CFB鍋爐汽包水位的專家PID控制

培訓(xùn)教材-PAGE1-CFB鍋爐汽包水位的專家PID控制摘要：討論了一種專家系統(tǒng)與實時控制相結(jié)合的實時專家PID控制方法，并用此方法控制熱電廠循環(huán)流化床鍋爐(CirculatingFluidizedBedBoiler,簡稱CFB鍋爐)的汽包水位，使得鍋爐水位即使在擾動幅度較大的情況下仍能保持自控，現(xiàn)場投運獲得了良好的控制效果。關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐(CFB鍋爐)；專家PID控制；實時專家系統(tǒng)

1、問題的提出

汽包水位是鍋爐運行的主要指標(biāo)之一，它間接地反映了鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系。維持汽包水位是保持汽機和鍋爐安全運行的重要條件。鍋爐汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽中水分過多，結(jié)果使過熱器受熱面結(jié)垢而導(dǎo)致過熱器燒壞，同時會使過熱蒸汽汽溫產(chǎn)生急劇變化，直接影響機組運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性；汽包水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，當(dāng)負(fù)荷很大時，水的汽化速度很快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時有效控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐被燒壞或爆炸。因此，鍋爐汽包水位控制是維持鍋爐安全運行的重要控制回路。

鍋爐汽包水位控制策略己進(jìn)行了多年的理論研究，也已形成了包括單沖量、雙沖量、三沖量在內(nèi)的多種成熟的控制方法。但在具體的工業(yè)現(xiàn)場，卻仍不能保證水位控制的自控高投運率，其中的一個原因恐怕是近年來鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對給水系統(tǒng)提出了更高的要求，這種要求具體表現(xiàn)在：

(1)汽包的個數(shù)和體積減少，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度；

(2)鍋爐容量的增大，顯著地提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷，使鍋爐負(fù)荷變化對水位的影響加劇了；

(3)提高了鍋爐的工作壓力，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。

從工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用來看，對于負(fù)荷比較穩(wěn)定、媒質(zhì)比較固定、燃燒比較平穩(wěn)的鍋爐(尤其是火電廠的煤粉鍋爐)，鍋爐汽包水位的自動控制系統(tǒng)在穩(wěn)定的工況下一般可以投入自動，但在系統(tǒng)動態(tài)特性大幅度變化的情況下，卻仍然需要熟練操作人員的手動控制，分析原因，我們認(rèn)為可能有下面幾個方面：

(1)母管制給水，來自其它鍋爐給水系統(tǒng)及給水泵的擾動，導(dǎo)致鍋爐給水壓力不斷變化，有時不能達(dá)到正常的給水壓力值；

(2)熱電廠供熱、供汽用戶的負(fù)荷擾動往往過于劇烈，導(dǎo)致蒸汽壓力的不斷變化。

(3)由于煤種、煤質(zhì)的變化或其它因素導(dǎo)致的燃燒系統(tǒng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致汽包水位的經(jīng)常變化。

以上幾方面的擾動往往不同程度的導(dǎo)致汽包水位出現(xiàn)“虛假水位”的現(xiàn)象，在不同的負(fù)荷下還會出現(xiàn)不同程度的時滯和非最小相位特性。汽包水位的這種在不同階段動態(tài)特性不斷變化的特性使得采用單一結(jié)構(gòu)和參數(shù)的三沖量控制方法達(dá)不到滿意的控制效果。若考慮采用各種自適應(yīng)或參數(shù)自校正的算法會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整定困難，在現(xiàn)場工況變化的情況下無法得到理想的使用效果。本文基于現(xiàn)場操作經(jīng)驗，采用實時專家控制系統(tǒng)的思路，構(gòu)造了一種專家系統(tǒng)與實時控制相結(jié)合的實時專家PID控制方法來控制熱電廠CFB鍋爐的汽包水位，使得鍋爐水位即使在擾動幅度較大的情況下仍能保持自控，獲得了良好的控制效果。2、CFB鍋爐汽包水位過程特性圖1是鍋爐汽包的一個簡單示意圖，水位控制的要求就是維持汽包內(nèi)水位在某個要求的范圍內(nèi)(一般要求穩(wěn)定工況在±30mm內(nèi)，特殊波動在±50mm)。主要通過調(diào)節(jié)給水量來控制水位的穩(wěn)定。

