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自然循环锅炉过程控制方案I第一章 自然循环锅炉分析1.1 被控对象工艺流程本控制系统所选被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉，其工艺流程如图1.1所示。图1.1 自然循环锅炉工艺流程图经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，除氧蒸汽由除氧头底部通入。除氧的目的是防止锅炉给水中溶解有氧气和二氧化碳，对锅炉造成腐蚀。热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，进一步去除软化水中的氧气和二氧化碳。除氧后的软化水经由上水泵P1101泵出，分两路，其中一路进入减温器E1101与过热蒸汽换热后，与另外一路混合，进入省煤器E1102。进入减温器E1101的锅炉上水走管程，一方面对最终产品（过热蒸汽）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对锅炉上水起到一定的预热作用。省煤器E1102由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。被烟气加热成饱和水的锅炉上水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等，汽水分离是上汽包的重要作用之一。分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器E1101壳程，进行温度的微调并为锅炉上水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下一生产单元。燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器；空气经由变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器E1102中的锅炉上水进行预热。1.2 工艺过程介绍软化水流量为F1106，温度为常温20，经由调节阀V1106进入除氧器V1101顶部。除氧蒸汽分两路，一路进入热力除氧头，管线上设有调节阀PV1101；另外一路进入除氧器下水箱，管线上设有开关阀XV1106。除氧器压力为P1106，除氧器液位为L1101。软化水在除氧器底部经由上水泵P1101泵出。锅炉上水流量为F1101，锅炉上水管线上设有上水泵出口阀XV1101，上水管线调节阀V1101，以及旁路阀HV1101。锅炉上水被分为两路。一路进入减温器E1101预热，预热后与另外一路混合进入省煤器E1102。两路锅炉上水管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分锅炉上水直接流向省煤器，少部分锅炉上水流向减温器，其流量为F1102。汽包V1102顶部设放空阀XV1104，汽包压力为P1103。汽包中部设水位检测点L1102。在汽包中通过汽水分离得到的饱和蒸汽温度为T1102，经过炉膛汽相升温得到的过热蒸汽温度为T1103。过热蒸汽进入减温器E1101，进行温度的微调。最终过热蒸汽压力为P1104，温度为T1104，流量为F1105。过热蒸汽出口管道上设调节阀V1105。燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104，燃料泵出口阀XV1102。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，变频器频率为S1101（被归一化到0100%之间），空气量为F1104。省煤器烟气出口处的烟气流量为F1107，温度为T1105。烟气含氧量A1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为T1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。1.3 仪表及操作设备说明系统中用到的检测仪表及执行机构具体说明见下表。表1-1 仪表查询表位号检测点说明单位位号检测点说明单位AI1101烟气含氧量%PT1101燃料压力MPaFT1101锅炉上水流量kg/hPT1102炉膛压力MPaFT1102去减温器的锅炉上水流量kg/hPT1103汽包压力MPaFT1103燃料流量kg/hPT1104过热蒸汽压力MPaFT1104空气量m3/sPT1106除氧器压力MPaFT1105过热蒸汽流量kg/hTT1101炉膛中心火焰温度FT1106软化水流量kg/hTT1102汽水分离后的过热蒸汽温度FT1107烟气流量kg/hTT1103进入减温器的过热蒸汽温度LT1101除氧器液位%TT1104最终过热蒸汽温度LT1102汽包水位%TT1105烟气温度表1-2 