（机械工程专业论文）锅炉汽包水位模糊神经控制方法的研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 在火电厂热工生产过程中，锅炉汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数，水位 过高或过低都将给安全生产带来不利影响，维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。水位调节对象是一个有迟延和无自平衡的环节，它的纯迟延时间和时间 常数都比较大，干扰因素多，对象模型不确定，是可控性较差的一个调节系统。目前锅炉 汽包水位控制中，传统p i d 方法得到了广泛的应用，虽然这种方法在系统负荷稳定时能 够取得很好的控制效果，但在系统负荷有较大波动时，则难以稳定及时地对系统进行控 制。随着智能控制理论的深入研究，智能控制为锅炉水位自动控制提供了新的方法。 首先，本文笔者在深入了解开化集团7 号循环流化床锅炉结构和生产工艺流程的基 础上，主要分析了其汽包水位系统的控制策略，阐述了常规三冲量p i d 控制方式的局限 性。基于模糊理论和模糊逻辑，设计了一种水位模糊控制器，采用水位偏差和蒸汽流量 偏差作为输入，确定了两个输入变量的基本论域，同时给出了两个输入变量的模糊语言 子集及子集的隶属函数。在总结操作人员经验和对实际系统分析的基础上，制定了水位 模糊控制器的控制规则。由于水位控制过程复杂，要进一步提高水位模糊控制器的控制精 度和控制质量，必须为两个输入变量的各模糊语言子集确定合理的隶属度函数，并且要 建立一个全面的、完整的、合理的控制规则。因而本文又进一步分析了人工神经网络的 作用原理，将神经网络的自学习特性和模糊理论的逻辑性有机结合起来，设计了一个有 自学习性能的模糊神经控制器。该控制器采用了四层神经网络。在功能上，该网络的后 三层节点严格对应于模糊逻辑控制的模糊化、规则推理和去模糊三个步骤，具有明确的 模糊逻辑意义。然后用模糊控制规则集训练该神经网络，采用误差反向传播b p 计算方法， 使神经网络映射模糊控制器的输入输出，使水位偏差和蒸汽流量偏差两个输入变量的各 模糊语言子集的隶属度函数以及系统的模糊控制规则融合在神经网络的分布权值中，随 权值的调整而得到最优调整，实现了汽包水位的智能控制。 最后对所讨论的模糊神经控制器进行了仿真试验，将水位模糊神经控制器和常规 p d 控制器做了对比，分别对系统在正常运行和加入干扰等情况下进行了比较，结果表明 模糊神经控制器较常规三冲量p i d 控制效果好，而且模糊神经控制器具有较好的调节能 力、自学习能力和鲁棒性。 关键词：汽包水位；数学模型；模糊控制；神经网络；模糊神经控制；仿真 杜广朝：锅炉汽包水位模糊神经控制方法的研究 s t u d yb o i l e rw a t e r l e v e lf u z z yn e u r a lc o n t r o l a b s t r a c t t h ew a t e rl e v e lo fb o i l e rb a r r e li sai m p o r t a n tp a r a m e t e rw h e nab o i l e rl sp r a c t i c a l r u n n i n ga tt h ep r o c e s so ft h e r m o d y n a m i ce n g i n e e r i n gi np o w e rp l a n t i ft h ew a t e rl e v e li s t o o h i 曲o rl o w ，i tw i l lb r i n go nd a n g e r o u sf a c t o r s i ti san e c e s s a r y c o n d i t i o nt oc o n t r o lt h ew a t e r l e v e lt oa ne x p e c t e dr a n g ei no r d e rt os a f e g u a r dt h eb o i l e ra n ds t e a mt u r b i n e t h ew a t e rl e v e l o b j e c ti sal a ga n dn os e l f - b a l a n c es y s t e m i t sc o n s t a n tt i m ei sm u c hb i g g e ra n di t so b j e c t m o d e li sn o tc o n f i r m a b l e ，s oi ti sad i f f i c u l tc o n t r o ls y s t e mi nt h ep r o c e s so ft h e r m o d y n a m i c e n g i n e e r i n g t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o ds u c ha sp i dc o n t r o l l e ri si m p l e m e n tw i d e l yt o c o n t r