CFB锅炉汽包水位的专家PID控制

-PAGE1-CFＢ锅炉汽包水位的专家PID掌握摘要：商议 了一种专家系统与实时掌握相结合的实时专家PＩD掌握方法，并用此方法掌握热电厂循环流化床锅炉(CircuｌatingＦlｕidizedBｅdBｏｉｌeｒ,简称CFB锅炉）的汽包水位,使得锅炉水位即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持自控,现场投运获得了良好的掌握效果。关键词:循环流化床锅炉(CFＢ锅炉);专家ＰID掌握;实时专家系统

１、问题的提出

汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，它间接地反映了锅炉负荷和给水的平衡关系。维持汽包水位是保持汽机和锅炉平安运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时会使过热蒸汽汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和平安性；汽包水位过低，则由于汽包内的水量较少，当负荷很大时,水的汽化速度很快,因而汽包内的水量变化速度很快，如不准时有效掌握，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉被烧坏或爆炸.因此，锅炉汽包水位掌握是维持锅炉平安运行的重要掌握回路。

锅炉汽包水位掌握策略己进行了多年的理论商量，也已形成了包括单冲量、双冲量、三冲量在内的多种成熟的掌握方法.但在简略的工业现场,却仍不能保证水位掌握的自控高投运率，其中的一个缘由唯恐是近年来锅炉参数的提高和容量的扩大,对给水系统提出了更高的要求,这种要求简略表现在:

(１）汽包的个数和体积削减，使汽包的蓄水量和蒸发面积削减,从而加快了汽包水位的变化速度;

(2）锅炉容量的增大,显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷,使锅炉负荷变化对水位的影响加剧了;

（３）提高了锅炉的工作压力,使给水调节阀和给水管道系统相应简洁,调节阀的流量特性更不易满意掌握系统的要求。

从工业现场的应用来看,对于负荷比较稳定、媒质比较固定、燃烧比较平稳的锅炉(尤其是火电厂的煤粉锅炉），锅炉汽包水位的自动掌握系统在稳定的工况下一般可以投入自动，但在系统动态特性大幅度变化的情况下，却仍然需要娴熟操作人员的手动掌握,分析缘由，我们认为可能有下面几个方面：

(1）母管制给水，来自其它锅炉给水系统及给水泵的扰动,导致锅炉给水压力不断变化,有时不能达到正常的给水压力值;

（2）热电厂供热、供汽用户的负荷扰动往往过于猛烈，导致蒸汽压力的不断变化。

(3）由于煤种、煤质的变化或其它因素导致的燃烧系统的不稳定导致汽包水位的常常变化。

以上几方面的扰动往往不同程度的导致汽包水位消灭“虚假水位”的现象,在不同的负荷下还会消灭不同程度的时滞和非最小相位特性。汽包水位的这种在不同阶段动态特性不断变化的特性使得接受单一结构和参数的三冲量掌握方法达不到满意的掌握效果。若考虑接受各种自适应或参数自校正的算法会使系统结构简洁、整定困难，在现场工况变化的情况下无法得到抱负的使用效果。本文基于现场操作阅历,接受实时专家掌握系统的思路,构造了一种专家系统与实时掌握相结合的实时专家PID掌握方法来掌握热电厂CFB锅炉的汽包水位，使得锅炉水位即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持自控，获得了良好的掌握效果。2、CＦＢ锅炉汽包水位过程特性图１是锅炉汽包的一个简洁示意图，水位掌握的要求就是维持汽包内水位在某个要求的范围内(一般要求稳定工况在±30mm内，特殊波动在±5０ｍm）.主要通过调节给水量来掌握水位的稳定。

从质量平衡的观点来看,在调节过程中如能始终保证静态平衡，给水量＝蒸发量,即W=Ｄ（质量流量）,则水位就能始终维持在“０”位。但实际系统是动态的，给水压力、主蒸汽压力在调节中始终在不断的变化，而且流量的温压补偿通常也只是阅历的、近似的。由于系统太简洁,无法求得实时精确的给水及蒸汽质量流量，所以我们通过汽包水位来间接地反映水系统的质量平衡.

