（控制理论与控制工程专业论文）采用多种先进控制方法改进设计空气预热器密封间隙控制系统.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈变的学位论文 是我个人杠导师指导下进行的研究工件及取得的研究成果。岸我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已中请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工们：的同志对本研究所做的任何贡献均巳在论文中作 r 明确的说明并表示致谢。 申请学位论文与资料若有不灾之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理t 大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密后麻遵守此规定) 论文作者签名：叁堡幺导师签名 n j 年；月易日 雌 摘要 采用多种先进控制方法 改进设计空气预热器密封间隙控制系统 学科：控制理论与控制1 程 研究生：赵跃 导帅：刘l 教授 ( 签名： ( 签名： 摘要 窬电，( 转一) 。一t 颅热器是日前人刑火l b 锅炉最流行的空气预热改籍，具彳 r 多镀并| | r , j f j l 势。址窬兜式空i 坝热器有个独特的渊风刚题，空预器渊风会引起 严- n 的能源浪费。此卒预器的密划间隙控制技术烂陔领域的一个研究热点。 本文采川丫多种先进控制方法，j 刳来改进传统的作接触式空气预热器密封问隙控 制系统。 采川模参考臼适j 叫空制年拿家控制成功地抑制了间隙测蕈信号漂移对控制系 统的影响经实际运行证明讣常仃效。 为j 7 解决洲苗传感器意外损纠、后的臼动调m 门题，我们使埘e i m a n 动态神经网络 建五空气预热器的热变形模掣，川米住故障情况f 代替间隙传感器的测量功能。文 中提出的这种模j 控制方法i 有一定的独创性，经过川现场聚集的实际数据进行验 证，证明这种方法是订效的。 为了优化控制系统结构行解决系统中多种信号的传递问题，本课题以c a n 总线 为基础，建立厂f c s 结翰的新一代卒气预热器密封间隙控制系统。 关键侧：棒克式卒气预热器，卒预器漏风，信号漂移，神经闷络建模 e i m a n 神经网络，c a n 总线。 垒垦! ! 壁垒竺! t h er e f o r m a t i v ed e s i g no f a i rp r e h e a t e rl e a k a g ec o n t r o l s y s t e m b ys e v e r a la d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d s s p e c i a l i t y a u t h o r ： c o n t r o lt h e o r y & c o n t r o le n g i n e e r i n g z h y u 。 ( s i g n a t u 丛! z ! ! ! 竺) s u p e r v i s o r ：p r o f l i ud i n g ( s i g n a t u r e些 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e v o l v i n gt y p ea i rp r e h e a t e t ；w i t hi t sp r o m i n e n ta d v a n t a g e ，i st h em o s t p o p u l a ra i rp r e h e a t c ra p p l i e di np o w e rs t a t i o n h o w e v e r t h e r el i e sap a r t i c u l a ra i rl e a k a g e p r o b l e mo fr e v o l v i n gt y p ea i rp r e h e a t e r , w h i c hw i l l l e a dt os e r i o u se n e r g yw a s t e t h e r e f o r e ， t h el e a k a g ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fa i rp r e h e a t e rb e c o m e sa f ti m p o r t a n tp r o b l e mt h a tm u s tb e s 0 1 r e ( j i nt h i st h e s i s ，s e v e r a la d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d sa r ea d o p t e dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h et r a d i t i o n a l a i rp r e h e a t e rl e a k a g ec o n t r o ls y s t e mu s i n gn o n 。