其技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。目前，在我國(guó)化工企業(yè)自備電廠的循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行中，汽水、燃燒兩大系統(tǒng)基本上均為人工手動(dòng)遙控操作。筆者就CFB鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的自動(dòng)控制進(jìn)行了探討、摸索、實(shí)踐，利用人工智能技術(shù)、自適應(yīng)和模糊理念，實(shí)現(xiàn)了CFB鍋爐汽包水位的智能控制。

1、CFB鍋爐

鍋(汽水系統(tǒng)):由省煤器、汽包(汽水分離器)、下降管、聯(lián)箱、水冷壁、過(guò)熱器和再熱器等設(shè)備及其連接管和閥門(mén)組成。爐(燃燒系統(tǒng)):由爐膛、燃燒器、點(diǎn)火裝置、空氣預(yù)熱器、煙風(fēng)道及爐墻、構(gòu)架等組成。CFB鍋爐的工作可分為3個(gè)過(guò)程:燃料燃燒、煙氣傳熱和水的汽化。

(1)燃燒過(guò)程。燃料由煤斗通過(guò)給煤機(jī)、送煤風(fēng)和播煤風(fēng)將燃煤送入爐膛，當(dāng)煤在到達(dá)燃燒溫度后，一邊燃燒，一邊向后移動(dòng)。

(2)傳熱過(guò)程。燃料燃燒釋放出熱量，其煙氣與爐膛內(nèi)的水管進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射傳熱，隨后煙氣進(jìn)入尾部煙道，與省煤器和預(yù)熱器進(jìn)行熱交換，非常終由煙囪排出。

(3)汽化過(guò)程。是蒸汽的產(chǎn)生過(guò)程，包括水循環(huán)和汽水分離兩個(gè)部分。化學(xué)處理后的水通過(guò)除氧器除氧后經(jīng)省煤器預(yù)熱，進(jìn)入汽包。

2、問(wèn)題的提出

鍋爐汽包水位穩(wěn)定就是蒸汽流量等于給水流量(產(chǎn)出蒸汽與汽包供水相等)。

影響汽包水位穩(wěn)定的因素有蒸汽負(fù)荷(汽輪機(jī)發(fā)電、對(duì)外供熱等)、燃燒工況(煤質(zhì)、煤量、一次風(fēng)、二次風(fēng)等)、給水系統(tǒng)壓力等。這些工藝參數(shù)發(fā)生變化，直接影響汽包水位的穩(wěn)定性。

目前我國(guó)熱力鍋爐(供熱或發(fā)電)自動(dòng)化水平相對(duì)較低，汽包水位控制給水由人工遠(yuǎn)程手動(dòng)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大、水位波動(dòng)頻繁，影響汽水分離后蒸汽的品質(zhì)，嚴(yán)重(蒸汽帶水)時(shí)易損壞汽輪發(fā)電機(jī)噴嘴和葉輪片等設(shè)備，更為嚴(yán)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(dòng)控制方法大部分基于三沖量PID、多變量前饋－反饋、PID串級(jí)等控制技術(shù)，在鍋爐運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定(內(nèi)、外擾動(dòng)小)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，抗干擾能力弱。

在系統(tǒng)中，為確保鍋爐的安全正常運(yùn)行，汽包水位測(cè)量需3種以上的測(cè)量原理和多點(diǎn)檢測(cè)，如雙色水位計(jì)(云母水位計(jì))、差壓式水位計(jì)、電極式水位計(jì)和電容式液位計(jì)。電容式液位計(jì)的測(cè)量是基于兩電極間的液體及氣體介電常數(shù)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(cè)量中，被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)是隨溫度的變化而變化，氣液相在汽水分離處介電常數(shù)接近，使得在氣液臨界區(qū)測(cè)量不穩(wěn)(波動(dòng))，對(duì)實(shí)現(xiàn)汽包水位自動(dòng)控制產(chǎn)生不利影響。根據(jù)供熱、發(fā)電等鍋爐蒸汽生產(chǎn)的自動(dòng)控制現(xiàn)狀，鍋爐運(yùn)行原理及蒸汽生產(chǎn)過(guò)程中的各種干擾因素，進(jìn)行實(shí)際動(dòng)態(tài)測(cè)試及數(shù)據(jù)回歸分析，傳統(tǒng)的控制方法不能及時(shí)消除鍋爐汽包水位偏差，抗干擾能力差。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者采用一種新型的控制方式，即一個(gè)二維模糊控制與PID控制相結(jié)合，組成鍋爐汽包給水混合控制(Fuzzy－PID控制器)，實(shí)現(xiàn)供熱、發(fā)電CFB鍋爐(220t/h、130t/hCFB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(huì)因負(fù)荷、燃燒工況和給水壓力等參數(shù)的變化而波動(dòng)，汽包水位是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)非常重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接反映了鍋爐負(fù)荷(產(chǎn)生的蒸汽量)和給水量之間的物料平衡關(guān)系，保證汽包內(nèi)的水位在一定的允許范圍內(nèi)是鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件之一。

3．1、汽包水位的測(cè)量

由于電容式液位計(jì)在氣液相分離處測(cè)量極不穩(wěn)定，因此，對(duì)水位輸入變量進(jìn)行“峰谷回歸”數(shù)據(jù)處理，有效抑制輸入信號(hào)的干擾因素。而差壓式液位 測(cè)量，既使由于汽包內(nèi)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(duì)不 變。在汽包水位控制回路中，應(yīng)盡量選擇差壓式平 衡容器測(cè)量法，為控制提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3． 2 汽包水位的自動(dòng)控制

