（电气工程专业论文）电站燃烧控制系统优化设计研究.pdf

abs tract p 匕 w erpl ant isthe p l 毋 w b e re血 boiler lr a ns fe 血 e 爪 们 盯妙9加爪 b 山 卫 in gin to此 皿阅 盯 四刃in fo 比 ing ste so the b 也 社 in gsy s te m isv 了 远 吓川 皿t for p o w erp 如t to杯 伪 往 吐 让 加 g the b 盯 恤 qgs y s 让 inisqu此c 叨甲 挽 x 血 比 企 tos 让 窟 m 户 re s s 闭 y s te m b 山 卫 in g 心 sy难man d so呱 t bj p 即 耽胡目 yse s thc s tr 比 口 re朗 d c o n 石 切 记 s of恤 山ti o 侧 目b u n n g system 粗d poin tsout 阮 如五 加i on 胡 d bogs on the b as isof阮 故 闭 y sis the p al 咒 r p u 角图 心50业 n 址 国 山 t 皿 岭 宜 to opd 口 山 公 由 e rrl 伪n 七 鲜 沁 5 吨 山 ed 断c u lty in 在 峪 韶 u n n g the pr 哪 rti o n 忱 twee n coal胡 d air thc p 即 耽studies g a li n k w ith b p 朋 也 习netw o rkto6 n d the 比s t p r oi rt 1 onbetween c o alad d air t b e s u n u 1 a t i o n s hows 比 a t tb e a d th m e d c c anco 明山 沈 山 迸 m c u l t y in山 义 1 成 恤 9 伽 p ro pod i o n bet w een co公 阳d ai 二w ith g r e at姗 and g 以 对肠化歹 u n d k e y w o r ds 忆 别 吐 co n 立 d l s y s te m c 七 叱t i c al g o ri 止 ln i p rop o rt i o n bet w e e n coaland air ne ula l n e 七 邢 o rk 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本学位论文中 除了 加以 标注和致谢的部分外 不包含其他人已 经发表或公布过的研究成果 位或学历而使用过的材料 也不包含我为获得任何教育机构的学 与我一同工作的同事对本学位论文做出 的贡献均已在论文中作了明确的说明 研究生签名 里攀一 飞 衬 阵 阳 月矛 泊 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借 阅或上网 公布本学位论文的 全部或部分内容 可以向 有关部门或机 构送交并授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内 容 对于保密论文 按保密的有关规定和程序处理 签 里 丝 盛 多 哪 年 明多日 工程硕士论文 电站姐烧控制系统优化设计研究 引言 课题研究背景和现状 电站的运行过程就是锅炉将嫌料嫩烧的热量转换为气轮机做功所需要蒸汽 的 过程 是一个能量转换 传递的过程 可见燃烧控制系统 是火电厂运行中极为 重 要的一环 研究嫌烧控制系统的设计是否合理以及 燃烧控 制系统的优化具有非 常重要的现实意义 锅炉 燃烧系统的控制任务主要包括三个调节任务 即 1 维持气压 指蒸 汽中的主气压 恒定 2 保持最佳空嫩比 3 保证炉膛恒定的 微负压 与此 相应 有三个控制回路分别调节给煤量b 送风量 af 和引风量e g 从而构成 了多参数的嫩烧过程控制系统 它包括 1 给煤控制 系统 从 气压对象的动态特性可知 它们都近似单容特性 是 一个易 控对象 但是 考 虑到大型单元机组容量大 各部分之间联系密切 相互影响很 大 尤其是燃料 品种的多变 投 入燃料 供给装置的台 数不同 等因素对系统的影响 因 此一般需单 独设计一个给煤量控制系统 实质是主 汽压控制系统 2 送风控制系统 为了使锅炉适应负荷的 变化 必须同时改变送风量和给煤量 恰能满足完全 然 烧所需的空气量只取决 于燃料的元素分析 称为理论空气量 一 般实际送风量 都要比 理论空 气量大 一些 用过量空 气系数a 来衡量 有时又称为空燃比 送风 控制系统的最终任务 是达到最高的锅炉燃烧热效率 3 负压控制系统 引 风控 制系统 负压控制系统的 任务 在于调节烟道引 风机导叶开度 以 改变引 风量 维持炉 膛负压一定 锅炉烟道对象惯性很小 调节通道和扰动通道的特性都可近似的认 为是一个比例环节 这是一类特殊的被控对象 简单的单回路控制系统并不能保 证被控制量 因为被调量反 应太灵敏以 至会激烈波动 电 厂锅炉 燃烧控制系 统主要包括主蒸汽压力控制系统 风煤交叉限制回路 煤量控制系统以及 送 引风控 制系 统 对于目 前国内电厂的主蒸汽压力控制系统 大多采用基于直接能量平 衡d e b的 控制方案 对于中间仓储式制粉系统锅炉 第 1页 共 51 页 