o lt h eb o i l e rb a r r e ln o w b u tt h e yw o r kw e l lo n l yw h e nt h es y s t e m i cl o a di ss t e a d y ，i t c a n n o tw o r kw e l lw h e nt h es y s t e m i cl o a di sc h a n g e dw i t haw i d em a r g i n w i t hs t u d y i n go f t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y ，i tp r o v i d e san e wc o n t r o lm e t h o df o rt h eb o i l e rw a t e rl e v e l a u t o m a t i cc o n t r 0 1 a tf i r s t ，o nt h eb a s i so fd e e p l yi n v e s t i g a t et h es w a c t u r eo f n o 7b o i l e ra n di t sp r o d u c t i o n t e c h n i c sa tt h ek a i f e n gc h e m i c a li n d u s t r y g r o u pb yt h ea u t h o r , t h ea u t h o rm a i n l ya n a l y z e s t h ec o n t r o lm e t h o d sf o rb o i l e rw a t e r1 e v e la n de x p a t i a t e st h e1 i m i t so ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l p a t t e r n a tt h es a m et i m e ，b e c a u s et h ec o n t r 0 1p r o c e s so fw a t e rl e v e l i s c o m p l e x ，i t i s n e c e s s a r yt o e n s u r et h er e a s o n a b l ef u n c t i o n sf o rt h ef u z z yl a n g u a g es u b s e ta n de s t a b l i s h i n t e g r a t e dc o n t r o lr u l e sf o rf u z z yc o n t r o l l e ri no r d e rt oi m p r o v ec o n t r o lp r e c i s i o na n dq u a l i t y ， s ot h ea u t h o ra l s o a n a l y z e st h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc o n t r o lt h e o r y af u z z yn e u r a l c o n t r o l l e ri sd e s i g n e da f t e rt h es e l f - s t u d yc h a r a c t e r i s t i co fn e u r a ln e t w o r ka n dl o g i co ff u z z y t h e o r yi sc o m b i n e d t h ec o n t r o l l e ri saf o u rl a y e rn e u r a ln e t w o r k ，a n dt h e r ei so n ei n p u tl a y e r ， t w om i d d l el a y e r sa n do n eo u t p u tl a y e ri nt h ec o n t r o l l e r a tf u n c t i o n ，a f t e rt h r e el a y e r sn o d e s o ft h i sn e u r a ln e t w o r ka r es t r i c t l yc o r r e s p o n d e dw i t l lf u z z y , r u l e sr e a s o na n dd e f u z z yt h r e e s t e p s i th a s c l e a r f u z z yl o g i c a lm e a n i n g ，n a m e l yt h ee v e r yl a y e ra n de v e r yn o d e a r e c o r r e s p o n d e dw i t he v e r yp a r to ff u z z yc o n t r o l l e r t h e n t h e a l g o r i t h mo