t o u c h e d s e n s o r m o d e lr e f e r e n c e da d a p t i v ec o n t r o la n de x p e r t i s ec o n t r o la r ea p p l i e dt or e s t r a i nt h e i n f l u e n c eo fg a pm e a s u r e m e n ts i g n a ld r i f to nc o n t r o ls y s t e mt h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s t h a tm e t h o d sa r ee f f e c t i v e t od e a lw i t ht h es e l i c r e g u l a t i o np r o b l e mc o m i n gf r o mt h ea c c i d e n t a lf a u l to ft h e m e a s u r e m e n ts e n s o r , t h eh o t d e f o r m a t i o nm o d e l o fa i rp r e h e a t e rb u i l tb ye l m a nn e u r a l n e t w o r ki su s e dt or e p l a c et h ei n e a s u r e m e n tf u n c t i o n o fg a ps e n s o r t h i sm o d e lc o n t r o l m e t h o di so r i g i n a la n de f f e c t i v ev e r i f i e db yt h ep r a c t i c a ld a t aa c q u i r e df r o mi n d u s t r i a lf i e l d b a s e do nc a nb u s ，t h i st h e s i sd e v e l o p sa ni n n o v a t i o n a la i rp r e h e a l e rl e a k a g ec o n t r o l s y s t e m w i t hf c ss t r u c t u r ei of u l 刚t h eo p t i m a lc o n t r o lo v e rs y s t e ms t r u c t u r ea n dt h e m u l t i s i g n a l st r a n s f e r k e y w o r d s ：r e v o l v i n ga i r p r e h e a t e r a i rl e a k a g eo fa i rp r e h e a t e r , s i g n a ld r i f t ，n e u r a l n e t w o r km o d e l i n g ，e h n a nn e n r a n e t w o r k ，c a nb u s 2 课题研究背蒂概述 1 课题研究背景概述 1 1 容克式空预器的工作原理 卒气预热器足人掣锅炉的主殴部件之，它的卡要功能足利用锅炉 燃烧排放的废烟气束预热即将进入锅炉燃烧的牵气。它在锅炉中所处位 置如图所示： 图l 一1 空预器的作用 从炉膛排出的烟 气首先要经过省煤器 预热即将进入锅炉的 冷水，经过省煤器后 烟气温度由1 0 0 0 以 一：f 降至04 0 0 4 5 0 。 然后烟气进入空气f 日 热器( 空预器) ，预热 来自送风机的新鲜空 气。经过预热器预热 后的空气温度可达 3 6 0 4 0 0 ，唰n , j 烟气温度下降到1 3 0 以下经吸风机进入烟道排出。 空气预热器和省煤器都足工业锅炉的重要节能降耗设备，对提高锅 炉的燃烧效率，降低燃料消耗非常蘑要。原理上它们都是热交换器，在 发电机组容量较小的时候可以采用同样的列管式预热器( 如图1 1 所 示) 。由于列管式空气预热器的热交换管内流通的介质是空气，空气的热 容和体积都与水有很大的差别，所以它内部的热交换管要远比省煤器多， 同时体积和成本也高很多。当机组容量达到2 0 0 m w 以上时列管式空气预 热器的体积与成本已经无法适应要求，现在已经逐渐被淘汰。 上世纪8 0 年代米我国各大锅炉j4 都先后从美国等发达国家引进了容 克式空气预热器这种新的宅气预热方式。容克式空气预热器的广泛使用 西安理工大学硕士学位论丈 极大的提高j 7 我国人型锅炉的性能，它至今仍是全世界最先进、最流行 的大型空气预热器彤式。