工程硕士论文电站您烧控制系统优化设计研究 从改变给粉 机转速到引 起主蒸汽压力变化的速度较快 若采用d e b方 案 只要 控制系统的 参数整定的合适 压力控制系统可以获得满意的品质 然而 很多电 厂尽管采 用了d e b方案 但由 于参数选择不当 在变负荷过程中仍要切1 层或 2 层至 手动 通过手动协 助维持主蒸汽压力 有些机组的 压力控制 系统则难以 有 效消除 给粉自 流造成的压力波 动 这些 缺陷 都可以 通过对压力 控制系统的优化调 整来消除 1 文献3 介绍了 一种 基于直 接能量 平衡来调节锅炉的负 荷指令的d e b 控制系统 该d e b控制系统比 直接采用压力偏差信号的 单回路控制系统的品质 要好 这种品质的 改善 主要体现在两个方面 一方面是由 于内回 路的 存在 使 deb控制系统能较好地克服姗 烧率的自 发 性扰动 另一方面是由 于内回 路改善 了 导前对象的特性 从而也能改善控制系统的 稳定 性 对于直吹式制粉系统锅 炉 从调节给煤机转速到引起主 蒸汽压力变化往往具有较大的 滞后 导致机组 在变负 荷时压力波动较大 对这类压力控制系统的 优化 一方面可加强锅炉负荷 指令的 前馈作用 可采用比 例微分p d 并加强 微分作用 去掉控制系统中不必 要的迟 后环节 但由 于前馈 等环节的改变均是在闭 环回路 之外 不会改善控制系 统的 稳 定性 进一步的优化 应采 用先进的控制方法 1 文献 5 介绍了 一种 采用内 模控制 结构设计法的 s n ti th 预测控制器应用于 锅炉主蒸汽压力控制中 该控制器在 330 入 n 万机组主 汽压力自 动控制系统进 行了 调试并收 到了很 好的 效果 但是对于中 储式 煤粉炉燃烧控制系统采用d e b控制也有其不 足之 处 当串 级系统用于控制 惯性时间 较长的的被控对 象时 品 质的改善程度总是有限的 所 以d e b系统在控制某些3 xjm w或 以 刃 mw机组难获得较满意的品质 针对此 不足 本文将对控制惯性时间 较长的 被控系统进行优化设计 采用预 测控制技术 控制3 x m w及更高 机组的主 蒸汽 压力 控制系统 使 其在控制惯性时间 较长的被 控对象时仍能或得较 好的品 质 当前国内2 田n n v 及以 下 容量 机组送 引 风控制 系统的投 运效 果往往 不是很 理想 自 动投不好的原因 有以 下几个方面 1 由 人为因素造成 正常情况下运 行人员 对送 引风的操作很少 因此 除非送 引风控制系统投的很 理想 否则 运行人员 不太愿意投入送 引风控制系统 2 炉膛负压过于灵敏 炉膛负压过 于 灵敏体现在两个方面 一是对扰动量主要 是对送风量的改变相当 灵敏 当 送风 控制系 统投入运行后 风量 必须根据机组负荷和氧 量情况 加以调节 送风 量的改 第 2页 共 51 页 工程硕士论文 电站遂烧控制系统优化设计研究 变会对炉膛负压产生 很快很大的 影响 若引风控制系统不及时调节 炉膛负压必 定会超出允许范围 第 二个灵敏问题是 液力祸合器 位置的变 化对炉 膛负压过于灵 敏 针对 以上不同问题要采用不同的优化策略 l 由 于送 引风被 控对象一般是一个一阶惯性环节 从动态 特性来说 这 是一个较好控制的对 象 对这两个控制对象不必 采用如模糊控制等复杂算 法来完 全替代常规p id 控制系统 可行方法是在常规 p id 控制系统基础上适当增加运 行人员的操作经验 以 解决锅炉炉膛负压的灵敏性问题 对送风 控制系统的设计 应力求简单 氧量 校正必须缓慢 必须严禁送风控制系统 在变负 荷过程中的回调 否则炉膛负压难以 控制 在正 常范围内 但送风量测量 准确度不够是p 刀 控制系统 的一个不足之处 文献 6 介绍了一种将专家 控制器 应用于送风量 控制子系统的 方案 专家控制 器设计简单 控制规则修改 灵活 且控制算法编 程简单 实时性 好 对控制对象的不良 变化具有较强的 鲁棒性 可以有 效的弥补传统控制方法中 所存在的送风量测量准确度不够从而影响系统控制精度 以 及静态整定难等不 足 是一种很好的 控制方 法 2 对于引 风控制系统 当炉膛负压偏离设定值较大时必须快速拉回炉膛负 压 采用的策略为 当炉 膛负 压大于高1 值时 闭锁关引风机 闭 锁开 送风 机 负压大于高n值时 强开引风机 当 炉膛负 压小于低1 值时 闭 锁开引风 机 闭锁关送风机 负压小于低 n值时 强关引风机 必须考虑送风量及送风液 藕位置对引 风控制系统的前 馈作用 必 须考虑启 停制粉系统时对炉膛负压的 影响 3 必须重视风 煤交叉限 制回 路设计 保证升负荷时送风控制系统先增加 风量 实际风量升高 后才增加煤量指令 减负荷时 煤量控制系统先减煤量 实际 煤量减少后风量指令才减少 燃烧优化控制的 概念包含两个方面的内 容 一方面是对燃烧控制系统的控制 参数进行优化 使燃烧控制系 统有良 好的控 制品质 另一方面是对燃烧系统中的 重要参数一风2 煤比 进行优化 使燃烧过程达到最佳的燃烧和排放 性能 因此燃 烧系统的 优化控制的 任务必须满足这两个方面的优化目 标 如前所述的 是对燃烧 系统的 控制参数 进行优化 使娜烧控制系统具有良 好的控制品质 与此同时 在 然烧控制中 调 整风煤比 是高效燃 烧的关键 目 前国内 大型电站仍广泛采用的 第 3页 共 5 1页 工程硕士论文 