锅炉蒸汽温度自动控制系统——模糊控制

锅炉蒸汽温度自动控制系统

摘要：

电厂实现热力过程自动化，能使机组安全、可靠、经济地运行。锅炉是火力发电厂最重要的生产设备，过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度控制是锅炉控制系统中的重要环节。在实现过程控制中，由于电站锅炉系统的被控对象具有大延迟，大滞后、非线性、时变、多变量耦合的复杂特性，无法建立准确的数学模型，对这类系统采用常规PID控制难以获得令人满意的控制效果。在这种情况下，先进的现代控制理论和控制方法已经越来越多地应用在锅炉汽温控制系统。

本文以电厂锅炉汽温系统为研究对象，对其进行了计算机控制系统的改造。考虑到锅炉汽温系统的被控对象特点，本文分别采用了常规PID控制器和模糊-PID控制器，对两种控制系统对比研究，同时进一步分析了一般模糊-PID控制器的控制特点，在此基础之上给出了一种改进算法，通过在线调整参数，实现模糊-自调整比例常数PID控制。在此算法中，比例常数随着偏差大小而变化，有效地解决了在小偏差范围内，一般的模糊-PID控制器无法实现的静态无偏差的问题，提高了蒸汽温度控制系统的控制精度。

关键词:锅炉蒸汽温度模糊控制

随着我国经济的高速发展，对重要能源“电”的要求快速增长，大容量发电机组的投入运行以及超高压远距离和赢流输电的混和电网的建设，以三峡电网为中心的全国性电力系统的形成，电力系统的不断扩大，对其自动控制技术水平的要求也越来越高。同时，地方性的自备热电厂亦有长足发展，随着新建及改造工程的进行，其生产过程自动控制与时俱进，小容量机组“麻雀虽小，五脏俱全”，自备热电厂其自身特点：自供电、与主电网的关系疏及相互影响小，供热及采暖季节性等，可以提供更多的应用、尝试新技术、新产品的机会和可能性。这样做的重要目标是提高和保证电力，热力及牛产过程的安全可靠、经济高效。为了适应发展并实现上述目标，必须采取最新的技术和控制手段对电力系统的各种运铲状态和设备进行有效的自动控制。

火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点能源工业之一。其单元发电机组由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，大型机组多至上千个参数需要监视、操作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，单元机组自动化水平受到特别的重视。

锅炉蒸汽温度自动控制系统的分析：

过热蒸汽温度自动控制是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。目前，汽包锅炉的过热器侧调温都是以喷水减温方式为主的。它的原理是将洁净的给水直接喷进蒸汽，水吸收蒸汽的汽化潜热，从而改变过热蒸汽温度。汽温的变化通过减温器喷水量的调节加以控制。

影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、

锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟汽温度和流速变化、锅炉受热面结垢等。但归纳起来，主要有三个方面：

蒸汽流量(负荷)扰动下过热汽温对象的动态特性：

当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使过热器出口汽温的阶跃响应当锅炉的负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷变化的方向是相反的。负荷增加时，通过对流式过热器的烟汽温度和流速都增加，从而使对流式过热器的出口汽温升高。但是，由于负荷增加时，炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需要的吸热量，因而当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温是下降的。现代大型锅炉的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器的受热面积，因此总的汽温将随负荷增加而升高。

烟气热量扰动下过热汽温的动态特性：

烟气热量Qy阶跃变化时过热汽温的反应曲线，其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。烟气热量扰动(烟气温度和流速产生变化)时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟

负荷扰动下的动态特性

T和迟延t均比其他扰气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，其时间常数

c

动小。现场当中是通过改变烟气温度(例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入的个数)或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的。

减温水量扰动下的过热汽温动态特性：

当减温水流量扰动时，改变了高一温过热器的入口汽温，从而影响了过热器出口汽温，其阶跃响应曲线如图2．3所示。从图中可看出，其特点也是有迟延、有惯性、有自平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管路很长，因而当减温水流量扰动时，汽温反应较慢。对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽

T≈100s，而当烟气侧扰动时τ≈10～20s，温的迟延时间τ≈30～60s，时间常数

c

T<100s。

c

烟气热量扰动下的动态特性

可见，当负荷扰动或烟气热量扰动时，汽温的反应较快；而减温水量扰动时，汽温的反应较慢。因而从过热汽温控制对象动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数(改变烟温或烟汽流量)的控制手段是比理想的(因为负荷信号由用户决定，不能作为控制量)，但具体实现较困难，所以一般很少被采用。喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的特性不太理想，但还是目前广泛被采用的过热蒸汽温度控制方法。采用喷水减温时，由于对象控制通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。针对过热汽温控制对象控制通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的控制通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象控制通道的动态特性，提高控制系统的质量。

控制系统的分析：

加入导前汽温的微分信号可以改善控制对象的动态特性对于如图所示的控制系统，当去掉导前汽温的微分信号时，系统就成为单回路控制系统，参考如图双回路系统的等效方框图，控制对象[W 0(S)=W 01(S)W 02(S)]的迟延、惯性较大。当

