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(shí)時(shí)控制相結(jié)合的實(shí)時(shí)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(dòng)幅度較大的情況下仍能保持自控，現(xiàn)場投運(yùn)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(shí)時(shí)專家系統(tǒng)

1、問題的提出

汽包水位是鍋爐運(yùn)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(jī)和鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。鍋爐汽包水位過高，會(huì)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(shí)會(huì)使過熱蒸汽汽溫產(chǎn)生急劇變化，直接影響機(jī)組運(yùn)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(shí)，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(shí)有效控制，就會(huì)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(yùn)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(yùn)率，其中的一個(gè)原因恐怕是近年來鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(dòng)控制系統(tǒng)在穩(wěn)定的工況下一般可以投入自動(dòng)，但在系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)控制，分析原因，我們認(rèn)為可能有下面幾個(gè)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(dòng)，導(dǎo)致鍋爐給水壓力不斷變化，有時(shí)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(dòng)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(dòng)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(huì)出現(xiàn)不同程度的時(shí)滯和非最小相位特性。汽包水位的這種在不同階段動(dòng)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(huì)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(yàn)，采用實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)的思路，構(gòu)造了一種專家系統(tǒng)與實(shí)時(shí)控制相結(jié)合的實(shí)時(shí)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(dòng)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(gè)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(gè)要求的范圍內(nèi)(一般要求穩(wěn)定工況在±30mm內(nèi)，特殊波動(dòng)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(diǎn)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(shí)際系統(tǒng)是動(dòng)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(bǔ)償通常也只是經(jīng)驗(yàn)的、近似的。因?yàn)橄到y(tǒng)太復(fù)雜，無法求得實(shí)時(shí)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(gè)首要條件是必須得到真實(shí)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(jì)滿意的控制器必須對(duì)其進(jìn)行深入分析。

對(duì)于鍋爐汽包，負(fù)荷升高時(shí)，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(diǎn)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(shí)，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(shí)際上就是非最小相位系統(tǒng)。我們以蒸汽流量的增加對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)際效果。圖2曲線c可以看成一個(gè)近似的積分環(huán)節(jié)，曲線a近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，則曲線b(實(shí)際汽包水位對(duì)蒸汽擾動(dòng)的響應(yīng))可以近似為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)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(dòng)下汽包水位的動(dòng)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(dòng)下汽包水位變化的動(dòng)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(dòng)及蒸汽擾動(dòng)對(duì)汽包水位的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)。由控制理論知識(shí)我們知道，對(duì)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。現(xiàn)場控制的實(shí)踐也證明了上面的觀點(diǎn)?？紤]方案的改進(jìn)，最自然的想法是希望控制系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)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(shí)際控制的實(shí)現(xiàn)仍是困難的。而成功的控制仍然有賴于有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的工程師?；趯＜医?jīng)驗(yàn)的專家PID控制以專家的經(jīng)驗(yàn)來實(shí)時(shí)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(gè)專家系統(tǒng)與實(shí)時(shí)控制協(xié)調(diào)的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)控制進(jìn)行直接專家控制輸出，以盡快使水位回到正常值?？刂瓶驁D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(duì)象特性GP2——三沖量水位外環(huán)對(duì)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(yùn)行專家根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)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(shí)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(shí)，如水位偏離偏差高限、負(fù)荷太低使調(diào)節(jié)閥處于強(qiáng)非線性工作區(qū)、負(fù)荷波動(dòng)速率太大常規(guī)控制作用太弱等情況出現(xiàn)時(shí)，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(yàn)的規(guī)則控制。因此這里的CIN、COUT實(shí)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(shí)盡快回到規(guī)定值，大干擾引起大波動(dòng)時(shí)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(jī)界面Operator主要用于規(guī)則的實(shí)時(shí)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(diǎn)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(dòng)態(tài)環(huán)境的不同，仿專家經(jīng)驗(yàn)選取較合適的控制參數(shù)。這種控制參數(shù)隨動(dòng)態(tài)不同而改變的策略顯然會(huì)改善控制品質(zhì)。(2)控制參數(shù)事先根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)離線整定完畢，實(shí)時(shí)控制中專家控制器只是根據(jù)對(duì)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(shí)時(shí)整定保守，但它更可靠，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，沒有參數(shù)整定時(shí)間。(3)極端情況下直接對(duì)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(dòng)操作。從這一點(diǎn)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(shí)時(shí)控制中用產(chǎn)生式規(guī)則方式實(shí)現(xiàn)：IFF(E，△E，P，D，△D)＜M1THENPID三沖量串級(jí)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(yàn)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(shí)負(fù)荷可能很低，這時(shí)調(diào)節(jié)閥開度一般都很小，工作在強(qiáng)非線性區(qū)，常規(guī)的PID控制效果不好，此時(shí)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(jī)甩負(fù)荷時(shí)，鍋爐動(dòng)態(tài)變化很大，從給水量=蒸發(fā)量靜態(tài)平衡觀點(diǎn)看，此時(shí)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(shí)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(shí)，利用專家經(jīng)驗(yàn)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(bào)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(jí)改變?yōu)橐?guī)則調(diào)整設(shè)定值的單回路隨動(dòng)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(bǔ)償

其中偏差補(bǔ)償由運(yùn)行工程師根據(jù)實(shí)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(yùn)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(dòng)大；母管制給水運(yùn)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(duì)象特性波動(dòng)大。盡管運(yùn)行環(huán)境惡劣，但由于設(shè)計(jì)中已考慮到各種情況，故自控運(yùn)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(yàn)，采用實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)控制相結(jié)合的實(shí)時(shí)專家PID控制方法，并用此方法控