燃煤锅炉模糊PID控制算法研究与应用.pdf

大庆石油学院 硕士学位论文 燃煤锅炉模糊PID控制算法研究与应用 姓名张志杰 申请学位级别硕士 专业控制工程 指导教师段玉波;李振海 20070515 摘要 锅炉的向动控制卡要包括汽包水位控制．燃烧控制．过热蒸汽温度控制和附属控制。 对象往往具有多变量、强耦合性、不确定性、非线性和大纯滞后等特点，并存在着苛刻 的约束条件。这种情况下，传统的P I D 控制已不能满足要求。必须采用先进控制算法。 模糊控制器是在综合专家经验知识的基础上设计的。在模糊控制系统中，当模糊化 方法和模糊决策方法选定时，选取适宜的模糊控制规则是该控制系统实现良好控制的核 心问题。实际中规则库是根据专家的经验或操作人员的经验总结得来的，然而对某些复 杂的工业过程，往往难以总结出较完善的经验，也就难有完善的控制规则。此时，模糊 控制规则或者缺乏，或者很粗糙，并且当被控对象的参数发生变化，或者存在随机干扰 的影响时，都会影响模糊控制效果。从某种意义上说，控制规则的优劣直接影响到模糊 系统的性能和品质。出此看来，要提高模糊控制器的性能和品质，对控制规则进行优化 就显得尤为重要了。 本论文所做的主要工作如下 1 ．简单叙述课题的研究背景、意义及模糊控制发展的情况。分析在模糊控制系统中 获取优化的控制规则的重要性，即控制规则对系统控制品质的影响。 2 ．分析了量化因子大小对模糊控制系统性能的影响，通过调整量化因子来优化模 糊控制规则，进而改善控制系统性能，使模糊控制系统在较优的状态下工作。在带调整 因子的模糊控制算法基础上设计了带有动态环节和可变论域思想的模糊控制器。并在 M a t l a b 上进行了仿真。 3 ．电站直热锅炉燃烧系统要求三管流量均匀控制。在分析偏流成因的基础上，提 出了以三管出口温差为输入，调节阀丌度为控制量带有动态环节和可变论域思想的模糊 控制方案。解决了燃烧过程中的加热管结焦问题。加热管使用寿命提高三倍以上。实际 运行表明该方案是合理和有效的。 关键词；模糊控制；P I D ；量化因子；燃煤锅炉 I I A b s t r a c t 1 1 l ec h a r a c t e ro fm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni sh a v i n gm a n yo p e r a t i o n a lv a r i a b l e s ． c o u p l i n g ，u n c e r t a i n t y , n o n l i n e a r , b i gd e l a ya n dS Oo n ．T r a d i t i o n a lP I Dc o n t r o lh a sC a nn o t m e e tt h ed e m a n d ．S o ，w em u s ta d o p ta d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m s ． I nf u z z yc o n t r o ls y s t e m s ，i ff u z z ym e a n sa n df u z z yd e c i s i o nm e a n sh a v eb e e nc h o s e n ， t h ec o r eq u e s t i o no fc o n t r o ll i e si nf u z z yc o n t r o lr u l e s ．I nf a c t ，t h ef u yc o n t r o lr u l e sa r e b a s e do nt h ee x p e r i e n c ea n di n f o r m a t i o no fo p e r a t o r sa n de x p e r t s ．H o w e v e r , i ti sd i f f i c u l t yt o o b t a i np e r f e c tf u z z yc o n t r o lr u l e si ns o m ec o m p l i c a t e di n d u s t r i e sp r o c e s s ，S Ot h a tf u z z y c o n t r o lr u l e sa r ea b s e n c eo rr o u g h n e s s ，a n dt h ec o n t r o le f f e c t sw i l lb ei n f e c t e d ，i ft h e p a r a m e t e r so fc o n t r o lo b j e c t sa r ec h a n g e d ．F r o ms o m em e a n s ，f u z z yc o n t r o lr u l e sa r eg o o do r n o tw i l ld i r e c t l ya f f e c tc a p a b i l i t ya n dc h a r a c t e ro ft h ec o n t r o ls y s t e m s ．