循環(huán)流化床鍋爐汽包水位的智能控制

楊廣鑫，劉占查

(1.天津大沽化工股份有限公司，天津 300455； 2.河北國(guó)超信息科技有限公司，河北 辛集 052360)

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的新一代高效、低污染清潔燃燒技術(shù)。CFB鍋爐技術(shù)是我國(guó)電力工業(yè)的跨世紀(jì)導(dǎo)向工程，是應(yīng)用較廣的環(huán)保煤發(fā)電技術(shù)之一，CFB鍋爐是化工行業(yè)用電、供熱的重要設(shè)備。

在CFB鍋爐應(yīng)用過程中，自動(dòng)化控制問題是困擾其技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。目前，在我國(guó)化工企業(yè)自備電廠的循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行中，汽水、燃燒兩大系統(tǒng)基本上均為人工手動(dòng)遙控操作。筆者就CFB鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的自動(dòng)控制進(jìn)行了探討、摸索、實(shí)踐，利用人工智能技術(shù)、自適應(yīng)和模糊理念，實(shí)現(xiàn)了CFB鍋爐汽包水位的智能控制。

1 CFB鍋爐

鍋(汽水系統(tǒng))：由省煤器、汽包(汽水分離器)、下降管、聯(lián)箱、水冷壁、過熱器和再熱器等設(shè)備及其連接管和閥門組成。

爐(燃燒系統(tǒng))：由爐膛、燃燒器、點(diǎn)火裝置、空氣預(yù)熱器、煙風(fēng)道及爐墻、構(gòu)架等組成。

CFB鍋爐的工作可分為3個(gè)過程：燃料燃燒、煙氣傳熱和水的汽化。

(1)燃燒過程。燃料由煤斗通過給煤機(jī)、送煤風(fēng)和播煤風(fēng)將燃煤送入爐膛，當(dāng)煤在到達(dá)燃燒溫度后，一邊燃燒，一邊向后移動(dòng)。

(2)傳熱過程。燃料燃燒釋放出熱量，其煙氣與爐膛內(nèi)的水管進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射傳熱，隨后煙氣進(jìn)入尾部煙道，與省煤器和預(yù)熱器進(jìn)行熱交換，最終由煙囪排出。

(3)汽化過程。是蒸汽的產(chǎn)生過程，包括水循環(huán)和汽水分離兩個(gè)部分?；瘜W(xué)處理后的水通過除氧器除氧后經(jīng)省煤器預(yù)熱，進(jìn)入汽包。CFB鍋爐工藝流程如圖1所示。

圖1 燃煤鍋爐工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of coal fired boiler

2 問題的提出

鍋爐汽包水位穩(wěn)定就是蒸汽流量等于給水流量(產(chǎn)出蒸汽與汽包供水相等)。

影響汽包水位穩(wěn)定的因素有蒸汽負(fù)荷(汽輪機(jī)發(fā)電、對(duì)外供熱等)、燃燒工況(煤質(zhì)、煤量、一次風(fēng)、二次風(fēng)等)、給水系統(tǒng)壓力等。這些工藝參數(shù)發(fā)生變化，直接影響汽包水位的穩(wěn)定性。

目前我國(guó)熱力鍋爐(供熱或發(fā)電)自動(dòng)化水平相對(duì)較低，汽包水位控制給水由人工遠(yuǎn)程手動(dòng)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大、水位波動(dòng)頻繁，影響汽水分離后蒸汽的品質(zhì)，嚴(yán)重(蒸汽帶水)時(shí)易損壞汽輪發(fā)電機(jī)噴嘴和葉輪片等設(shè)備，更為嚴(yán)重的是斷水十幾秒后鍋爐將燒干或爆炸。目前，鍋爐汽包水位采用的自動(dòng)控制方法大部分基于三沖量PID、多變量前饋-反饋、PID串級(jí)等控制技術(shù)，在鍋爐運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定(內(nèi)、外擾動(dòng)小)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，抗干擾能力弱。

在系統(tǒng)中，為確保鍋爐的安全正常運(yùn)行，汽包水位測(cè)量需3種以上的測(cè)量原理和多點(diǎn)檢測(cè)，如雙色水位計(jì)(云母水位計(jì))、差壓式水位計(jì)、電極式水位計(jì)和電容式液位計(jì)。電容式液位計(jì)的測(cè)量是基于兩電極間的液體及氣體介電常數(shù)不同，液位升高或下降，使兩電極間的電容量隨之變化。但在鍋爐汽包水位測(cè)量中，被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)是隨溫度的變化而變化，氣液相在汽水分離處介電常數(shù)接近，使得在氣液臨界區(qū)測(cè)量不穩(wěn)(波動(dòng))，對(duì)實(shí)現(xiàn)汽包水位自動(dòng)控制產(chǎn)生不利影響。