fe r r o rb a c k p r o p a g a t i o ni sa d o p t e dt ol e tt h en e u r a ln e t w o r ke x p r e s s e dt h ei n p u t o u t p u tr e l a t i o no ft h e f u z z yc o n t r o l l e r ，a n dt h en e u r a ln e t w o r ki s t r a i n e db yf u z z yr u l e si no r d e rt om a k et h e f i m c t i o no ff i a z z yl a n g u a g es u b s e ta n dc o n t r o lr u l e so ft h i ss y s t e mt os e e pt h en e u r a ln e t w o r k a n db ea d j u s t e dt ot h em o s te x c e l l e n tv a l u es ot h a tt h eb o i l e rb a r r e lw a t e rl e v e ls y s t e mi s c o n t r o l l e db yai n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r a tl a s t ，as i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sd o n et ot h ed i s c u s s e df u z z yn e u r a lc o n t r o l l e r ，a n dt h e w a t e rl e v e lf u z z yn e u r a lc o n t r o l l e ri sc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h e 大连理工大学专业学位硕士学位论文 e x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ee f f e c to fw a t e rl e v e lf u z z yn e u r a lc o n t r o l l e ri sb e t t e ra n di t i s s u p e r i o rt ot h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra tt h ea r e ao fa n t i d i s t u r b a n c ea n dr a t e dl o a d ，s o t h i sf u z z yn e u r a lc o n t r o l l e rh a sb e t t e ra b i l i t yo f r e g u l a t i o n ，s e l f - s t u d ya n dr o b u s tf e a t u r e k e yw o r d s ：w a t e rl e v e ls y s t e m ；m a t hm o d e l ；f u z z yc o n t r o l ；n e u r a ln e t w o r k ；f u z z yn e u r a l c o n t r o l ；s i m u l a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：雍i 翰日期：钇竺缉2 翻豳 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 j 堑年l o tj 习盟日 ， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 i 绪论 锅炉设备主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风量、引风量；主 要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽及压力等，鉴于锅炉本身的复杂性，对锅炉实施控 制时存在以下难点：一系统存在严重耦合，如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力和汽包水 位，还会影响过热蒸汽温度等；二存在不确定时滞，如燃料量的变化对蒸汽温度、压力、 汽包水位等影响有不同的滞后，减温水量的变化对过热器出口蒸汽温度的影响有较大的 滞后，这些时滞的大小还随负荷状况的变化而变化。因此，锅炉是一个多输入多输出且 变量相互耦合并具有不确定时滞的复杂控制对象【5 “量1 6 】。近年来锅炉自动化研究主要集 中在三个方面：一是传统p i d 控制领域，利用其他方法和p i d 控制相结合来改善p i d 控制效果：二是利用人工智能和计算机科学的最新技术，开发模糊控制系统、人工神经 网络控制系统、专家控制系统等；三是针对锅炉的强耦合性，开发解耦控制系统m3 2 。 