电站姗烧控制系统优化设计研究 燃烧控制方式是比 值控制 也即风 煤比控制 这种方法是 嫩料量随负荷变化 而空气量通过风煤比 跟随燃料量的变化 为 保证锅 炉处于充分燃烧状态 利用 锅 炉 效 率与 烟 气 含 氧 量 或 空 气 过 剩 系 数 a 21 仅 1 一 0 2 的 关 系 在传 统 比 值 控制方式下的 送风调 节回路增 加氧量反 馈校正环节 从而实 现高 效燃烧 这种控 制方式优点 是特性直观 控 制迅速 但也有以 下缺点 1 最佳卿煤比和负荷的 关系是一个复杂的非线性关系 因此 单纯的比 值 控制特性并不能保证锅炉在任何工况下达到最佳的然烧状态 2 对于不同的煤种及煤粉 特性 其最佳过剩空气率也有较大的变化 使得 这种控制 方式很 难实现最优嫩烧 3 目 前几乎所有电 站都是 在机组调 试时找出 姗烧的最佳乒 口 煤比 并以 烟道 氧含量来 标志 但这 只是在机组调试时的 特定情况 而机组状态 变化 燃烧器的老化等都没有考虑 针对以 上缺点 有许多 针 对运行中 不断 对乒 份 煤比 进行寻优的 方法出 现 1 在静态时 人为 地给调节量一个增量 如增加一部分送风 然后测试锅炉 的效率如何变化 决定如 何进行调整 根据 登山 原理不断进行搜索 使运 行工况在最优点徘徊 但是这样造成了 人为的扰动 稳定状态下也会使调节动 作不断进行 2 基于锅炉效率是炉温的单一函数的原理上 提出一 种在氧量反馈 传统 p id控制的基础上 以炉 膛温度为 被测量 以 效率为目 标函数 通过自 寻优 控制 器快速寻 优及分段曲 线拟合的方法 在线调节风了 煤比 使之达到不同 工况的经济 燃 烧 但实际上 大型电站的 炉膛温度很难测出 因此这 种方法也 不太实用 综上所述 尽管国内 各大型火电 机组 基本完成了d c s的 改造 但控制 指标 没有达到最优 理想的 控制品质 是发电 机组优化运行和经济 运行的基础 对 火电 机组控制系统的 优化研究 是以 不断 提高其 控制品 质为目 标 这往往需要2 方面的 要求 一是必须熟悉火电 机组的 运行特征 要能分 析出目 前控制系统所要解决的 问 题 二 是 必 须 具 有 扎 实的 控 制 理 论 基 拙 即 必 须 具 有 分 析 优化 整 定 现 有 控 制 系统及应用先进控制理论解决 实际问 题的 能力 第 4页 共 1页 工程硕士论文电站港烧控制系统优化设计研究 1 2 论文要做的主 要工作 论文具体安排如下 第二章 针对传统主蒸汽压力控制系统难以解决负荷适应和系统稳定的要 求 研究了 采用d e b 方案的主蒸汽 压力控制系统 并 且对d e b 系统的 抗扰动性 仿真井与其 他系统 进行了比 较 并且针对d e b方 案的一点缺陷 提出 采用预测控 制技术解决大时间常数系统的时延问题 第三章 针对与主蒸 气压力控制系统串级的燃 烧率 控制系统 进行了 整体改进 使之满足锅 炉燃烧的原则 在此 基础上进一步对其中的 三个子系统 逆料量调节 子系统 送风调节子系统和引风调 节子系 统进行了 分析 针对其 现有的 缺陷提出 了改进和优化措施 第四章 具体研究遗传 算法的 理论 运用遗传算法的搜索能力强的 优势 结 合神经网络快速寻找全局最优风 煤比 并从仿真上证明其可行性 第 页 共 5 1页 工程硕士论文电站姗烧控制系统优化设计研究 2 主汽压力控制系统优化设计 举烧控制系统是电 厂热工控制的 重要组 成部分 目 前大部分电 厂的 燃烧控制 系统都是由 主蒸汽压 力控制和燃烧率控制组 成串 级控制系统 下面 将对主蒸汽压 力控制系统进行优化 设计研究 主蒸汽压力控制系统大多采用基于直接能量平衡 的控制方案 对于中 间仓储式制 粉系统锅炉 从改 变给粉机转速到引 起主蒸汽压 力变化的速度较快 若采用d eb方案 只要控制系统的参数整定 合适 压力控制 系统可以获得满意的品质 2 id eb 直接能 量平衡 控制方案的原理和应用 直接能量平衡法d e b d 加 比 t e n e 雌 方b al ance 是美国l ee d s 而汽机跟随方 式根本不动用 锅炉 储热量以 致不能较快地响应 负荷变化 因此这两种控制方式都 未能解决负荷适应性 和主蒸 汽压力稳定性这一对基本的矛盾 d e b 直接能 量平衡法 的控制系统如图2 1 所示 扦哗乞 玉上 尸 图2 i d e b协调 控制系统原理图 第 6页 共 5 1页 工程硕士论文电站她烧控制系统优化设计研究 其主要参数说明如表2 1 表2 1 主要参数说明 物理意义 锅炉蓄热系数 过热器阻力系数 主气阀门阻力传递函数 汽包压力 调速级压 力 主汽压力 主汽压力设定值 弓君pipo 汽机阀门开度 姗烧率指令 片儿 由d e b的 系统控制图 我们可以看到 d e b控制系统中的两个控制 信号 b d和 hr 1 能量 平衡信号 b d 它代表的是汽机所需求的能量 刀 刀 只 二 于 一 一 二 二 子为汽 刃l 调 迷 级压 刀 与 王 照 汽 压 刀 田 比值 片 该比值线性代表了汽机 二 一 尸 御ij井度 白汽机阴ij父化盯 子 万 哭化 白脚jj分度 小父 燕科里 弓 和 燃 煤 质 地 发 生 变 化时 君 和界将以 相同 的 百 分比 变 化 其 比 值 恒 一 二 只 一 二 1 二 二 一尸 一 二 正 历 以 寸泪 际 j六 沉 俐 