执行机构查询表位号执行机构说明位号执行机构说明V1101锅炉上水管线调节阀V1106软化水管线调节阀V1102直接去省煤器的锅炉上水管线调节阀PV1101除氧蒸汽管线调节阀V1103去减温器的锅炉上水管线调节阀S1101鼓风机变频器V1104燃料管线调节阀DO1101烟道挡板V1105过热蒸汽管线调节阀表1-3 开关阀查询表位号执行机构说明位号执行机构说明XV1101锅炉上水泵出口阀/截止阀XV1104汽包顶部放空阀XV1102燃油泵出口阀/截止阀XV1106通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管线阀表1-.4 手操阀查询表位号执行机构说明HV1101锅炉上水管线调节阀旁路阀1.4 锅炉系统控制要求1.4.1 满足生产指标在过热蒸汽产量稳定的前提下，保证蒸汽的温度与压力达到工艺要求，并维持在允许的波动范围之内。1.4.2 满足安全指标锅炉汽包水位、除氧器水位、炉膛压力、烟气含氧量等与系统安全相关的指标必须全程在允许范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定。各类生产过程中可能产生的异常要充分予以考虑。1.4.3 满足优化指标出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统的设计和实施中对能耗、碳排放等指标予以充分考虑。1.5 自然循环锅炉运行中各参量间耦合关系分析自然循环锅炉系统是一个强耦合的被控对象，其各参量之间存在着复杂的相互影响关系。只有充分分析它们之间的相互联系，各子系统才能得到良好的控制效果。本方案中应用符号有向图（Signed Direct Graph，SDG）来描述自然循环锅炉各参量之间的耦合关系。SDG是一种能有效描述变量间定性影响关系的图形化方法，它是由节点和节点间有方向连线构成的。其中源泉表示节点，对应过程的工艺变量或工艺参数；节点间的有向线便是节点间的因果关系，有向线的始端代表影响量变量，末端代表被影响变量。当有向线为实线，表示影响变量与被影响变量的变化同向；当有向线为虚线，表示影响变量与被影响变量的变化反向。图1.2表示自然循环锅炉的SDG模型，在下一章中将对各部分进行详细分析和具体的控制方案设计。图1.2 自然循环锅炉SDG模型第二章 自然循环锅炉控制方案设计2.1 除氧器压力、液位控制方案除氧器在锅炉系统中主要起到去除软化水中的氧气和二氧化碳、对上水预热、以及给水量储备、缓冲锅炉上水的作用。因此，除氧器内的压力和液位需要控制达到预期的指标，才能对上水进行彻底除氧，且具有一定的水储量，使锅炉正常、安全地运行。除氧器系统SDG模型如图2.1所示。图2.1 除氧器系统SDG模型2.1.1 除氧效果影响因素本系统采用的是热力除氧方法，即用除氧蒸汽加热给水，使软化水溶解气体的分压力降低，则溶解于水中的气体逸出。(1) 除氧器中的水温根据亨利定理，压力一定时，水的温度越高，气体的溶解度越小；同时，当水被加热至相应压力下的沸腾温度时，水溶解气体的分压力为零，则水不再具有溶解气体的能力，即溶解于水中的气体（包括氧气和二氧化碳）均被除去。(2) 除氧器压力压力越大，水的沸点越低，则水越容易沸腾，除氧效果越好。由于温度测量存在大迟延，而除氧蒸汽量对除氧器内压力影响的时间常数很小，所以选择对除氧器内蒸汽空间的压力进行控制，即控制除氧蒸汽的流量，来保证给水被加热到饱和温度，以此来达到除氧效果。2.1.2 除氧器压力控制通过除氧效果影响因素分析可知，为了得到良好的除氧效果，必须保证除氧器内的压力达到标准（一般为0.20.3MPa）。所以，除氧器内压力控制非常重要。2.1.2.1 影响因素分析(1) 蒸汽流量如果进入除氧器的工质的量或焓发生变化，除氧器的热平衡就会被破坏，从而引起除氧器内的压力发生变化。即影响除氧器压力的输入因素有除氧器进水流量和除氧蒸汽流量。对进入除氧器的水量和蒸汽量存在扰动的根源在于锅炉负荷的变化。这是由于一旦锅炉负荷发生变化，就会引起锅炉给水量随之变化，又因为除氧器具有保证锅炉给水储备量的作用，所以导致除氧器液位在负荷变化后的一段时间内变化，为了维持液位，除氧器的进水量随之波动，从而影响除氧器内的压力。因为除氧器的体积大，所以当除氧蒸汽调节阀的开度发生变化时，除氧器内的压力变化过程缓慢。但当蒸汽调节阀开度突然变化后的一小段时间里，由于除氧器内的蒸汽空间压力变化较快，因此这段时间里除氧器压力变化速度较快。(2) 除氧器内液位除氧器内的液位和压力之间存在一种负的耦合关系，即进水量越大，除氧器的气相压力下降得越厉害。所以，除氧器的进水量和锅炉给水量的扰动都能间接引起除氧器压力波动。(3) 除氧蒸汽及进水温度除氧器内的压力一定，除氧蒸汽温度越高，进水温度升高越快，则越易达到沸点；如果进入除氧器的水温度越高，则一定压力下水越易沸腾，除氧效果越佳。2.1.2.2 被控变量与操纵变量的选择被控变量：除氧器压力工艺要求。操纵变量：除氧蒸汽流量除氧蒸汽对除氧器压力有直接影响，用其调节除氧器压力反应速度快，时间迟延小。2.1.2.3 调节阀的选择PV1101是除氧蒸汽流量调节阀，一旦系统出现故障，使气源信号减弱，这时为了防止除氧器内的压力过大造成除氧器内的蒸汽外泄、管道破裂等危险，调节阀应关闭，所以选择气开式调节阀。