S ot oo p t i m i z et h e f u z z yr u l e so fc o n t r o ls y s t e m si sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h es y s t e mc a p a b i l i t ya n d c h a r a c t e r F u z z yc o n t r o la l g o r i t h mw i t ha d j u s t a b l eg e n e ，d y n a m i cm a t r i xc o n t r o la l g o r i t h ma n d f u z z yP I Dc o n t r o la l g o r i t h mw e r eu s e di nt h i sp a p e r ．T h e r e i n t o ，i nf u z z yc o n t r o la l g o r i t h m w i t ha d j u s t a b l eg e n e ，a d o p tt h ei d e ao fd y n a m i cc o n t r o la n db r i n gf o r w a r dt h ei d e ao f c h a n g i n gd o m a i n ．I nd y n a m i cm a t r i xc o n t r o la l g o r i t h m ．an e wm e t h o do fe r r o r ．c o r r e c t i o nw a s b r o u g h tl b r w a r d ．I nf u z z yP I Dc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ei d e ao ff u z z yr u l es w i t c hi nr e f e r e n c e w a su s e d ． T h el e a d i n gc o n t e n ta tt h i sp a p e ra r eo u t l i n e da sf o l l o w s 1 ．T oi n t r o d u c et h eb a c k g r o u n d ，m e a n i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to ff u z z yc o n t r o l ，t h e s i g n i f i c a n c eo f o p t i m i z i n gf u z z yc o n t r o lr u l e si nf u z z yc o n t r o ls y s t e m ． 2 ．T oa n a l y z et h ee f f e c tt of u z z yc o n t r o ls y s t e m sp e r f o r m a n c ew h i c hi ss t e m m e df r o mt h e q u a n t i f i c a t i o nf a c t o r , t oo p t i m i z et h ef u z z yc o n t r o lr u l e sb ya d j u s t i n gt h eq u a n t i f i c a t i o nf a c t o r , S Op e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e m sw i l lb ei m p r o v e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h eq u a n t i f i c a t i o n f a c t o r ．B a s e dO nt h ef u z z ya l g o r i t h mw i t ha d j u s t m e n tf a c t o rw ed e s i g na nn e wf u z z y c o n t r o l l e rw i t hd y n a m i cs t a t ea n dv a i l a b l ed o m a i n ．n es o f t w a r eM A r L A Bi Su s e dt o s i m u l a t et h ea l g o r i t h m ． 3 ．O nt h eb a s i so fb i a s - f l o wa n a l y s i sa n di t sc o l 2 J t l _ t e l l l l e a s u r e s ，ac o n t r o ls c h e m ei sg i v e n f o rt h et h r e ef u z z yc o n t r o l l e rt ob eb u i l tb yt h r e ep i p e sa b s o l u t et e m p e r a t u r e - d i f f e r e n c ea st h e i n p u t ，t h eo p e n n e s st h ev a l v ea st h ec o n t r o l l e do b j e c t ．A f t e rr e a l i z i n gt h i sc o n t r o ls c h e m e ． t h ep r o b l e mo fb i a s - f l o wh a sb er e s o l v e dp e r f e c a y ．N o wc o k e d p i p e sa l eb u r n e do n c eay e a r , I l l b u t1 9 ．0c o k i n gO c c u r s ．