浅谈锅炉汽包水位优化运行控制

浅谈锅炉汽包水位优化运行控制

赵慧

佛山市顺德五沙热电有限公司528300

摘要：传统的PID控制方法不能完全有效解决汽包水位问题，因为它具有多变性、非线性以及强耦合等特点。因此研究了模糊神经-PID这种控制策略，将模糊神经网络的PID控制器作为给水控制系统的锅炉汽包水位调节器，可实时整定PID控制器参数，以适应控制系统的响应快速性、调节平稳性、及抗干扰能力的要求。仿真结果表明：工业锅炉汽包水位控制系统中可以采用模糊神经-PID控制策略进行优化。

关键词：锅炉汽包水位；模糊神经；PID；仿真

前言

锅炉汽包水位是现代发电厂锅炉安全运行的一个非常重要的监控参数，保持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。水位过高、过低都会引起水汽品质的恶化甚至造成事故，不仅影响机组的经济性，更对机组安全运行构成极大威胁。

高压锅炉汽包长期在高水位下运行，已成为高参数汽包锅炉普遍存在的问题。研究汽包内部实际水位与水位计显示水位差值的成因，并设法修正和消除这个差值，对于合理控制汽包水位，保证机组安全经济运行有着重要的现实意义。

1、汽包水位经典控制策略

汽包水位控制的目的是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假液位”的影响和各种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。在工业汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。

1.1单冲量控制系统

单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成。这是一种典型的单回路定值控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。然而，在其它的场合，尤其是在水停留时间较短，且负荷变化较大的锅炉中，由于控制作用缓慢不能及时克服干扰，采用单冲量控制系统就不太合适。

1.2双冲量控制系统

双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈-反馈”控制系统。引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且能使给水调节阀的动作及时，从而提高控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还需要引入动态补偿环节。在给水压力比较平稳时，采用双冲量控制就能达到控制要求。

1.3三冲量控制系统

三冲量锅炉汽包给水自动控制系统，是以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。当负荷(蒸汽流量)突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向误动作。当水压变化使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及时知道控制信息，所以使用三冲量控制系统，能使调节器动作加快，还可以避免调节过量，减少水位波动，防止失控。系统方框图如图1所示。

从系统方框图可以看出，三冲量水位控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内，但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。三冲量控制系统相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求。

2、汽包水位测量技术现状

2.1测量装置

目前，火电厂锅炉汽包水位的测量方式主要有3种:电接点水位计、差压式水位计、就地式云母水位计或双色水位计。电站锅炉一般装有几种水位计，采用不同的测量方法予以监视。在所有水位计中，云母水位计是用连通管原理，直接测定汽包水位。云母水位计就地安装在汽包上，指示直观、可靠，但监视不便；差压式水位计的指示值受汽包压力变化的影响较大，特别是在锅炉启停过程中。近年来，电接点水位计得到广泛的应用，它的指示值受汽包压力变化的影响较小，并能准确的远传压力信号，缺点是指示不连续。

2.2存在的问题

以胜利电厂1号、2号炉的DG-670/13.7-8A型号汽包锅炉为例，其汽包水位布置如下图。

DG-670/13.7-8A型锅炉汽包内径为1600mm，汽包中心线下150mm为正常“0”水位，锅炉为单段蒸发。汽包电接点水位计量程为300mm，水位计“0”位与汽包“0”位同标高，水位计汽水侧引出管位置如图3所示。

图3锅筒内部设备布置图(单位:mm)

锅炉汽包水位控制以电接点“0”位为基准。水位高低设3值:±50mm为高低Ⅰ值，由动圈表发送指示;±150mm为高低Ⅱ值，由记录表发送指示；±250mm为高低Ⅲ值，由电接点水位计发送指示。水位为高或低Ⅰ、Ⅱ值为报警值，Ⅲ值为停炉值。当水位在高Ⅰ、高Ⅱ、高Ⅲ值或低Ⅰ、低Ⅱ、低Ⅲ值时均向信号系统发出报警信号。1号、2号炉投产几年中，以电接点水位计“0”位为平衡值进行调整，汽包水位一直偏高，主再热蒸汽含盐量偏高超标，大修中发现汽轮机叶片积盐达0.3mm，积盐量达400g/m2，过热器内壁沉积物达75g/m2，汽包水位在两端非蒸发段高出汽包“0”水位线150～180mm。这结果虽有水质本身的原因，但主要是水位计未能正确显示造成的。