1 1 锅炉热工过程自动控制的研究现状 i i i 模糊控制与常规p i n 控制的有机结合 p i d 控制具有结构简单、容易实现、鲁棒性强和能实现无差调节的特点，在传统控 制系统得到广泛应用，但常规p i d 控制是线性的，适应于小惯性、小滞后的过程，当把 常规的p i d 控制应用于非线性、大时滞、参数不确定的情况下时，很难获得满意的效果。 因此，近年来，很多学者将其他方法结合起来，在线调节p i d 参数来处理各种不确定性、 非线性以及大时滞、参数不确定，这将是热工自动化控制的一个很好的发展方向【3 “”l 。 文献【5 “8 9 】将模糊控制与常规p i d 控制有机结合起来形成模糊p i d 控制器，结合 现场运行人员的经验和专家知识建立模糊规则和进行模糊推理，应用在锅炉气温调节系 统中，用一组模糊校正规则，实时地对锅炉组气温串级控制系统主p i d 控制器的参数 k p 、t i 进行在线调整，使p i n 控制器能根据系统运行情况进行变参数调节，从而提高 了系统对非线性、时变性和不确定性等处理能力。文献 将模糊p i d 控制器应用于锅炉 一次风压的控制系统中，建立了模糊控制规则，根据被调量的偏差和被调量的变化率来 选择不同的控制规律。文献 10 】提出了一种自适应分层递阶模糊p i d 参数控制方法。在较 高的级别应用规则集建立其高层规划模型，根据系统的基本参数变化判定高层的参数调 节方案，以保证系统安全运行；在较低层次，按物理定律应用微分方程等构造其数学模 型，根据e 和a e 的变化在动态过程中实时调节规划参数值和p i n 参数值，使动态系统 达到性能要求。文献 】适配值函数选择的一般原则和遗传算法的自适应机制。利用遗传 算法自动仿生寻优随机算法，在先优化p i d 参数，并将其应用到电厂锅炉过热汽温的 p i d 参数优化控制中。 杜广朝：锅炉汽包水位模期神经控制方法的研究 1 1 2 智能控制及在热工过程控制中的应用 自从美国数学家维纳于2 0 世纪4 0 年代创立控制论以来洎动控制理论经历了经典控 制理论和现代控制理论两个重要发展阶段。在处理复杂系统控制问题时，传统的控制理 论对于复杂性所带来的问题，总是力图突破旧的模式，以适应社会对自动化提出的新要 求。世界各国控制理论界也都在探索建立新一代的控制理论，以解决复杂系统的控制问 题【2 6 】。近年来，把传统控制理论与模糊逻辑、专家系统、神经网络、遗传算法等人工智 能技术相结合，充分利用人类的控制知识对复杂系统进行控制，逐渐形成了智能控制理 论的雏形。以1 9 8 7 年召开的第一界智能控制国际会议为标志，智能控制已经开始成为 一门新的学科。 纵观智能控制产生、发展的历史背景与现状，其研究中心始终是解决传统控制理论、 方法所难以解决的不确定性问题。控制学科所面临的控制对象的复杂性、环境的复杂性、 控制目标的复杂性愈益突出，智能控制的研究正提供了解决这类问题的有效手段，集中 表现在控制工程中运用智能方法解决复杂系统的控制已取得了相当多的成功：另一方 面，智能控制的研究虽然取得了一些成果，但实质性进展甚微，理论方面尤为突出，应 用则主要是解决技术问题，对象具体而单一。1 9 9 2 年美国国家科学基金会发出发展智能 控制研究建议指出：智能控制研究工作的中心放在系统问题描述和智能控制器设计等方 面的新方法的研究上，应当着重于基础控制工程方法的开发而不是技术演示【2 。 在自动控制技术产生之前，人们在生产过程中是采用手动控制方式，即通过观测被 控对象的输出，根据观测结果做出决策，然后手动调整输入，从而实现对生产过程的控 制。随着科技的发展，自动控制系统逐渐取代了手动控制。控制理论也得到了飞速发展。 经典控制理论、现代控制理论在实际生产中都得到了广泛的应用。但是，无论是经典控 制理论，还是现代控制理论，在计算机控制系统时，都需要事先知道被控对象的数学模 型，根据数学模型和给定的性能指标，选择合适的控制规律，进行控制系统的设计。而 在实际生产过程中，一般是难以获得对象的数学模型，尤其是对于化工过程、锅炉系统、 发酵过程等。即使通过一定的方法获得对象的数学模型，但由于系统的干扰等影响因素 很多，并且系统特性也会随着生产环境的变化而变化，使得这一数学模型难以准确反映 系统的动态性能。对这样的系统，自动控制的效果就大受影响，甚至难以实现自动控制。 近年来，越来越多的学者已意识到在传统控制中加入逻辑、推理和启发式知识的重 要性，这类系统一般称为智能控制系统。现代的计算机有很强的计算和信息处理能力， 但是它解决像模式识别、感知、评判和决策等复杂问题的能力却远不如人，特别是它只 能按人事先编好的程序机械执行，缺乏向环境学习、适应环境的能力。早在本世纪初， 人们就知道人脑的工作方式与计算机不同，人脑是有极大量的基本单元( 称为神经元) 经过复杂的互相连接而成的一种高度复杂、非线性、并行处理的信息处理系统。单个神 大连理工大学专业学位硕士学位论文 经元的反应速度在毫秒级，比计算机的基本单元逻辑门慢5 - 6 个数量级。由于人脑 的神经元数量巨大( 约1 0 1 0 个) ，每个神经元可与几于个其它神经元连接，对有些问 题的处理速度反而比计算机快得多。它的能耗约为每一运算1 0 一1 6 j s ( 计算机为每一运算 1 0 - 6 j s ) ，由此可见其性能要比现代计算机高得多【j b j 。 