W eu ∞t h i sc o n t r o ls c h e m ef r o mb e g i n n i n gt on o wf o r s i xy e a r s ．T h e r e i sn on e e dt oc h a n g et h eh e a t i n g - p i p e sa ta 1 1 ．Af l e wd e s i g nm e t h o do ff u z z yc o n t r o l l e rw i t h d y n a m i cs t a t ea n dv a r i a b l ed o m a i np r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a I lr e s o l v et h eb i a s f l o wp r o b l e m i no t h e rf l u i dd i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ． K e y w o r d s f u z z yc o n t r o l ；P I D ；q u a n t i f i c a t i o nf a c t o r ；c o a l b u r n i n gb o i l e r I V 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果．据我所知， 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果．对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明井表示谢意． 作者签名立；眨日期 学位论文使用授权声明 词 S p 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定．学校有权保留学位论文并向国家 主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并 允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版．保密的学位论文在解密后适用本规定． 学位论文作者签名硪现 魄砷．A ／J 。 导师始段吞1 日期 2 卯7 、／- - ≥D | 1 锅炉燃烧自动控制的意义 引言 工业锅炉是我国目前应用面宽，数量多的耗用一次能源的重要设备m 。每年消耗原 煤二亿七千万吨。锅炉运行的好坏，对于节约能源，保护环境等有着重大的社会经济效 益。我国中小型工业锅炉广泛使用链条炉排，锅炉实际运行效率远低于设计效率。这与 工业锅炉上没有建立一套合理的实际可行的燃烧控制系统有很大关系。由于燃煤工业锅 炉 特别是链条炉 有不同于燃气，燃油锅炉的特点，因此，在当前国外对燃气、燃油 锅炉有较好的控制方法时，燃煤工业锅炉还存在着许多问题要解决，这要求人们认真地 研究和探索““”。现代控制技术的发展，微型计算机的普及，为更好地控制工业锅炉打 下了良好的基础。 2 锅炉燃烧自动控制的任务 锅炉的自动控制主要包括汽包水位控制，燃烧控制，过热蒸汽温度控制和附属控制 如除氧器的蒸汽压力和水位控制等 “⋯。要节约能源，保护环境，燃烧控制最为重 要。燃烧自动控制的任务是使燃烧燃料产生的热量适应用汽设备的用汽需要；使燃料 量与送风量随时保持适当的配比，以保证烟气中含氧的最佳值，即最佳过乘空气系数， 达到经济燃烧应使引风量随时与送风量保持平衡，为此炉膛负压不变。 根据锅炉燃烧过程的特点，燃烧自动控制是这样来实现的，即通过调节给煤、送 风和引风来保证蒸汽压力、烟气含量和炉膛负压为一定值“Ⅲ1 。因此，一般设计的工业 锅炉燃烧自动控制系统包括三个子系统 1 热负荷调节子系统调节给煤量保证蒸汽压力为一恒值。 2 燃烧经济性子系统改善炉膛燃烧工况，提高热效率。 3 炉膛微负压子系统维护炉膛负压为额定值。 燃烧控制系统所受到的主要扰动有蒸汽负荷，送风，给煤扰动；煤种和煤质发生 交化而引起扰动。评价一个燃烧控制系统性能优劣有一个重要标准是当被控量由于扰 动偏离给定值时，能否很快地恢复到给定值。 3 先进控制及其发展现状 先进控制是对那些不同于常规单回路P I D 控制，并具有比常规P I D 控制更好控制 引言 效果的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法，但至今对先进控制还没有严格 的、统一的定义4 ⋯。先进控制的任务是解决用传统的控制方法无法解决的问题，它的 基础是获取对象的动态数学模型，它的优势是利用大量的实测信息，采用合理的控制目 标和控制机构，更好地适应工业生产的需要“““。通过实施先进控制，可以大大提高工 业生产过程操作和控制的稳定性，改善工业生产过程动态性能，减少关键变量的操作波 动幅度，使其更接近于优化目标值，从而将工业生产过程推向更接近装置约束边界条件 下运行，最终达到增强工业生产过程的稳定性和安全性，保证产品质量的均匀性，提高 目标产品的收率，提高生产装置的处理能力，降低生产过程运行成本以及减少环境污染 等目的。 先进控制的主要特点 1 与传统的P I D 控制不同，先进控制是一种基于模型的控制策略，如模型预测 控制，或者是基于知识的控制，如专家控制、神经网络控制和模糊控制等智能控制技术 n 5 ] 【t 6 ] a 2 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题，如大时滞、多变量耦合、 被控变量与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态 协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。 