從質(zhì)量平衡的觀點來看，在調(diào)節(jié)過程中如能一直保證靜態(tài)平衡，給水量=蒸發(fā)量，即W＝D(質(zhì)量流量)，則水位就能一直維持在“0”位。但實際系統(tǒng)是動態(tài)的，給水壓力、主蒸汽壓力在調(diào)節(jié)中一直在不斷的變化，而且流量的溫壓補償通常也只是經(jīng)驗的、近似的。因為系統(tǒng)太復(fù)雜，無法求得實時精確的給水及蒸汽質(zhì)量流量，所以我們通過汽包水位來間接地反映水系統(tǒng)的質(zhì)量平衡。

控制汽包水位在要求的值的一個首要條件是必須得到真實的汽包水位測量值。遺憾的是，汽包水位控制中存在著明顯的“虛假水位”現(xiàn)象。要設(shè)計滿意的控制器必須對其進(jìn)行深入分析。

對于鍋爐汽包，負(fù)荷升高時，蒸汽流量D增大，導(dǎo)致汽包內(nèi)水蒸汽壓力突然降低，水的沸點也相應(yīng)降低，沸騰加劇，水面下氣泡容積增大，從而導(dǎo)致水位突然升高；另一方面，給水流量突然增加時，溫度較低的給水從原有的飽和汽水混合物中吸取一部分熱量，使水面下氣泡容積減少，水位下降。這種在蒸汽流量或結(jié)水流量變化初期，汽包水位沿著相反方向變化的現(xiàn)象人們稱之位“虛假水位”。從控制上來講，“虛假水位”實際上就是非最小相位系統(tǒng)。我們以蒸汽流量的增加對汽包的影響為例進(jìn)行分析。在給水不變的情況下，負(fù)荷提升，導(dǎo)致蒸汽流量增加，如果不考慮其它因素的影響，則汽包水位由于蒸汽流量大于給水流量而直線下降。如圖2曲線c所示；蒸汽量增大初期，因水中氣泡容積增大導(dǎo)致水位暫時先上升，由于氣泡容積只能增大到汽包壓力水平，故這種上升是有限的，一段時間后，汽包壓力就達(dá)到穩(wěn)定，水位也不再上升，如曲線a，曲線b即為兩者的綜合效果，即汽包水位變化的實際效果。圖2曲線c可以看成一個近似的積分環(huán)節(jié)，曲線a近似為一個慣性環(huán)節(jié)，則曲線b(實際汽包水位對蒸汽擾動的響應(yīng))可以近似為一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)，如圖3示。

用傳遞函數(shù)表示：

式(1)、(2)分別表示曲線c和曲線a。

G1(s)=kd/s

(1)

G2(s)=k/(1+Tds)

(2)則曲線b可表示為：

則蒸汽流量擾動下汽包水位的動態(tài)特性為：Gd(s)=kd(1-τds)/s(1+Tds)

(4)同理可求得給水流量擾動下汽包水位變化的動態(tài)特性：

Gw(s)=kw(1-τss)/s(1+Tws)