根據(jù)供熱、發(fā)電等鍋爐蒸汽生產(chǎn)的自動(dòng)控制現(xiàn)狀，鍋爐運(yùn)行原理及蒸汽生產(chǎn)過程中的各種干擾因素，進(jìn)行實(shí)際動(dòng)態(tài)測(cè)試及數(shù)據(jù)回歸分析，傳統(tǒng)的控制方法不能及時(shí)消除鍋爐汽包水位偏差，抗干擾能力差。

針對(duì)上述問題，筆者采用一種新型的控制方式，即一個(gè)二維模糊控制與PID控制相結(jié)合，組成鍋爐汽包給水混合控制(Fuzzy-PID控制器)，實(shí)現(xiàn)供熱、發(fā)電CFB鍋爐(220 t/h、130 t/h CFB鍋爐)汽包水位的智能控制。

3 解決方案

熱力鍋爐汽包的水位會(huì)因負(fù)荷、燃燒工況和給水壓力等參數(shù)的變化而波動(dòng)，汽包水位是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)非常重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接反映了鍋爐負(fù)荷(產(chǎn)生的蒸汽量)和給水量之間的物料平衡關(guān)系，保證汽包內(nèi)的水位在一定的允許范圍內(nèi)是鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件之一。

3.1 汽包水位的測(cè)量

由于電容式液位計(jì)在氣液相分離處測(cè)量極不穩(wěn)定，因此，對(duì)水位輸入變量進(jìn)行“峰谷回歸”數(shù)據(jù)處理，有效抑制輸入信號(hào)的干擾因素。而差壓式液位測(cè)量，既使由于汽包內(nèi)壓力、溫度變化造成液體的體積(密度)變化，其平衡容器輸出的差壓值相對(duì)不變。在汽包水位控制回路中，應(yīng)盡量選擇差壓式平衡容器測(cè)量法，為控制提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2 汽包水位的自動(dòng)控制

人工智能主要研究用人工的方法和技術(shù)，模仿、延伸和擴(kuò)展人的智能，模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支。

針對(duì)諸多影響因素，結(jié)合PID調(diào)節(jié)規(guī)律、自適應(yīng)、現(xiàn)代控制理念、人工智能的模糊控制，設(shè)計(jì)并實(shí)施了鍋爐汽包水位智能控制。

鍋爐運(yùn)行中的各種干擾因素集中反映在水位的變化。設(shè)計(jì)一個(gè)二維模糊控制器，即汽包水位測(cè)量為輸入，水位測(cè)量值PV與設(shè)定值SP計(jì)算后，得到偏差e、偏差變化率Δe(即e=PV-SP，Δe=e′)，作為模糊控制器的輸入。其模糊控制器的組成如圖2所示。