那 明 廿与王 杰 汽 压 刀 戎 足 值 几 明 采积 扮井 只 二 二 寸 i 0刊放 j册稿曰朋里十 蔺信亏 匕足机炉祸合 严生协调程制功 井 能的 基本信号 代表了 机组 对能量的需求状况 第 7页 共 5 1页 工程硕士论文电站地烧控制系统优化设计研究 热量信号 h r 它 表示了 嫩料 熊烧传递给锅炉的热量 是 对嫌烧量 的一种较精确的近似测量 如 d e b 控制系统原理图所示 试只 月找 月 b 一户 调迷级生刀 月代表 1班人汽机 的燕汽流重 即锅 口艺 炉的能量输出 汽包 水焙值几 是汽包压力凡单调一元函数 故可用 汽 包 压 力 的 变 化 率 来 表 示 汽 包 水 烤 值 的 变 化 率 c 竺代 表 了 锅 炉 dt 蓄能的 变化 由d eb 控制 系统图 可以 分析 d e b 协调控制系 统中以能量平 衡信号 和热量 信 的 差 值 补一 几 剖 作 为 锅 炉 主 调 节 的 入 口 参 数 当 达 到 平 衡 时 不 再 变 化 从 而 普 一 即 一 由 此 可 见 deb方 法 具 有 维 持 主 汽 压力稳定的能 力 由此 我们可以看到 d e b协调控制系统相对于传统的以主汽压偏差 po一 凡 为 控 制 信号 的 主 汽 压 力 控 制 系 统 有 着显 著 的 优 越 性 虽 然 传 统 的 主 汽 压控制系统的控制信号简单 易于实现 但是缺点也是明显的 只有当主汽压出 现偏差时才调节燃烧率指 令 调 节滞后 并且当燃料量或燃煤品 质发生变 化时 会 造 成 汽压 的大 幅 波动 而直 接 能量 法 d e b 的控 制 信 号 为 只 dpl 只 一积 一 一 甘po一 君 c 共 产卜 于帆一 弓 厂cb共 今 从 该 式 可 以 看 出 它 将 主 汽 压 偏 差乘 界 l dt少pr 一 dt 一 一 一 一 上 了 二 朴 二二 书 一 斌只 l 二 二 泪际 j曰仇创那啊 曰一户 u 祝明锈炉畜热增加 燃烧平指令相应 ar 减 少 鲁 时 燃 烧 率 指 令 相 应 增 加 这 样 使 系 统 不 必 等 到 主 汽 压 力 出 现 偏 差 才开始调节 系统根据 运行趋势提前动作 减少了 主汽压力出 现大幅波动的可 能性 直接能 量平衡 d e b 协调控制系统从 本质上来说是一种改良 的锅 炉跟随控 制 系统 功率仍由 反 应迅速的汽机 侧来调节 与一般锅炉跟随控制方式不同的是 第 名页 共 5 1页 工程硕士论文 电站她烧控制系统优化设计研究 它通过对锅炉主调节器入口 参数策略性的 变化加快了 锅炉侧的调节 成功解决了 协调控制系统中负荷适应 性和主 汽压力稳定性这一对基本矛盾 2 z d eb 直接能量平衡 系统仿真 实例分析 锅炉跟随 控制的构成可以分为以下几类 主汽 压反馈型 主燕汽流量前 馈十 主汽压反馈型 主蒸汽阀门开度前锁 主汽压反馈型 直接能量平衡型等 锅炉跟随 控制构成的方式不同 其动态特性是有很大区别的 以300 取机组 的汽包炉为例 锅炉控制系统的 参数如下 嫩 烧和 传 热 传 递函 数e i ts 1 e 刁 l l 4 8 5 为了 方便 计 算 通 常 可以 将 其t ayl or展 开 简 化 后 得 l 一 95 l l 48 5 锅 炉 蓄 热 系 数ca 17 6 过 热 器 管 道 阻 力 系 数心 07 主 汽阀门 阻 力 传 递函 数巩闭 1 0 15 l 锅 炉 主 调 节 器月 1 kp 1 kl 2 加 前馈系数f 0 2 主 汽 压 额 定 值弓 16 1 卿a 主蒸汽燃料量扰动为阶跃关小既 下 面我们 将用施t l ab分别对主汽压反馈型 主蒸汽流量前馈十 主汽压反馈型 以 及deb 直接能量平 衡法 这四种不同 形式的 锅炉跟随控制系统 进行仿真并 加 以比较 基本主汽 压反馈型锅炉跟随控制系统结构图 如图2 3 所示 第 9页 共 5 1页 工程硕士论文电站然烧控制系统优化设计研究 一个 p0 汽 压 设 定 图2 3主汽压反馈型 主蒸汽流量前馈 主 汽压反 馈型系统结构如图2 4 所示 wls 黔 锅炉气压对象系统 一 了办冬一 一 种司至 失 赢 十 几 汽 压 设 定 图2 4主蒸汽流量 前蚀干 主 汽压反 馈型 d e b 直接能量平衡型 如图 2 5 所示 图z j直接能量平衡控制系统图 第 1 0页 共 5 1页 工程硕士论文电站坦烧控制系统优化设计研究 用m a d a b 仿真后 我们可以 从图2 6 中分析比 较上述三个系统的嫩料量扰 动特性曲 线 a 主 汽压反 馈型 1 7r 一 一 一 一一一 1 69 1 66 1 1璐 图2 6主汽压反 馈型瀚料扰动响 应曲 线 由 曲 线 得 系 统 在 嫩 料 扰动 后2 叨 肠左右 主 汽 压到 达 峰 值 1 6 7 9 m p a 到 达 侧 刃 5 后趋于平稳值16 4 s m pa 中间有小辐振荡 b 汽压反馈加汽量前 馈 1 7r es 翻 钊 es一一 尸 一 一 一尸 一 1 5 1 1 66 飞 4 图2 7 汽 压反馈加汽量前饺然料扰动 响应曲 线 由曲 线得 汽压反馈 汽量前馈型曲 线与主汽压反馈曲 线的 燃料扰动响 应曲 线基本一致 变化很小 由图2 6 2 7可以 看出 汽压反馈加汽量前馈系统可以 在一定程 度上有效 减小主蒸汽压力波动 