(5)一般τd，τw均大于0，因此給水?dāng)_動及蒸汽擾動對汽包水位的動態(tài)系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)。由控制理論知識我們知道，對于非最小相位系統(tǒng)，采用簡單的形如：G(s)＝kp(1+T/Ti)s式中kp，Ti——分別為比例、積分系數(shù)；T——采樣周期固定參數(shù)PI控制器難以有效地控制系統(tǒng)的過渡過程?，F(xiàn)場控制的實踐也證明了上面的觀點?？紤]方案的改進(jìn)，最自然的想法是希望控制系統(tǒng)自動地調(diào)整PID控制器參數(shù)和結(jié)構(gòu)，以更好地適應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)的變化。由于鍋爐系統(tǒng)的復(fù)雜性和建模困難，基于數(shù)字模型方法的自適應(yīng)或自整定方法在實際控制的實現(xiàn)仍是困難的。而成功的控制仍然有賴于有運行經(jīng)驗的工程師?；趯＜医?jīng)驗的專家PID控制以專家的經(jīng)驗來實時調(diào)整PID控制器的參數(shù)，結(jié)果證明在復(fù)雜干擾的情況下仍能取得良好的控制效果。3、CFB鍋爐專家PID控制算法本文構(gòu)造了一個專家系統(tǒng)與實時控制協(xié)調(diào)的實時控制系統(tǒng)，根據(jù)水位偏差、負(fù)荷變化及變化率或母管壓力的變化由專家系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則選用合適的PID參數(shù)值，極端情況下，專家系統(tǒng)接管實時控制進(jìn)行直接專家控制輸出，以盡快使水位回到正常值。控制框圖如圖4所示。COUT——三沖量水位控制器外環(huán)控制器，PID或?qū)＜铱刂破?由EC決定)CIN——三沖量水位控制器內(nèi)環(huán)控制器，PID或?qū)＜铱刂破?由EC決定)EC——專家決策控制器GP1——三沖量水位內(nèi)環(huán)對象特性GP2——三沖量水位外環(huán)對象特性F——水位測量變送D——蒸汽負(fù)荷或負(fù)荷變化率P——給水壓力或蒸汽壓力Pw——給水壓力Pd——蒸汽壓力K——蒸汽流量前饋系數(shù)專家控制器EC根據(jù)系統(tǒng)所采集的水位偏差e(△e)、負(fù)荷變化或變化率D(△D)及母管壓力(Pw)的變化根據(jù)規(guī)則表選用合適的PID參數(shù)值。由控制及運行專家根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)所整定的幾組PID參數(shù)值預(yù)先以表格或規(guī)則的形式存入專家控制器的規(guī)則庫中。同時EC也根據(jù)負(fù)荷變化等情況調(diào)整前饋系數(shù)值。當(dāng)遇到極端情況時，如水位偏離偏差高限、負(fù)荷太低使調(diào)節(jié)閥處于強非線性工作區(qū)、負(fù)荷波動速率太大常規(guī)控制作用太弱等情況出現(xiàn)時，由EC決定把汽包水位內(nèi)外環(huán)控制器CIN、COUT由PID控制切為基于專家經(jīng)驗的規(guī)則控制。因此這里的CIN、COUT實際上是PID控制器與專家控制器的組合。它們的切換由協(xié)調(diào)決策的專家控制器EC掌握。EC改變PID控制器參數(shù)和控制方式的原則是使汽包水位在大偏差時盡快回到規(guī)定值，大干擾引起大波動時盡可能的維持在規(guī)定的水位控制限內(nèi)。專家系統(tǒng)的人機界面Operator主要用于規(guī)則的實時修改。從控制結(jié)構(gòu)來看，本文所給出的仍是以主蒸汽流量為前饋的三沖量給水控制系統(tǒng)。但它己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同與普通的固定參數(shù)的PID控制。主要的不同點是：(1)PID控制器的參數(shù)并非固定一組，而是根據(jù)水位系統(tǒng)所處動態(tài)環(huán)境的不同，仿專家經(jīng)驗選取較合適的控制參數(shù)。這種控制參數(shù)隨動態(tài)不同而改變的策略顯然會改善控制品質(zhì)。(2)控制參數(shù)事先根據(jù)專家經(jīng)驗離線整定完畢，實時控制中專家控制器只是根據(jù)對象的模糊化信息通過規(guī)則進(jìn)行選取，這種方法雖然在精度上比實時整定保守，但它更可靠，且實時性強，沒有參數(shù)整定時間。(3)極端情況下直接對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行規(guī)則控制(或直接改變內(nèi)環(huán)流量設(shè)定值進(jìn)行單回路控制)可能迅速遏制系統(tǒng)向更壞的方向發(fā)展，快速把系統(tǒng)拉回正常值；而PID常規(guī)控制基于增量的輸出作用在極端情況下往往太弱，使操作人員不得不切為手動操作。從這一點上說，這也是仿人控制的一種。3．1控制結(jié)構(gòu)及參數(shù)的調(diào)整方法汽包水位控制方式及控制參數(shù)專家調(diào)整表(表1)介紹了控制方式及控制參數(shù)的調(diào)整方法。其中E，△E，P，D，△D分別為汽包水位偏差、水位偏差變化率、母管壓力、負(fù)荷及負(fù)荷變化率的模糊化值，F(xiàn)為模糊函數(shù)，M1，M2，M3為模糊限值。實時控制中用產(chǎn)生式規(guī)則方式實現(xiàn)：IFF(E，△E，P，D，△D)＜M1THENPID三沖量串級控制