掌握汽包水位在要求的值的一个首要条件是必须得到真实的汽包水位测量值.圆满的是，汽包水位掌握中存在着明显的“虚假水位”现象.要设计满意的掌握器必须对其进行深化分析。

对于锅炉汽包，负荷上升时，蒸汽流量Ｄ增大，导致汽包内水蒸汽压力突然降低，水的沸点也相应降低,沸腾加剧，水面下气泡容积增大,从而导致水位突然上升;另一方面，给水流量突然增加时，温度较低的给水从原有的饱和汽水混合物中吸取一部分热量，使水面下气泡容积削减,水位下降。这种在蒸汽流量或结水流量变化初期,汽包水位沿着相反方向变化的现象人们称之位“虚假水位”。从掌握上来讲，“虚假水位”实际上就是非最小相位系统。我们以蒸汽流量的增加对汽包的影响为例进行分析.在给水不变的情况下,负荷提升,导致蒸汽流量增加，如果不考虑其它因素的影响，则汽包水位由于蒸汽流量大于给水流量而直线下降.如图２曲线ｃ所示;蒸汽量增大初期,因水中气泡容积增大导致水位临时先上升，由于气泡容积只能增大到汽包压力水平，故这种上升是有限的,一段时间后，汽包压力就达到稳定，水位也不再上升，如曲线a，曲线b即为两者的综合效果,即汽包水位变化的实际效果。图2曲线c可以看成一个近似的积分环节，曲线a近似为一个惯性环节,则曲线b（实际汽包水位对蒸汽扰动的响应）可以近似为一个积分环节和一个惯性环节的并联，如图3示。

用传递函数表示:

式（1)、(2）分别表示曲线c和曲线ａ.

G１(s）=kｄ/s

（1）

Ｇ２（s）=k/（1＋Ｔｄｓ）

（２）则曲线ｂ可表示为：

则蒸汽流量扰动下汽包水位的动态特性为:Gd（ｓ)=kｄ（１-τds)/ｓ（１+Tds）

（4）同理可求得给水流量扰动下汽包水位变化的动态特性:

Gw（s）=kw（1-τss）／ｓ（1+Tws)

（5）一般τd，τｗ均大于0，因此给水扰动及蒸汽扰动对汽包水位的动态系统为非最小相位系统。由掌握理论知识我们知道，对于非最小相位系统，接受简洁的形如：G（s)=ｋp(1+T/Ti）ｓ式中kp,Ti——分别为比例、积分系数；Ｔ—-采样周期固定参数ＰI掌握器难以有效地掌握系统的过渡过程。现场掌握的实践也证明白上面的观点。考虑方案的改进，最自然的想法是盼望掌握系统自动地调整PID掌握器参数和结构，以更好地适应系统动态的变化。由于锅炉系统的简洁性和建模困难，基于数字模型方法的自适应或自整定方法在实际掌握的实现仍是困难的。而成功的掌握仍然有赖于有运行阅历的工程师。基于专家阅历的专家PID掌握以专家的阅历来实时调整PＩD掌握器的参数，结果证明在简洁干扰的情况下仍能取得良好的掌握效果。３、CＦＢ锅炉专家ＰID掌握算法本文构造了一个专家系统与实时掌握协调的实时掌握系统，依据水位偏差、负荷变化及变化率或母管压力的变化由专家系统依据规章选用合适的ＰＩD参数值,极端情况下,专家系统接管实时掌握进行直接专家掌握输出,以尽快使水位回到正常值。掌握框图如图4所示。COUT—-三冲量水位掌握器外环掌握器，PIＤ或专家掌握器(由ＥC决定）ＣIN-—三冲量水位掌握器内环掌握器,PID或专家掌握器(由EC决定)ＥC——专家决策掌握器ＧP1——三冲量水位内环对象特性GP２——三冲量水位外环对象特性F—-水位测量变送D--蒸汽负荷或负荷变化率P——给水压力或蒸汽压力Ｐｗ--给水压力Pｄ-—蒸汽压力K——蒸汽流量前馈系数专家掌握器EC依据系统所采集的水位偏差e（△e）、负荷变化或变化率D（△Ｄ）及母管压力(Pｗ)的变化依据规章表选用合适的ＰＩD参数值。由掌握及运行专家依据系统动态所整定的几组PIＤ参数值预先以表格或规章的形式存入专家掌握器的规章库中。同时EＣ也依据负荷变化等情况调整前馈系数值。当遇到极端情况时，如水位偏离偏差高限、负荷太低使调节阀处于强非线性工作区、负荷波动速率太大常规掌握作用太弱等情况消灭时，由EC决定把汽包水位内外环掌握器CIN、CＯＵT由ＰID掌握切为基于专家阅历的规章掌握。因此这里的CIN、COUT实际上是PIＤ掌握器与专家掌握器的组合。它们的切换由协调决策的专家掌握器EＣ掌握。EC转变PIＤ掌握器参数和掌握方式的原则是使汽包水位在大偏差时尽快回到规定值,大干扰引起大波动时尽可能的维持在规定的水位掌握限内。专家系统的人机界面Operator主要用于规章的实时修改。从掌握结构来看,本文所给出的仍是以主蒸汽流量为前馈的三冲量给水掌握系统。但它己远远不同与一般的固定参数的PID掌握。主要的不同点是：(1）PIＤ掌握器的参数并非固定一组，而是依据水位系统所处动态环境的不同，仿专家阅历选取较合适的掌握参数。这种掌握参数随动态不同而转变的策略显然会改善掌握品质。(2）掌握参数事先依据专家阅历离线整定完毕，实时掌握中专家掌握器只是依据对象的模糊化信息通过规章进行选取,这种方法虽然在精度上比实时整定保守,但它更牢靠，且实时性强,没有参数整定时间.(3）极端情况下直接对调节阀进行规章掌握(或直接转变内环流量设定值进行单回路掌握）可能飞速遏制系统向更坏的方向进展，快速把系统拉回正常值；而PID常规掌握基于增量的输出作用在极端情况下往往太弱,使操作人员不得不切为手动操作。从这一点上说，这也是仿人掌握的一种。3．１掌握结构及参数的调整方法汽包水位掌握方式及掌握参数专家调整表(表１）介绍了掌握方式及掌握参数的调整方法。其中E，△E，P，D,△D分别为汽包水位偏差、水位偏差变化率、母管压力、负荷及负荷变化率的模糊化值,F为模糊函数,Ｍ1，M2,M3为模糊限值.实时掌握中用产生式规章方式实现：IＦＦ（Ｅ,△E，Ｐ，Ｄ，△D)<Ｍ1THENＰIＤ三冲量串级掌握