3 先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持。由于先进控制受控制算法的 复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常是在计算机控制系统 的上位机上实施的。随着D C S 功能的不断增强，更多的先进控制策略可以与基本控制 策略一起在D C S 上实现。后一种方式可有效地增强先进控制的可靠性、可操作性和可 维护性。 先进控制的发展现状 在过程控制界，从2 0 世纪4 0 年代开始直至今同，采用P I D 控制规律的单输入单输 出反馈控制回路已成为过程控制的核心系统i l “”J 。其理论基础是经典控制理论，主要采 用频域分析方法进行控制系统的分析设计和综合。从上世纪5 0 年代开始，逐渐发展了 串级、比值、前馈、均匀和S m i t h 预估控制等复杂控制系统，这在很大程度上满足了单 变量控制系统的一些特殊的控制要求。而对于具有强耦合性、不确定性、非线性、信息 不完全性和大纯滞后的被控过程仍无法奏效。到了2 0 世纪5 0 年代术，以状态空间方法 为主体的现代控制理论为过程控制带来了状态反馈、解耦控制、自适应控制等一系列 多变量控制系统设计方法。特别是自适应控制，目f i i f 比较成熟的自适应控制分三类 1 自整定调节器及其它的简单自适应控制器 2 模型参考自适应控制 3 自校证调节与 控制。随着计算机技术的发展，1 9 8 0 年前后，J ．R i c h a l c t 和C ．R ．C u t l e r 分别提出了模型 预测启发式控制 M P H C 和动态矩阵控制 D M C ，与此同时出现了许多约束模型预 测控制的软件包。通过模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和 2 大庆石油学院硕l 研究生学位论文 鲁棒性研究等一系列工作。基于模型控制的理论体系已经基本形成，成为目前现代控制 应用最成功、也最具有前途的先进控制策略。人工智能技术自2 0 世纪6 0 年代产生发展 至今。也有了长足的进步。专家系统、神经网络、模糊系统对控制而言是最有潜力的三 种工具。专家控制将人工智能中的专家系统技术与传统的控制方法相结合，并吸取了两 者的长处，虽然它在理论上没有新的发展和突破，但是，它作为智能控制的一种形式， 在实际上自．省i 醍J “阔的应片J f ；i 『景。神经网络住很多方面试图模拟人脑的功能，它不依赖 于精确的数学模型，而显示出具有自适应和自学习的功能，目前利用神经网络组成自适 应控制以及在机器人中的应用研究方面均取得了很多成果，显示出了广泛的应用前景。 模糊控制在一定程度上模仿了人的模糊决策和推理的功能，它不需要有准确的控制对象 模型，也将是先进控制的重要内容，并且已经有很多实际应用成功的例子。 为了更好地理解和认识先进控制在整个控制领域中的地位，可以引用著名过程控制 专家D ．E ．S e b o r g 给出的有关过程控制策略的分类【9 】 第一类传统控制策略。包括手动控制、P I D 控制、比值控制、串级控制、前馈 控制； 第二类先进控制一一经典技术。包括增益调整、对滞补偿、解耦控制、选择性 超驰控制器；，。 第三类先进控制一一流行技术。包括模型预测控制、内模控制、自适应控制、 统计质量控制； 第四类先进控制～～潜在技术。包括最优控制、非线性控制、专家控制、神经 控制、模糊控制 第五类先进控制一一研究中的策略。包括鲁棒控制、H 。和“控制。 4 控制技术在锅炉燃烧控制中的应用及前景 现代工业生产的特点是大型、连续、前后紧密联系，多工艺参数及操作变量互相耦 合，具有各种约束条件，非线性，不确定性，大时滞，工况变化等等1 1 8 】1 1 9 】。企业的生 产过程必须具备很强的应变能力，做到安全生产，提高产品质量、生产效率，降低原料 及能源消耗。要做到这些仅靠传统控制技术是难以达到的，必须采用先进控制技术才能 实现。并且，在新世纪初，我国提出了“信息化带动工业化”的国策【”。用高新技术改 造传统产业是“信息化带动工业化”这一国策的具体体现，在这一过程中自动化是核心， 自动化水平的高低直接决定了工业化的水平和质量。这些都推动了先进控制在生产中的 应用，也体现了生产中采用先进控制的必然性。 从3 0 年代起，锅炉控制中就采用P I 控制器[ 2 0 1 。目前，国内的锅炉燃烧控制仍然大 多采用常规P I 控制器，或者为了改善控制效果，加一些前馈控制。控制理论的发展， 计算机的普及为锅炉燃烧控制开辟了新的途径。国内外报道在1 0 t ／h 煤粉锅炉上应用 自校正技术【l9 】和在S J e 2 0 型链条炉上使用F u z z y 控制【l 】已取得了节约燃料的良好效 果。E H M a m d a n i 首先应用F u z z y 控制方法来控制用于试验的锅炉和汽轮机；在燃涵锅 引言 炉上应用最优控制，自适应控制等现代控制技术的例子也有多次报道【7 】I 埔1 1 2 0 1 1 2 2 ] [ 2 3 1 。人 工智能技术已在过程领域中得到广泛应用。专家法P I D 自整定调节器E X A C T 就是其中 的一例[ 2 3 J 。在工业锅炉上应用E X A C T 取得了很好的效果。例如，美国德克萨斯州的某 化工厂工业锅炉及所有蒸汽回路都采用了E X A C T ，蒸汽消费量减少了1 5 ％。综上所述， 在锅炉燃烧控制系统中采用先进的控制理论和计算机，对节约能源，保护环境有重大意 义，具有广阔的前景。 