李業(yè)功

摘 要 發(fā)電廠鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)作為鍋爐燃燒系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠的節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。針對(duì)鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PID控制方式時(shí)存在的非線性、滯后性等問(wèn)題，本文采用模糊自整定PID控制方法對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并通過(guò)MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證了送風(fēng)系統(tǒng)模糊自整定PID控制方法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 發(fā)電廠鍋爐；送風(fēng)系統(tǒng)；PID；模糊自整定PID

中圖分類(lèi)號(hào) TM6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）07-0045-03

目前，我國(guó)的發(fā)電還是以火電為主，火力發(fā)電量占據(jù)了全國(guó)總發(fā)電量的近七成，其每年消耗的煤炭量占據(jù)了全國(guó)的一半。然而，煤炭的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳及其他有害氣體，給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的污染。鍋爐作為火電廠最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，能使鍋爐燃燒系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，則可大大節(jié)省煤炭的用量，實(shí)現(xiàn)火電廠的節(jié)能減排。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主要包括3個(gè)子系統(tǒng)：送風(fēng)控制系統(tǒng)、因風(fēng)控制系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)。其中，控制鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)保證送風(fēng)量和噴入鍋爐中的燃料處于最佳風(fēng)煤比狀態(tài)，這樣既能使進(jìn)入爐膛煤粉得到充分的燃燒，減少有毒氣體的排放，也能最大程度地減少熱量損失，從而達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 發(fā)電廠鍋爐送風(fēng)控制系統(tǒng)

發(fā)電廠鍋爐送風(fēng)控制系統(tǒng)對(duì)保證鍋爐的燃燒的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性具有決定性作用。送風(fēng)控制系統(tǒng)使鍋爐的送風(fēng)量和燃煤量（風(fēng)煤比）相協(xié)調(diào)，從而使鍋爐的燃燒效率達(dá)到較高的水平，這是送風(fēng)控制子系統(tǒng)的主要任務(wù)。如果送風(fēng)控制系統(tǒng)送入鍋爐的空氣太少，導(dǎo)致鍋爐含氧量過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致燃料無(wú)法充分燃燒，不僅浪費(fèi)燃料，更會(huì)使燃燒產(chǎn)生的二氧化硫等有毒氣體含量增加污染空氣；如果送風(fēng)控制系統(tǒng)送入鍋爐的空氣太多，則會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)的溫度降低，同時(shí)增加煙氣的熱損失。

一般情況下，鍋爐的熱效率是無(wú)法直接測(cè)量得到的，因此我們經(jīng)常會(huì)采用一些間接的方法來(lái)得到它。常用的送風(fēng)控制系統(tǒng)的形式有燃料量—空氣系統(tǒng)、熱量—空氣系統(tǒng)、蒸汽量—空氣系統(tǒng)、給定負(fù)荷—空氣系統(tǒng)和含氧量—空氣控制系統(tǒng)。受到各種條件限制，到目前為止，熱效率還無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確檢測(cè)出來(lái)。只能通過(guò)間接測(cè)量來(lái)得到熱效率的數(shù)值，目前各大電廠一般會(huì)通過(guò)測(cè)量煙氣含氧量來(lái)測(cè)算鍋爐熱效率。鍋爐燃燒過(guò)程中，排出的煙氣中所含有的氧氣所占的比值是一個(gè)十分重要的數(shù)據(jù)量，如果煙氣含氧量過(guò)低，說(shuō)明燃料沒(méi)有得到充分的燃燒，這樣會(huì)大量的浪費(fèi)燃料而且也會(huì)加大有害氣體的排放；而煙氣含氧量過(guò)高，送風(fēng)量過(guò)大會(huì)使?fàn)t膛失去大量的熱量，也會(huì)使煙氣中的SO2和NOx等有毒氣體排放量增加。

把煙氣含氧量作為鍋爐燃燒的效率指標(biāo)是一種很好的控制方案，由于煙氣含氧量的測(cè)量有較大的滯后性，所以其一般要采用串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其副回路由送風(fēng)機(jī)和送風(fēng)量控制器構(gòu)成，反應(yīng)速度較快。系統(tǒng)中的含氧量控制器是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器，它主要起到校正的作用，其使得送風(fēng)量和燃料量始終保持一定的比例，從而使得煙氣含氧量維持在給定的最佳值。圖1中加入了燃料量B的前饋信號(hào)，可以大大改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)相比于單回路控制系統(tǒng)而言，其動(dòng)態(tài)特性有了很大的提升。將這兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，其中的一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出值作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值。由于增加了一個(gè)副調(diào)節(jié)器和副回路，副回路的擾動(dòng)可以得到的快速的克服，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到大大提升。通俗的來(lái)講，回路中的副調(diào)節(jié)器承擔(dān)了“粗調(diào)”的任務(wù)，主調(diào)節(jié)器承擔(dān)著“細(xì)調(diào)”的作用，所以系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到了進(jìn)一步提高。