容克式空气预热器的结构如图1 2 ： 伽视图 烟气 图1 2 容克式空预器平面图 容克空气预热器的立体结构如图1 3 ： 图1 一： 容克式空预器立体国 课题研究背景概迹 容克式空7 i 预热器的毛要结构是一个巨大的圆杞型转子，这个转了 被沿半径方m 的多个密封隔板分割成几十个上下相通的扇型柱体，专q k 上称之为“密封仓格”。密封仓格之涮一不相通，其中填充以如图14 所示的波纹状铁板( 波纹板) ，波纹板被用铁架封装成整体，专业上称之 为“蓄热元件”浊口吲1 5 ) 。 图14 波纹板图1 5 蕾热元件 当蓄热元件被旋转到烟气侧时炽热的烟气穿过波纹板的缝隙将热量 传递给蓄热元件，当蓄热元件被旋转到空气侧时穿过波纹板缝隙的冷空 气又将蓄热元件中的热量带走。通过预热器转子的转动使蓄热元件交替 通过烟道和风道完成烟7i 与卒t 的热量交换。 与列管式空预器相比，在相同换热量的情况f 容克式空预器体积小、 成本低而月维护方便。日自i 我幽生产的2 0 0 m w 以上= 热电机组全部都采用 了容克式空预器。由于容克式空预器的主体是一个旋转的转子，所以它 也被称为“迎转式空预器”。当然容克式空预器也不是尽善尽美的，它存 在一个特有的“漏风”问题。 1 2 容克式空预器的漏风问题 在容克式空预器中为了实现烟道与风道的分隔，设计了上下各两块 扇型的盖板，专、世j 二称之j “扇型板”( 参照图l 一2 ) ，扇型板的角度要 略大于密封仓格的角度。在密封仓格之问安装了沿空预器转子半径方向 的密封隔板。这样在扇型板卜| 就始终存在一个密封隔板对烟道与风道进 1 西安理工大学硕士学位论文 行分隔。然而旋转的转子与固定的壳体之间不可避免的存在缝隙。由于 风道内是正压，烟道内是负压，一部分空气就会通过这些缝隙由飙道泄 露进删道。我们把助燃空气通过空预器中的缝隙泄漏进烟道的问题称为 窀预器的“漏风”问题，把泄漏空气的这些缝隙称为“密封间隙”。 空预器漏风根据泄漏位冒的不同町以分为“上部径向漏j x 【”、“f 部 径向漏j 砘”、“周向漏风”和携带漏m 。上部径向漏风指的是通过上扇型 板底部与空预器转孑上部密封隔板之间的缝隙形成的漏风。同理，下部 径向漏风指的是通过下扇型板顶部与空预器转子下部密封隔板之间的缝 隙形成的漏风。周向漏风是指圆柱型空预器转子的外沿与竖直的周向密 封片之问的漏风。携带漏风的形成机理与前三者不同，它是由空预器本 身的空气容积形成的。当空预器由风侧旋转进入烟气侧时会把储存在蓄 热元件缝隙巾的一部分空气带入烟气侧，形成携带漏风。由于携带漏j ) ( l 与其他漏风相比量很小，所以一般可以忽略。理论推算与实践检验证明： 只要合理控制空预器各处的密封问隙，就可以将空预器的漏风率( 一种 衡量空预器漏风程度的参数) 控制在可以接受的范围之内，从而提高锅 炉的燃烧效率。 要深入研究空预器的漏风问题以及漏风带来的危害，必须先从空预 器的热变形规律谈起。炽热的烟气从上部进入空预器，而冷空气从下部 进入空预器( 见图1 2 ) ，所以 空预器整体的温度分布为上端 温度高下端温度低；从烟气侧转 出柬时的温度高，从空气侧进入 烟气侧时的温度低。由_ f 空预器 转子整体受热不均匀，在内部复 杂热应力的作用下使空预器转 子产生了一种如图l 一6 所示的 “蘑菇”状变形。以3 0 0 m w 机组 图i 一6 转子的蘑菇状变形 课题研咒背景概述 为例，转予上部边沿的极限变彤量可以达到3 0 r a m 。因为空预器转子的热变 形量和转子i 仁径( 5 m ) 相l k 非常小，h i 。近似认为该变形区问为三角型。 山于蘑菇状变形的存矗：，使窄预器内部的密封问隙成为与空预器受热情 况柑关的，叟量。其中卜部径向密封问隙随蘑菇状变形的增强而变火，下 部径向密封间隙和周川密封间隙随变形的增强而减小。当机7 1 77 茴负荷工 作时空 币器的蘑菇：【犬变形最人，此时有6 0 0 o t t 二的漏风量是由e 部径向漏 j x l 问隙泄露的。 漏j x t , x , j 空预器性能的影响主要表现为两个方面，其一是部分助燃空 ，i 没有进入炉膛助燃而直接泄露到划道，这相当v t 送j x t 机和吸风机发生 r 一定程度的“短路”，降低了送引风机的有效出力，增加了厂用电的消 耗。、1 j 窄颅器漏胍，r 重时共全会影响到炉膛内的燃烧工况，迫使机组降 负荷运行；漏坝影响的第二一疗酣集巾表现存上部径向漏j x l ，卜部径向漏 胍与卜部径向漏j x l 以及周向漏j ) 1 就会导致五+ ，超越 以下关j 。测量漂移导致自持振荡的论述参见图2 一】。 改进控制方法扣制测量信号漂移的影响 如粜k j ，3 则系统f 齐0 人向i r 带调节叫会白接进入信号小区 m j ，j 遗成i 欠超 踊= 如果k ， 2 则系统i i 信寸犬向f 1 ：常调竹时会直接进入信号小区间， 祚随 j f i ! j 凋m ，义会跨越l i 常区问商接进入信号久区川i ，产g ：了稳定的 t - 4 持震荡 如果k 。 5 2 则系统无论由夫或小区问向币常调节时都会 “， j 稳定 的自釜誊蠊统震驾黼造成调1 7 系统震 8 4 “ 荡的j 个闪桑是执蔷烈2正棠i 区同m 三+ 丽吴矗商 行机构的机蛾防f # 。撩：+ 执行机蜘驱动i u 源断 超调使系抗状态直接由小切换到大。 