根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。2.1.2.4 控制方案设计为了达到良好的除氧效果，除氧器内必须达到一定的压力，所以除氧器压力控制系统主要任务就是使除氧器压力保持稳定在设定值。通过动态分析可知，液位也影响除氧器的压力，如果锅炉负荷突然变化，或者除氧器进水量突然发生波动，导致除氧器液位变化，则压力也随之变化，所以只考虑除氧器压力的单回路反馈控制不能完全满足要求，因此加入了除氧器液位扰动的前馈控制回路，如图2.2所示。反馈回路主要用来消除除氧器压力的静态偏差，而前馈回路可以对液位变化快速反应，即可补偿由于除氧器液位扰动对除氧器压力造成的影响。图2.2 除氧器压力前馈控制系统进一步考虑到如果除氧器压力突然升高，由于存在迟延，水温不会立刻升高，则除氧效果将受影响；如果压力突然降低，则容易造成给水泵吸入压头不足，导致进入给水泵的会汽化，影响给水泵安全。为了防止除氧器在锅炉负荷变化时压力的突然变化，在系统中加入一个限幅模块，如图2.3所示。除氧器压力调节器输出调节阀开度的变化值，即。如果，则限幅模块的传递函数等于1，即调节阀开度增量的控制量为；一旦压力调节器的输出，为了能让压力不致突然变化，限幅模块令。图2.3 加入限幅模块的除氧器压力前馈控制系统如果除氧器内压力与设定值之间的偏差持续N拍都有，则可能是由于调节阀出现故障，或者压力调节器出现异常，这时除应该报警，并切换到手动模式进行压力调节。所以加入了自动/手动切换器，对压力偏差与进行比较，并对其拍数进行计数，一旦判断为异常，则自动切换至手动运行。系统结构如图2.4所示。压力报警部分将在“安全联锁系统”中详细介绍。图2.4 除氧器压力控制系统2.1.2.5 控制器正反作用的确定除氧器压力控制回路中，除氧蒸汽流量调节阀为气开式，为正作用，所以符号为正；当阀门开大时，除氧蒸汽流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以除氧蒸汽流量控制器为正作用。2.1.2.6 控制规律设计(1) 除氧器压力调节器通过控制方案设计，除氧器压力调节器的输出需要为调节器开度的变化量，所以压力调节器采用增量式PID控制规律。其控制算法的具体形式为(2) 前馈调节器设执行机构与除氧器对象的传递函数分别为，前馈补偿器的传递函数为，除氧器液位扰动传递函数为。加入前馈补偿后，扰动量来影响被调，即则加入前馈后除氧器液位对压力影响的传递函数为根据此式可以得到，如果补偿器的传递函数为则液位扰动对除氧器压力的影响为零，从而实现了完全补偿。本方案中设前馈补偿器的传递函数为起到动态补偿的作用。2.1.3 除氧器液位控制当锅炉负荷突然发生变化，锅炉需要的上水量增加，这时除氧器起到缓冲的作用，即除氧器中的软化水可以迅速补充锅炉较之前变大的上水量，及时满足锅炉的生成要求。因此，除氧器的液位会经常因为锅炉运行工况的变化而波动，同时，除氧器液位控制又存在较大的延时特性，给调节工作带来困难。2.1.3.1 除氧器液位影响因素(1) 进水量和锅炉给水量如果将除氧器看作一个单容容器，则除氧器液位是由进水量和出水量的差值决定的。如果进水量和出水量恒等，则除氧器液位就维持在一定高度，即动态平衡过程。一旦物质平衡被打破，即进水量和给水量相对应的关系被打破，则除氧器液位就随之波动。(2) 除氧器压力考虑到除氧器里压力变化对液位造成的影响，由于水沸腾时水位下产生大量气泡，而当除氧蒸汽流量减小时，除氧器里的压力降低，则液面下的气泡膨胀，导致除氧器液面上升，出现“虚假水位”。2.1.3.2 被控变量与操纵变量的选择被控变量：除氧器水位工艺要求。操纵变量：进水流量由上述分析可知，进入、流出除氧器的软化水流量都可以直接控制除氧器内的液位。但锅炉运行过程中，上水量经常发生变化，如果用流出流量作为除氧器液位操纵变量，势必会影响锅炉上水量，进而使汽包水位、过热蒸汽流量、温度、压力发生波动，影响蒸汽的质量和产量、以及锅炉的稳定运行。所以为了维持除氧器液位保持不变，必须调节进水量跟踪锅炉给水量的变化，使进水量和给水量动态恒等，以达到除氧器内液位的动态平衡。2.1.3.3 调节阀的选择V1106是除氧器进水流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止锅炉发生干烧危险，应保证有水进入锅炉，调节阀应处于打开状态，所以选择气闭式调节阀。根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。2.1.3.4 控制方案设计(1) 三冲量串级控制系统如单从物质平衡角度考虑，则只要保证进入和流出除氧器的水量相等，除氧器液位达到一个动态平衡，就可以使除氧器水位保持不变。因此，采用比值控制方法调节除氧器进水量跟踪出水流量，即锅炉上水流量。但对于闭环系统来说，同时需要考虑除氧器水位，这样可以避免进出水量测量不准确或由于管道泄漏等情况造成的给水量和出水量间比值不确定带来的偏差。从而采用三冲量控制方法控制除氧器水位，即控制系统中同时引入除氧器水位、进水量及锅炉上水水量三个测量信号。