掌握参数为

内环：P1ＩN,Ｉ1ＩＮ，D1IN外环:Ｐ１OUＴ,I1OUT,Ｄ１OUTＩFF(Ｅ，△E，P，D，△Ｄ)＜M2THEＮ……

ＩＦF（E，△E,P,Ｄ，△D）〉M2THEN

基于阅历的规章掌握

EＮDIF图5为ＣFB锅炉汽包水位专家PID掌握结构详图，图中简略描述了掌握方式及掌握参数的专家调整原则。

锅炉在只供热、供汽时负荷可能很低，这时调节阀开度一般都很小，工作在强非线性区，常规的PＩＤ掌握效果不好，此时接受专家规章掌握.

锅炉在突然停热（汽）负荷或发电机甩负荷时，锅炉动态变化很大，从给水量=蒸发量静态平衡观点看,此时调节水阀应立即大幅度关小，常规PＩＤ掌握输出增量较小达不到操作要求,此时亦仿人工操作,切为专家掌握，飞速减小流量设定或直接关小阀门。

水位偏差太大时,利用专家阅历直接设定流量值或直接开关阀门,以使水位飞速回到正常值。3。２专家规章掌握

主要有两种方式：

(1)直接以产生式规章方式作用于调节阀。

如:IF水位≥报警高限THEN

给水调节阀=全关

(２）规章调节副环给水流量的设定值，内环仍进行ＰID掌握，掌握结构由三冲量串级转变为规章调整设定值的单回路随动掌握系统

如：ＩF△D>负荷变化限值THEN

给水流量设定=蒸汽流量＋偏差补偿

其中偏差补偿由运行工程师依据实际情况设定.４、现场掌握效果

上述掌握系统于199７年5月在浙江省嵊州市热电厂3#炉——7５t/h循环流化床锅炉调试投运成功。取得了很好的掌握效果。由于该厂热电联供,以供热为主，故负荷波动大；母管制给水运行，1＃、2#锅炉均为操作人员手工操作,操作任意性大，常常消灭３炉“抢水”现象,故对象特性波动大。尽管运行环境恶劣，但由于设计中已考虑到各种情况，故自控运行良好,始终保持高投入率。5

、小结本文基于现场操作阅历,接受实时专家掌握系统的思路,简略商议 了一种专家系统与实时掌握相结合的实时专家PID掌握方法，并用此方法掌