锅炉电气系统设计

1、锅炉电气系统设计摘 要 锅炉是工业生产与日常生活中重要的供汽设备，它在国民经济中起着不可 忽视的作用。锅炉的水位则是锅炉安全运行的重要指标。本文以多传感器信息融 合知识为基础，结合聚类分析、神经网络等方面的知识，并将其应用于工业生产 控制中，通过综合判断、全局分析，形成一【摘 要】锅炉是工业生产与日常生活中重要的供汽设备，它在国民经济中起着 不可忽视的作用。锅炉的水位则是锅炉安全运行的重要指标。本文以多传感器信 息融合知识为基础，结合聚类分析、神经网络等方面的知识，并将其应用于工业 生产控制中，通过综合判断、全局分析，形成一种新型的控制策略，以解决单一 传感器不能全面反映工况信息从而不能准确选

2、择控制方案的问题。其目的和意义 在于：信息融合与工业控制相结合开辟了一个新研究领域，给传统的工业控制带 来新的机理，可望形成某些新型的控制系统。本项研究就是根据锅炉水位控制综 合、复杂、困难的特点，并通过对现有的锅炉三冲量水位控制系统进行分析，采 用信息聚类融合理论，依照神经网络自身的特点，建立了一个锅炉三冲量水位变 动过程的聚类控制的理论模型。其中主要内容有：研究了多传感器信息融合的基 本理论,ART神经网络在数据分类方面的应用和设计，BP网结合专家知识库对系 统的二次融合，控制策略空间的形成和设计，系统整体仿真实验与结果分析。关键词：三冲量水位神经网络聚类控制仿真目录第一章绪论11.1锅炉

3、概述11.2锅炉水位控制的重要性21.3本项研究的内容和方法21.4本项研究的现实意义2第二章方案论证42.1锅炉汽包水位的调节42.2汽包水位的特性42.3方案比较52.4聚类融合控制系统基本思想62.5聚类融合控制系统的特点6小结6第三章多传感器信息融合概述83.1多传感器信息融合的基本概念8多传感器信息融合的应用领域 83.3多传感器信息融合的基本结构93.4多传感器信息融合的方法103.5多传感器信息融合系统的国内外研究现状11小结11第四章神经网络12神经网络基础 124.2神经元网络国内外发展状况13BP神经网络14BP神经网络概述14BP网络结构15BP的学习规则164.4 AR

4、T-2神经网络174.4.1自适应谐振理论17ART-2神经网络20ART-2神经网络的动力学特性23ART神经网络的特点27小结27第五章基于信息融合的聚类控制285.1采用聚类融合控制的必要性285.2聚类融合控制系统的结构285.3模式窗口及时间序列融合295.3.1模式窗口的概念295.3.2融合窗口及其选择315.4聚类融合控制的设计315.4.1输入信息空间315.4.2聚类融合空间315.4.3类别空间32小结32第六章锅炉三冲量水位融合控制设计336.1输入信息空间33聚类融合空间 356.3运行空间386.4聚类融合控制系统仿真40小结47第七章结论48致谢49参考文献50附

5、录A三冲量水位融合控制系统程序框图51附录B ART-2程序清单52第一章绪论1.1锅炉概述锅炉是发电、炼油、化工等部门的重要能源、热源动力设备，是国民经济中重要 的供应蒸汽的设备。电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等，以及工业 及民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。锅炉的安全运行对工业生产和国民经济 的发展起着至关重要的作用。锅炉的水位是影响锅炉安全运行的重要因素之一。 常见的锅炉设备主要工艺流程如图所示：由图可知，给水是由水泵送来的，到锅炉之前，已在低压、高压加热器加热。给 水进入锅炉以后首先经过省煤器（加热给水的受热面叫做省煤器）进一步受到加 热，然后送到汽包（也叫炉筒），与汽包中原

6、有的循环着的水混合，沿下降管流 入水冷壁受热面，吸收炉膛的辐射热，部分地蒸发成蒸汽，成为汽水混合物，上 升到汽包中。蒸汽在汽包中与水分离，从顶部流出，经敷设在炉顶顶棚上的过热 器（把饱和蒸汽加热为过热蒸汽的受热面叫做过热器）流向后方，进入低温过热 器，再流入在炉膛出口的屏式过热器，然后再经高温过热器被加热到预定的温度 后，进入主汽管流向汽轮机，推动汽轮机运转，从而带动发电机发电。1.2锅炉水位控制的重要性为了保证锅炉正常运行，需要维持锅炉水位为正常标值。汽包的水位实际是 反应汽包内水量的多少。汽包的水容积和它的蒸发速率，各类锅炉均有差异。 汽包水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量