从模仿人智能的角度出发，来探寻新的信息表示、存储和处理方式，设计全新的计 算机处理结构模型，构造一种更接近人类智能的信息处理系统来解决传统的计算机难以 解决的问题，必将大大促进科学进步，并会在人类生活的各个领域引起巨大的变化，这 就促使人们研究人工神经网络( 简称n n ) 系统。简言之，所谓神经网络就是模仿人脑 工作方式而设计的一种机器，它可用电子或光电元件实现，也可用软件在常规计算机上 仿真，或者说神经网络是一种具有大量连接的并行分布式处理器，它具有通过学习获取 知识并解决问题的能力，且值是分布存储在连接权中，而不是像常规计算机那样按地址 存在特定的存储单元中。 尽管目前人们对大脑神经网络的结构、运行机制，甚至单个神经细胞的工作原理了 解还很肤浅，但是基于生物神经系统的分布存储、并行处理、自适应学习这些现象，已 经构造出具有一些低级智慧的人工神经系统。当然这种人工神经网络只是对大脑的粗略 而简单的模仿，无论在功能上，还是在规模上都比真正的神经网络差得很远，但它在一 些科学研究和实际工程领域中显示了很大的威力。从8 0 年代初神经网的研究再次复苏 并形成熟点以来，发展非常迅速，在理论上，对它的计算能力、对任意连续映射的逼近 能力、学习理论及动态网络的稳定性分析等都取得了丰硕的成果。 锅炉的复杂特性使得基于精确数学模型的常规控制器难以取得理想的控制效果，这 就给不需要建立精确数学模型的专家系统、人工神经元网络以及模糊控制等智能控制方 法的应用提供了广阔的应用空间。因此，将这些智能控制方法应用于锅炉热工控制过程 具有较强的理论与实践意义。 自从1 9 7 4 年英国的e h m a d m d a n i 教授成功的将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制 2 叼以来。模糊控制在热工控制领域得至4 了广泛应用。文献【2 5 _ 2 6 】研究了模糊控制系统在过 热汽温控制过程中的应用。文献 ”】将模糊控制和预测技术结合，提出了模糊预测控制方 法，克服了常规模糊控制不能及时反馈的不足。首先将控制量的论域分为若干子域，并 且以分界点作为参考控制量，随后各参考控制量在被控过程模型作用下的输出，以预测 的偏差和偏差的变化量为输入，建立模糊性能规则库，推理出控制性能测量指标，来评 价各参考控制量的控制效果，最后确定出最佳控制量和最佳控制量所在子域的确定控制 输出。文献 5 4 1 构造的加权模糊控制系统借鉴了传统的三冲量给水系统的优点，模仿操作 人员的经验。由三个独立的模糊控制器的输出量加权来决定主控入水阀的开度。 杜广朝：锅炉汽包水位模糊神经控制方法的研究 这三个模糊控制器分别考察汽包水位、流量平衡和实际输出功率。文献【3 6 ”1 针对火 电厂给水自动控制系统和循环流化床床温控制设计了模糊控制器，仿真效果良好。 把神经网络与模糊控制结合起来构成模糊神经网络( f n n ) 控制器也是处理锅炉燃 烧过程不确定性的有效手段。文献 4 0 提出了一种自调整模糊控制系统，采用解析法描述 模糊控制规则采用一组模糊子集隶属度函数实现模糊控制音调节。并把这种控制方法应 用到单元机组过热汽温串级控制上，仿真结果表明控制效果良好。 i 2 锅炉热工自动控制的研究方向 近年来锅炉热工过程控制理论的研究工作已经为其火电厂中的应用奠定了应有的 基础，计算机技术的应用为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。综观这些 研究成果，仍然存在不足，今后热工自动化的研究方向应注意以下几个方面的研究与开 发。 ( 1 ) 实际控制工程中，要求控制器简单，计算时间短，而目前先进控制策略往往 结构复杂，计算时间长，且大部分研究成果仍处于实验室仿真，将其推向实际应用是今 后的努力方向。 ( 2 ) 热工控制策略应由满足某一热工过程的特殊要求，向满足全局要求发展， ( 3 ) 应积极开发先进的优化监控软件和系统。 ( 4 ) 开发锅炉成套软件和装置，具有良好的产业化前景和广阔市场容量。 1 3 本文所做的工作 本文以开封化工集团7 号循环流化床锅炉为控制对象，对其汽包水位系统的控制方 式进行了改进设计，所做的主要工作有以下几点： ( 1 ) 分析了7 号循环流化床锅炉的主要结构、工艺流程及燃烧系统、液位系统和 蒸汽温度系统的现有控制方式。 ( 2 ) 研究了汽包水位系统控制的理论基础 ( 3 ) 剖析了开化集团7 号锅炉汽包水位系统控制方式的不足之处。 ( 4 ) 讨论了汽包水位系统的动态特性和影响因素。 ( 5 ) 研究了汽包水位系统模糊控制器的设计。 ( 6 ) 在模糊控制的基础上结合神经网络，设计出一种基于神经网络的模糊神经控 制器。 ( 7 ) 对所设计的模糊神经控制器进行了仿真试验，并分析其控制性能。 ( 8 ) 初步设计了水位系统的控制软件。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 循环流化床锅炉系统概况 2 1 锅炉结构概况 2 1 1 锅炉概述 y g 7 5 3 8 2 循环流化床锅炉是开封开化集团用于发电的锅炉，它建成于1 9 9 5 年。该 锅炉是一种高效，低污染的新型锅炉。它采用了循环流化床燃烧方式，其煤种的适应性好， 可以燃用烟煤，无烟煤，也可以燃用褐煤等较低燃值的燃料。