但是其程度十分有限 c 直 接能 量平衡系 统 第 1 1页 共 5 1页 工程硕士论文 电站姗烧控制系统优化设计研究 1 7 一 0 1 6 3 1 66 1 6 4 1 6 2 1 6 力 l 一 一 一 j 一 一 一 一li 2 0 0 0 2 5 0 03 0 0 0 3 5 004 0 0 0 4 5 0 0 图2 8 直接能量平衡系 统嫩料扰动响 应曲线 由图 2 8可知 直接能量平衡系统发生燃料扰动后在 25印5 达到峰值 16 们 m p a 35 005 后 趋 于 平 稳 值16 3 8 m p a 中 间 没 有 振 荡 直接能 量平衡控制由于控制思想先进 在很 大程度上提高了 机组的 稳定 性 并且当 嫩料扰动时 减小主蒸 汽压力的波动能力 更加显 著 d e b 是对机组 特性和协调 控制 机理进 行了 深刻分析的基础 上提出 来的 它 明 显改 善了 协调控制系统的 性能 克服了 传统锅炉跟随 方式 存在的一 系列不足 但是d e b控制系统 用于 控制惯 性时间 较长的 被控对象时 品 质的 改善程度十分 有限 这就是为什么d e b系统 在控制某些3 x m w或 以 刃 m w机组时也 难获得 满意品质的原因 针对这一问题 研究采用预测 控制技术控制3 加m w以 上机组来 较大程度地改善控制系 统的品 质 2 3 预测技术在锅炉主汽压力 控制系统中的应用 在火力发电厂工 业锅炉的 控制中 燃烧系 统的 控制是一个具有强干扰的非线 性 时 变的多 变量过程 其中 主蒸 汽压力 烟气含氧量 炉膛负 压3 个被调量 的 动态特性是有一定 迟延的 惯性环节 特别是主蒸 汽压力在燃烧率 燃料量和适 量空 气 扰动下 由 于 燃烧时间较长 且受煤质影响 迟延较大 在上节中 针对 大容量机组由 于被控 对象惯性时间较长 d e b 改 善程度有限的问题 采用预 侧控 制中的smi th控 制器应用于锅炉主汽压力控制中 能够较好地解决时延问题 s m 计 h 预测控制器 是 5 耐th在 1 9 95 年提出的具 有时延补偿的预测控制 器 腼i th预 测控制器的 设计方法很多 主要有内 模控制结构设计法 pd调 节法 极 点配置 法 最 优化方法等 论 文采用的是内模 控制结构设计法 第 1 2页 共 5 1页 工程硕士论文电站坦烧控制系统优化设计研究 一般常用反 馈控制系统的反馈 情况 从图2 9 中 可以 看出 反 馈信号 直接取 自 过程的输出 即过 程变量 被调量 这就使得不可侧干扰对输出 的影响 在 反馈量中与其 他因素 混杂在一 起 无法突出 有时还 可能 被其他量淹没掉而得不 到及时补偿 影响控制效果 sp 一竺 co r 一 备 u 图2 一 般反馈 控制 0 一被控对象 g c 一 控制器 u一不可侧外扰 sp一给定值扰动 愉入 pv一过程变t 输出 图2 10 等效内 模控制 如 果可 以 将图2 9 变 换 为 等 效的 内 模 控 制 结 构 如 图2 10所 示 其 中氏为 对象的内部 模型 用c 表示图 中虚线框内的等 效控制器 从图 2 9 和图2 10比 较可见 在具有内 模控制结构的 系统中 由 于引 入了内 部模型 当模型与 对象匹 配时 反 馈量已由原 来的输出 量反馈变为扰动量反馈 当模型与 对象失配时 在 反馈回去的 信息中 除原来的 扰动量外 还包含模型失配的 某些信息 从而 有利 于控制系统的 抗干扰设计 增 强系统的鲁棒性 设在阶跃响应下 被控 对象g 的过程模型可表 示为 外 一 勃 e xn sd 兄 式中 d 迟延时 间 是指从控 制输出变化到过程变量刚开始发生变化之间的时 间 l 飞升时间 是指过 程变量从刚开始产生响应到达到最终稳态值 6 器之间 第 1 3页 共 5 1页 工程硕士论文电站坦烧控制 系统优化设计研究 的时间 k 过程增益 指输出 最终稳态值与初始值的 差值与输入阶跃变化量之间的 比值 假 设系 统 在 设 定 值 改 变 时 的 闭 环 响 应函 数为f s f s gc s 卜g s 111 gc s 片 令 l 同 时 r 令 1 1 rs 1 x 呷 sn 其中t 是闭 环响 应速度的度量 如图2 9 所示不难推出 在一般反馈控制下 尸 v s f s xsp s 十 l 一 f 令 卜u s 从 图2 10可以 推出 当 模 型 无 偏 差时 即g s gm s 时 由 以 上 式 可 得 c s f s i g s l l rs l i i占 十 1 i 了 将g s 和c s 代 入 图2 10 就 可 以 得 到5 耐 th预 测 控 制 器的 结 构 图 从 图2 10可 看出 5 耐 th预 测 控 制 器 是 由 过 程 数 学 模 型伽 s 以 内 反 馈方 式 包括 常 规控 制 器c s 构 成 再 与 过 程串 联 构 成5 耐th预 测 控制 系 统 当 模 型 与 对 象完全匹配时 反 馈信号中已 不含有时延因子 系统的时延已 被补偿 克服了原 来参与调节的反馈信号具有大时延的缺点 也正因为如此 s mith 预测控制系统 在大机组主汽 压力控 制系统中 能很好的克 服大时延的缺陷 2 4 本章小结 本章详细研究了d e b 直 接能 量平衡 法用于维持稳定主汽压的 原理及其实际 应用 并将其与其他维持主 