垃圾焚烧炉汽包水位的模糊控制

1、垃圾焚烧炉汽包水位的模糊控制             垃圾焚烧炉汽包水位的模糊控制 赵亚军，周洁，浦兴国，袁镇福 (浙江大学热能工程研究所能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室，浙江 杭州 310027)    摘要：针对循环流化床生活垃圾焚烧锅炉热负荷波动较大，给水调节阀调节特性差的状况，专门设计的锅炉汽包水位模糊三冲量串级自动控制系统，采用调节参数模糊智能自调整，主副回路采用异步控制方式，调节阀的调节特性进行线性化处理等策略。有效提高调节品质

2、，将水位控制在较小的波动范围，满足垃圾发电机组运行的要求。    关键词：模糊控制；汽包水位；垃圾焚烧Fuzzy control for steam drum level of waste incinerator ZHAO Yajun，ZHOU Jie，PU Xingguo，YUAN Zhenfu (Institute of Thermal Power Engineering，Clean Energy and Environment Engineering Key Lab of Ministry of Education，Zhejiang University，H

3、angzhou 310027，China)    Abstract：Municipal waste CFB incinerator is usually faced with problems such as furnace heat load fluctuation in large scope and low regulation resolution of main control feedwater valve，a 3element fuzzy control system is used to modulate PID control parameter

4、s in an online way.The inner and outer control loops in the control system are operated asynchronously to effectively decrease regulation time and improve regulation precision.Key words：fuzzy control；drum water level；waste incineration0引言循环流化床锅炉具有燃料适应性强、投资省等优点，近些年被许多热电厂用来焚烧处理城市生活垃圾，既减少了环境污染，又利用垃圾热量供

5、热和发电，产生很大的社会效益和经济效益。目前电厂焚烧的垃圾基本未经分检，使得垃圾的热值、水分含量等变化范围较大，极易造成燃烧状况不稳定。燃料扰动较大，锅炉燃烧控制难度大，也增加了汽包水位调节的难度。此外，大多垃圾焚烧电厂的设备投资相对较少，配置的主给水电动调节阀门和旁路给水调节阀门执行机构的调节性能较差，在很大程度上增大了水位自动控制回路整定的难度。因此典型的三冲量PID控制方式已不能达到汽包水位自动调节的要求。拟采用三冲量串级控制结合PID参数模糊自整定的复合控制方式，实现PID参数的在线自动调整，使控制回路 具有自适应性能。调试结果显示，在不同锅炉负荷条件下，采用以上复合式控制策略能够较好

6、地克服上述水位调节系统本身的缺陷，并兼顾快速性和稳定性等调节品质要求，取得了较好的效果。1模糊三冲量水位控制原理汽包水面以下的水容积中是饱和水和蒸汽的混合物，含有大量汽泡，其体积会随着锅炉蒸发量、给水量和炉膛热负荷而变化，因此存在“虚假水位”现象。影响汽包水位H的主要因素有：蒸汽流量D、给水量W和热负荷R。因此，汽包水位动态特性方程有点类似于双容水槽的水位控制动态特性，可以表示为：式中T1、T2是水位项时间常数；TW，TD分别是给水流量项和蒸汽流量项的时间常数；W，D分别是给水流量项和蒸汽流量项的比例放大系数。引起汽包水位变化的主要扰动因素是蒸汽流量和给水量。相比之下，热负荷的扰动所引起的水位

7、变化的时间常数较大，其“虚假水位”的幅值相对较小。因为热负荷突然增加会使汽包水容积中汽泡容积增加，水位上升。由于蒸汽流量不变，汽包压力增大会使汽包水容积中汽泡容积减小，对水位上升产生一定的抑制作用。因此给水量w的扰动可看成主要内扰因素，而蒸汽流量D的扰动是外扰。在进行控制系统整定调试前分别进行内、外扰动下的水位响应特性试验，获取相应的迟延时间和响应速度，计算初始调节参数。模糊三冲量串级控制回路如图1所示。系统由主、副两回路组成，主回路的输出作为副回路的输入，从而构成串级回路结构。主回路以水位作反馈量。副回路以给水量作反馈量，能及时消除给水压力变化等内扰。同时以蒸汽流量作前馈量，使得给水量的调节

8、能快速跟踪蒸汽流量的变化。针对垃圾焚烧电厂给水电动调节阀调节性能较差的状况，将副回路也设定为比例积分环节，有利于消除 给水量调节的静差。当锅炉用汽负荷发生变化时，由于产汽量不能及时适应用汽量的变化，会导致汽包压力改变而发生虚假水位现象，使得汽包水位的改变对于蒸发量的变化有较大的滞后，所以主回路的调节周期不宜过小。而给水量的扰动影响汽包水位较迅速，副回路相对主回路是一个快速响应环节。因此主副回路采用异步控制方式，可以减少控制过程中水位的超调量和波动，提高水位调节速度。整定试验得主副回路调节周期比在5左右具有较好的控制效果。在模糊三冲量串级控制系统中主、副回路均 采用模糊PI控制算法，PI算法采用

