楊賀強(qiáng)

（上海新華控制技術(shù)集團(tuán)科技有限公司，上海 200241）

電力作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心，在促進(jìn)人類社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步方面發(fā)揮著十分巨大的作用，火力發(fā)電是一種通過燃燒煤炭等可燃物，對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱，產(chǎn)生大量高溫高壓的水蒸氣，推動(dòng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的發(fā)電方式，占據(jù)了整個(gè)社會(huì)發(fā)電量的60%以上。給水控制系統(tǒng)主要是通過對(duì)中間點(diǎn)溫度的控制實(shí)現(xiàn)在發(fā)電過程中鍋爐燃水比的恒定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐蒸汽溫度和壓力的控制，滿足不同工況下的給水量的需求，作為火力發(fā)電機(jī)組的核心，給水系統(tǒng)直接關(guān)系到火力發(fā)電的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，隨著大容量機(jī)組的不斷投入應(yīng)用，發(fā)電過程中鍋爐的熱負(fù)荷越來越多，現(xiàn)有給水控制系統(tǒng)的控制精度、反應(yīng)速度等均無法滿足火力發(fā)電安全控制的需求，因此，本文提出了一種新的基于模糊控制的火力發(fā)電廠給水控制系統(tǒng)，采用自適應(yīng)模糊控制的方案，不僅能夠滿足對(duì)給水控制過程的連續(xù)跟蹤控制需求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)在控制過程中針對(duì)不同的工況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，有效地提升了給水控制的精確性和及時(shí)性，對(duì)提升火力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有十分重要的意義。

1 基于模糊控制的給水控制系統(tǒng)

火力發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷一般是大于30%的額定負(fù)荷，在此情況下，主要處在直流運(yùn)行階段，此時(shí)，給水控制系統(tǒng)主要通過控制鍋爐過熱器出口溫度來滿足對(duì)過熱蒸汽溫度的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行燃水比的精確控制，由于鍋爐內(nèi)的水在沸騰的過程中產(chǎn)生的過熱蒸汽具有極大的不穩(wěn)定性，因此，對(duì)給水控制系統(tǒng)的控制擾動(dòng)巨大，導(dǎo)致出現(xiàn)控制延遲和控制精度不足的現(xiàn)象，因此，在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了PID 模糊控制。同時(shí)，為了提升對(duì)給水控制的精確性，提出了采用基于中間點(diǎn)汽溫控制的串級(jí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的主控制回路為中間點(diǎn)溫度控制，同時(shí)，增加了給水流量輔助控制回路，滿足以溫度變化調(diào)整給水量的控制需求，該基于模糊控制的給水控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于模糊控制的給水控制系統(tǒng)示意圖

由圖1 可知，在該控制系統(tǒng)中設(shè)置了2 個(gè)PID 模糊控制器，系統(tǒng)以分離器出口處的溫度為控制變量，模糊控制器1根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度控制給定值調(diào)整鍋爐內(nèi)的水量和高溫蒸汽的壓力，同時(shí)，設(shè)置在分離器出口處的溫度傳感器對(duì)分離器出口處的實(shí)際溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給入口處的信號(hào)處理器，經(jīng)過模糊控制器1 的分析處理，輸出調(diào)節(jié)控制信號(hào)，同時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)置有模糊控制器2，該控制器用于對(duì)給水流量進(jìn)行分析調(diào)節(jié)，和模糊控制器一起實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐工作過程中分離器出口溫度的精確控制。該模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于采用了雙通道、雙重閉環(huán)調(diào)節(jié)控制模式，以出口處蒸汽溫度為主閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，以給水流量調(diào)整為輔助閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)給水控制系統(tǒng)的快速、精確控制。

2 自適應(yīng)模糊控制原理

為了提升該模糊控制系統(tǒng)的控制精確性，滿足不同工況下的快速調(diào)整控制需求，在控制邏輯中加入了自適應(yīng)控制算法，形成了自適應(yīng)模糊調(diào)節(jié)控制，在控制過程中，以系統(tǒng)設(shè)定值r 作為控制變量，以系統(tǒng)設(shè)定值r 和實(shí)際被控量y 之間的偏差e 作為實(shí)際的調(diào)節(jié)控制量，由于在實(shí)際工作過程中系統(tǒng)的被控量及調(diào)節(jié)量均存在一定的偏差，因此，為了確保調(diào)節(jié)控制的精確性，需要根據(jù)系統(tǒng)控制邏輯和影響調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性的因素對(duì)偏差量e 進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)修正，自適應(yīng)算法實(shí)際上就是根據(jù)在實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)被控量和設(shè)定值之間變化情況的收集，設(shè)定一個(gè)邏輯控制變量，在應(yīng)用過程中自動(dòng)對(duì)偏差進(jìn)行修正，最終輸出實(shí)際的控制量u，能夠最大程度地確保對(duì)給水系統(tǒng)溫度和給水量調(diào)節(jié)的精確性，提升發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，該自適應(yīng)模糊控制原理如圖2 所示。