汽压方法进行了仿真比 较 通过比 较可以 得出d eb系 统对于改善主汽压系统有很大的 效果 在此基础上也对d eb系统存在的不足之处 进行了分析 并研究了改进的方法 第 1 4页 共 5 1页 工程硕士论文 电站招烧控制系统优化设计研究 3中储式锅炉燃烧率控制系统优化设计 3 1 燃烧控制系统整体设计与优化 燃烧控制系 统是电 厂热工控制的重要组成部 分 然烧控制系统由 主蒸汽压力 控制和 遨烧率控制组成串 级控制 系统 其中燃烧率控制由 嫩料量控制 送风量控 制 引风量控 制三个子系统构成 系统结构如图3 1 所示 主 压 力 控 制 二 叫 姗料t控制送风t控制 引风盆控制 燃烧率控制 图3 1姗烧控制系统结构图 在上一章 对主蒸汽压力控制 系统进行了 优化设计研究的基础上 本 章将对 然 烧率控制进 行优化 燃烧率控 制系统的目的是 维持适当的炉膛负 压 保证姗烧快 速 稳定 完全 实现最佳的锅炉效率 是燃 烧系统中极其重要的一环 然烧控制系 统整体设计 a锅炉主 控根据主汽压力和负荷的变化改 变燃料量主控的输出 姗料量主控 将锅炉主 控的 指令分配 给各给煤机控制回路以维持主汽压力的 稳定并 使燃料量 与负荷的 变化 相适应 b煤量信号 经过风 煤配比后作为二次风箱挡板控制系统的 给定值调整相 应 的二次风量 进行 燃烧经济性的 粗调 c妒膛空气 嫌烧系 数校正 包含氧量 校正 根 据精确配风的原则校正二次风 箱挡板的 开度 即 进行燃烧经济性的细调 对于当 前大多 采用的中储式锅炉通常采用改变给粉机转速来改变进入炉 膛 的煤粉量 因 此中 储式煤粉炉 燃烧控制系 统采用给粉机转速信号 代表嫩料量 简 化后的 控制系统如图3 2 所示 第 1 5页 共 5 1页 工程硕士论文电站姗烧控制系统优化设计研究 ld 负 荷 指 令 n 给 粉 机 转 速 d 热 量 信 号 v 送 风 挡 板 开 度 v 引 风 挡 板 开 度 认 烟 气 含 氧 量 d 主 蒸 汽 流 量 君 炉 膛负 压 v 送风 量 图3 2中 储式负压运行煤粉炉燃烧控制系统 该系统主要由 然料调节子系统 送风调节子系统 引 风调节子系统组成 燃料调节子系统由 燃料测量回路 热量修正回路和燃料量调节回路组成 如 图3 2 所 示 pl l 为 嫌 料调 节 器 它 根据 负 荷 指 令与 给 粉 机 转 速 的 偏 差 信号 调 节 各 台 给 粉 机 转 速 积 分 调 节 器1 用 于 修 正 煤 的 发 热 量 变 化 负 荷 指 令ld与 总 风 量 信号1 经 小 值 选 择 器 与 燃料调节 子系统中的 小值选择器 一 个 小 值 选 择 器 2 选 通只 信 号 经 过 送 风 调 节 器 pl 开 大 送 风 机 挡 板 开 度v 增 加 送 风 量 随 后 1 信 号 增 大 此 时 1 信 号 刚 刚 增 大 与ld信 号 相比 还 是 更 小 所以 此时 小 值 选 择 器 选 通的 信 号 正 好 是 信号 1 经 过 燃 料 调 节 器 pl l 增 大 给 粉 机 转 速n 增 加 燃 料 量 这 样 就 实 现了 当 负 荷 增 加 时 首 先增加引 风量 然后增加送风量 最后增加燃料量的燃烧调整原 则 2 当负 荷减少时 机组在减少 负荷时 切换到b 侧 这时由 于ld信号 减 少 小 值 选 择 器 选 通的 是ld信号 经 过 嫌 料 调 节 器pl 减 第 17 页 共 51 页 工程硕士论文电站逆烧控制系统优化设计研究 小 给粉 机 转 速n 减 少 嫌 料 量 熊 料量 减 少 后 小 值 选 择 器 选 通给 粉机的 转速 信 号 n 经 过送 风调 节 器pi z 关小 送 风 机 挡 板开度 v 减 少 送 风 量 随 后 减 小1 信 号 经 过引 风调 节 器毯 关小引 风 机挡 板开 度v 减 少引 风 量 即 实 现 当 减 少 负 荷 时 首 先 减 少 燃 料量 然后减少送风盆 最后减少引风量的嫩烧调整原则 图 3 3改进后的然烧自动控制系统 3 2 各子系统的优化设计 3 2 1 烘料量调节子系统的优化设计 锅炉燃料量是由 机组负荷决定的 为了 保证充分燃烧 并且不 产生 剩余的氧 量 则风量的理论值就是固 定的 然而由 燃烧理论可知 对锅炉配以 理论空气量 并不能保证燃料的充分燃烧 从而影响锅炉效率 因 此通常通以 过量空气 对于中 储式负压运行锅炉系统 当某台磨煤机启动时 将有大量的 煤在很短 时间内 被吹入炉膛 燃料量主控回路将会根据煤量反 馈降低 其他给 煤机的转速以 平衡负荷指令 而煤量反馈是有 纯迟延的 这个纯 迟延造 成了 一系列 控制的滞后 反映在实际煤量的变化上就是首先大幅上升 经 过一 段时间的 迟延又大幅下 降 这种剧烈变化不仅对负荷 主汽压力有影响 而且 还会影响到气温和水 位 严重时运行人员不得不解除一些回路的自 动 实际操作中 运行人员 在启磨时一般 都要将然料量主控系统进行手动控制 预先减煤 然后再 启磨 待系统稳定后再 第 1 8页 共 5 1页 工程硕士论文 电站燃烧控制系统优化设计研究 投入 自 动 针对上述缺陷 考虑在燃料量主控回路中加入一个超驰信号 该 信号 在一台 磨煤机 启磨的 同时使其他 运行的 磨煤机自 动减煤 减的 煤量与启磨时增加的 煤量 相当 