丌后，受机械惯川：的影 罔2 一l 增益漂移引起的超调 响扇形板的f 札筒也会s 。! j i 定的超调。因此有叫在k 。的漂移幅度达不到 【：述的条f l 讣0 也何可能j 6 一， 二震荡。闪为不同方向、不同何置的摩擦阻力 不例，f 机械惯 性，l 起的超测鞋1 ：是个常值。 k 。凶漂移n l j 减小时系统的危害不火，它会使系统的实际调筘死区大 于0 ，5 m m ，降低调节的精度。 经过多个t , jl 2 t i 的运行经验发现k 。闻漂移增大的概率较高，并多次西 发臼持震荡。这种稳定的自持震荡会大幅增加执行机构的磨损，同时导 致整个预热器的j x i 压和漏胍率周期变化，影响发电机组的稳定运行。因 此必须设法防l l 自持震荡的产生。 2 2 抑制自持震荡的模型参考自适应控制 住初始考虑如何抑制因漂移产生的1 9 持震荡时采用了以下方法：每 次调节结束后在f 一个控制周期到来时对实际控制效果进行检测。并利 用公，23 汁算实际的传感器增益与执行机构速度乘积。 西安理工大学硕士学位论文 腿和气 i ，k ：实际的传感器增益与执行机构速度乘积 爿。，五+ ik 和k + l 周期传感器输出的问隙信号 瓦k 周期的实际控制鼍( ：升或下降的时问) 用实际测量的k ：并通过公式2 4 计算下次调节的时间 7 _ 一工一x + i “可 公式( 2 - - 4 ) 我们希望采用此方法后可以完全抑制因变送器增益漂移和机械惯性 引起的自持震荡。在编制程序并投入自动运行后发现控制效果并不理想， 即使在传感器无漂移的情况下也可能产生震荡。经分析后发现是执行机 构的机械回差干扰了对矿k ：的辨识。提升扇形板的执行机构在换向时困 齿轮间隙会产生一定的回差，该回差通常为零点几个毫米。有的执行机 构，尤其是使用时间较长的执行机构其嘲差可以超过l m m 。 因为执行机构换向时有部分调节效果被机械网差“吃”掉了，导致 矿k ：的测量值偏小，计算的t 偏火。由于系统每次的调节时间被限制 在2 0 s 以内( 对应1 m m ) ，如果回差超过1 m m 则x k + l x k 的测量值将为零， y k ：的计算值也为零。下次调节的调节时1 甘jtk + ，将趋向无穷大。虽然系 统有2 0 s 超时保护，但一次调节足可以使扇形板跨越j 下常状念，然后再 换向再超调，最终引起震荡。为消除参数辨识中的干扰，我们也曾尝试 采用“去极值滑动平均”的办法对矿霄：，的测量值进行滤波，但效果也不 理想。因为去极值滑动平均虽然对消除信号干扰和机械惯性影响有较好 的效果，但难以消除由机械回差引起的强干扰。 目前在现场运行的大部分控制系统其控制器为欧姆龙公司的c 2 0 0 系列p l c ，用p l c 的编程语言编写更复杂的滤波算法难以实现。最终本 论文采用了模型参考自适应的控制方法，其系统结构如图2 2 。 罔22 模型参考自适应控制系统结构图 参考模型的输“5 址无漂移、无惯性的理想状念下的输出，调节结束后 的输 i i 值应该等j 二设定值x 。为了消除信号漂移的影响，施加于实际系统 的控制时川j = = j个比例系数进行了修丌： 7 一- ：上7 1 k 。， k 。自0 渊整方法撕f 卜： i 、系统有超调则 k 。= k 。+ d 公式( 2 一“) jr 系统涧节小足 则 k 。，= k 。一口 公式( 2 - - 7 ) k 。初值为l修改步长醴= o 0 2 系统乔! 每次调节结束厉都将调节效果和弹想效果进i j 二对比，如果相 超调则增大k 。减小下次的澜节时问，如果调节不足则减小k 。增加下次 的调节时问。为简化问题我们将信号漂移和机械惯性的矫f 综合考虑在 了一个可变系数早。 于安全考虑k 。的变化被限制在 o 5 3 】的范围内。 该方法有两个主要特点： 其 足台效抑制机械叫差的影响。由于步k 口= o 0 2 ，回差只能使 k 。产7 ki ) 0 2 - 0 0 4 的修改列整体影响一i 大，可以保证网差结束后的下 次渊节不产生过火的超凋。而o 0 2 的步长又足呵以保证自适应机构跟踪 西安理工大学硕士学位论文 传感器的缓慢漂移。 填足编程j 常简单。只要在每次凋节后将实阮；凋节效果和设定值 进行刈比，斤确定增加还是减小矫f f i 系数即可。 此方法的实际运行效果很好。以珞璜电厂l # 机组为例，投入运行6 个_ ： 后备调引。j l 路的k 。值均有不同程度的增加，其中有两个回路的k 。 值超过2 。如果还采用原来的方法进行控制则调节过程必然产生自持震荡， 而采用自适应控制方法后没有发现自持震荡。系统每次调节结束后都可以 将密封问隙调整到没定值附近个很小的范围内。此范闱与系统设定值 附近+ 0 3 m m ，一0 2 r a m 的币常区间相比非常小，由此町以看出系统的稳 定裕度还很人。 2 3 应用专家式智能控制器解决变送器零点漂移问题 传感器的零点漂移列系统的安全运行和调节效果都有非常大的影 响。增益漂移j 以参照执行机构的运行速度进行矫证，而零点漂移缺乏 这样随接有效的手段。存现场调试中发现一些设备调试过程中的人工经 验町以j t j 求协助解决这个问题。 