燃烧效率达9 5 9 9 ，尤 其可以燃用含硫较高的燃料，通过向炉内添加石灰石，能显著降低二氧化硫和氮化物的 排放，可以降低硫对设备的腐蚀和烟气对环境的污染。灰渣活性好，可以作水泥等掺和 料。 本锅炉是一种自然循环的水管锅炉，采用有旋风分离器等组成的循环燃烧系统。炉 膛为膜式水冷壁结构，过热器分高低两级，中间设喷水减温器，尾部设三级省煤器和一 二次风预热器。锅炉为露天布置，加设有构架等必要的保护设施。运转层标高为7 米。 锅炉标高从0 米算起。锅炉构架全部为金属结构。 2 1 2 主要技术指标和有关数据 额定蒸发量 额定蒸汽压力 额定蒸汽温度 给水温度 一次风预热温度 二次风预热温度 排烟温度 设计燃料低位燃值 热效率 脱硫效率 钙硫比 燃料消耗量 燃料粒度要求 石灰石粒度要求 锅炉外形尺寸宽度 锅炉外形尺寸深度 锅筒中心标高 7 5 仉1 3 8 2 m p a 4 5 0 0 c 1 5 0 0 c 1 5 0 。c 1 5 0 。c 1 5 0 0 c 1 9 2 8 4 k j k g 8 5 8 5 1 5 2 ：l l8 8 3 2 2 k g h 1 3 m m 2 m m 1 1 7 0 0 m m 1 5 1 0 0 m m 3 0 5 0 0 m m 杜广朝：锅炉汽包水位模糊神经控制方法的研究 2 1 ，3 锅炉结构简述 ( 1 ) 锅筒 锅炉筒内径为1 5 0 0 m m ，壁厚4 6 m m ，筒体全长8 7 8 6 m m ，筒身由2 0 9 钢板卷制而成。封 头是用同种材料冲压而成。 锅炉筒内部装置有2 4 个中2 9 0 的旋风分离器作为汽水粗分离。在锅筒顶部布置有波 形分离箱作为细分离。并在波形分离器下面装有6 根水管，把分离箱带进的水份再送回 锅筒的水容积中，以保证蒸汽的品质。为防止低温的给水与温度较高的锅筒简壁直接接 触，在管子与锅简筒壁的连接处装有套管接头，给水进入锅筒之后，沿锅简纵向均匀分 布。 锅筒正常水位在锅筒中心线下1 0 0 m m 处，最高、最低安全水位距正常水位7 5 m m 。 锅筒装有两只就地水位表。此外还装有一只电接点水表，可把锅筒水位现示在操作盘上， 并具有报警的功能。另外，锅筒上配有备用水位管座，用于装设水位记录表与电接点水 位计共同监视水位。 ( 2 ) 水冷系统 炉膛炉顶均由膜式水冷壁组成。通过水冷上集箱上吊杆悬挂予钢架上。炉膛横截面 为3 1 7 0 ( 5 2 9 0 m m ，炉顶标高为2 6 8 7 5 m m 。膜式水冷壁中6 0 5 和6 4 5 m m 扁钢板焊 制而成。燃烧室为中6 0 x5 的钢管组成。其上焊有销钉，以固定耐火材料。燃烧室上部 与炉膛膜式水冷壁相接，下部与水冷风室及水冷布风板相接。 水冷风室由6 0 管组成，内焊销钉以固定耐火材料。水冷布风板由6 0 钢管及6 4 5 扁钢组焊而成，在扁钢上开有小孔与风帽相接。 炉膛部分分成左右前后四个水循环回路。引汽管由中1 3 3 6 及中1 0 8 4 5 钢管组 成。在每个下集箱装有排污阀门以便定期排污。 ( 3 ) 过热器 本锅炉过热器分高低两级布置在旋风分离器之后的斜烟道之内。饱和蒸汽由锅筒上 8 根0 1 0 8 5 的饱和蒸汽连接管引入过热器入口集箱，然后沿5 6 根中2 3 , 5 的管子引 入低温过热器经过加热进入减温器，蒸器在减温器内经过调整后沿1 0 4 根0 4 2 3 5 的 管子进入高温段过热器出口集箱，经过主蒸汽汽阀送往汽轮机。 低温度过热器采用混流布置，顺逆流各半。高温过热器采用顺流布置，蒸汽的汇集 和分配采用了沿宽度方向均匀措施，从而改善了集箱中流动不均匀性和防止蒸汽偏流而 形成局部蛇形管过热的现象。为保证安全运行低温过热器采用了2 0 号无缝钢管，高温 过热器采用了1 5 c r m o 的低合金无缝钢管。 过热器温度调节采用了喷水减温，减温器置于两级过热器之间。这样可以保证汽轮 机获得符合要求的过热蒸汽，又能保证过热蒸汽管不致因工作条件恶化而烧坏。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 4 ) 省煤器 省煤器系钢管式省煤器，三级布置，均由中3 2 3 5 的2 0 号无缝钢管弯制而成蛇形 管组成。给水沿蛇形管自上而下，与烟气成逆向流动。省煤器管5 2 排，错列布置，横 向节距8 0 ，纵向节距5 0 。由省煤器支架支撑在空心梁上。 ( 5 ) 空气预热器 空气预热器为两级布置管式空气预热器，上面一级为二次风空气预热器，下级为一 次风空气预热器，空气分别由一次风机和二次风机送入，两级空气预热器均由中4 0 x1 5 的焊接钢管制成，烟气在管内自上而下流动，空气在管外横向冲刷。二次风经两个行程后 进入二次风管，一次风经三个行程。为便于更换和维修分两组布置，上面一组两个行程， 下面一组各一个行程。一、二次风预热温度分别达到1 5 0 。c 。为使管箱在热状态下能够 自由膨胀，在管箱上部装置有膨胀节。 ( 6 ) 燃烧系统 燃烧系统由炉膛，旋风分离器和返料器组成。炉膛下部是密相料层，最低层是水冷 布风板。布风板截面均匀布置了风帽，经过预热器的一次风由风室经过这些风帽均匀进 入炉膛。燃料煤和石灰石经设在炉前的三台螺旋给煤机进入炉室。