9、增量式：模糊控制模块Fuzzy1和Fuzzy2用来实现PI控制参数智能自调整功能，也就是当水位偏差e1、给水量偏差e2和水位偏差变化率较大时，采用较大的调节量，增大比例增益Kp，减小积分时间TI；当偏差e1和e2较小时，采用较小的控制量，缩小比例增益Kp，增大积分时间TI。采用模糊控制策略能够实现积分分离功能，可以有效地加快水位调节的响应时间，减小超调量，尽可能实现最小拍控制。2模糊自整定PI参数控制器设计2.1模糊化模糊控制策略的实质是分区域调整汽包水位控制回路中的PI控制参数Kp和KI。PI参数Fuzzy自整定控制器在常规PI调节器基础上，应用Fuzzy集合理论建立参数KP、KI与偏差绝对

10、值e和偏差变化率绝对值间的二元连续函数关系，并根据不同的e和在线自调整参数Kp、KI。二元连续函数关系为：在模糊控制过程中，当汽包水位接近设定值，即偏差和偏差变化率的绝对值较小时，传统的模糊控制方法失去作用，从而导致模糊控制规则失效。我们使用了下面的控制策略，方法如下：从而得到变换后的e和e，其动态范围大大压缩，再将其模糊化为两个模糊变量E和Ec，两者均包含模糊集B，M，S，B代表大，M代表中，S代表小，即2.3模糊推理根据系统采样和现场实验，按下列参数整定函数得到控制器参数为：    式(7)和式(8)中，j(E，Ec)隶属值为 由此，建立了PI控制器

11、参数Kp，KI与偏差及其变化率Ec之间的模糊函数关系，应用此函数实现PI参数的模糊在线自整定，满足了系统在不同E、Ec下对控制器参数的不同要求。3给水调节阀调节性能线性化该垃圾焚烧锅炉使用的给水调节阀本身的线性度不是很好，同时由于所配置的电动操作器的不灵敏区较大和安装质量问题，致使给水调节阀的上行与下行存在很大的回差，以及较差的调节分辨率(约为1.52.5)，给水流量的最小调节变化量为2t/h左右，严重影响给水调节的质量。此外，调节阀漏水量很大，阀门开度在0时，漏水量为14t/h左右。阀门可调节开度范围较窄，约为50左右。当阀门开度开大至80后基本失去调节能力，但此时给水量达42t/h以上，已

12、超过锅炉的额定蒸发量。上述阀门调节性能很难达到自动控制的要求。为给水自控回路有较好的调节品质，在模糊PI控制器与调节阀电动执行机构之间增加一个线性化处理器。即在对调节阀的全程调节特性进行细致测试的基础上，将给水流量与阀门开度的关系拟合成多项式。PI控制器以给水量作为输出量，根据执行机构反馈的开度和调节方向，计算比较精确的阀门开度调节量输出到调节阀。达到调节特性线性化的目的。阀门上行时的多项式如式(14)，下行时k为阀位反 馈值加30。4整定试验结果当锅炉用汽负荷发生变化时，由于产汽量不能及时适应用汽量的变化，会导致汽包压力改变而发生虚假水位现象，使得汽包水位的改变对于蒸发量的变化有较大的滞后，

13、所以主回路的调节周期不宜过小。而给水量的扰动影响汽包水位迅速。垃圾焚烧锅炉汽包水位自动控制系统的主副回路采用异步控制可以减少控制过程中水位的波动。整定试验得主副回路调节周期比确定在5左右，具有较好的控制效果。对采用模糊三冲量串级控制策略的垃圾焚烧锅炉汽包水位自动控制系统的各调节参数整定后 进行的扰动试验结果如图2、3所示。图2为水位阶跃试验的水位跟踪曲线。试验过程中，蒸汽流量保持29.7t/h基本不变。给水量从31.2t/h快速调高至33.4t/h，使水位偏离设定值至60mm时由手动切换为自动控制。从图2曲线可看出：峰值时间tp约为87s；调节时间ts约为156s；水位波动范围±12

14、mm；衰减率约为76。能很好满足锅炉水位调节要求。多次试验结果，调节振荡次数平均为1.5次，近似于 单拍调节。说明结合模糊控制技术的三冲量串级水位调节效果良好。图3为蒸发量阶跃试验的水位跟踪曲线。试验时先停止垃圾给料，锅炉保持低负荷运行，蒸汽流量降至2226t/h左右，手动调节给水调节阀，直至汽包水位维持在±15mm内，保持给水流量不改变。然后逐渐加大垃圾给料速度，提高炉内热负荷，引起蒸发量增加，汽包水位在3min内逐渐下降至50mm左右时将给水调节投入自动方式。图中过渡曲线的峰值时间tp约为70s，调节时间ts约为144s，tp和ts都较小，反映了系统能对输入信号快速响应。水位波动范围±13mm；衰减率约为68。经过二拍振荡后已逼近目标值，调节系统有较快的收敛性。5结论(1)针对循环流化床生活垃圾焚烧锅炉热负荷波动较大，给水调节阀调节特性差的状况，专门设计的锅炉汽包水位模糊三冲量串级自动控制系统能将水位稳定地自动控制在较小波动范围内(±13mm)，满足垃圾发电机组运行的要求。(2)采用模糊控制策略实现积分