空预器热态调试中有一一个重要项目是测试满负荷下的极限变形量， 并确定。f 极限丌关的位置。确定的方法是存长时矧满负荷工况下，空预 器热变形达到最大值时手动f 降扇形板，同时观察空预器盘车电机( 用 于驱动空预器旋转) 的电流。如果密封片与扇形板丌始摩擦，则空预器 盘车电机的驱动电流会闵负荷加重而突然增大，同时在空顸器就地可以 听到清晰的摩擦声音。此日_ j 执行机构的f 降距离就是极限变形量。这种 确定f 极限的方法提示我们可以根据空预器摩擦的情况判断扇形板是否 已经接触到密封片了，并将这种判断作为密封间隙调节的一种补充。 我们控制扇形板位置的最终目标是将漏风问隙维持在不使密封片和 阂形板，n d - 居r 烈摩擦的最小值，只要这个目标可以实现，传感器的测量 偏差就卅i 是很重要了。 lr 改进控制方法抑制测量信号漂移的影响 根掘以卜分析，我们引入了卒预器篇：车电机电流参与系统调节，并 总结了以下的专家调试经验。 1 如果空预器盘车电机的驱动电流超过f 常 作值，则有可能是测 量信弓漂移引起了空预器摩擦的异常埔人，需要提升涮一预热器上的所 有扇形板。 2 如果所有扇形板提刊剑上极限驱动电流依然较大，则说明空预器其 他部位存在故障，应报警提示运行人员处理。 3 如果f l 提丌扇彤板过挥中驰动电流恢复i f 常，则浇明某一块扇形板 的f 妒置偏低需要渊整。 1 r 靼独下降第一块扇形板至提刀前的位冒，如果下降过程中煮午电 机电流始终正常，m 0 说明不是第块扇形板引起了电流的异常增人。 5 依次f 降第二块扇形板至提升时的位置，如果f 降过程中盘车电机 电流二次增大，则说明第块扇形板的位置偏低需要调整。提升第二块 扇形板至电流l f 常后延时l o s ( 对应0 5 m m ) 停止，采集此位置时的间隙 测量信号最小值，作为新的给定信号自动修改原来的给定值。 6 依次r 降第i 块扇形板，并采用和以上相同的方法监视电流并进 行渊整。 根掘以上调汀方法编制的程序流程图见2 1 负图2 一d 。 在由以上控制逻辑构成的专家式智能控制器中，智能控制逻辑并没 有直接j 2 生控制输出驱动执行机构动作。专家控制逻辑通过调度基本间 隙控制器的j 二作，达到问接摔制扇形板动作的目的。因此这是一个l 日j 按 式专家摔制系统。 采用此控制方法以后，基本间隙控制的设定值由专家式过流调节来 产生。控制系统自动产卜的问隙设定值可以保证扇形板在距离密封片 0 5 m m 的距离上跟踪空预器转子的热变形，这就是我们的控制目标。至于 此时的问隙测鼙值是甭精确等于实际的间隙值已经不重要了。 从另一个角度来看，该控制系统的结构类似一个如图2 3 所示的串 西安理工大学硕士学位论丈 级控制系统。 嚣熹j 兰! 竺竺p 咝 一 国_ _ 自适应控制器障堡堕鼍执行机构i r 一空预器l _ 1 f l 、_ _ l j 【一 l墅!堕堕 l 一，一壁避一 图2 3 过电流控制系统的结构 控制系统的内环为有增益自适成功能的基奉密封问隙控制器，它的 问隙给定值由外环的专家控制器产，卜。控制系统外环为摩擦电流控制环， 它根据电流发定值和实际摩擦i 乜流按专家控制逻辑进行工作。外环的控 制功能不足连续迸行的，它只在摩擦电流异常增大的短时间内起作用。 该弩家控制逻辑可以消除因零点漂移增大，导致扇形板f 压产生的 异常摩擦。然而对j ：偶然情况下的零点漂移减小，该系统则不能自动作 出反应。考虑到扇形板下探引起的摩擦对密封片和扇形板有一定的损伤 不能频繁进仃，程序中设置每i 个月将问隙设定值修改到极小值，强迫 过f 乜流渊节动作次，j f j 来消除冈零点漂移减小带来的漏风州隙增大。 采用了该控制方法的密刘问隙控制系统，经现场实际运行证明控制 效果非常好，其优势主要体现在以f 几个方面。 l 系统t u 以通过修改删隙控制设定值的方法自动修正传感器的漂移， 提高了控制系统的自动投入率。 2 由于系统实时检测空预器盘车电机电流，并对扇形板进行适当调 整，彻底防止了扇形板压死空预器转子的事故，提高了设备的安全性。 3 不需要预留防止探头漂移的给定值裕量，提高了密封控制的效果， 降低了漏风率。 4 无需人工确定间隙控制的给定值，降低了劳动强度，使操作和维护 更加方便。 总之，存采门 了以上两项改进控制方法后空预器密封间隙控制系统的 改进控制方法抑制测量信号漂移的影响 性能有了很人的提 高，显示了高，阽能控 制方法的优越性。经 多个l 乜厂的实翰：使用 效果很好。 图2 4 专家控制流程图 基于动态神经元网络的空预器热变形建模 3 基于动态神经元网络的 空预器热变形建模 3 1 容克式空气预热器的热变形规律 非接触式空预器密封问隙控制系统很重要的一个问题是达不到1 0 0 的自动投入率。密封问隙测量探头安装在空预器内部，一舅损坏只能等 待停炉检修时才能更换，在这期间该控制回路只能解除自动调节，将扇 形板提升到上极限位置。测量探头的使用寿命受各种因素综合影响，难 以准确掌握。目前有些电，采用定期更换测量探头的方法保证自动投入 率，但此做法浪费较大，难以被广泛接受，而且也不可能完全杜绝因探 头损坏引起的自动解除。因此在测量探头损坏后寻找一种临时替代的方 法，使扇形板继续投入自动调节成为当务之急。 