先進控制理論在火電廠鍋爐主蒸汽溫度控制中的應(yīng)用

國電漢川發(fā)電有限公司 梅 洋

近幾年，我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展越來越快，在許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，推動了社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展。在火電廠熱工方面通過引入自動控制理論、合理應(yīng)用智能化控制技術(shù)，使工作效率得到有效提升，促進火電廠的健康發(fā)展。目前，為了滿足社會需求，火電廠生產(chǎn)作業(yè)類型越來越多，需要不斷改進自動化技術(shù)并加強創(chuàng)新，使熱工自動化水平日益提升，為火電廠的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

在火力發(fā)電過程中，鍋爐的運行狀況直接影響生產(chǎn)的進行和生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量以及成本。電廠鍋爐的輸入、輸出都是多個變量，各種相關(guān)參數(shù)也是相互聯(lián)系和耦合的，所以，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制方法難以做到比較準(zhǔn)確地展示被控對象的動態(tài)以及靜態(tài)的特性。在火電廠鍋爐溫度控制系統(tǒng)中引入自動控制理論，合理應(yīng)用智能化控制技術(shù)，能使工作效率得到有效提升。

1 火電廠自動控制理論、基本應(yīng)用及熱工自動化內(nèi)容

目前，自動化控制技術(shù)研究主要有經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論以及智能控制理論三大階段，之間有著相互配合的共存關(guān)系。經(jīng)典控制理論是最早的自動化控制理論，涉及非線性系統(tǒng)分析法、串級控制法、PID 控制法、根軌跡法、頻率法等；現(xiàn)代控制理論是經(jīng)典控制理論的延續(xù)，主要涉及線性系統(tǒng)控制理論、非線性控制理論、自適應(yīng)控制理論、動態(tài)識別系統(tǒng)、預(yù)測控制理論以及最優(yōu)化估計理論等。這種理論主要是采用時域法、線性代數(shù)等方法，建立數(shù)學(xué)模型來對系統(tǒng)的運作規(guī)律進行模仿，并對系統(tǒng)內(nèi)的各項數(shù)據(jù)信息進行整合，不斷完善系統(tǒng)設(shè)計來完成；智能控制理論是目前自動控制理論中最新的內(nèi)容，主要涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制以及專家系統(tǒng)等[1]。

在火電廠的作業(yè)生產(chǎn)中通過合理應(yīng)用自動控制理論和相關(guān)技術(shù)，可大大提高工作效率和質(zhì)量。在自動化作業(yè)中，使用儀表可直接測量火電廠運營過程中的熱工參數(shù)。同時一旦出現(xiàn)問題能快速發(fā)現(xiàn)，從而可針對問題采取有效的措施來解決，進一步確?；痣姀S運行的安全性與穩(wěn)定性。另外，火電廠熱工自動化系統(tǒng)在控制設(shè)備時通常都是按照一定的流程來操作，也可叫作順序控制，可對機組的開啟、運行、關(guān)閉、處理事故等進行把控。

同時，控制裝置的判斷能力非常好，具有良好的保護作用。當(dāng)某項操作流程結(jié)束后系統(tǒng)會自動確定并開始進行下一流程內(nèi)容，若上項操作流程沒有順利完成就開展下一流程，系統(tǒng)會自動中斷并報警處理。相關(guān)人員在應(yīng)用自動控制系統(tǒng)時，一定要及時關(guān)注系統(tǒng)發(fā)出的指示與警告，并制定合理的調(diào)整制度，優(yōu)化相關(guān)流程，減少設(shè)備發(fā)生故障的幾率，這樣可提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，確保工作人員的安全。

2 火電廠熱工自動化控制系統(tǒng)作用分析

2.1 拓展系統(tǒng)控制能力

對于火電廠熱工自動化控制系統(tǒng)而言，主要是應(yīng)用計算機方面的原理，并運用相關(guān)的輔助技術(shù)手段來全程監(jiān)控儀器設(shè)備，還要結(jié)合實際應(yīng)用情況不斷改進和完善管理信息系統(tǒng)，幫助工作人員有效開展對火電廠熱工自動化控制。目前，火電廠在開展熱工自動化控制工作中經(jīng)常會使用DCS 這種比較先進的控制系統(tǒng)。相關(guān)人員還要將自動化技術(shù)和自動控制理論有效結(jié)合在一起，對硬件設(shè)施和模擬信號進行整合，通過這種方式來對熱工儀表的輸入信號進行線性化處理。