这样就不 用等待由 于启磨增加的煤量反馈到了才减煤 从而保证在 启磨时 煤量的 扰动基本被消除 控制系 统也无需切手动 然料量 控制子系统中给煤机的转 速控制系统也是极其重要的一环 给 煤机转 速控制系 统接受燃料量主控的 指令 并与实际 给煤量相比 较调整转 速 完成风 煤的动态配比 根据风 煤比产生 相应二次风挡板 控制回路的风量指令 煤量控制 和二次风风量控制是多变量藕 合的 当 煤量或风量 发生 变化时 给 煤机转 速或二次 风挡板开度应作相应变化 以 维持风 煤比 保证最佳氧 量 而 氧量校正是一 个慢速回路 对 于由负 荷指令 变化引 起的 煤量或风量变化 可以快 速通过比 值控制初 步保证风 煤比 然后再通过氧量调节细调 而对于煤量或风 量的自 发性内 扰 要想仅仅通过 氧量校正调整风量则显太慢 为了 解决 这个问 题 分别把风量偏差和 煤量偏差引 入到对方的控制回路 通过解祸 双交叉限 制回路 控制提高 系统 快速抑制内扰的能 力 维持最佳的 风 煤比 把风量偏差 引 入给煤机转速控制回路中 可以实现当 风量不够时 在一定 范围内 产生一 个解祸信号适当 减煤的功能 当 e 2 表 示 风 量 不 够 几 输出 的 解 祸 信 号 适当 减 煤 同 样 把给 煤量 偏差e 引 入二次风控制回路中 可以 实现当 煤量过多 时 在 一定范围内 产生一个 解祸信号适当 加风的 功能 当 一 2 0 表 示 煤 量 略 多 解祸 回 路 输 出 几2 二 0 不 影 响 风 量 控 制 当 0 输出 解 祸 信号 适 当 加 风 改 进 优 化 后的 燃 料 量 控 制 子 系 统 如图3 4 所 示 第 1 9页 共 5 1页 工程硕士论文电站遨烧控制系统优化设计研究 她 烧空 气系 戮 二次风 档板 图3 4改 进后的 然料 量控制子 系统 改 进的 燃料量 控制子系统中采用积分分离 p 功 控制 算法是因 为给煤机除了 在d c s 侧有一 个转速控制回路 外 在就地还有一个转速控制器 该 就地 控制器的 p i d 参数只有两种模式 分别适用于滑差电 机和变频调速 且两种模式下其pid 参数是固 定的 在就地控制器上作转速指令阶跃扰动试验 发现其动态特性迟延 较大且 过渡过 程较长 这样一来 如果在现5 侧的转速控制器仍然 采用比 例加积 分的算 法就 会出 现在不该积分的时 候积分 当 积分过头时 又减不下来的情况 为 了 避免 造成 动态偏差过大和积 分饱和 乃至系统振荡 引入 积分分 离p id控制算 法 我们知道采用积分分离的目 的主要是避免在对象的启动结束或大幅度增减 给定值的时候 造 成短时 间内较 大的偏差在积分累积的作用下导致 控制量 超过执 行机构的范围 引 起较大的超调量 大量文献中对积分分离控制 采用的 方法是 人工 设 定2 个闽 值 2 0 当 偏 差 绝 对 值 在 2 洲 e 时 候 部 分 投 入 积 分 控 制 环 节 当 回 e z 时 候 全 部 投入 积 分 环 节 从而 实 现积 分 分 离 控 制 其 算 式 如下 认 一 1 十 k e t 一 e 一 1 此e 凡le 认 一 ze 认 一 1 十 仓 一 2 1 第 20 页 共 5 1页 工程硕士论文电站姗烧控制系统优化设计研究 当 自 间 当 当 lei 2 问 1 0 b 当 实 际 煤 量 偏 差 同 e 取 消毗 侧 给 煤 机 转 速 控 制 器 的 积 分 作 用 即 采用p 控制 既可避免 过大的 超调 又可使系统有较快的响应 c 当 实 际 偏 差回 e 采 用pl控 制 可 使 系 统 有 较 高 的 稳 态 控制 精 度 3 2 2送风调节子系 统的 优化设计 在解决了部分 燃料量调节子系统的 改进优化基础上 为了保证较好的风煤 比 使得 锅炉处于最 佳然烧状态 接 着有 必要对 送风调 节子系 统进行优化 采用 专家控制器 来控制负荷信号可以实现其对送 风量的 控制 专家 控制作为智能 控制的一 个重 要组成部分 具 有高可 靠性及长期运行的连 续性 在线控制的实时 性 优良 的控制 性能及抗干 扰性 使 用的 灵活性及维护的 方便性 具有广阔的应用前景 专家控制 有两个主要的组成部分 知识库和推理机 知识 库中 存放系统求解 问 题所需要的知识 推理 机负 责使 用知识库中 的知识去解决实际问 题 知识库的 建造需要ke 知识工程师 和 de 领域专家 相互合作进而把 de 头脑中的知识 整理出 来 并 用系统 表示知识的方法 将其存 入知识 库中 在解决问 题时 用户为 系 统提 供一 些已 知数据 并可从系 统处获得专家水平的 结论 按照知识 表示技术分类可以 有基于逻辑的 专家系统 基于规则的专 家系统 基 于语义网 络的 专家系统和 基于框架的专家系统等 由 于基于规则的专家系 统推理清晰 遂采用的是基于产生式规则的 专家控制 器来控制负荷信号 产生式系统由 三 个基本部分组成 全局数据库 规则数据 库和规则解释器 抽象地说 全局数据库 是一组描述世界的符号的聚集 在处理 具体问 题时 它可 第 21 页 共 51 页 工程硕士论文 电站撰烧控制系统优化设计研究 以 用于 描述问 题和描述环境 包括与 特定问 题有关的 各种临时信息 对全局数据 库的的 组织 数据表示方法等 产生式系统没有具体规定 