对于这个问题有效的解决方法之一是用一个数学模型去逼近空预器 的热变型规律。在测量探头f 常工作的时候以空预器的运行工况作为输 入，热变形量作为输出，实时地辨识空预器的热变形模型。当测量探头 发生故障后，以空预器的运行工况作为输入，通过该数学模型计算热变 形量。并以此计算值代替探头的实际测量值作为系统调节的依据。这样 就可以在从测量探头损坏到下次停炉之问的这段时间罩继续有效的控制 空预器的漏风，提高系统的自动投入率。对于同一类空预器其模型结构 应该是相同的，只是一些参数不同。因此只要透彻的研究其中一台就可 以给其它所有同类预热器建立一个通用的模型结构。 由理论分析我们可以发现，对某一台确定的容克式空气预热器，其 热变形量是空预器运行工况的函数。也就是说在诸如“烟气温度”、“烟 气流量”、“空气温度”和“空气流量”等运行参数与热变形量之问存在 确定的传递函数关系。 在空预器的设计规范中有一个估算空预器最大变形量的公式： 西安理工大学硕士学位论文 ，r ：00 0 6 a t r ：公式( 3 1 ) 爿 其。t ny 为。己预器转子的最大热变形量( 单何r a i n ) r 为空预器转了半径( 单位m ) h 为转子高度( 单位1 1 1 ) 7 _ 为卒预器冷热端温差( 单位) ，其汁算方法为： a t ：立生一盖生 公式( 3 2 ) 22 瓦，为空预器烟气侧进e l 温度正。为空预器空气侧出口温度 l ，为空预器娴气删出u 温度瓦，为空预器空气侧进e l 温度 这个公式经现场实际运行检验，发现有一定的偏差。例如用此公式 估算的空预器冷端预留间e l 隙在投入实际运行时都要进行再调整，误差经 常犬于1 0 。 经理论分折和实际观察刈。以发现该公式不能用来动态计算空预器的 热变形量，它t 要存在以卜缺陷： 1 空预嚣在_ l 作过程。 j 各点的温度分布是不均匀的。由于转子交替 进入烟气侧平| ：j 空e 倒，其温度分布是交替变化的。现场观察可以发现夺 预器转f m 烟气侧转入空气侧位置的变形量要略大于由空气侧转入烟气 侧位置的变形量。因此难以用个简单公式表达各个扇形板处的转子变 形量。 2 窄预器转了足个结构复杂的储能环节，其传递函数必然是。个 动力学模型，不是一个简p 的静念函数关系。 3 窄预器转了热变形的动态特性还必然受到烟气和空气流量的影响， 这个公式只是表达r 系统的部分稳态特性。 4 窄预器内部有复杂的绗架结构和各种形状尺寸的蓄热元件，其热变 形量是这些部件各自热变形鼍的复杂组合。同时空预器的热变形问隙还 受到壳体、窄预器主粱、t _ ，心桶、支撑轴等相关结构的热变形影响。因 此在其全部 况范刚内，热变形量和输入参数之问不大可能是线性关系。 基于动态神经元网络的空预器热变形建模 5 窄预器在运行过程中存在堵灰现象。随着空预器使剧时问的延长密 封片之删积存的煤狄也会增加，积狄会使空预槲阻力增加、换热能力f 降，同时也会问接影u 向到空顶器的热变形规律。可见空预器的热变形模 型还肯定的时变性( 空预器可以在检修或热备用状态下进行水冲洗操 作以减弱堵扶影响) 。 由以l 分析我们，叮以发现，空预器的热变形模型是个犬惯性的非 线性系统，必颈用个非线性动力学系统去逼近它。 目前的密封间隙控制系统只测 最了扇型板和空预器转子外沿法 兰的相对距离，没有测量空预器转 子的绝对变形量。要按热变形模型 对扇型板进行控制，还必须在提升 机构上安装空预器转予绝对变形 量的测量装置( 可参照图3 1 和 1 8 ) 。由t 二该绝对变形量的测量 装置安装存预热器外的常温环境 下，不但成本低而且可以随时维 闰3 1 绝对位移测量装置 护。绝对变形量的测量采用w d l 5 0 矗滑式导电塑料电位器，它的滑动 寿命可达一干万次以f 二。 3 2 该问题国内外的研究现状 目前国内外已知的空预器生产厂家，包括提供给我们容克式空预器 技术的美国c e 公司，都没有能准确建立空预器的热变形模型，他们只给 出了上述估算最大变形量的简单公式。华北电力设计院从国外引进的锅 炉参数计算软件包也只能估算空预器的最大变形量。在、一泛搜集的与空 预器热变形量计算相关的文献资料中提到的几个计算公式，都是上述估 ，4 西安理工大学硕士学位论文 算壤大变形是的简币公，= i = 或其变形。造成这种情况的卡要原因是：对于 空预器这个结构复杂的划象，无法通过理论推算得剑热变形的准确传递 函数， 能用辨泌的方法来解决。国内外其它厂家对预热器变形量的测 篷方法与我们小同，目前只有我们采用的非接触方法可以准确、连续的 测最变形量，而其它的接触一弋测量方法只能问隔数小时测量一次变形量。 所以我们研究卒预器热变形模型的辨移 问题有得天独厚的优势，研究成 果将具有一一定的先进性。 在我们提i 这个用热变形模型控制空预器漏风f s 隙的设想之后，在 工、【k 现场见到了类似方法的实际控制系统。华能集团重庆珞璜电厂于 1 9 9 2 年和1 9 9 6 年分两批引进了4 台出国际著名发电设备制造厂家法国阿 尔斯通公r 司7 i j 产的3 6 0 m w 环保型燃煤发电机组。这4 台机组的空气预热 器均为同型号的容克式空7 行页热器，但其密封i 日j 隙控制系统却有两种完 全小同的形式。