5 主要研究内容 本文分析了量化因子大小对模糊控制系统性能的影响，通过调整量化因子来优化模 糊控制规则，进而改善控制系统性能，使模糊控制系统在较优的状态下工作。在带调整 因子的模糊控制算法基础上设计了带有动态环节和可变论域思想的模糊控制器。并在 M a t l a b 上进行仿真。 电站直热锅炉燃烧系统要求三管流量均匀控制。在分析偏流成因的基础上，本文提 出了以三管出口温差为输入，调节阀丌度为控制量带有动态环节和可变论域思想的模糊 控制方案。这将解决燃烧过程中的加热管结焦问题，使加热管使用寿命提高。 4 第1 章燃煤锅炉工艺与控制原理 1 ．1 锅炉设备工艺简述 锅炉是北方城市冬季取暖的主要装置，依其蒸发量大小可分为小型锅炉、中型锅炉、 大型锅炉三类依燃料的不同，又可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉等。目前我国 的锅炉大部分以燃煤为主，其结构主要有以下儿部分组成 1 ．汽包由上下汽包和三簇沸水管组成。水在管内受外烟气加热，因而管簇内发生 自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上汽包里面。下汽包起着连接沸 水管的作用，同时储水和水垢。 2 ．炉膛是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料 煤 有煤斗落在转动的链条炉 排上，进入炉内燃烧。所需的空气由鼓风机送入，燃尽的灰渣被炉排带到除狄口，落入 灰斗中。得到的高温烟气依次经各个受热面，将热量传递给水后，由烟囱排到大气中。。 3 ．过热器是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。 4 省煤器是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。 5 ．空气预热器是利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料所需空气的换热器。通 常，大、中型锅炉中均设有空气预热器。 链条锅炉的结构原理图如图1 ．1 所示。 l { 弋乜2 - 链条妒捧3 越热嚣‘- 省爆嚣5 - 空气预热臀6 - 辱I R 机 ．蕺风缸 图卜I 锅炉结构简图 5 第1 章燃煤锅炉．T - 艺与控制原理 为保证正常工作，锅炉还必须有一些辅助设备，包括以下几个部分 1 ．引风设备包括引风机、烟囱、烟道口几部分，用它将锅炉中的烟气连续排出。 2 ．送风设备由鼓风机和风道组成，由它来供应燃料燃烧所需的空气。 3 ．给水设备由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路与省煤器的阻力和 汽包的压力，把给水送入汽包。 4 冰处理设备其作用为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上 结水垢或腐蚀，从而提高锅炉的经济性和安全性。 5 ．燃料供给设备由运煤设备、原煤仓、和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料 的供应。 6 ，除灰除尘设备除灰设备是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。除尘设备是除 去烟气中的灰粒，以减少对周围环境污染的设备。 1 ．2 锅炉的工作过程 锅炉的工作过程概括起来包括三个同时进行着的过程燃料的燃烧过程，烟气向水 的传热过程和水的汽化过程。现简要叙述锅炉的三个过程。 1 ．燃煤锅炉的燃烧过程燃料煤加到漏斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条 带动炉排转动，将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃料所需的空气由 鼓风机送入炉排中『日J 的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量呈比例 风 煤比 ，以便进行充分燃烧，形成高温蒸汽。燃料煤燃烧剩下的狄渣，在炉排末端通过 除渣板后进入狄斗。这一整个过程称为燃烧过程。 2 ．烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度升高。在炉壁四周墙面 上都布置着一排水管，称为水冷壁。毫温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热， 将热量传递给管内的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气出烟窗 炉膛出口 并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器 蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管受 热面，使汽包中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热 。烟气流经过热器后又经过 接在上下汽包问的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将热量f 々递给管爪 内的水。沿途降低温度的烟气最后迸入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的水进行热 交换后，以较低的烟温排出锅炉，提高锅炉效率，从而节省燃料。 