除氧器水位的反馈值可以在锅炉稳定工况时消除除氧器水位的静差，但会在锅炉负荷变化时造成“虚假水位”。而比值控制方法的引入，由于其不依赖于除氧器水位，所以在一定程度上可以缓解“虚假水位”造成的误操作。考虑到单级三冲量控制系统对信号的静态配合要求严格，到当出水量较大时易使系统出现静态误差，且整定较为困难。因此采用串级三冲量除氧器水位控制系统，系统方框图见图2.5。串级控制系统的内环副调节器主要用于迅速抵消进水量的扰动，外环主控制器主要用于消除除氧器水位静差。图2.5 除氧器水位三冲量串级控制系统(2) 单回路控制系统但考虑到在给水流量较低时，不能保证流量测量的准确性，如此时再以给水流量为标准按比例调节进水流量，就很可能造成除氧器内液位波动。因此，在给水流量小于时，应采用单冲量单回路控制，即仅以除氧器液位作为反馈量。单回路系统方框图如图2.6所示。图2.6 除氧器水位单回路控制系统根据以上分析，当给水流量小于时，除氧器液位控制系统切换至单回路控制系统；当给水流量大于时，除氧器液位控制系统切换至三冲量串级控制系统。包括两个液位调节器的除氧器液位控制完整系统方框图如图2.7所示。图2.7 除氧器水位控制系统(3) 调节器的无扰切换为了避免给水流量在切换点附近切换，导致调节器反复切换，所以设置了两个切换流量阈值（），即给水流量；并且每个调节器中都设置了死区，即当给水流量从一个切换区间变换到另一个切换区间时，调节器不会立刻切换，而是保持当前调节回路继续运行，而只有给水流量在该区间停留一段时间（设为10个采样时间）后，才切换到另一个调节回路。这样可以有效地避免给水流量不稳定而导致的调节回路反复切换造成的控制系统不稳定。图2.8是调节回路切换时序示意图和流程图。1表示调节回路处于运行状态，0表示调节回路处于待运行状态。在t1时刻给水流量超出一个阈值（或），但未进入另一个状态区间（），则仍保持当前调节器运行；如果给水流量继续变化，直至进入另一个状态区间（或），且10个采样周期后给水流量仍停留在该区间，则此时调节器切换。105(a)(b)图2.8 调节器切换时序示意图要进一步实现三冲量串级控制和单回路控制的无扰切换，当单回路调节器运行时，串级三冲量调节器的输出（图2.7中的“进水流量调节器”输出）跟踪单冲量调节器的调节输出（“水位调节器2”输出）；三冲量串级调节器运行时，单回路调节器的调节输出（“水位调节器2”输出）跟踪三冲量串级调节器的输出（“进水流量调节器”输出）。除此之外，还需要考虑开车阶段，除氧器手动充水和自动调节之间的无扰切换：当手动充水时，首先令两个调节回路的调节器的设定值跟踪除氧器液位的测量值；其次控制调节器的输出，令其跟踪阀门开度，以此保证手动充水和自动调节无扰切换。2.1.2.5 控制器正反作用的确定主、副控制器的正反作用的确定顺序为先副后主原则。则除氧器三冲量串级控制回路的主、副控制的正反作用的判定：副回路：除氧器液位控制回路中，除氧器进水流量调节阀为气闭式，为负作用，所以符号为负；当阀门开大时，除氧器进水流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以除氧器进水流量的比值控制器为负作用。主回路：将副回路看作正环节；测量变送器的符号为正；在没有给水流量干扰情况下，进水流量增大时，除氧器的液位升高，所以被控对象为正作用，符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以主控制器为负作用。除氧器液位的单回路控制器正反作用的判定：除氧器液位控制回路中，除氧器进水流量调节阀为气闭式，为负作用，所以符号为负；当阀门开大时，除氧器进水流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以除氧器进水流量控制器为负作用。2.3.4.6 控制规律设计本方案的除氧器液位控制系统中的两种给水流量情况下的主水位调节器采用单神经元PI控制规律，在正常给水流量对应回路的副调节器采用P控制规律。具体选择原因及单神经元控制规律的实现方法如下：由于除氧器不仅有热力除氧和二氧化碳的作用，还起到给锅炉上水缓冲的作用，锅炉工况的改变很可能影响给水量，从而影响除氧器液位，即除氧器液位控制系统中存在快速扰动（即给水量波动），而除氧器又是一个大滞后系统，因此，常规的PID控制方法难以达到期望的效果。同时考虑到除氧器液位中的软化水处于沸腾状态，所以液位测量的噪声较大，因此不易加入微分作用。综上，针对除氧器液位存在的大滞后和快速扰动，方案中的三冲量串级调节回路及单冲量调节回路的液位调节器均采用单神经元PI控制规律。PID控制器是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统，然而对于此具有非线性、时变不确定性的系统，难以建立精确的数学模型，应用常规的PID控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况适应性差，然而具有自学习和自适应能力的单神经元算法所构成的单神经元自适应PID控制器，不但结构简单，而且能适应环境的变化，具备较强的鲁棒性。