可以 根据不同 领域的 特点 及问 题特性选择合适的 表示方法 如集合 链表 树结构 图 表等都可以用 来表示全局数据库中的数据 规则库是由 一组产生式规则组成的 一个 规则可抽象地描述为是一个 包含 两 个元素的 对偶 一般可把这个对偶的一个元素 通常是左边的元素 解释为是一 个条件的 描述 而把它的另一个元素 通常是右边的元素 解释为是一个动作的 描述 因此 一个规则就是由条件和动作两部分组成的对偶 可记为 条 件 伽作 为 了 直 观 起 见 也 常 把 规 则 写 成 如 果 条 件 那 么 动 作 的 形式 在产生式系统中 一个规则的 条件部分通常是关于全局数据库中 某些数 据的断言 如 某一数 据项的 值是 什么 等 而其动作部分一般是能引起全局数据 库中数据 值改 变的断 言或操作 当全局数据库中的数据满足某一规则的 条件部分 时 该规则的 动作部 分可以 改变全局数据库中的 某些数据 与全局数据库不同的是规则库中 所存储的信息不是关于某一具体的 特定问 题的 而是关于 整个应用领域的 例如 在疾病诊断问 题中 它 存储 着如 何诊断疾 病的知识 这些 知识并 不是对某个具体患者的 与全局数据库相比 规则库相对 稳定 对于规则 库的组 织形式 产生式系统同 样投有任何具体 规定 最简单的方 法是所有规则 顺序存 放 规则解释器负责 把规则的 条件部分 与全局数据库的内容进 行比 较 通常称之 为匹 配 如果条 件成立 规则解 释器则根据动作部分 描述的信息去修改全 局数据 库的内 容 有些 基于规则的 系统直接用一段程序作为规则的结论部分 当 规则的 条件部 分成立时 规则解释器只需 要简 单地调 用结 论部分存 储的程 序即可 完成对 全局数据库的 修改工作 规则解释器的行为可看成是 选择和 执行 的 循环 在 原始数 据输入到全局数据库之 后 规则解释器 选择 条 件为真的 规则 并按其 动作部分的 要求修改全局数据 库的 数据 数据的 变化可能使得其它一 些规则的 条 件成立 规则 解释器再 选择 这些规则 来 执行 以此 往复直 至解决问 题 基于上述的专家控制系统的结构我们可以设 计出一个基于产生式规则的 专 家控制器 ec 控制送风调节子系 统的负 荷信号 专 家控制 器一般模型可用如下形式表 示 第 22 页 共 51 页 工程硕士论文电站 遨烧控制系统优化设计研究 u 了 伪 k 1 其中 了 为智能算 子 其基本形式为 i f e 八 即 k 朴 ien i fi 朴 正 nu 其中 e 为控制器输 入集 k为知识 库中的 经验数据与 事实集 1 为推理机 构的输出 集 u为控制器的 输出 集 智能 算子的 基本 含义是 根据输 入信息和知 识库中的 经验数 据与 规则进行推理 然后根据推理结 果1 输出 相应的 控制 行为 u 根据上述理论 我们可以得到一种工业专家控制器的 结构框图 如图3 5 所示 图3 51业专家控制器结构框图 专家控制器 ec 的基础是知识库 kb 存放工业过程控制领域的知识 由经验数据库 db 和学习 与适应装置 la 组成 经验数据 库主要存储经验和 事实 学习与 适应装置的 功能就是根据在线获取的信息 补充 或修改知识 库内容 改进系统性能 以 便提高问 题求解能力 建立知识库的主要问题是如何表达己 获 取的知识 ec 的知识库用前面 所述的产生式规则来建立 这样的 表达方式具有 较高的灵活性 每条产生 式规则都可独立增删 修改 使知识 库的内容便于更新 控制规则集 c rs 是 对被控过 程模式和经验的归纳 和总结 用于 规则条数不多 搜索空间较小 推理机构 i e 就十分简单 采用向 前推理方 法逐次 判别各 种规 则的条件 满足则执行 否则 继续搜索 特征识别和 信息 处理部分的 作用是实现 对信息的提取和加工 为控制 和学习适应提供依据 它主要包括提取动态过程的 特征信息 识别系统的 特征状态 并对特征信息作必要的加工 专家 控 制 器 ec 的 输 入 集 为e 扭 e y u 5 为 特 征 信息 输出 集 k 为 第 23 页 共 只 页 工程硕士论文电站坦烧控制系统优化设计研究 经验 知识 库 g为规则修改 命令 1 为推理机构输出 集 u为ec 的 输出 集 智 能 算子为几 个算子的复合 运算 了 9 h p 其中 9 e呻5 汤 5 了叶 夕 叶u 9 h p 均为智能算子 其形式为 ip a t h e nb 其中 a 为前提条 件 b为 结论 a 与b 之间的 关系还可以 包括解析表达式 模 糊表达式 因果表达式和 经验规则等多种形式 还可以 是一个子规则集 采用上述专家控制器 得到的 送风量控制子系统原 理框图 如图3 6 所示 招 料宜 卫负荷p 送 风t送 风 t 图3 6送风量控制子系统原理框图 由图 可知该子系统由 三 个控制量来共同控制送风量 即图3 6 所示的 燃料量m 负荷量p 及氧量信号 其中负荷 信号采用专家 控制器ec 来实现其对送风 量的 控 制 对于该送风量子系统 采用的 专家控制器知识库中知识的 获取 可以找 有经验 的 热工工程师和控制 人员了 解锅炉 燃烧的操作与控制经验 如有条 件可 亲自 到 现 场直 接体验观察实际操作 过程 从而 获取专家知识 经过研究可发现 在送风量 控 制子系统中 送风量v 随负荷p的 变化而