变压锅炉的自动化控制

人类实现对变压锅炉的自动化控制的经验SatoruGotoa,*,MasatoshiNakamuraa,ShiroMatsumurab摘要:人类经过了长时间的积累已经基本建立一套了对火电产的控制方法:它已经有了足够的控制性能。我们通常是在控制器中实现参数的优化，但是这是一个非常复杂的过程。在本文中，作者提出一种方法，它是一个能够从理论上确定一个基于非线性分离的参数控制的方法。通过使用这种方法，可以使复杂且耗时的参数调整过程被主要使用计算机程序计算的简单方法代替。我们在非线性的电厂模型中通过计算机的模拟研究对拟议方法的有效性进行了验证。（2002年曰sevier科学有限公司保留所有权利）。关键词：自动化，人类经验;BIR表格，非线性控制方法分离，主蒸汽压力和温度的锅炉;可变直流锅炉压力引言：火力发电厂通过高温高压蒸汽带动汽轮机旋转来发电，所以火力发电厂的锅炉必须产生高温高压蒸汽以满足发电需求。火力发电厂的目标是使锅炉产生的蒸汽尽量多的用于发电。从控制的观点来看，在火力发电厂中发电是一个具有高非线性和高干扰特性的过程。这种特性过程在火力发电厂中是很困难的。现在，在火电厂控制方面比较有经验的工程师已经研制出一套有效的措施叫做自动装置控制（APC）系统（Nakamura&Akaike,1981）。在控制器中优化参数是一非常艰巨的任务：因此它需要通过计算机软件来理论的确定控制器参数。在本文中，这种方法被叫做“参数控制的自动测定”。对火力发电厂中的锅炉控制来说，主要是采用PI控制器的反馈控制和前馈控制，所谓的锅炉输入速率（BIR表格），用于补偿在锅炉过程的动态延迟。目前对控制器的调整方法主要是从无数次的试验和失败中总结出了的，需要很多的时间和精力。在作者提出的理论中有一种方法是将一个非线性动力系统分解成一个非线性静力系统和一个非线性动力系统。(Nakamura,Goto,&Sugi,1998)。他还在基于神经网络的基础上提出了BIR表格的调整方法。然而先前在基于神经网络的基础上提出了BIR表格的调整方法的要对需要的瓦特数进行大量的预测(随钻测量)，这在实际中是非常困难的。他还提出了另一种方法是参考模型自适应控制系统(Matsumura,Ogata,Fujii,Shioya,&Nakamura,1994).但是这种方法不是能够普遍应用的，因为这需要专家们对每个工厂都有很具体的了解。当然还有很多其他的方法被提出比如：Nakamura,1999;Halpin&Bruch,1987;Lee,Chen,Gim,Yoshimura,&Wang,1995。然而，基于这些方法上的控制，比如MRACS，神经网络等复杂的方法并不容易被应用于商业火电厂中。在本文中，对自动测量在火电厂中锅炉的主蒸汽温度和主蒸汽压力的研究方法是基于非线性分离控制方法研制而成的。这种方法包含了APC和BIR的概念:这种基本的思想简单并且易于应用到商业发电厂中。控制器设计的最终目标一定要针对具体的特定任务：为此，很多电厂的特别问题需要一一解决。在电力公司中，可靠性是非常重要的而且当老的控制器不存在严重问题的时候新的控制器是很难被实施的。在新的控制系统中我们不但要保证效益还必须保证安全性和可靠性，即使是在试运行中也一样。我们必须在新的控制器被应用于实际的电厂之前用一切可能的手段来测试它，以确保它实际的可靠性。我们采用MSP和MST的方法在实际中进行数值模拟研究。在对社会需求对人类实现对变压锅炉的自动化控制的经验方面的影响木文也有讨论。2.人类对火电厂控制调整的经验2.1热电厂的控制木文中研究的被控对象是一个装备有变压直流锅炉的热力发电站。它包含有几个部分，如锅炉，汽轮机，发电机，冷凝器，给水泵，给水加热器，燃油泵，组成等(见图1。)。在火电厂中的锅炉通过燃烧燃料加热水来产生高温高压的蒸汽。再由蒸汽带动汽轮机转动来产生电力。蒸汽在汽轮机中做完功后进入冷凝器冷凝变成液态水。冷凝器中的水再通过给水泵从新被送入锅炉中加热完成一次循环。因此，火电厂中的水被视为是一种闭式循环(Joseph,1981)。持恒定，而IMSP必须与当时实际的负荷数值相对应。MSp和MST主要是通过调节给水量(WF)和燃油供给量(FF)来控制的。锅炉系统的特点是高度非线性，这种非线性直接影响到锅炉内部的时间进程和收益的经济性，这种经济性随装置的特性负荷变化而定。此外，锅炉是具有