鍋爐在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際的送風(fēng)量要比理論需要的空氣量要稍微的多一些，我們把這一值用過(guò)?？諝庀禂?shù)α表示，也就是空燃比。在鍋爐運(yùn)行中我們要設(shè)定合適過(guò)?？諝庀禂?shù)α，才有利于提高鍋爐的效率。過(guò)?？諝庀禂?shù)α可用煙氣含氧量來(lái)表示，計(jì)算公式如下式（1）所示：

上式（1）中，2O %表示煙氣含氧量，從式（1）可以看出過(guò)剩空氣系數(shù)與煙氣含氧量是反比的關(guān)系?？刂瓶諝膺^(guò)剩系數(shù)就可以達(dá)到控制煙氣含氧量系數(shù)的目的。

由圖1可知，煙氣含氧量—空氣串級(jí)控制系統(tǒng)的主變量是煙氣含氧量，送風(fēng)量作為副變量。主控制器的輸出值作為副控制器的給定值，副控制器通過(guò)控制送風(fēng)機(jī)的扇葉開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)其給定值。反饋回路中的煙氣含氧量由主回路檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)，送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由副回路檢測(cè)裝置來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

目前，這套串級(jí)控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成熟，且可靠性高。但其控制系統(tǒng)中一般都是采用PID控制器，當(dāng)系統(tǒng)中有較大擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力仍有待提高。本文引進(jìn)模糊PID來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的控制。

2 基于模糊PID的送風(fēng)系統(tǒng)控制方法

在MATLAB軟件中建立發(fā)電廠鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)模糊PID控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，用Constant模塊模擬Kpo，Kio，Kdo的初值，dKp，dKi，dKd的變化范圍需要在調(diào)試中確定，模糊控制器通過(guò)對(duì)輸入偏差e和偏差變化率ec的分析，得到dKp，dKi，dKd應(yīng)取的值，然后通過(guò)求和模塊把dKp，dKi，dKd不斷和Kpo，Kio，Kdo相加，得到隨著偏差和偏差變化率變化而變化的Kp，Ki，Kd，從而提高系統(tǒng)的控制效果。在控制過(guò)程中，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試，最終得到控制效果最佳時(shí)候的Kp，Ki，Kd的初值和dKp，dKi，dKd變化的論域。

利用MATLAB/Simulink搭建送風(fēng)控制系統(tǒng)仿真模型，其結(jié)構(gòu)為串級(jí)控制。仿真的框圖如圖3所示。

如圖3所示，信號(hào)源Step1，Step2，Step3都是階躍模塊，其作用分別是給系統(tǒng)施加給定值，內(nèi)擾動(dòng)，外擾動(dòng)。Subsystem1和Subsystem2是模糊自整定PID模塊，其中Subsystem1構(gòu)成系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器，Subsystem2構(gòu)成系統(tǒng)的副回路調(diào)節(jié)器，其共同實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的串級(jí)控制。風(fēng)機(jī)的傳遞函數(shù)用Transfer Fcn表示，其為一階慣性環(huán)節(jié)，與Subsystem2構(gòu)成副回路，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋，副回路可以快速的消除內(nèi)部的擾動(dòng)。主回路中的反饋是煙氣含氧量的值。為了方便起見(jiàn)，我們把反饋裝置的參數(shù)均設(shè)置為1。Transfer Fcn1是二階的慣性模塊，其和Transport Delay（延遲模塊）構(gòu)成了煙氣含氧量的傳遞函數(shù)。最后通過(guò)示波器Scope將系統(tǒng)的仿真結(jié)果顯示出來(lái)。

鍋爐風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)受到的擾動(dòng)來(lái)自?xún)煞矫?，一方面是?nèi)部擾動(dòng)，另一方面是外部擾動(dòng)，現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)分別進(jìn)行仿真。

2.1 加入內(nèi)擾情況下的動(dòng)態(tài)特性

將Step1和Step3的輸出置0，從0開(kāi)始，Step2加入一個(gè)10%的擾動(dòng)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)特性曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，加入20%的內(nèi)擾后，PID控制的超調(diào)量更大，其調(diào)節(jié)時(shí)間需要近600s，而模糊控制只需要400s便可恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)?？梢缘贸?，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)效果上，模糊控制要比普通PID有優(yōu)勢(shì)。

2.2 加入外擾情況時(shí)的動(dòng)態(tài)特性

由圖5可以看出，加入30%的外擾后，普通PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間為400s，而模糊自整定PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間為200s，約為前者的一半。

由上面仿真可知，當(dāng)火電廠鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)受到內(nèi)部擾動(dòng)或外部擾動(dòng)時(shí)，與PID控制方法相比，模糊自整定PID方法的擾動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間更短，性能更好。

3 結(jié)論

火電廠鍋爐送風(fēng)控制系統(tǒng)對(duì)保證鍋爐的高效率燃燒，降低煤炭燃燒量，減少發(fā)電廠有害氣體的排放，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠的節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。本文對(duì)鍋爐送風(fēng)控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證了，模糊自整定PID控制方法在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性要優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制方法。

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