控制參數(shù)為

內(nèi)環(huán)：P1IN，I1IN，D1IN外環(huán)：P1OUT，I1OUT，D1OUTIFF(E，△E，P，D，△D)＜M2THEN……

IFF(E，△E，P，D，△D)＞M2THEN

基于經(jīng)驗的規(guī)則控制

ENDIF圖5為CFB鍋爐汽包水位專家PID控制結(jié)構(gòu)詳圖，圖中詳細(xì)描述了控制方式及控制參數(shù)的專家調(diào)整原則。

鍋爐在只供熱、供汽時負(fù)荷可能很低，這時調(diào)節(jié)閥開度一般都很小，工作在強非線性區(qū)，常規(guī)的PID控制效果不好，此時采用專家規(guī)則控制。

鍋爐在突然停熱(汽)負(fù)荷或發(fā)電機甩負(fù)荷時，鍋爐動態(tài)變化很大，從給水量=蒸發(fā)量靜態(tài)平衡觀點看，此時調(diào)節(jié)水閥應(yīng)立即大幅度關(guān)小，常規(guī)PID控制輸出增量較小達(dá)不到操作要求，此時亦仿人工操作，切為專家控制，迅速減小流量設(shè)定或直接關(guān)小閥門。

水位偏差太大時，利用專家經(jīng)驗直接設(shè)定流量值或直接開關(guān)閥門，以使水位迅速回到正常值。3．2專家規(guī)則控制

主要有兩種方式：

(1)直接以產(chǎn)生式規(guī)則方式作用于調(diào)節(jié)閥。

如：IF水位≥報警高限THEN

給水調(diào)節(jié)閥=全關(guān)

(2)規(guī)則調(diào)節(jié)副環(huán)給水流量的設(shè)定值，內(nèi)環(huán)仍進(jìn)行PID控制，控制結(jié)構(gòu)由三沖量串級改變?yōu)橐?guī)則調(diào)整設(shè)定值的單回路隨動控制系統(tǒng)

如：IF△D＞負(fù)荷變化限值THEN

給水流量設(shè)定＝蒸汽流量+偏差補償

其中偏差補償由運行工程師根據(jù)實際情況設(shè)定。4、現(xiàn)場控制效果

上述控制系統(tǒng)于1997年5月在浙江省嵊州市熱電廠3#爐——75t／h循環(huán)流化床鍋爐調(diào)試投運成功。取得了很好的控制效果。由于該廠熱電聯(lián)供，以供熱為主，故負(fù)荷波動大；母管制給水運行，1#、2#鍋爐均為操作人員手工操作，操作隨意性大，經(jīng)常出現(xiàn)3爐“搶水”現(xiàn)象，故對象特性波動大。盡管運行環(huán)境惡劣，但由于設(shè)計中已考慮到各種情況，故自控運行良好，一直保持高投入率。5

、小結(jié)本文基于現(xiàn)場操作經(jīng)驗，采用實時專家控制系統(tǒng)的思路，詳細(xì)討論了一種專家系統(tǒng)與實時控制相結(jié)合的實時專家PID控制方法，并用此方法控