锅炉温度控制系统

锅炉温度控制系统

孙宇、李海涛、张衡

中煤科工清洁能源股份有限公司

摘要：本文以锅炉主蒸汽温度作为被控对象，对传统PID控制下锅炉主蒸汽温度由于非线性和大惯性因素无法取得良好控制效果的缺点进行改进，增加智能控制策略，对复杂的被控对象进行分析求解，解决了锅炉主蒸汽温度的控制策略问题。

引言：锅炉在火力发电厂、化工厂、各类设备制造厂以及石油等重工业领域发挥着重要作用。锅炉主蒸汽温度在锅炉运行过程中，是一项至关重要的控制对象，同时也是锅炉汽水通道当中温度达到最大值的点。伴随着锅炉机组朝着大容量与大参数的方向过渡，主蒸汽温度被控对象有着较大的惯性与非线性等一系列的特点，传统 PID 策略已经无法满足高性能的控制水平与要求,传统的控制方法需要建立被控对象相关的数学模型，求取系统的传递函数。传递函数模型是古典控制理论中对线性系统进行研究的主要工具。通过列写系统的微分方程再对微分方程进行化简，通过拉普拉斯变换，得到代数数学方程。随着被控对象的复杂度提高，系统的求解难度越大。本文基于智能控制理论的持续研究，在以往控制方法的基础上，增加了部分新的智能控制措施，针对复杂问题进行求解。

一、研究背景

锅炉自动化控制系统，是指锅炉运行过程中的热工参数按照相关要求，或者运行负荷的性质实施自动监测与显示工作。在锅炉运行过程中，发挥自动控制作用，并且予以保护并关联，由此便会产生参数负荷要求的过热蒸汽，使机组运行过程更加安全与稳定。开展锅炉自动化控制有着众多的优点，比如说，能够令锅炉的有关输出变得趋向稳定，使现场工作人员与各类生产设备处在比较安全的状态，从而令锅炉机组的运行环境得到较大程度的改善，使现场工作人员的劳动难度得到降低。一般来讲，锅炉运行状况的优劣以及锅炉的使用寿命往往受到自动控制系统的直接影响。而在火力发电厂当中，着重监测与控制的参数便是主蒸汽温度，其太高或者太低均会对整个发电机组的安全性与经济性起到直接影响。

电厂锅炉机组的主蒸汽温度具有非线性与较大时滞性等运行特征，主蒸汽温度的控制状况不够理想，不但无法保证发电量，同时还会导致一次能源的严重浪费。所以，怎样科学有效地控制火电厂锅炉主蒸汽温度的相关特性，产生符合实际运行要求的主蒸汽，是目前火电厂所面临的重要难题之一。

自 20 世纪 80 年代后期我国开始研究工业控制系统。早期国内引进此项技术的企业总计三家，主要将国外的相关技术进行引入。与其它领域对比来讲，我国针对火电机组控制技术的研究比较落后，特别是在火电机组的优化控制领域，不仅反映在时间角度，接触时间过短，在其它领域也是一样。在电网运行过程当中，要求发电机组中的控制系统不仅可以迅速响应电网负荷波动，同时可以在负荷变化率相对过大的情况下，能够确保锅炉机组的主蒸汽温度和汽包水位等一些重要的运行参数具有足够的稳定性。因而，应采取更加科学合理的控制方法，在负荷变化幅度较大的基础上，使锅炉机组保持足够的稳定性、安全性以及经济性。现阶段，国内广泛采用的是串级控制系统使锅炉主蒸汽温度保持稳定。

二、 主蒸汽温度动态特性

针对锅炉机组主蒸汽温度的动态特性来讲，主要包括主蒸汽温度，以及影响主蒸汽温度波动因素之间的各项关联。从影响锅炉机组主蒸汽温度变化的关键性因素来看，通常涵盖了锅炉机组蒸汽侧的负荷扰动、尾部烟道的烟气侧扰动以及过热器减温水侧扰动等等。以尾部烟道烟气侧扰动为例，其因素众多。针对过热器减温水侧扰动来看，通常涵盖了从过热器喷水减温器所实际喷出的给水流量大小。参照罗万金等人所做出的总结和归纳，通过τ、T、K等参数进行描述。相关传递函数见公式（1-1）所示。