三个输入(给水流量需求(WFD),燃油流量需求(FFD),空气流量需求(AFD)),两个输出(MSP和MST)一起组成的多变量系统WF和FF都可以影响的MSP和MST。为了控制多变量锅炉系统，工业上通常采用被称为APC的协调控制策略。(Nakamura&Akaike,1981)(见图2)。在APC控制系统中，MSP是被WF控制的，而FF是通过保持恒定的MST设定值来决定的，而WF是通过装置负荷的比例变化控制的。因此，锅炉的输入变量可以用下面的方法确定：(略)TPl府)WFD幽帆F&-*PIGenerater-^TurbineFFDBoilerdAF°Or-iTPl府)WFD幽帆F&-*PIGenerater-^TurbineFFDBoilerdAF°Or-i五Fig.2.Automaucplantcontrol(APC).WFD：feedwaterflowdemand,FFD:fuelflowdemand,AFD:airHowdemand,MWD:Megawaildemand,MSP;mainsteampressure^MST:mainsteamtemperaturet如上所述，WF,只适用于对MSP的控制，.FR:只适用于对MST的控制。。每一个子系统都是由Pi控制器控制，而BIR则用于补偿动态延迟。。此外，空气流量(AF)relercnce,suliixpv;processvariable^f(.v):1unction.的控制比WF和FF的控制更容易。因此，在研究中我们只是从理论上研究对直流锅炉的MSP和MST的BIR表格控制。2.2BIR表格控制在火力发电厂控制中扮演的的角色以前，由于燃料不完全燃烧，火力发电厂存在着冒黑烟的问题。燃料不完全燃烧的原因在于当如在变化速度快的时候FF的速度比AF的速度快。专家们在对充电控制器的控制中通过为响应负载的变化加入更多的AF的方法来避免这种现象。AF的数量是通过FF的变化率来确定的。这种方法被称为“富裕空气法”，富裕空气法是BIR表格方法的来源。（略）2.3人类工程师对BIR信号测定的现状在调整过程中的BIR调整和确定主要是根据专家们的经验和直觉来确定的。过程如下所述：（1） 专家们每5分钟检查一次MST的错误。（2） 前5分钟将被视为死区时间并且MST显示没有变化。（3） 5分钟后，MST随着BIR的增加或者减少变化，这意味着BIR是一种能够提前5分钟的预测信号。（a） 5到10分钟后负荷的MST偏差受到BIR增长率的影响。因此，专家们通过观察5到10分钟后的错误信号来调整BIR的增加率。（b） 10分钟后的偏差是受到累计BIR信号的影响。当偏差为负时，专家们调整BIR信号使其增加，当偏差为正时则减少BIR信号。上述的调整只是理论上的研究，并没有进行过实际证明。专家们通过在试验和失败的基础上调试BIR参数，从而得到理想的调整参数。每个专家都要进行一个锅炉负荷摆动试验，即使调整过程需要专家辛勤工作了几个星期。2.4目前在BIR表格测定中存在的问题BIR表格测定的问题如下：（1） 能够应用BIR表格调整方法的专家太少是工业中最严重的问题之一。（2） BIR表格调整方法是一个非常耗时的过程，事实上，它需要几周的时间。（3） 专家们对BIR方法的熟练程度直接影响最终的控制结果。（4） 为了能够得到更高的负载变化率（超过每分钟5%）我们需要稳定电力系统的负载变化频率。但是目前的BIR技术，负载变化频率的极限最高为每分钟5%。3・人类对优化火电厂控制的经验3.1BIR自动测定的概念正如上述所述，BIR方法是一种前馈反馈方法，它弥补了锅炉在动态过程时的延迟。BIR方法所带来的问题主要来自于锅炉动态过程中的非线性。分离的非线性控制技术是由作者（中村，后藤和杉，1998）提出的，它是一个具有高度非线性的系统动态控制的有效工具。为了实现工业化的非线性控制，必须有一个可行的控制器设计方案。分离控制的非线性设计是基于分离模型的非线性静力学和非线性动力学组成的。（略）结论：一个由MST和MSP组成的火电厂控制系统是基于分离非线性补偿方法的基础上发展起来的。通过模拟研究，我们充分的证明了该控制器的