圖2 自適應(yīng)模糊控制原理示意圖

3 給水控制系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為了對(duì)該模糊控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文以某火電廠超臨界機(jī)組的給水控制系統(tǒng)為改造對(duì)象，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，加入模糊控制邏輯，提升對(duì)擾動(dòng)情況下的實(shí)際應(yīng)用效果，在擾動(dòng)下，機(jī)組的中間點(diǎn)溫度標(biāo)幺值變化情況如圖3 所示。

圖3 不同控制模式下機(jī)組中間點(diǎn)溫度標(biāo)幺值變化情況

由圖3 可知，在不同的控制系統(tǒng)下，當(dāng)有擾動(dòng)信號(hào)時(shí)新的模糊控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)作用下的機(jī)組中間點(diǎn)溫度標(biāo)幺值均出現(xiàn)了波動(dòng)。當(dāng)在傳統(tǒng)控制模式下，機(jī)組的中間點(diǎn)溫度標(biāo)幺值最大約為1.3°，當(dāng)采用新的模糊控制系統(tǒng)時(shí)，最大約為1.1°，比優(yōu)化前降低了15.4%。在傳統(tǒng)控制模式下出現(xiàn)擾動(dòng)后，機(jī)組恢復(fù)到正常狀態(tài)所需的時(shí)間為1000s，而當(dāng)采用新的模糊控制系統(tǒng)后，機(jī)組恢復(fù)時(shí)間約為100s，比優(yōu)化縮短了90%，顯著的增加了火電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和溫度調(diào)節(jié)的靈敏性，對(duì)提升火電機(jī)組給水控制的精確性具有十分重要的意義。

為了對(duì)該模糊控制系統(tǒng)在干擾情況下的控制穩(wěn)定性進(jìn)行分析，設(shè)置在系統(tǒng)運(yùn)行到500s 時(shí)加入一個(gè)擾動(dòng)信息，則在不同控制方案下，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變化如表1 所示。

表1 干擾情況下不同控制方式調(diào)節(jié)特性表

由表1 可知，當(dāng)在系統(tǒng)中加入一個(gè)干擾信號(hào)以后，由于在系統(tǒng)中有一個(gè)相對(duì)較大的控制延遲，因此，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整個(gè)的調(diào)節(jié)周期的信號(hào)超調(diào)值的變大，采用模糊控制方案下系統(tǒng)的超調(diào)值比傳統(tǒng)控制方案降低了33.1%，衰減率比傳統(tǒng)控制方案增加了1.1%，上升時(shí)間比優(yōu)化前降低了25.9%，調(diào)節(jié)時(shí)間比優(yōu)化前降低了9.8%，由此可知當(dāng)采用模糊控制方案的情況下，系統(tǒng)消除干擾的時(shí)間和信號(hào)超調(diào)值均要優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方案。根據(jù)實(shí)際分析可知，采用模糊控制方案的情況下，給水控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和抗干擾能力均顯著的優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方案，滿足大容量機(jī)組的精細(xì)化調(diào)節(jié)控制需求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有的給水控制系統(tǒng)無法滿足大容量機(jī)組對(duì)給水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和控制精度需求的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的基于模糊控制的火力發(fā)電廠給水控制系統(tǒng)，采用自適應(yīng)模糊控制的方案，不僅能夠滿足對(duì)給水控制過程的連續(xù)跟蹤控制需求而且能夠?qū)崿F(xiàn)在控制過程中針對(duì)不同的工況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）基于模糊控制的給水控制系統(tǒng)采用了雙通道、雙重閉環(huán)調(diào)節(jié)控制模式，以出口處蒸汽溫度為主閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，以給水流量調(diào)整為輔助閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)給水控制系統(tǒng)的快速、精確控制。

（2）采用新的基于模糊控制的方案，機(jī)組受擾動(dòng)時(shí)機(jī)組的中間點(diǎn)溫度標(biāo)幺值的最大值比優(yōu)化前降低了15.4%，穩(wěn)定時(shí)間比優(yōu)化前縮短90%，顯著地增加了火電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和溫度調(diào)節(jié)的靈敏性。

（3）采用模糊控制方案下系統(tǒng)的超調(diào)值比傳統(tǒng)控制方案降低了33.1%，衰減率比傳統(tǒng)控制方案增加了1.1%，上升時(shí)間比優(yōu)化前降低了25.9%，調(diào)節(jié)時(shí)間比優(yōu)化前降低了9.8%，系統(tǒng)消除干擾的時(shí)間和信號(hào)超調(diào)值均要優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方案。