人工智能主要研究用人工的方法和技術(shù)，模仿、 延伸和擴(kuò)展人的智能，模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支。 針對(duì)諸多影響因素，結(jié)合 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律、自適 應(yīng)、現(xiàn)代控制理念、人工智能的模糊控制，設(shè)計(jì)并實(shí) 施了鍋爐汽包水位智能控制。 鍋爐運(yùn)行中的各種干擾因素集中反映在水位的變化。設(shè)計(jì)一個(gè)二維模糊控制器，即汽包水位測(cè)量 為輸入，水位測(cè)量值 PV 與設(shè)定值SP 計(jì)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。

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］。

語(yǔ)言變量: X1，X2，…，Xn。 X1 = ( PV ＞ SP) ∧上升; X2 = ( PV ＞ SP) ∧下降;

X3 = ( PV ＜ SP) ∧上升;

X4 = ( PV ＜ SP) ∧下降;

X5 = ( PV ＞ PVH ) ∧上升;

X6 = ( PV ＞ PVH ) ∧下降;

X7 = ( PV ＜ PVL ) ∧上升;

X8 = ( PV ＜ PVL ) ∧下降;

X9 = ( PV ＞ PVHH ) ∧上升;

X10 = ( PV ＞ PVHH ) ∧下降;

X11 = ( PV ＜ PVLL ) ∧上升;

X12 = ( PV ＜ PVLL ) ∧下降。

( 2) 輸出變量: u1，u2，…，un。

( 3) 控制變量: OP。

( 4) 模糊推理。 IF( X1 = T or X2 = T or X3 = T or X4 = T) and PV ＜ PVH THEN 規(guī)則 1;

IF ( X1 = T or X2 = T or X3 = T or X4 = T) and PV ＞ PVL THEN 規(guī)則 1;

IF X5 = T and PV ＜ PVHH THEN 規(guī)則 2;

IF X6 = T and PV ＜ PVHH THEN 規(guī)則 1;

IF X7 = T and PV ＞ PVLL THEN 規(guī)則 1;

IF X8 = T and PV ＞ PVLL THEN 規(guī)則 3;

IF X9 = T THEN 規(guī)則 4; IF X10 = T THEN 規(guī)則 5;

IF X11 = T THEN 規(guī)則 6; IF X12 = T THEN 規(guī)則 7。

規(guī)則 1 ～ 規(guī)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(guī)則 4，( u4 ) = － K2·f( en ) 等百分比遞減; 規(guī)則 5，( u5 ) = Ts_［－ K2·f( en) ］定時(shí)等百分 比遞減;規(guī)則 6，( u6 ) = Ts_［K2·f( en) ］定時(shí)等百分比 遞增;規(guī)則 7，( u7 ) = K2·f( en ) 等百分比遞增。規(guī)則 4 ～ 規(guī)則 7 中: K2 為比例因子; f( en ) 為其他“規(guī)則 i”的運(yùn)算模型; Ts 為運(yùn)算周期的定時(shí)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(nèi)，實(shí)施“規(guī)則 1” 運(yùn)算控制，滿(mǎn)足鍋爐系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的工作過(guò)程。當(dāng)汽包水位上升至［PVH，PVHH］區(qū)域或下降至 ［PVLL，PVL］區(qū)域后，由“規(guī)則 2”“規(guī)則 3”( 模糊補(bǔ) 償器) 對(duì)給水量進(jìn)行修正。

當(dāng)汽包水位上升至［PVHH，PVmax］區(qū)域或下降至 ［PVmin，PVLL］區(qū)域后，由“規(guī)則 4”“規(guī)則 5”“規(guī)則 6” “規(guī)則 7”( 模糊補(bǔ)償器) 對(duì)給水量進(jìn)行二次修正，然 后進(jìn)行模糊恢復(fù)修正水位的危險(xiǎn)變化。

實(shí)施鍋爐汽包水位自動(dòng)給水智能控制技術(shù)的構(gòu) 。 實(shí)踐證明: Fuzzy － PID 混合控制對(duì) CFB 鍋爐汽包水位的給水調(diào)節(jié)，能夠滿(mǎn)足鍋爐運(yùn)行工藝參數(shù)，即汽包水位穩(wěn)定在 ± 50 mm 范圍內(nèi)。

4 汽包水位智能控制實(shí)例

該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在山西長(zhǎng)治霍家工業(yè)霍氏自備電廠1 臺(tái)220 t /h CFB 鍋爐上，采用差壓法進(jìn)行測(cè)量，鍋爐汽包水位基本穩(wěn)定在 ± 10 mm 以?xún)?nèi); 該自 動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在陜西北元集團(tuán)錦源化工熱電分廠 2 臺(tái) 130 t /h CFB 鍋爐上，采用電容式進(jìn)行測(cè)量，鍋 爐汽包水位基本穩(wěn)定在 ± 20 mm 以?xún)?nèi)?？梢钥闯? 減弱了燃燒系統(tǒng)和排放等環(huán)節(jié)的干擾因素。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，證明 CFB 鍋爐汽包水位智能控制有如下優(yōu)勢(shì): 汽包水位穩(wěn)定，控制靈敏，安全可靠性高，有效避免了內(nèi)、外擾動(dòng)因素的干擾，滿(mǎn)足了控制要求。

5 結(jié)語(yǔ)

熱力鍋爐的水位控制過(guò)程具有非線性、不穩(wěn)定性、時(shí)滯等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的鍋爐水位控制系統(tǒng)均采用串 級(jí)三沖量 PID 控制，其控制性能穩(wěn)定，但不能很好地 解決“虛假液位”和外界較大干擾的問(wèn)題。上海自動(dòng)化儀表有限公司采用 Fuzzy － PID 混合控制有效避免了蒸汽負(fù)荷變化、燃 燒工況變化和供水壓力變化對(duì)汽包水位的影響，實(shí)現(xiàn)了鍋爐的安全運(yùn)行。