前2 台机组为传统的采用机械探针进行检测的密封删隙 控制系统，使刚效果很并i 理想。日自h1 # 机组的空预器密封间隙控制系统 已经被我们i 的非接触式控制疗式取代，2 # 机组的改造也在筹备之中。在 珞璜电厂3 # 、4 # 机组的夺预器上 变彤模型进行控制的漏胍控制没备 阿尔斯通公司提供了按照空预器热 其系统结构如图3 2 。 圈3 2 珞璜电厂3 # 机组空预器控制系统结构图 该系统以机 组负荷信号作为 输入，每个控制 回路配置一个模 型运算卡，由运 算卡的输出控制 扇形板的下压位 置。为了验证该 系统的控制效聚，我们将聚用非接触测量控制方式的l # 机组和采用模型 控制方式的3 # 机组进行了对比试验。在长时间满负荷的工况下，l # 机 基于动态神经元网络的空预器热变形建模 组扇形板的平均卜压量为2 7 m m ，而同样工况条件下3 # 机组的平均下压 量仅为15 m m 。由此可见采用模型控制方式的3 # 机组空预器密封间隙控 制系统只发挥了约5 0 的漏风控制效果。漏风试验的结果也证明3 # 和4 # 机组的漏风率偏大。我们认为造成3 # 和4 # 机组模型控制方式效果不 理想的主要问题有以下两点。 1 空预器热变形量与空预器进出口的烟、风温度以及烟、j x l 流量之 问的关系比较密切，与机组负荷之间的关系是涮接的，干扰因素较多。 采用机组负荷信号作为热变形模型的输入，在获取信号方面比较方便， 但偏差必然很大。为了保证控制系统的安全就必须预留足够的裕量，这 就造成了f i 压量不足漏风偏大的结果。 2 该系统模型运算卡中的热变形模型是在设计时根据理论推算得出 的，而不是通过实际辨识得到的。出于空预器的结构复杂且运行工况多 种多样，实际变形量与理论计算值之间势必有较大的偏差。同样为了保 证控制系统的安全性还要再预留一定的裕量。在预留过多裕量的情况下 必然造成控制效果的下降。 3 3 我们的研究思路 在对空预器工作原理进行深入了解的基础上，本论文提出了以下的 研究方法。 我们认为影响空预器热变形量的主要因素包括温度和流量两种参 量，其中温度信号包括烟气侧进口温度、空气侧进口温度、烟气侧出口 温度和空气侧出口温度四个参量，流量信号则包括空气流量和烟气流量 两个参量。其中流量信号主要影响系统的过渡过程。在辨谀空预器热变 形模型的时侯如果将以上六个参量都作为输入信号，则必然增加系统的 复杂程度和辨识的难度。考虑到这六个参量有一定的相关性，为减少输 入参量个数，我们对模型的输入信号进行了处理。由于影响空预器热变 形的主要因素是e 部和下部的温度差，参照空预器的极限变形量计算公 式( 公式3 1 ) ，我们将烟气侧温度和空气侧温度综合考虑为一个温度差 ，6 望塞墨三垄茎翌主堂堡垒查 _一一 信号& t 。口的计算方法采用公式3 2 。 在流最信号方面，对某一个确定的热电锅炉其空气流量和烟气流量 是有较强相关性的。烟气温度较高，测量其流量比较困难，电厂通常只 检测助燃空气的流量，因此我们只取空气流量信号爿f 作为空预器热变形 模型的输入。 本论文的任务就是要针对每个扇形板摔制回路，辨识以”和一f 为 输入，以扇形板f 压量为输出的空预器热变形模型。 根据现场观察的经验和理论分杌，我们初步确定空预器的热变形模 型是非线性的。考虑到模型也有是近似线性的可能，我们首先采用拟合度 检验法对系统进行线性度检验。在获取系统的测试数据后，首先假定系统 是线性的并用最小一乘法对其进行辨识。 墩系统阶次 ”= 17 _ 口l o 分别进行辨识，并求取损失函数，( ) ，d ) = e 二( k ) =- - x 舀) 7 p 枷) 公式( 3 3 ) 其中百为某个给定阶次聆的参数估汁值，r ，x 是由测试数据构成的 矩i 蚱。 本论文只考虑了系统阶次在1 0 以内的情况。如果在系统阶次”大于某 一个值后，损失函数j ( n ) 几乎彳i 变且j ( n ) 的值较小时，则可以认为系统是 近似线性的。此时系统的阶次为”，参数估计值为目( ”) 。台则系统是非线 性必须用其它方法进行辨识。 如果确定了空预器的热变形模型是+ 个非线性系统，则主要考虑采 用人工神经网络的方法。山于神经网络具有逼近任意非线性映射的能力， 用它建立非线性系统的模型有明显的优势。而且对于我们的应用不需要 建立模型的解析表达式，凶此采用神经网络逼近空预器转子的热变形模 型将是一种非常有效的方法。 普通的多层6 d 馈神经浏络，例如b p 网络，只能逼近非线性静态函数 基于动态神经元网络的空预器热变形建模 关系，而本沦文的任务是要逼近的是一个非线性动力学系统。目前利用 神经网络进行动态系统建模有两种主要的方法，其一是将动念时间建模 问题转化为静态空间建模问题，其二是直接利用网络本身具有动态特性 的动态递归网络。以下对两种方法作一简单对比。 首先介绍将动态时间建模转化为静态空间建模的方法。 设系统的动态方程为： x ( k ) = r t x ( 七一1 ) ，u ( k 一1 ) j y ( k ) = b ( ) j 公式( 3 4 ) 其中u ( k ) 为系统的控制输入；x ( t ) ，y ( k ) 分别为系统的状态和输出； 厂( ) ，矗( ) 为未知非线性函数。 