单神经元PID控制器单神经元PID控制器具有现场调整参数少、易于现场调试的重要特点，能较大地改善典型非线性时变对象的动态品质，适应控制对象的时变特性，保证控制系统在最佳状态下运行，控制品质明显优于常规PID控制器。其结构图如图2.9所示图2.9 单神经元PID控制器结构图对于增量式PID，控制规律可以表示为令单神经元的三个输入量分别为则有表示k时刻系统的输出增量，即误差的一阶差分；表示k时刻的误差；表示k时刻误差的二阶差分。对于增量式单神经元PID控制规律的表达式为其中为神经元的可调比例系数，权重系数的学习规则为其中，、分别为比例、微分和积分项的学习速率。则单神经元构成的PID规律结构中分别表示比例、微分和积分项的权重系数，可以通过神经元的自学能力来进行自调整。因此，单神经元PID控制器实为在线自整定PID控制器。单神经元自适应控制器是通过加权系数的调整来实现自适应、自组织功能的，权重系数的调整可以通过不同的学习规则，从而构成不同的控制规律。权重系数的调整按有监督的Delta学习规则来实现。2.1.4 除氧器控制系统P&ID图图2.10 除氧器调节系统P&ID图2.2 汽包水位控制方案汽包液位是蒸汽锅炉运行中一个非常重要的控制参数，它可以间接反映锅炉负荷与给水平衡的关系。维持汽包水位正常时保证锅炉和下级设备安全运行的必要条件，如果汽包液位过高，使蒸汽带液，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分含量过多，导致过热器管壁结垢而被烧坏，也使过热蒸汽温度急剧变化，直接影响下级设备的稳定运行；汽包液位过低会影响汽水循环，严重时甚至可使加热水管局部受热而导致严重的事故。而且汽包的给水量也不应该剧烈波动，以免影响省煤器和进水管道的安全。2.2.1 汽包水位影响因素汽包水位是一个非自衡过程，饱和蒸汽是由进入汽包中的软化水通过吸收炉膛辐射热而蒸发产生的，即当给水量和蒸发量达到物质平衡时，汽包水位就维持在一定高度。但需要注意的是，锅炉水循环系统中的水夹带着大量的蒸汽气泡，这些气泡的总体积受到汽包内压力和过热蒸汽流量（即锅炉负荷）的影响，导致即使水循环系统中的总水量没变，而气泡总体积一旦变化，汽包水位也会随之变化。(1) 给水流量如果汽包的给水量突然出现扰动而增加，一方面由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，刚刚进入汽包的给水会吸收原有饱和水的一部分热量，从而减少蒸汽量，水面下的气泡总体积也相应减小，汽包水位下降。但是，从单容系统的角度考虑，不考虑气泡的影响，则给水量增加势必使汽包水位上升。两种情况叠加即得到给水量增加时，汽包水位经过一段迟延后趋于单容系统规律而上升，迟延的时间随着给水的过冷度越大而越大。(2) 锅炉负荷如果过热蒸汽流量（即锅炉负荷）突然出现扰动而增大，一方面汽包内的物质平衡状态被打破使水位下降；另一方面，由于锅炉出口的过热蒸汽量增加，迫使锅炉内的气泡增加，而燃料量不可能瞬间随之增加，这使汽包内的压力减小，水面下的气泡膨胀，总体积增大，导致水面上升，出现“虚假水位”。两种情况共同影响汽包水位，使汽包中出现“虚假水位”现象，导致锅炉负荷增大时汽包水位先上升一段时间后才开始下降。虚假水位会导致给水调节机构的误操作，使汽包水位波动剧烈，严重影响设备的安全和寿命。这说明蒸汽流量扰动是影响汽包水位至关重要的因素之一。(3) 燃料流量如果燃料量出现扰动增加，则饱和水吸收的热量增大，使锅炉负荷的蒸汽量增加，同样会导致出现“虚假水位”。但水循环系统中的水量比较大，且汽包和水冷壁有一定的储热能力，使系统有一定的热惯性，蒸汽量增加缓慢。且蒸汽量缓慢增加的同时汽包内的压力也会随之缓慢增大，使水面下的气泡体积变小，汽包水面下降。两种情况综合考虑，则燃料量的增加出现的汽包“虚假水位”较蒸汽流量扰动下要缓和得多。因此汽包水位控制过程中可认为燃料量是间接扰动。汽包水位系统SDG模型如图2.11所示。图2.11 汽包水位系统SDG模型2.2.2 被控变量与操纵变量的选择被控变量：汽包水位工艺要求。操纵变量：给水流量给水流量可以直接影响汽包水位，调整控制方便。2.2.3 调节阀的选择V1101、V1102是汽包上水流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止锅炉发生干烧危险，应保证汽包内有一定的水储量，故调节阀应处于打开状态，所以选择气闭式调节阀。根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。2.2.4 控制方案设计如单从物质平衡角度考虑，则只要保证汽包中的给水量与蒸发量恒等，汽包中达到一个动态平衡，就可以使汽包水位不变，因此可以采用比值控制方法调节给水量跟踪蒸汽量。但对于闭环系统来说也要同时考虑汽包水位，这样可以避免蒸汽量和给水量测量不准确或由于管道泄漏等情况造成的给水量和蒸汽量间比值不确定带来的偏差。从而采用三冲量控制方法控制汽包水位，即控制系统中同时引入汽包水位、给水量及过热蒸汽量三个测量信号。汽包水位的反馈量可以在锅炉稳定工况时消除静差，但会在锅炉负荷变化时造成“虚假水位”。