循環(huán)流化床鍋爐汽包水位的智能控制

上海自動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控制中引用了人工智能、自適應、模糊等先進的控制理念，設(shè)計并實施二維Fuzzy－PID混合控制，實現(xiàn)了熱力鍋爐汽包水位的智能控制，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，鍋爐汽包水位穩(wěn)定在±10mm(差壓式水位測量)、±20mm(電容式水位測量)以內(nèi)(工藝要求±50mm)，實現(xiàn)了鍋爐的安全運行。

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)是近年來在國際上發(fā)展起來的新一代高效、低污染清潔燃燒技術(shù)。CFB鍋爐技術(shù)是我國電力工業(yè)的跨世紀導向工程，是應用較廣的環(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鍋爐應用過程中，自動化控制問題是困擾其技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。目前，在我國化工企業(yè)自備電廠的循環(huán)流化床鍋爐的運行中，汽水、燃燒兩大系統(tǒng)基本上均為人工手動遙控操作。筆者就CFB鍋爐穩(wěn)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(shù)、自適應和模糊理念，實現(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、過熱器和再熱器等設(shè)備及其連接管和閥門組成。爐(燃燒系統(tǒng)):由爐膛、燃燒器、點火裝置、空氣預熱器、煙風道及爐墻、構(gòu)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(nèi)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，非常終由煙囪排出。

(3)汽化過程。是蒸汽的產(chǎn)生過程，包括水循環(huán)和汽水分離兩個部分?；瘜W處理后的水通過除氧器除氧后經(jīng)省煤器預熱，進入汽包。

2、問題的提出

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)定的因素有蒸汽負荷(汽輪機發(fā)電、對外供熱等)、燃燒工況(煤質(zhì)、煤量、一次風、二次風等)、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。

目前我國熱力鍋爐(供熱或發(fā)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(zhì)，嚴重(蒸汽帶水)時易損壞汽輪發(fā)電機噴嘴和葉輪片等設(shè)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(shù)，在鍋爐運行相對穩(wěn)定(內(nèi)、外擾動小)的情況下實現(xiàn)自動控制，抗干擾能力弱。

在系統(tǒng)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(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量中，被測介質(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)測量不穩(wěn)(波動)，對實現(xiàn)汽包水位自動控制產(chǎn)生不利影響。根據(jù)供熱、發(fā)電等鍋爐蒸汽生產(chǎn)的自動控制現(xiàn)狀，鍋爐運行原理及蒸汽生產(chǎn)過程中的各種干擾因素，進行實際動態(tài)測試及數(shù)據(jù)回歸分析，傳統(tǒng)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(jié)合，組成鍋爐汽包給水混合控制(Fuzzy－PID控制器)，實現(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因負荷、燃燒工況和給水壓力等參數(shù)的變化而波動，汽包水位是鍋爐運行中一個非常重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接反映了鍋爐負荷(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(wěn)定，因此，對水位輸入變量進行“峰谷回歸”數(shù)據(jù)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(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(wěn)定的數(shù)據(jù)依據(jù)。

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(shù)，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(jié)合 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律、自適 應、現(xiàn)代控制理念、人工智能的模糊控制，設(shè)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(shè)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(shè)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。

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) ］定時等百分 比遞減;規(guī)則 6，( u6 ) = Ts_［K2·f( en) ］定時等百分比 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(nèi)，實施“規(guī)則 1” 運算控制，滿足鍋爐系統(tǒng)相對穩(wěn)定的工作過程。當汽包水位上升至［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 償器) 對給水量進行修正。

當汽包水位上升至［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(shù)的構(gòu) 。 實踐證明: Fuzzy － PID 混合控制對 CFB 鍋爐汽包水位的給水調(diào)節(jié)，能夠滿足鍋爐運行工藝參數(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例

該自動控制系統(tǒng)應用在山西長治霍家工業(yè)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(wěn)定在 ± 10 mm 以內(nèi); 該自 動控制系統(tǒng)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(wěn)定在 ± 20 mm 以內(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)過長時間運行，證明 CFB 鍋爐汽包水位智能控制有如下優(yōu)勢: 汽包水位穩(wěn)定，控制靈敏，安全可靠性高，有效避免了內(nèi)、外擾動因素的干擾，滿足了控制要求。

5 結(jié)語

熱力鍋爐的水位控制過程具有非線性、不穩(wěn)定性、時滯等特點，傳統(tǒng)的鍋爐水位控制系統(tǒng)均采用串 級三沖量 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題。上海自動化儀表有限公司采用 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(xiàn)了鍋爐的安全運行。