螺旋给煤机直径为 3 2 5 x1 0 ，落煤口上方设置了播煤风。二次约占总风量的5 0 ，经2 1 个喷嘴在较高流化 风速下进行。 炉温控制在8 0 0 9 0 0 。c ，含灰烟气在炉膛出口处分为左右两路，进入两个旋风分离 器，旋风分离器切向进口截面为8 5 0 x2 4 0 0 m m 2 ，内径为m3 2 0 0 r a m ，出口直径为中 1 5 0 0 r a m ，由磷酸盐耐火砖砌成。 被分离的细颗粒经返料器返回炉膛循环再燃，离开旋风分离器的烟气经过热器进入 尾部烟道。随烟气排走的微细颗粒可由锅炉尾部的除尘器收集。 为保证返料器工作可靠，在分离器落灰管中加设水冷管套，以降低循环灰温度，燃 烧后的灰渣，较大颗粒的部分可由炉底四个o1 5 9 的冷灰管排走，而较小颗粒的炉灰可 以从旋风分离器下部返料器的细灰管排出。本炉为床下动态点火。在风室后布置两台点 火器。点火油为0 荐轻柴油，油压为1 9 6 m p a 。 ( 7 ) 锅炉范围的管路布置 锅炉采用单母管给水，给水通过给水操纵台，然后进入省煤器，从省煤器出口集箱 出来后，由3 根中1 0 8 5 的管子组成的锅炉给水管路引入锅筒。 在锅筒和省煤器之间装有不受热的再循环管，为保证锅炉点火启动和停炉冷却过程 中省煤器内水上的流动，在升火和停炉过程中，升启再循环管路上的阀门，这时出于省 煤器管内水温较高，而产生自然循环使省煤器得到冷却。 杜广朝：锅炉汽包水位模糊神经控制方法的研究 ( 8 ) 锅炉所配安全附件 在锅筒上设有两只就地水位计，以便直接观察水位，另配电接点水位计一只，可在 控制室操作台上监督水位，并可在其二次仪表电气系统中引入高低水位的报警系统。在 锅筒上设置两只弹簧式安全阀，在过热器出口集箱上设置一只弹簧安全阀，在锅筒、过 热器出口集箱各处各设置压力表。 2 27 号循环流化床锅炉工艺流程介绍 开化集团自备电厂目前有一台循环流化床锅炉，蒸汽用于电厂发电并提供全厂生产 用汽及居民供暖。它和一台3 5 t h 锅炉所产生的蒸汽都送入同一母汽管供两台汽轮机取 用，属于母管制热力系统，其风、烟、煤系统工艺流程图如图2 1 ： 燃料煤由小煤斗及给煤器调节结构经喷燃器送入炉膛，助燃的空气由风机压入空气 预燃器预热，后经调风门按一定比例送入炉膛与燃料煤混合燃烧。燃烧产生的热量传给 布置在炉膛四周的水冷壁中的工质水，工质水吸收一定热量后变成饱和态，再进一步吸 收更多的热量后，部分饱和水变为饱和蒸汽。由于炉膛水冷壁中上升管中的汽水混合物 的密度低于下降管中水的密度，可形成水的自然循环，水冷壁中的汽水混合物上升到汽 揶厦 炉膛：2 一燃烧室；3 一风室：4 - 旋风分离器；5 一二次返料室：6 汽包；7 低过热器；8 高过热器；9 省煤器 1 0 一次空气预热器；1 】- 二次空气预热器：1 2 - 尾部烟道；1 3 一除尘器；1 4 弓i 风机；1 5 - 烟囱：1 6 一给煤嚣； 1 7 - ，j 、煤斗 圈2 1 流化床锅炉风、烟、煤系统工艺流程图 f i g 2 1p r o c e s sf l o wd i a g r a mo f c f bb o i l e rw i n d 、s m o k ea n dc o a ls y s t e m 包中并形成汽水分离，水蒸汽上升到汽包上半部的水蒸汽空间。燃烧产生的高温烟气沿 烟道依次流过高过热器，低过热器，省煤器，二次风空气预热器，一次风预热器等受热 面并被降温，最后由弓 风机吸出经烟道排入大气。从汽包顶部出来的饱和水蒸汽流经低 大连理工大学专业学位硕士学位论文 过热器，高过热器，被进步加热成过热蒸汽，然后送入汽母总管。为调节过热蒸汽温 度，在高低过热器之间设减温水喷头，用调节减温水量来调节过热蒸汽温度，锅炉的汽 水系统工艺流程图如图2 2 ： 拾水泵 图2 2 锅炉汽水系统工艺流程图 f i g 2 ，2p r o c e s sf l o wd i a g r a mo f b o i l e rs t e a mw a t e rs y s t e m 2 3 锅炉控制系统介绍 2 3 1 燃烧系统 开化集体7 5 t h 循环流化床锅炉采用流化燃烧方式，其燃烧系统的调节主要采用手动 调节方式，并制定了相应的调节原则： ( 1 ) 煤量的调整原则：在负荷稳定时增加负荷，应当先少量增加一次风和二次风量， 再加少量煤，使炉膛压差增加，然后再少量加一次风量和二次风量，少量加煤，两者交错调 节。减负荷时，应先减少给煤量，再减少一次风量和二次风量并漫漫放掉一部分循环灰， 以降低炉膛差压，如此反复操作，直到所需的负荷为止。加煤应缓慢，任何状态下都不 能大量给煤。 ( 2 ) 风量的调整原则：一次风调整流化，燃烧室温度和料层差压。二次风控制总 风量及炉内燃烧介质的扰动，运行的氧量应保持在3 一5 左右。一二次风量比例为6 0 到4 0 左右。任何状态下次风量不能低于热态临界流化风量，投二次风时应缓慢开启 各小风门挡板，不能使床温下降。 返料风是保证正常返料和控制返料量的主要手段。燃用灰份高的煤或负荷较高时灰 量大，料位升高，炉膛压差增大，应开大返料风，甚至放掉部分循环灰，保证小流化床 流化良好。负荷较低，循环灰量少，炉膛灰量少，炉膛差压低时，应关小返料风，保证 一定高的料位。 ( 3 ) 床温的调整原则：正常运行中应保持流化床内温度在8 5 0 9 0 0 。