而比值控制方法的引入，由于其不依赖于汽包水位，所以在一定程度上可以缓解“虚假水位”造成的误操作。考虑到单级三冲量控制系统对信号的静态配合要求严格，到当负荷波动较大或给水压力不稳时易使系统存在静态误差，且整定较为困难。因此采用串级三冲量汽包水位控制系统，系统方框图见图2.12。内环副调节器主要用于迅速抵消给水量的扰动，外环主控制器的任务是消除锅炉负荷扰动的同时将汽包水位无静差地维持在期望高度。图2.12 汽包水位三冲量串级控制系统以上控制系统是在锅炉处于正常平稳的工况下设计的。进一步考虑当锅炉在开车、停车或机组发生故障时，锅炉处于低负荷运行，给水和蒸汽流量测量精度不能保证，且排水、疏水等操作较多，使蒸汽量和给水流量不能正确反映汽包输入输出的物质平衡关系。因此在原汽包水位控制系统中加入一个只引入水位信号的单级单冲量控制系统，在锅炉负荷低于25%时启用。以及一个控制回路选择器，根据蒸汽流量判断当前的运行状态，判断选择应用哪个水位调节器。其控制系统方框图如图2.13所示。图2.13 汽包水位控制系统方框图2.2.5 控制器正反作用的确定汽包水位三冲量串级控制回路中，根据主、副控制器的正反作用的确定顺序为先副后主原则，首先确定其副回路给水流量控制器正反作用：副回路：汽包液位控制回路中，除氧器进水流量调节阀为气闭式，为负作用，所以符号为负；当阀门开大时，汽包上水流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以汽包给水流量控制器为负作用。主回路：将副回路看作正环节；测量变送器的符号为正；上水流量增大时，除氧器的液位升高，所以被控对象为正作用，符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以主控制器为负作用。汽包水位控制单回路中，除氧器进水流量调节阀为气闭式，为负作用，所以符号为负；当阀门开大时，汽包上水流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以汽包给水流量控制器为负作用。2.2.6 控制规律设计汽包水位控制系统在锅炉正常工况下采用三冲量串级控制方法，串级回路中包括水位调节器1和给水调节器，分别采用免疫PID控制和免疫P控制规律。在此基础上考虑到锅炉处于低负荷运行情况，加入单级控制回路，从而增加了一个水位调节器2，采用PID控制规律。2.2.6.1 串级系统主调节器控制规律给水流量调节器采用免疫PID控制。(1) 生物系统的免疫机理将生物免疫原理与常规PID控制相结合，互相取长补短，在系统稳定的前提下快速消除偏差尽可能使系统超调较小，提高系统的控制性能，这与免疫响应过程是一致的。生物免疫的原理是：当抗原进入机体并经周围细胞消化后，将信息传递给TH 细胞（辅助T细胞）)和TS 细胞（抑制T细胞，用于抑制TH 细胞的产生)，然后刺激B细胞。B细胞产生抗体以消除抗原。当抗原较多时，机体内的TH 细胞也较多，而TS 细胞却较少，从而会产生较多的B细胞。 随着抗原的减少，体内的TS 细胞增多，抑制了TH 细胞的产生，则B细胞也随着减少。经过一段时间后，免疫反馈系统便趋于平衡。各细胞间相互作用示意图如图2.14所示。免疫反馈机理对抗原的快速反应和稳定免疫系统，可以使抑制机理和主反馈机理之间相互协作。图1.14 生物免疫系统示意图B细胞分泌杀伤细胞，杀伤细胞的浓度作为免疫系统的控制输入。B细胞既受到TH细胞的活化，又受到TS细胞的抑制，第k代B细胞的浓度可表示为T细胞浓度为TS细胞浓度为其中，为第k代抗原浓度；为TH细胞的促进因子；为TS细胞的抑制因子。是TH 细胞的刺激因子,符号为正。其中是TS细胞的抑制因子,符号为正。TS细胞抑制其他细胞活动，可以将该功能应用到反馈控制。d为免疫响应延迟的代数；表示B细胞的浓度变化；为一函数，与有关，表示第k-d代时B细胞分泌的抗体与抗原相互作用后的免疫效果；这里选为其中，用来改变函数形式。对任意，。对于不同，的输入输出关系如图2.15所示。由图2.15可知，越小，变化越剧烈；抗体的变化越大，变化越剧烈。图2.15 与的关系杀伤细胞的浓度由B细胞活动的微分给出，则杀伤细胞的浓度为其中，。此式即为免疫反馈规则。可以看出，控制反应速度，为控制稳定效果的抑制参数。(2) 免疫PID控制常规PID控制算法为基于前述免疫反馈规则，可得免疫PID控制器方法，即以外部物质量作为偏差，B细胞接受的总刺激（反映杀伤细胞浓度）作为控制输入，若将免疫控制器和常规PID控制器串联，则得到免疫PID控制规律式中表示响应过程中不同阶段的免疫调节作用。表示免疫促进；表示免疫抑制；表示免疫稳定。抗原可理解为控制系统中的偏差，定义为大偏差阈值，为小偏差阈值。传统PID控制加入免疫机理的作用是：响应初期，系统中出现大偏差（），对应免疫初期阶段，令，免疫部分起促进控制作用，系统迅速响应，以快速减小偏差；响应中后期，偏差减小（），对应免疫抑制阶段，为避免产生大超调，令；响应末期，系统只有小偏差（），对应免疫稳定阶段，令。免疫PID控制器的输出根据动态响应过程中偏差和偏差的变化率进行修正，从而改善了控制性能，提高了控制质量。免疫PID控制器结构简单、控制结构明确，且控制器参数连续变化，较易于工程实现。