系统加入导前汽温微分信号后，调节器将同时接受两个输入信号，系统也成了双回路结构。但对这个双回路系统作适当的等效变换后，发现仍可把它当作一个单回路系统来处理，如图所示。只是由于微分信号的引入改变了控制对象的动态特性。这个新的控制对象的输入仍然是减温水流量信号WB ，但输出信号为

*22111

t d d θθγθθθγ=+?，等效控制对象的传递函数可以根据方框图求得。 在静态时，微分器输出为零，所以等效控制对象的输出θ*

1=θ1等效控制对象的

输出中除了主汽温信号θ1外，还叠加了导前汽温θ2的微分信号。由于θ2的惯性

延迟比θ1小得多，因而等效对象的输出θ*1的惯性延迟比θ1小；

采用导前汽温微分信号的双回路过热汽温控制系统原理框图

双回路系统的等效方框图

在静态时，微分器输出为零，所以等效控制对象的输出θ*

1=θ1；在动态过

程中，等效控制对象的输出中除了主汽温信号θ1外，还叠加了导前汽温θ2的微

分信号。由于θ2的惯性延迟比θ1小得多，因而等效对象的输出θ*1的惯性延迟比

θ1小得多。因此，加入导前汽温的微分信号的作用可以理解为改变了控制对象

的动态特性，等效控制对象在减温水流量扰动下的特性，可见等效控制对象的输出θ*

1比主汽温θ1的响应有很大的改善。所以，在控制对象惯性迟延较大的情况

下导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统的控制品质远比单回路控制系统好。

采用导前汽温微分信号的控制系统是串级控制系统的变形前面已经分析说明过，对于惯性迟延大的控制对象，采用串级控制系统能获得较好的控制品质。导前汽温微分信号的双回路系统虽然在形式上不同于串级系统，但把它当作一种变形的串级控制系统来研究也是可行的。只要把采用导前汽温微分信号的控制系统等效变的串级控制系统，其中微分器传递函数的倒数()()*111

T D D d W s T K T w s δ相

当于串级控制系统中主调节器的传递函数，而调节器与微分器的传递函数，而调节器与微分器的传递函数乘积则[W T (S)W d (S)]相当于串级控制系统中副调节器的

传递函数。

在采用导前汽温微分信号的双回路系统中，微分器和调节器的传递函数一般分别为

()1D D d D K T s w s T s

=+ ()111T i w s T s δ??=+ ???

(a)等效主调节器

()()*111

111D T d D D D D T s w s W s K T s K T s ??+===+ ??? **11111i T s δ??=+ ???

由此可见，等效主调节器具有比例积分调节器的特性，它的参数为

等效比例带：*1D K δ=

等效积分时间：*1i D T T =

(b)等效副调节()()()1211*1i D D T T d i D T s K T s W s W s W s T s T s

δ+==+ ()111i i D D D D D i D T T T s K T T T T T s

δ??++-????=+??????

11111111D i D D D D D T T K K T T T s S T δδ????--????????=+=++????+????????

在实际应用，通常D T 比i T 大得多，因此

()*2**2211111D T i i K W s T s T s δδ????≈+=+ ? ?????

所以，等效副调节器也近似为具有比例积分调节器的特性，它的参数为 等效比例带：

*2/D K δδ=

等效积分时间: *2i i T T =

当把采用导前微分信号的双回路控制系统等效为串级控制系统来分析时，可 以清楚地看出微分器参数D K 、D T 和调节器参数δ、i T 对控制系统性能的影响：

(1)微分器参数D K 、D T 相当于串级系统中主调节器的比例带和积分时问。按串级控制系统的分析方法，当副回路为快速随动系统时，增大D K 将使主回路(主汽温)的稳定性提高，但使主汽温的动态偏差增大。增大D T 也会提高主回路的稳定性，但影响不太显著。D T 增大后，主汽温控制过程的时间拉长。

(2)等效副调节器的比例带是/D K δ，积分时间是i T ，i T 主要影响副回路的控 制过程时间，而/D K δ。则影响副回路的稳定性和动态偏差。

但是，D K 既是副回路的调节器参数，又是主回路的调节器参数。当D K 增大时，虽然提高了主回路的稳定性，却使副回路的稳定性下降。所以，当需要增大

D K 时，为了保持副回路的稳定性，应相应增大δ，使/D K δ的比值保持不变。 锅炉蒸汽温度自动控制系统的设计：

运行状况：

某电厂锅炉设备基本现状：该厂共有三台蒸汽锅炉，负责厂内的蒸汽供给任务。由于设备投产较早，受当时的技术条件限制，三台蒸汽锅炉普遍存在着控制效果差、锅炉热效率低、能耗大、环境污染比较严重等诸多问题。通过详细调查，我们发现该车间锅炉控制系统的严重落后是导致以上述诸多问题的直接原因。 存在问题：