c 之间，最低 不应低于8 0 0 。c ，返料温度最高不超过9 5 0 。c 。控制流化床内温度的方法：调整一二 杜广朝：锅炉汽包水位模糊神经控制方法的研究 次风量；调整给煤量：控制循环灰量。 2 3 2 锅炉给水系统 锅炉给水来自工业用水，正常运行时，经主给水自动调节器( 大旁路给水调节器备 用) 和省煤器进入汽包，汽包水位不准超过正常水位的3 0 m m ，不准接近最高最低水位 线。汽包水位控制采用了三冲量控制方式，即以汽包水位为被调量，以给水流量为控制 量，用汽包水位h 、蒸汽流量f 和给水流量w 三个信号构成前馈一反馈控制系统，利用 自动化仪表实现控制方式 2 3 3 蒸汽温度压力系统 主汽温度允许在4 3 5 4 5 0 。c 范围波动，主汽压允许在3 8 + 0 0 5 m p a 之间波动，运行 中应根据负荷的变化，实时调节锅炉的汽温汽压，蒸汽温度控制方式原来设计为采用调 减温水量构成串级过热汽温控制系统，由自动化仪表实现控制方式，投入运行后发现控 制效果不好，后又拆除，仍然由人工手动控制。 调节原则如下：当主汽温度升高到4 4 5 。c 并有继续上升趋势时，应逐渐开大前后 减温水调节阀直到全开。当主汽温度降低到4 3 5 。c 并有继续下降的趋势时。应逐渐关 小减温水。当主汽温度低到4 2 0 。c 时，应减少负荷，迅速查明原因做相应处理。过热 器两侧进口烟温相差不应超过3 0 。c 。 当主汽压力升高到3 8 5 m p a , 并有上升趋势时应相应减弱燃烧，降低锅炉负荷。如因 中压系统故障，汽机突然甩负荷时，应立即开启高过集箱电动机，旁路放空阀，并要求 汽机尽快将减温减压器投入运行，否则按停炉处理。当主汽压降低到3 7 5 m p a 并有下降 趋势时，应适当强化燃烧 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 模糊控制与神经网络 3 1 模糊控制理论的历史、发展和现状 早在2 0 世纪2 0 年代，著名的哲学家和数学家r u s s e l l 在1 9 2 3 年就写出了有关“含 糊性”的论文，并创立了多值逻辑为建立正式的模糊模型走出了关键的第一步。1 9 6 5 年美国加州大学z a d e h 教授发表了f u z z ys e t 论文，首次提出了表达事物模糊性的重要 概念隶属函数，从而突破了经典集合理论的局限性，以后他又进行了模糊逻辑推理 的研究，从此，模糊理论成了一门热门的课题。 近几十年来，在世界各国科技人员的深入研究下，模糊理论得到了进一步的发展， 建立了更为完美的理论体系，并广泛应用工业过程、家用电器以及高科技领域，已取得 了一系列的成功应用。 由于现代被控系统的高度复杂性、测量的不精确性、系统动力学特性的不确定性， 以及人们对控制性能指标要求越来越高，基于精确模型的传统控制技术、微计算机技术、 神经网络理论、信息科学及非线性科学的迅速发展，促使广大科学工作者又在控制论的 思想指导下，在一个新的高度上进行控制理论、计算机科学、神经生理学及信息科学等 学科的密切合作，以期模拟和综合人类的智能，开创智能控制的新篇章。模糊控制是模 拟集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的非线性智能控制。它已与神经网络、 遗传算法及混沌理论等新科学相融合，正在显示出其巨大的应用潜力。 3 2 模糊控制器的原理 3 2 1 模糊控制系统 现代控制理论已经在工业、国防、航天等许多领域获得了成功。一般情况下，传统 的闭环控制系统如图3 1 所示，其原理是建立在精确的数学模型上。但对于一些强藕合、 多参数、非线性、时变性、大惯性、纯滞后的复杂系统，建立它们的精确数学模型是很 困难的，有些甚至是不可能的。 然而，在实际工作当中，一些有经验的操作人员却可以通过观察、推理和决策，用 人工控制的方法较好地控制那些复杂的对象。模糊控制系统就是将人的经验总结成语言 控制规则，运用模糊理论模拟人的推理与决策，从而实现自动控制的控制系统。模糊控 制系统与传统的闭环控制系统不同之处，就是用模糊控制器代替了模拟式控制器，其硬 件结构框图如图3 2 所示。 杜广朝：锅炉汽包水位模糊神经控制方法的研究 图3 1 传统闭环控制系统框图 f i g 3 1c l o s ec o n t r o ls y s t e md i a g r a m 图3 2 模糊控制系统框图 f i g 3 2 f u z z yc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 3 2 2 模糊控制器的设计 模糊控制器本质上就是一个采用了模糊控制算法的计算机或芯片，其一般结构如图 3 3 所示。它由三个基本部分构成： ( 1 ) 将输入的确切值“模糊化”，成为可用模糊集合描述的变量； ( 2 ) 应用语言规则进行模糊推理； ( 3 ) 对推理结果进行决策并反模糊化( 也称为清晰化、解模糊) ，使之转化为确 切的控制量。 输入 幽3 3 模糊算法框图 f i g 3 3f u z z y c o n t r o ls y s t e md i a g r a m 输出 大连理工大学专业学位硕士学位论文 有m 个输入一个输出的模糊控制器称为m 维模糊控制器。由于一维模糊控