3 ．水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过处 理的水经水泵加压，先流经省煤器得到预热，然后进入汽包。 锅炉工作时，汽包中的工作介质是处于饱和状态下的汽水化合物。位于烟温较低区 段的对流管束，因受热较弱，汽水的容重较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管柬， 因受热强烈，相应水的容重较小，因而容重大的往下流入下汽包，而容重小的向上流入 上汽包，形成水的自然循环。 蒸汽产生的过程是借助上汽包内装设的汽水分离设备，以及在汽包本身空间中的重 力分离作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上汽包顶部引出后进入蒸汽过热器，而分 6 离下来的水仍回到上汽包下半部分的水中。 1 ．3 锅炉设备的控制任务 锅炉设备的控制任务是根据热负荷的需要，供应一定温度的蒸汽，同时使锅炉在经 济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备有以下主要控制任务 1 蒸汽量和压力要适应需要或保持在给定范围； 2 过热蒸汽温度要保持在一定范围内； 3 汽包水位要保持在一定范围内 4 燃烧的经济性，且要保证安全运行； 5 炉膛负压要保证在一定范围内。 同时，可以看出锅炉是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃 烧量、送风和引风等。主要输出变量为汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、 过剩空气 烟气含氧量 等。 从以上叙述可看出，这些输入变量和输出变量之间是相互关联的。所以，锅炉设备 是一个多输入、多输出而且是相互关联的控制对象，当前在实际工程处理上作了～些简 化，将锅炉设备的控制分为几个控制系统。其主要控制系统如下 1 ．锅炉汽包水位的控制系统 锅炉汽包水位控制的被控变量是汽包水位，其操纵变量是给水流量。其控制的基本 规律是根据汽包内按锅炉负荷的蒸发量，按物料平衡关系保证给水流量，以维持汽包内 水位在一定允许范围内。这是保证锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉J 下常运行的重 要指标。 2 ．锅炉燃烧过程的控制系统 锅炉燃烧过程有三个被控变量蒸汽压力、烟气成分和炉膛负压。其中蒸汽压力或 者负荷、烟气成分主要是反映燃烧经济性。其操作变量也有三个燃料量、送风量和引 风量。而这三个操纵变量和三个被控变量互相关联，必须统一考虑，从而组成合适的燃 烧系统控制方案，以使燃料燃烧所产生的热量能满足蒸汽负荷的需要；同时，保证燃烧 的经济性和锅炉的安全运行并使炉膛负压能保持在一定范围内。 3 过热蒸汽温度控制系统 以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量组成的温度控制系统，以使过热器 出口温度保持在允许范围内；并且保证管壁温度不超出工艺允许的温度。 1 ．4 锅炉汽包水位的控制 汽包水位是锅炉运行的重要指标，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首 要条件，水位过高、过低，都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利影响。首先，水 7 第1 章燃煤锅炉工艺与控制原理 位过高。会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸气将会带水过多，导致过热器管壁结垢并 损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。如以此过热蒸汽带动汽轮机，则将因蒸汽带液损坏 汽轮机的叶片，造成运行的安全事故。然而，水位过低，则因汽包内的水量较少，而负 荷很大，加快水的汽化速度，使汽包内的水量变化速度很快，若不及时加以控制，将有 可能使汽包内的水全部汽化；尤其是大型锅炉，水在汽包内的停留时『自J 极短，从而导致 水冷壁烧坏，甚至引起爆炸，所以，必须对汽包水位进行严格控制。 1 汽包水位的动态特性 决定汽包水位的除了汽包中储水量的多少外，也与水位下汽包容积有关。而水位下 汽包容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。在影响汽包水位的诸多因素中， 以锅炉的蒸发量 蒸汽流量D 和给水流量w 为主。下面侧重讨论给水流量与蒸汽流量作 用下水位变化的动态特性。 ①汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即控制通道特性。由于给水温度要比汽 包内饱和水温度低，所以给水流量增加后，需从原有饱和水中吸收部分热量，使水位下 汽包容积减少。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位将因汽包中储水量的增 加而上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了因储水量的增加 而直线上升。在给水量作阶跃变化后，汽包水位不马上增加，而呈现一段起始惯性阶段。 ②汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道动念特性。当蒸汽流量突然 增加时，在燃料量不足的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量大予给水量。