圖2 二維模糊控制器組成Fig.2 Constitution of two-dimensional fuzzy controller

(1)輸入變量：PV的變化范圍[0,500]，SP的變化范圍[0,500]，e的變化范圍[-50,50]，△e的變化范圍[-5,5]。

PV模糊化[PVmin,PVLL，PVL，SP，PVH，PVHH，PVmax]論域的劃分如圖3所示。

圖3 模糊化論域劃分圖Fig.3 Zoning plan of fuzzy domain

語(yǔ)言變量：X1，X2，…，Xn。

X1=(PV>SP)∧上升；

X2=(PV>SP)∧下降；

X3=(PV

X4=(PV

X5=(PV>PVH)∧上升；

X6=(PV>PVH)∧下降；

X7=(PV

X8=(PV

X9=(PV>PVHH)∧上升；

X10=(PV>PVHH)∧下降；

X11=(PV

X12=(PV

(2)輸出變量：u1，u2，…，un。

(3)控制變量：OP。

(4)模糊推理。

IF(X1=T orX2=T orX3=T orX4=T) andPV

IF (X1=T orX2=T orX3=T orX4=T) andPV>PVLTHEN 規(guī)則1；

IFX5=T andPV

IFX6=T andPV

IFX7=T andPV>PVLLTHEN 規(guī)則1；

IFX8=T andPV>PVLLTHEN 規(guī)則3；

IFX9=T THEN 規(guī)則4；

IFX10=T THEN 規(guī)則5；

IFX11=T THEN 規(guī)則6；

IFX12=T THEN 規(guī)則7。

(5)模糊規(guī)則。

規(guī)則1～規(guī)則3中：K、K1為比例因子；T為控制周期；Ti為累加因子；TD為超前因子。

規(guī)則4,(u4)=-K2·f(en)等百分比遞減；

規(guī)則5,(u5)=Ts_[-K2·f(en)]定時(shí)等百分比遞減；

規(guī)則6,(u6)=Ts_[K2·f(en)]定時(shí)等百分比遞增；

規(guī)則7,(u7)=K2·f(en)等百分比遞增。

規(guī)則4～規(guī)則7中：K2為比例因子；f(en)為其他“規(guī)則i”的運(yùn)算模型；Ts為運(yùn)算周期的定時(shí)器。

(6)反模糊化。

控制(精確)量：

OP=OP+u1；

OP=OP+u2；

OP=OP+u3；

OP=OP+u4；

OP=OP+u5；

OP=OP+u6；

OP=OP+u7。

汽包水位在PVL至PVH范圍內(nèi)，實(shí)施“規(guī)則1”運(yùn)算控制，滿足鍋爐系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的工作過程。

當(dāng)汽包水位上升至[PVH，PVHH]區(qū)域或下降至[PVLL，PVL]區(qū)域后，由“規(guī)則2”“規(guī)則3”(模糊補(bǔ)償器)對(duì)給水量進(jìn)行修正。

當(dāng)汽包水位上升至[PVHH，PVmax]區(qū)域或下降至[PVmin，PVLL]區(qū)域后，由“規(guī)則4”“規(guī)則5”“規(guī)則6”“規(guī)則7”(模糊補(bǔ)償器)對(duì)給水量進(jìn)行二次修正，然后進(jìn)行模糊恢復(fù)修正水位的危險(xiǎn)變化。

實(shí)施鍋爐汽包水位自動(dòng)給水智能控制技術(shù)的構(gòu)成如圖4所示。

圖4 汽包水位智能控制構(gòu)成圖Fig.4 Constitution of drum water level intelligent control

實(shí)踐證明：Fuzzy-PID混合控制對(duì)CFB鍋爐汽包水位的給水調(diào)節(jié)，能夠滿足鍋爐運(yùn)行工藝參數(shù)，即汽包水位穩(wěn)定在±50 mm范圍內(nèi)。

4 汽包水位智能控制實(shí)例

該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在山西長(zhǎng)治霍家工業(yè)霍氏自備電廠1臺(tái)220 t/h CFB鍋爐上，采用差壓法進(jìn)行測(cè)量，鍋爐汽包水位基本穩(wěn)定在±10 mm以內(nèi)；該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在陜西北元集團(tuán)錦源化工熱電分廠2臺(tái)130 t/h CFB鍋爐上，采用電容式進(jìn)行測(cè)量，鍋爐汽包水位基本穩(wěn)定在±20 mm以內(nèi)?？梢钥闯觯簻p弱了燃燒系統(tǒng)和排放等環(huán)節(jié)的干擾因素。

圖5為山西霍家工業(yè)霍氏自備電廠220 t/h CFB鍋爐汽包水位智能控制運(yùn)行曲線,圖6為陜西北元錦源化工熱電分廠130 t/h CFB鍋爐汽包水位手動(dòng)與智能控制的運(yùn)行曲線的比較情況。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，證明CFB鍋爐汽包水位智能控制有如下優(yōu)勢(shì)：汽包水位穩(wěn)定，控制靈敏，安全可靠性高，有效避免了內(nèi)、外擾動(dòng)因素的干擾，滿足了控制要求。

5 結(jié)語(yǔ)

熱力鍋爐的水位控制過程具有非線性、不穩(wěn)定性、時(shí)滯等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的鍋爐水位控制系統(tǒng)均采用串級(jí)三沖量PID控制，其控制性能穩(wěn)定，但不能很好地解決“虛假液位”和外界較大干擾的問題。采用Fuzzy-PID混合控制有效避免了蒸汽負(fù)荷變化、燃燒工況變化和供水壓力變化對(duì)汽包水位的影響，實(shí)現(xiàn)了鍋爐的安全運(yùn)行。

圖6 130 t/h CFB鍋爐汽包水位手動(dòng)與智能控制的運(yùn)行曲線的比較Fig.6 Comparison of drum water level curves between manually controlled and intelligently controlled 130-t/h CFB boiler