我们发现该厂锅炉控制系统存在以下四方面主要问题：

(1)完全手动控制方式，汽包锅炉蒸汽温度、汽包锅炉水位、给煤控制、鼓 风控制、引风控制、二次风控制和炉排控制均由现场操作工人凭借经验进行调节。 在这样的控制方式下，工人的劳动强度大并且增加了系统的不可靠性；

(2)检测手段落后，炉膛负压等许多检测装置失灵，不能使用，减温水控制 阀经常失灵；

(3)控制效果差，急需改造，汽包锅炉蒸汽温度、汽包锅炉水位、汽包压力 等重要指标经常在大范围波动；

(4)经济效益差，工厂为防止冒黑烟，锅炉长期工作在大鼓风大引风状态下， 热量损失严重，锅炉效率低。

现场控制系统的软硬件环境：

根据锅炉厂的具体情况，现场采用PLC ／上位机控制系统，硬件选用了

SIMATIC s7系列产品s7—300 7LC(CPU314)，SIEMENS STEP 一7梯形逻辑语言编程， 软件则采用同来自SIMATIC 的WinCC 。

在进行硬件设计中我们遵循了以下基本原则：

(1)最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前深入现场进行调查研究， 收集资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订控制方 案，协同解决设计中出现的各种问题。

(2)在保证控制系统安全、可靠的前提下，力求使控制系统简单、经济、使 用及维修方便，满足控制要求。

(3)考虑到生产的发展，工艺的改进及系统的扩充，在选择可编程控制器的 CPU 模板及I ／0模板时，应适当留有余量。

蒸汽温度的导前微分控制及调节器参数整定：

根据锅炉厂具体情况，采用导前气温微分信号控制的双回路过热气温控制 系统。

蒸汽温度的导前微分控制系统结构：

蒸汽温度的导前微分控制系统结构

按补偿法进行调节器参数整定：

设定调节器、微分器传递函数为：()111s 1T i

W Ts δ??=+ ???

；()1s D D d s D K T w s T =+ 其他：()12==0.1/V θθγγ℃；1Z K K μ== 通过上节实测方法求得：()()0228

s 125W s =+;()()029

s 120W s =+

按分析按补偿法(等效对象法)进行调节器参数整定算法。

(1)微分器参数确定：已知控制对象惰性区的传递函数，则：

1111.125;3;25k n T s ===

由于惰性区的传递函数阶数132n =≥则微分器参数：

111

212231.125 1.7131D n K K n θθγγ?==?≈++;11131255012D n T T s ++==?= 当()*d W s 此组参数时，可使补偿对象的近似传递函数为：

()()

()()*0002222899s s =8125s 125K W W K s ≈=?++ （2)将被控对象以及微分器部分化作等效对象后，如图所示的系统可简化为图4·4系统，变成单回路进行整定。单回路整定计算应用广义频率特性法，由此可写出系统的特征方程式为：()12

11s 0.910125T T s s δ++=+ 令115T s =，使系统降为二阶；当0.75?=时，对应的阻尼比0.126ξ=由此可求

000.1717δ==，因此，调节器的整定参数为115T s =，0017δ=。

蒸汽温度的导前微分控制系统的简化结构

蒸汽温度自动控制的应用：

系统控制流程：

根据原理图来绘制SAMA 系统逻辑图及控制流程图如下：

系统逻辑图及控制流程图

控制系统的应用：

采用本文研究的控制算法和设计的导前微分控制器，应用于某厂锅炉蒸汽温度控制系统改造。现场采用PLC／上位机控制系统。上位机采用WINCC6．0版，实现实时传送现场数据，在线监视调节，累积量记录、查询，历史数据记录、查询等功能。下位机选用SIEMENS S7—300 PLC(CPU314)，sTEP一7梯形逻辑编程语言，可在线编程调试，大大增强了控制效率。现场采集的模拟量信号转换成4-20mA 电信号，送到PLC；PLC与上位机之间通过MPI协议，采用RS232实现串行通信。

(1)采用导前微分控制器，实现了锅炉汽温系统的手动控制方式到自动控制，并且达到了较好的控制效果；

(2)设计锅炉汽温自动控制系统，首先是掌握被控对象的特性；其次是根据被控对象的特性和运行要求提出符合实际情况的控制指标；最后根据所提的控制指标设计出满足要求的控制器。在设计中感到确定传递函数不易，受现场实验条件的限制和被控对象运行工况的约束，试验法定传递函数有很大的偏差，这一点通过实践已经得到证明：近似传递函数有偏差，整定计算亦有偏差，解决办法：

(a)以相似被控对象的经验传递函数作为参考，保证不出大的偏误；

(b)通过现场运行调试，修正调节器参数；

(c)通过研究试验得飞升曲线，合理降阶近似处理。

(3)锅炉这样一个典型的非线性时变多变量耦合系统，用传统PID控制算法存在过渡过程时间(调节时间t)与超调量（δ）之间的矛盾。可以尝试采用更先进的控制方法来达到更理想的控制效果。