（1-1）

电厂锅炉主蒸汽温度的动态特征包括以下几个方面，首先锅炉机组在蒸汽侧扰动作用下，锅炉燃烧所需要的燃料发生相应的变化，引起蒸汽流量的变化，从而令整个锅炉管道当中水平方向上的蒸汽流速也随之有了变化。其次，分析了锅炉机组烟气侧在扰动情况下，主蒸汽温度所体现出的动态特性。由于锅炉烟道中的烟速与汽温一般是沿着高温过热器水平方向出现一定变化的，所以便令整个锅炉管道侧的烟气传递热量在极短的时间内，便发生显著的变化，所以主蒸汽温度的变化也将会迅速发生。过热器减温水侧在出现扰动情况下，锅炉主蒸汽温度所具有的动态特性，即在过热器减温水侧发生一定扰动的情况下，过热器出口温度不但会出现变化，其入口温度也会受到一定的影响，从出现一定的改变。但是主蒸汽温度的变化并非像蒸汽侧与烟气侧扰动情况下那样迅速。

三、 基于模糊自适应PID的主蒸汽温度仿真

3.1 Matlab/Simulink介绍

在 MATLAB 软件当中，Simulink 给予了一个具有显著动态性特征的系统建模、仿真，以及可以开展各类深层次分析的实际集成平台与环境。在这个环境当中，不需要使用者大量编写程序，仅仅需要借助于简单又直观性的鼠标操作，便能够构造出各类复杂的控制系统。

现阶段，Simulink 具有适应面十分广泛、系统结构与操作流程简洁易懂，以及仿真实验丰富详细、与实际工程接近、效率相对较高以及灵活便捷等一系列的优势，并且在上述优点的基础上，Simulink 已经被普遍应用在控制工程理论、通讯系统以及数字信号处理等领域的复杂仿真与设计工作当中。与此同时，其包含众多的第三方软件以及硬件，能够应用于，或者被要求应用在 Simulink 当中。

3.2 仿真分析

在生产实践当中，给煤量与空气量成二者有着一定的比例关系。但是空气量在确定之后，便不会轻易发生变化。假如改变，那么其变动范围也相对较小，所以本文在研究过程中，忽略空气量为给煤量所带来的影响，在空气量已经确定的基础上，将给煤量视为锅炉主蒸汽温度的关键性影响因素，由此设计出基于模糊自适应 PID 控制器的主蒸汽温度-给煤量优化系统。模糊自适应 PID 控制系统当中，主要涵盖了模糊控制器与 PID 控制器等两个不同的组成部分，并且以主蒸汽温度-给煤量系统当中的内环控制器为例，由此设计出模糊自适应 PID 控制系统的相应结构。假如将内环给煤量的控制器设计成为二维模糊类型，那么其输入就是给煤量的实测值与设定值二者之间所存在的偏差 e，以及偏差在这一过程中所发生的实际变化 ec。输入量在经过了模糊化、模糊推理以及清晰化等一系列的处理工作之后，最后将输出 PID 控制器的三个参数相应变化量。在Matlab中搭建仿真图如下：

图1 Matlab仿真图

仿真结果图如下：

图2 仿真结果图

两种不同的控制策略均可以使锅炉主蒸汽温度保持在预期控制的范围之内，有着更为明显的控制效果，其到达稳定值所需要的时间，以及针对系统的响应时间方面，相对传统 PID 控制系统所需要的时间更短。

四、结论

本文在理论知识基础上，针对锅炉机组主蒸汽温度传统 PID 控制系统做了深层次的研究，将 MATLAB 软件当中的 Simulink 工具箱作为仿真平台，选取了容量为 300MW 锅炉机组的主蒸汽温度控制系统予以建模。其次，针对锅炉机组主蒸汽温度传统 PID 控制系统当所存在的不足之处，提出了模糊自适应 PID 控制理论，克服了传统 PID 控制系统当中所存在的各类缺陷。最后，建立了相关的控制系统模型，实施仿真对比分析。从结果当中得知，模糊自适应 PID 控制系统相对传统 PID 控制系统来讲，有着良好的控制效果。

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