3、锅炉汽包水位控制系统的优化

传统PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及被控对象的变化，其控制效果很不理想．虽然模糊控制具有较强的自适应性，一旦模糊规则确定，在系统的运行期间很难在做调整，其模糊PID在锅炉汽包水位控制系统中的应用也有不足。而神经网络具有很强的自学习性、抗干扰性及鲁棒性，通过样本不断的训练，增强了系统的稳定性。

根据上面所分析的各种控制器的优缺点，作者结合所学知识，把模糊控制的自适应性和神经网络的自学习性等优点相融合，设计出了一种把模糊神经网络和传统PID控制理论结合在一起的新型的控制策略，即模糊神经-PID控制策略．该策略可以就PID参数实时调整，给水流量和蒸汽流量以任何信号方式扰动，控制系统都具有良好的稳定性，甚至在被控对象结构发生改变的时候，相比较于传统PID控制，其控制性能仍算优越的，更好的实现控制系统对抗干扰、稳定和响应速度的要求，提高控制品质。正如图4、5表现的那样，用误差和误差改变率E、EC用作该控制器的输入，KP、KI、KD这3个参数用作控制器的输出。

图4中第一层为输入层，该层的每个神经元代表一个输入变量，它起着将输入变量的值通过激活函数传递到下一隐含层神经元的功能，该层神经元的数量为N1=n．

图4模糊神经－PID网络控制器

第二层神经元的作用是将第一层传递了的信息进行模糊化，该层的每个神经元象征一个语言变量，例如NS，PB等。该层的主要任务是算出输入变量属于各个语言变量的隶属度μii，式中:i=1，2，…，n，j=1，2，…，mi，，n是输入量的个数，mi是xi的模糊分个数即控制规则数。

（1）

式中:cij和σij分别为高斯隶属度函数的中心和宽度。

第三层神经元象征模糊推理，其每个神经元节点表示一条模糊控制规则，个数与模糊规则数相等，其功能是用来表征每条模糊规则的前件，计算出每条模糊控制规则的适用程，这里用乘积代替取小运算。

第四层的作用是在推理过程中，将有量纲的表达式，经过变化转化为无量纲结果，该层神经元的数量与第三层等同。

（2）

第五层为去模糊化层，该层的作用是将模糊量转化为精确量，即：

（3）

式中：ωij为第四层与第五层之间的联接权值。

图5所示，本文的控制系统中，PID参数自整定是利用模糊神经网络的系学习能力找出PID控制器的KP，KI，KD与误差E和误差变化率Ec之间的模糊关系，并不断检测E和Ec，根据模糊推理对KP，KI，KD进行在线调整，以满足不同时刻E和Ec对控制参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。

图5模糊神经-PID控制示意图

4、结语

在锅炉汽包水位控制系统中，采用本文提出的模糊神经-PID控制策略，实现了PID参数的在线整定，提高了控制系统的控制品质。仿真结果表明：针对于锅炉这种具有时变性、大滞后、强耦合等特点的复杂控制对象，本文提出的模糊神经-PID控制策略在锅炉汽包水位控制系统中的应用是可行的、合理的。

参考文献：

[1]核电站蒸汽发生器水位模糊控制系统的设计与仿真[J].冯玉昌,史冬琳,张秀宇.化工自动化及仪表.2015(10).

[2]基于变论域模糊PID的锅炉汽包水位控制系统仿真研究[J].付立华,周洪.河南工程学院学报(自然科学版).2015(03).

[3]基于MATLAB和OPC实现分数阶PID在锅炉汽包液位控制中的应用[J].郝军,强军梅.安徽化工.2015(04).

[4]火电厂锅炉汽包水位测量浅析[J].刘文俊.内蒙古石油化工.2015(15).

[5]差压法测量锅炉汽包水位的分析与应用[J].吴斌.石油化工自动化.2015(02).

[6]基于粒子群优化的锅炉汽包水位模糊PID控制[J].曹平,张永林.工业加热.2014(06).