在處理儀表的非線性特性矯正處理時，要引入相關(guān)的理論知識，確保取得良好的校正效果。若是使用智能熱工儀表，要充分利用自動控制理論和計算機技術(shù)來對數(shù)字進行線性化處理。同時要及時轉(zhuǎn)換輸入的信號，這樣可得到相關(guān)的數(shù)字量，然后通過準(zhǔn)確計算確保智能熱工儀表輸入信號實現(xiàn)線性化，使得智能儀表的非線性特性校正滿足生產(chǎn)要求[2]。

2.2 加快生產(chǎn)速度，提升整體質(zhì)量

目前，我國火電廠在自動化控制系統(tǒng)方面已掌握了非常多種類的高級算法模塊，并有良好的實用性。以國電智深EDPF-NT+系統(tǒng)為例，一旦設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)故障，相關(guān)的設(shè)計模塊可第一時間發(fā)現(xiàn)，并具有自我維修和報警功能，可幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。另外，該系統(tǒng)和計算機連接后可快速完成數(shù)據(jù)資料的傳輸和共享，可讓工作人員及時掌握運行情況，可使生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到有效提高[3]。

3 火電廠鍋爐主蒸汽溫度控制常用的控制方法

3.1 鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的特點和發(fā)展歷史

大量的實踐表明，采用傳統(tǒng)的控制方法控制鍋爐的燃燒，會出現(xiàn)幾方面問題：

系統(tǒng)時滯效應(yīng)。控制滯后的來源包括檢測滯后、傳輸滯后、響應(yīng)滯后，同時這種滯后效應(yīng)會隨著負(fù)荷的變化而變化。所以傳統(tǒng)單一的控制系統(tǒng)很難達到適時控制的效果，需要新的能適時監(jiān)控的控制方法[4]。

不同控制量之間存在嚴(yán)重耦合。還有一次風(fēng)量、送風(fēng)量的變化，這些變化相互影響，有時相互增強變化效果、有時相互減弱這種變化效果。因此給水流量、風(fēng)量等必須適時調(diào)整以適應(yīng)新的變化要求。同時耦合的效果是不確定的，傳統(tǒng)單一的控制效果要想對這種多輸入、多輸出的耦合現(xiàn)象進行有效控制，也是很難做到的。

鍋爐燃燒過程不確定因素。燃燒過程中煤的熱值變化、不同工況的改變等諸多不確定的因素，給控制系統(tǒng)模型的搭建增大了難度。鍋爐燃燒系統(tǒng)并非是線性系統(tǒng)，同時它有比較大的延遲、嚴(yán)重的耦合特點以及時變的特性，也增加了風(fēng)煤的供給難度。當(dāng)燃煤的揮發(fā)分降低，含碳量增加或煤粉變粗時，由于煤粉在爐膛中所需時間增長，火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，則將使汽溫升高。

3.2 經(jīng)典控制理論及現(xiàn)代控制理論

經(jīng)典控制理論主要作用于輸入、輸出為單個量的線性定常系統(tǒng)。但由于現(xiàn)實控制領(lǐng)域中單輸入、單輸出的模型比較少，所以這種理論的實際應(yīng)用場合比較受限。

現(xiàn)代控制理論要使控制效果較好須有較精確的數(shù)學(xué)模型。如果控制對象的數(shù)學(xué)模型能較精確地獲得，經(jīng)典控制理論結(jié)合現(xiàn)代控制理論能有效地對系統(tǒng)進行有效控制，并能取得比較優(yōu)良的控制效果。但如果控制對象的數(shù)學(xué)模型不夠精確或根本不能得到，則很難達到有效的控制效果。若是使用智能熱工儀表，要充分利用自動控制理論和計算機技術(shù)來進行處理。同時要及時轉(zhuǎn)換輸入的信號，這樣可得到相關(guān)的數(shù)字量，確保智能熱工儀表輸入信號，使得智能儀表校正滿足生產(chǎn)要求。

3.3 模糊控制

模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表達、模糊邏輯，以及模糊推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)，它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。作為智能控制的一種，模糊控制是一種較先進的非線性控制，既有系統(tǒng)化的理論又有大量的實際應(yīng)用背景。與普通的控制相比具有構(gòu)造容易、魯棒性好等顯著的優(yōu)勢。

僅依靠模糊規(guī)則來實現(xiàn)汽溫系統(tǒng)的控制是很難實現(xiàn)的，加之模糊控制有著穩(wěn)定性不高、精度不高的固有缺點，這就導(dǎo)致模糊控制難以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。混合型模糊PID 系統(tǒng)將串級控制與模糊控制的優(yōu)點有機地組合起來，較好的解決了蒸汽系統(tǒng)中系統(tǒng)小的超調(diào)量與系統(tǒng)快速性間的矛盾[5]。