但 实际情况并非如此由于蒸汽用量突然增加，瞬问必导致汽包压力下降。汽包内水沸嘴突 然加剧，产生I - J 蒸，水中气泡迅速增加，因气泡容积增加。当蒸汽量加大时，虽然锅炉 的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不但不下降反而迅速上升。然后再下降反之， 蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升。这种现象称之为“虚假水位”。虚假 水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于一般1 0 0 2 3 0 T ／H 的中高压锅 炉，如负荷阶跃变化1 0 ％时，“虚假水位”现象可使水位变化达3 0 - 4 0 m m 。 2 单冲量控制系统 汽包水位的控制手段是控制给水量，这样构成的水位自动控制系叫做单冲量水位控 制系统。它是汽包水位控制中最简单、最基本的一种形式。 这里指的单冲量就是汽包水位。这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。在汽 包内水的停留时间较长，若汽包容量大、负荷又比较稳定的情况下“假水位”现象不严 重时，这样的控制系统再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作。这种控制系统 的特点是结构简单。 但是对于汽包内水的停留时间较短、而且负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系 统就不适用。其主要原因有①这种控制方案只根据水位控制给水量，在负荷变化时， 由于“假水位”现象，在控制过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩 大了进出流量的不平衡，调节器反向错误动作，负荷增大时反而关小给水调节阀，当到 激烈的汽化过后，将使水位严重下降，波动非常大，所以动态品质差。②负荷变化时， 控制动作缓慢。即使“假水位”不严重，从负荷变化到水位变化要有一个过程，再由水 8 人庆石油学院碗。{ 研究生学位论文 位变化到调节阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数 t t d , ，偏差必然很大。③ 当给水系统出现扰动时，因给水量改变后要经过一定延迟时间T 才影响到水位，所以控 制作用缓慢，因此，必将导致水位波动幅度大，控制时间长，同样不够及时。 为了解决这些问题，可以不仅依据水位，同时也考虑蒸汽负荷和给水量的交化，对 给水阀进行控制，就能收到好的效果，所以就构成了双冲量或三冲量控制系统。 3 双冲量控制系统 引入了蒸汽量进行校正，所以当蒸汽负荷扰动时，根据蒸汽负荷变化就可以控制给 水量，这不仅解决了“假水位”所引起的误动作，而且会使调节阀及时动作。 双冲量控制系统是由前馈 蒸汽流量 和单回路反馈控制系统组合的复合控制系统。 这里的前馈控制一般仅为静态前馈，如需考虑两个通道在动态上的差异，须引入动态补 充环节。 但是，双冲量控制系统存在一些问题其一是调节阀的工作特性不一定完全是线性， 这样要做到静态补偿就比较困难；其二是对给水系统的扰动不能直接补偿。为此引入给 水流量信号，构成三冲量调节系统。 4 三冲量控制系统 近代锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般说，锅炉容量愈大，汽包的容水量就 愈小，允许波动的蓄水量就更小。如果给水中断，可能在l O 一3 0 s 内就会发生危险水位； 如果仅是给水量与蒸发量不相适应，在几分钟内也将发生缺水或满水事故。因而对水位 控制的要求就更高了。 固1 - 2 三冲量汽包控制系统 攥■ 同时，锅炉在运行时 特别是当几台锅炉并列运行 ，几台锅炉的水位控制过程中， 可能发生当其中某一台锅炉的给水量发生变化时，就引起给水母管压力的波动则使其 它锅炉的给水量受到扰动，这就是锅炉的自发性变化。在双冲量水位控制中，不能及时 反映出来，一直要等到影响到锅炉水位时才发现。所以。在双冲量基础上引入给水量信 号，形成三冲量水位控制系统。 9 第1 章燃煤锅炉工艺与控制原理 1 ．5 锅炉燃烧过程控制 燃烧过程的控制基本要求有三个 ①保证出口蒸汽压力稳定； ②燃烧良好，供气适宜，既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量 而增加热量损失； ③保证锅炉安全运行。保持炉膛～定负压，以免负压太少，甚至为丁F ，造成炉膛内 热烟气往外冒出，影响设备和工作人员安全；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内， 从而使热量损失增加。 1 蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统 蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。当蒸汽负荷及燃料量波动 较小时，可以采用蒸汽压力来控制燃料量的单回路控制系统；而当燃料量波动较大时， 可组成蒸汽压力对燃料量的串级控制系统。 燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，因此作为主流量，与空气流量组成比值控制系统， 使燃料与空气保持一定比例，获得良好燃烧。有时为了使燃料完全燃烧，在提负荷时要 求先提空气量，后提燃料量；在降负荷时，要求先降燃料量，后降空气量，其具有逻辑 提降量的比值控制系统。