2.2.6.2 串级系统副调节器控制规律因为内环副参数并不要求无差，且需要快速的反应速度。考虑到便于系统的实现和维护，内环采用比例P控制器。2.2.6.3 单回路系统水位调节器控制规律因为在规律开车、停车或出现故障而规律负荷减小的情况下锅炉不能正常工作，此时汽包内的物质平衡状态可能发生剧烈变化，保持汽包水位防止锅炉干烧十分重要。采用免疫PID控制规律进行控制，具体设计方法如水位调节器1。2.2.7 汽包水位控制系统P&ID图图2.16 汽包水位控制系统P&ID图2.4 锅炉燃烧系统控制方案锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性且耦合严重的对象，调节参数与被调节参数之间存在许多交叉影响。当其中任一个参量改变时，其他参量都会受影响。因此，本方案将锅炉燃烧系统分成相对独立的四个调节对象，相应地设计相对独立的调节系统，考虑到锅炉正常运行时的各项指标，分别设计了过热蒸汽压力控制系统、过热蒸汽温度控制系统、烟气含氧量控制系统、炉膛负压控制系统。2.4.1 过热蒸汽压力控制过热蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。2.4.1.1 过热蒸汽压力影响因素过热蒸汽压力的变化是由于锅炉的热平衡失调所引起的。影响热平衡的主要因素是燃烧热和蒸汽热。(1) 燃料量影响燃烧热最主要的因素就是进入炉膛的燃料量，燃料量越多，其产生的燃烧热也就越多。锅炉正常运行时，如果进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛内的发热量会立即改变，由于软化水吸收的热量越多，蒸发量也就越大，汽包内的蒸汽量也会增多，所以蒸发部分可以看作是一个热容积，而反映储热量多少的主要参数是汽包压力。当炉膛发热量Q和蒸汽流量D所带走的热量不相等时，蒸汽压力就要发生变化，且压力的变化快慢随热量不均等的程度越大而越快。(2) 空气量同时，对于等量的燃料，燃料的燃烧效率同样影响着燃烧热的产生，当达到最佳空燃比时，燃料的燃烧率最大。即使燃料量没有变化，如果鼓入炉膛的空气量变化，将使燃料的燃烧率变化，当空气量适宜，燃料得到充分燃烧，则蒸汽得到的辐射热和气相升温阶段的传热都将变化，导致过热蒸汽的温度发生变化。且蒸汽和饱和水得到的绝大部分热量都来自炉膛。除此之外，省煤器中的烟气也是由炉膛燃料燃烧产生的，影响饱和蒸汽和软化水温度的同时间接影响过热蒸汽的温度。因此炉膛中的燃烧工况对过热蒸汽的温度起着直接的影响，且反应速度较快。(3) 过热蒸汽流量如果过热蒸汽流量增大，则汽包内的蒸汽量减小，使汽包内的压力变小，从而过热蒸汽出口压力也会随之减小。(4) 过热蒸汽温度过热蒸汽温度是衡量蒸汽热的直观标准。当蒸汽流量一定时，过热蒸汽压力和温度存在同向的变化趋势：蒸汽温度越高，说明蒸汽携带的能量越多，则过热蒸汽的压力也就随之增大。过热蒸汽的温度和压力都是锅炉蒸汽质量的重要指标，都需要维持在一定范围内。过热蒸汽压力系统的SDG模型如图2.17所示。图2.17 过热蒸汽压力系统的SDG模型2.4.1.2 被控变量与控制量的选择被控变量：过热蒸汽压力工艺要求。操纵变量：燃料流量、（空气流量）为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化，以尽量保持热量平衡。同时，根据设定值与蒸汽压力之间的偏差来适当调节燃料量以满足蒸汽压力范围。在本锅炉系统中，由于过热蒸汽温度可以用减温器进行微调，且考虑到过热蒸汽温度与压力之间的关系，采用燃烧热跟随蒸汽压力的变化，用燃料流量来控制锅炉的燃烧热。同时，燃油的燃烧效率同样影响燃烧热的产生，所以必须考虑鼓入的空气量，以达到最佳空燃比。但燃油的燃烧效率同时也影响着烟气的含氧量，且燃油流量是蒸汽压力的主要控制量，而烟气含氧量直接反映了空气流量是否适宜，因此采用燃油流量作为蒸汽压力的操纵量，而空气流量在烟气含氧量控制系统中具体设计。燃料量可以直接改变炉膛中的热量，且延时和惯性很小，从而改变蒸发量，影响过热蒸汽压力，反映速度较快。2.4.1.3 调节阀的选择V1104是燃油流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止再有燃油进入炉膛继续燃烧，应切断燃油进量，故调节阀应处于关闭状态，所以选择气开式调节阀。根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。2.4.1.4 控制方案设计通过控制量的选择部分的分析可知，当燃料流量变化时，燃烧热随即变化，即炉膛温度也立即变化，几乎没有惯性和延迟。因此燃料流量变化时炉膛温度变化比蒸汽压力超前得多，且惯性时间常数也比较小。因此，方案中蒸汽压力的控制系统采用串级控制方法。副回路中应该包含系统的主要干扰，且包含的干扰应尽量多，这样副回路可以快速反应，消除主要干扰；又考虑到炉膛的温度测量不能保证准确，只能作为参考值，所以不能选炉膛温度作为副回路。综上，过热蒸汽压力控制系统采用燃料流量作为副回路。