3.4 模糊PID 控制

模糊PID 控制，是在傳統(tǒng)PID 控制的基礎(chǔ)上采用模糊規(guī)則對PID 控制的各項參數(shù)進行自整定。它結(jié)合了傳統(tǒng)PID 可靠性高、性能穩(wěn)定、解構(gòu)簡單的優(yōu)點，同時又有較好的動態(tài)特性以及消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制區(qū)別于傳統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)，其包含模糊PID 控制器的設(shè)計以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對參數(shù)的修正0控制器的核心是模糊控制，從模糊控制得到輸入輸出的樣本輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，從而得到一定范圍內(nèi)的控制變量0模糊PID 控制利用模糊理論得到最終控制的可調(diào)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)的輸出與期望值比較出現(xiàn)偏差時，把偏差量模糊化，利用模糊規(guī)則選擇合適的輸出，然后再經(jīng)過解模糊化，最終得到期望的輸出值，實現(xiàn)無偏差輸入。

利用PID 溫度控制系統(tǒng)是先借助于熱傳感器，測量鍋爐爐膛的溫度，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)電路輸送給DCS 控制系統(tǒng)輸入端，控制器根據(jù)接收到的信號對溫度實行監(jiān)測，如果溫度過高，系統(tǒng)就會顯示高溫預(yù)警。

PID 控制的模糊分解：該控制方法采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，將PID 控制分解為其他控制方式與模糊控制相并聯(lián)，從而使得兩種控制器的優(yōu)點相互補，達到比較良好的控制效果[6]。分解主要有5種類型：模糊控制與積分控制并聯(lián)、模糊控制與含有模糊積分增益的積分控制并聯(lián)、模糊PI、模糊控制與前饋控制的并聯(lián)、模糊PI 控制與模糊PD 控制并聯(lián)。

3.5 自適應(yīng)模糊控制

自適應(yīng)模糊控制是指模糊控制系統(tǒng)在控制過程中能自動改善模糊規(guī)則，使其具有自我學(xué)習(xí)和適應(yīng)的能力，它又稱為自組織模糊控制。自適應(yīng)模糊控制器與一般模糊控制器相比較，多了模糊性能的測量、模糊控制量的校正及模糊規(guī)則修正三個環(huán)節(jié)，可通過確定精確修正量、轉(zhuǎn)化為模糊修正量，最后經(jīng)過模糊規(guī)則的修正環(huán)節(jié)實現(xiàn)對控制規(guī)則的改善。

3.6 專家系統(tǒng)

常規(guī)控制器的缺陷是結(jié)構(gòu)過于單一，不足以應(yīng)付復(fù)雜的控制過程，優(yōu)點是在一般數(shù)學(xué)方法不能分析時提供基于一定規(guī)則的控制方法。而專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計算機技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題。

所以，將專家系統(tǒng)技術(shù)引入到控制中，能彌補或減少常規(guī)控制器的一些控制缺陷。因為專家系統(tǒng)技術(shù)重視分類和分層次，同時也重視知識的推理。與專家系統(tǒng)利用和表達知識的優(yōu)點相結(jié)合，增強控制效果。

為確?；痣姀S熱工自動化系統(tǒng)的順利運行，管理人員一定要加強監(jiān)管力度，全面落實各項監(jiān)測工作，特別是在主蒸汽溫度方面要做好管控，避免出現(xiàn)故障問題。在此過程中，工作人員要積極學(xué)習(xí)并合理應(yīng)用自動控制方面的理論知識。通過應(yīng)用能夠使噴水減溫器的自動化水平得到大幅度提高，進一步滿足主蒸汽溫度的控制要求。另外，工作人員要結(jié)合相關(guān)的理論知識，合理設(shè)置煙氣擋板和相應(yīng)檢測設(shè)備的參數(shù)，使主蒸汽溫度控制方式具有一定的針對性，提高運行的安全性和可靠性，從而推動我國火電廠熱工自動化的健康發(fā)展。

4 結(jié)語

對于火電廠來說，為了降低設(shè)備的故障發(fā)生率，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，在生產(chǎn)經(jīng)營中應(yīng)不斷進行改進和創(chuàng)新。目前，傳統(tǒng)控制理論和先進控制理論在熱工自動化生產(chǎn)中均具有重要作用。在對鍋爐主蒸汽溫度控制進行研究時一定要綜合考量到超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)誤差小等各方面的訴求，選取適合自己模型的控制方法，才能達到更好的控制效果。