虽然整个系统是动态的但厂( ) ， ( ) 只是简单的静态非线性函数。只 要利用x ( 女) ，y ( k ) 的测量值和控制输入u ( k ) 对静念b p 神经网络进行训练， 就可以使网络逼近待辨识的静态非线性函数厂( ) ， ( ) 。 上述的状态一输出模型可以描述大多数非线性动态系统，但其最大 的问题是要求系统的所有状态和输出都可测。这在大多数实际系统中是 难以满足的! 因此浚方法的实用性欠佳，不能满足我们的需要。 实际中应用比较多的是所谓“非线性自回归滑动平均模型”，即公式 3 5 所示的n a r m a 模型。 y ( k + 1 ) = f l y ( k ) ，y ( k 一 + 1 ) ；“( 女) u ( k 一肼+ 1 ) 】公式( 3 5 ) 该模型是将拟辨识的动力学系统离散化并给出系统定阶的差分方 程，然后将查分方程改写为输出值的递推表达式。这一模型实际上是基 于当前最新观测数据对系统输出的一步超前预报，所以也被称为系统的 一步预报模型。浚模型对系统的表达能力弱于前述的状念一输出模型。 显然模型中的函数关系f ( - ) 是静念的。对于该多输入单输出非线性 函数的逼近问题，可以采用传统的基于最小二乘的回归分析方法来解决。 但神经网络技术的发展，为解决此问题提供了一个更为简便有效的途径。 目前最常用的方法是将一( 七) ，y ( k h + 1 ) ，“( ) ，u ( k m + 1 ) 作为网络的 西安理3 - 大学硕士学位论炙 输入，将y ( k + 1 ) 作为输出，利 h 多层前馈神经网络来逼近n a r m a 模型 中的二昨线性静态两数，1 ( ) 。 v ( k 1 ) 弋输出层单元 。 、 皆、 ：( k ) 图33 肇1 in a r m a 模型的神经网络结构 只要图：卜3 所示的前馈神经网络具有足够多的隐层单元，经过训练 它完全可以逼近静态函数，( ) 所表达的非线性映射关系。 但此方法应用r 我们研究的问题还存在以下不足之处。 l 受空预器转了飘偏和现场多种强电磁干扰的影响，在检测空预器绝对 变形鼙的时候，信号。p 不i l 】避免的存在噪声。而n a r m a 模型无法表达对 象的1 。扰部分，刈于含有噪声的系统会使辨识结果产生较大偏差。 2 由r 我们小知道待辨识系统的阶次，在辨 = 时需要将阶次假设为一 个较大的值n 。基j 二n a r m a 模型的辨识方法对阶次为n 的单入单出( s i s o ) 系统其爵馈神经网络需要2 n 个输入节点。对于我们拟辨识的双输入单输出 系统其神经网络则需要3 n 个输入节，氧，随着输入节点的增加隐层单元的数 量必然随之增加。冈此陔方法的一个重要缺陷时当系统输入变量较多且系 统阶次较高或未知时导致神经网络的舰模迅速扩大。过多的节点数量必然 给学习和引算带来很多问题。 基于动态神经元网络的空预器热变形建模 相比于静态时馈神经网络，采用动态递归网络逼近非线性动力学系统 将是一种更为有效的方法，代表着神经网络建模与辨识的发展方向。在动 态递归网络中e l m a n 网络简单实用是主要考虑的方法。一个基本e l m a n 网络的结构示意如图3 4 ： 图3 4 基本e l m a n 动态递归网络结构 死 与普通b p 网络相比，e l m a n 网络有一些独特的结构单元，结构单元的 作用是用来记忆隐层单元前一时刻的输出值，可以认为是一步时延算子。 图中1 ，缈2 ，3 分别为结构单元到隐层、输入层到隐层、隐层到输出层的 连接权矩阵。图中u ( k 1 ) 为网络的外部输入，y ( k ) 为网络输出，x ( k ) 为隐 层单元输出，x ，( 七) 为结构单元的输出。出于e l m a n 网络只对前馈连接权进 行修正所以e l m a n 网络是部允。递归网络。 一般要求e l m a n 网络结构单元的个数大于或等于待辨识系统的阶次， 对于n 阶单入单出( s i s o ) 系统，神经网络的输入节点最少为n + 1 个。对于 我们拟辩识的双输入单输出系统其网络的输入节点仅需n + 2 个，这与采用 n a r m a 模型辨识需3 n 个输入节点相比无疑有大幅度的减少。 3 0 西安理工大学硕士学位论文 e l m a n | 】：_ 可络再节点之n _ l j 县有如卜的非线性状态空间表达式： x ( k ) = 厂( 聆，( k ) + w ! u ( k 一1 ) ) 公式( 3 6 ) t ，( k ) = t ( k 1 )公式( 3 7 ) y ( k ) = g ( 1 t ( ) )公式( 3 8 ) 卜式中，( ) g ( ) 分别为输出单i 和隐层单元之激发函数所组成的非线 性向量函数。以卜我们将推导e l m a n 网络的学习算法。 考虑如卜的总体洪差f 标晒数： ：窆， 公式3 9 其1 1 ，：= 1 ( y ，( ) 一j “女) ) ，( j ，( 女) 一y ( t ) ) 列t 1 惫层到输出层的连接权3 和输入层到隐层的连接权缈! ，其偏导 数的计算方法与标准b p 算法相同。， 鲁：一( ( 女) 叫肚) ) 2 i