这是因为燃料量是决定燃烧热的主要因素，如果燃料量保持稳定，则燃烧热，即炉膛温度也就随之稳定。以蒸汽压力为主控参数，用来消除过热蒸汽流量波动引起的干扰，消除蒸汽压力静差，从而与副回路组成热负荷控制系统。过热蒸汽压力控制系统结构如图2.18所示。图2.18 过热蒸汽压力控制系统结构图通过动态分析可知，燃料的燃烧效率同样影响锅炉的燃烧热。为了使燃油充分燃烧，达到“低碳”理念，需要排除的烟气中的含氧量在一定范围内，即燃油与空气量维持最佳空燃比，所以还需加入燃油量空气量的比值控制环，结构如图2.19所示。由于燃料量直接影响过热蒸汽压力，且空气量的供给相对容易，所以采用空气流量来跟随燃料量来组成燃油量空气量的比值控制器。当鼓入炉膛的空气量和燃油量达到最佳空燃比时，燃油的燃烧效率最高，即过剩空气量最低，则排烟中的含氧量也就最适宜，因此烟气含氧量反映了燃油的燃烧效率。所以，过热蒸汽压力控制系统中的燃油量空气量的比值控制与烟气含氧量控制之间存在联系。本方案中用燃油量作为蒸汽压力的调节变量，而用空气量跟随燃油量变化来控制烟气的含氧量。所以空气流量控制涉及到排烟含氧量调节的问题，因此这部分的主要设计方案将在烟气含氧量控制部分详细说明。图2.19 过热蒸汽压力燃油-空气双闭环比值串级控制系统结构图2.4.1.5 控制器正反作用的确定过热蒸汽压力串级控制回路中，根据主、副控制器的正反作用的确定顺序为先副后主原则，首先确定其副回路燃油流量控制器正反作用：副回路：燃油流量调节阀为气开式，为正作用，所以符号为正；当阀门开大时，燃油流量增大，所以被控对象为正作用，符号为正；测量变送器的符号为正；偏差符号为负；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以汽包给水流量控制器为正作用。主回路：将副回路看作正环节；测量变送器的符号为正；燃油流量增大时，过热蒸汽压力升高，所以被控对象为正作用，符号为正；为使控制系统稳定，必须保证系统构成负反馈，所以主控制器为负作用。2.4.1.6 控制规律设计(1) 副调节器内环需要起到快速消除内扰的作用，且不要求无差，所以此阶段燃料/空气流量控制回路的副调节器选择P控制算法。(2) 主调节器过热蒸汽的压力是典型的分布参数对象，对于定参数运行的锅炉而言，锅炉工作的额定压力与安全阀启跳压力相差很小，在锅炉负荷大幅度变化时，过热蒸汽压力控制采用传统的PID方法难以进行有效的控制。模糊控制算法是基于知识的控制器，具有一定的智能性。将模糊控制规律与PID控制相结合，一方面可以使PID控制器具有模糊控制的智能性，又可以利用PID的强鲁棒性应对工况的变动；另一方面还可以使模糊控制具有确定的控制结构，且控制结构易于实现，而模糊规则的制定是靠操作知识和经验，不要求被控对象的模型已知。主控制器模糊PID控制器的结构图如图2.20所示。图2.20 模糊PID主控制器结构图常规PID控制算法表达式为PID控制器的参数可以根据过程的运行状态，即过热蒸汽压力的偏差，及相应的变化率来自动调整，调整的方法可采用如下模糊校正规则：其中、分别是以压力偏差及偏差变化率为论域的模糊集合；、和分别是以比例、微分和积分时间为论域的模糊集合。分别对、和进行规范化。设其变化范围分别为、和。则规范化后的比例、微分和积分时间为：其中、和分别为比例时间因子、微分时间因子和积分时间因子，均在0,1内变化。显然确定了、和就可获得调节器对应的、和。则模糊规则变为规则前提部分和的词集为NB，NM，ZO，PM，PB（分别代表负大、负中、0、正中、正大），论域为-6，6。隶属度函数的分段线性函数如图2.21所示。规则结论部分、和的词集为Z，S，M，B（分别代表0、小、中、大），论域为0，6。隶属度函数的分段线性函数如图2.22所示。图2.21 规则前提隶属度函数图图2.22 规则结论隶属度函数图根据PID参数整定经验，制定控制规则表如表2-1。表2-1 模糊PID控制规则表(a) 模糊规则表ECNBNMZOPMPBENBMBBBMNMSSMSSZOSMBMSPMSSMSSPBMBBBM(b) 模糊规则表ECNBNMZOPMPBENBZZZZZNMSMMMSZOMBBBMPMSMMMSPBZZZZZ(c) 模糊规则表ECNBNMZOPMPBENBSSZSSNMMMSMMZOSMBMSPMMMSMMPBSSZSS由第K个采样时刻的压力偏差及其变化率，并结合图2.21可以得到模糊集和的隶属度和。对于第i条规则，其结论的真值取为则从图2.22中可确定、和。K时刻的PID控制器参数可计算得：Smith预估补偿器：设计中，为方便表达，设炉膛中的温度变化影响到过热蒸汽温度变化的延时为，则有与间的传递函数其中是除去延迟环节后的传递函数。设Smith预估补偿器的传递函数为，补偿后的传递函数为两部分并联，且不应含有延迟，则有从而得到Smith预估补偿器为2.4.2 过热蒸汽温度控制锅炉系统中，过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏；过热蒸汽温度过低则会降低全厂的热效率，且会加剧下级设备的叶片侵蚀。一般要求过热蒸汽温度保持在5范围内。2.4.2.1 过热蒸汽温度影响因素过热蒸汽温度系统是