7、，维持水位在一定 的范围内是保证锅炉安全运行的主要条件，这是因为：（1）水位过高，影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，影响蒸汽质量。（2）水位过低，则可能破坏自然循环锅炉系统中某些薄弱环节，以致局部水冷， 管壁被破坏，严重时会造成爆炸事故。因此，汽包水位必须加以严格管理，以保 证锅炉正常安全运行。1.3本项研究的内容和方法近年来，随着自动控制技术、计算机技术的飞速发展，传统的自动控制已经不再 符合时代发展的要求，加之锅炉控制系统的复杂性、不确定性、非线性和时变性， 必须采用一种全新的方法来完成这项工作。我们将自动控制领域的最新成果 聚类融合、神经网络等应用于锅炉水位控制过程中，不仅使锅炉水

8、位控制技术和 设备的研究跨上了一个新台阶，进入了新的发展阶段，也为聚类融合控制系统自 身的发展和应用开辟了一个新的领域。本项研究中，对锅炉水位的三冲量（即汽 包水位、给水流量和蒸汽流量。）运用基于信息融合的聚类控制，它不是像常规 的控制那样直接利用传感器的检测数据经过控制算法后进行控制，而是融合多个 传感器数据并聚类成反映过程运行状况的类别，根据每一类别所描述的过程行为 特点采取相应的控制策略进行控制。在工业控制中，过程运行状况也就是共工况。 在简单的系统中，某个传感器的的输出可以大体反映工况的一个侧面而不是整个 工况。采用适当的信息融合方法，将从不同侧面描述工况的多个传感器信息融合 起来，就

9、有可能获得对工况的完整或比较完整的描述，使人们能根据此工况进行 生产操作和实时干预，或系统按工况进行自动化控制。我们采用了 MATLAB 6.5和 Simulink软件中集成的神经网络工具箱来完成本课题的系统仿真研究。1.4本项研究的现实意义三冲量水位控制系统，采用信息聚类融合理论，依照神经网络自身的特点，建立并实现了一个锅炉三冲量水位变动过程的聚类控制的理论模型。采用聚类 融合控制对锅炉的生产过程的工况的监控有其抗干扰性和稳定性。以该理论模 型、控制方法为基础形成一种新型的控制策略，以解决单一传感器不能全面反映 工况信息从而不能准确选择控制方案的问题。信息融合与工业控制相结合开辟了 一个新研

10、究领域，给传统的工业控制带来新的机理，这对国内的工业发展水平具 有重大的意义。注：本项研究尚处于研究阶段，所以本文的内容也处于探索研究。第二章方案论证2.1锅炉汽包水位的调节锅炉汽包水位自动调节的任务是使 给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包中水位在工艺规定的范围内。锅炉汽包 的水位正常与否是锅炉保证安全运行的关键，而它还是衡量锅炉汽水 第二章方案论证2.1锅炉汽包水位的调节锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包中水 位在工艺规定的范围内。锅炉汽包的水位正常与否是锅炉保证安全运行的关键， 而它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，

11、亦与水位 下汽包容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关，因此影响水位的因素 很多，其中主要是蒸汽流量和给水流量。汽包水位控制，是以水位作为水量平衡 与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽 水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由 于锅炉水位系统是一个没有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象， 实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位和蒸汽流量双冲量和水位、蒸汽流 量、给水流量三冲量的控制系统。2.2汽包水位的特性影响汽包水位H的主要有给水量W，汽轮机的耗汽量D和燃料量B等三个主要因 素。1、给水流量对水位的影响在给水量

12、W的作用下。把气泡和给水看作单容无自衡对象，由于给水温度低于汽 包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅 炉的蒸汽产量下降，水面以下汽泡总体积VS也就相应减小，导致水位下降。相 应过程有一段延迟时间O给水的过冷度过大，纯延迟时间也越大。2、蒸汽负荷对水位的影响在汽机耗汽量D的阶跃扰动下，当汽机耗汽量D突然阶跃增加时，一方面改变了 汽包内的物质平衡状态，使水位下降；另一方面，由于耗汽量D的增加，迫使锅 内汽泡增多；同时由于让料量维持不变，汽包压力pd下降，使水面以下的蒸汽 泡膨胀，总体积VS增大，从而导致汽包水位的上升。对于大中型锅炉来说，后 者的影响要大于前者，因

13、此在负荷阶跃增加后的一段时间内水位不但不下降，反 而明显上升。这种反常现象通常称为“虚假水位”现象。3、燃料量对水位影响燃料量B的扰动必然引起蒸汽量D的变化，因此也同样有假水位现象。但是由于 汽包和水循环系统中有大量水，汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量，因 此有一定热惯性。燃料量B的增大只能使D缓慢增大，而且pd还缓慢上升，它 将使汽泡体积减小。因而，燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和得多。 由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯迟延；负荷扰动下水位响应 过程具有假水位现象；燃料量扰动下也会出现假水位现象。这些特性使控制汽包 水位的任务变得比较困难和复杂。引起水位变化的扰动还

14、有很多。如给水压力、 汽包压力等等。不过都可以通过上述三方面的扰动体现出来。2.3方案比较1、单冲量调节系统给水流量作为调节量，这是一个基本的控制方案。当蒸汽负荷突然大幅度增加， 汽机耗汽量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激 烈地上下波动，严重地影响设备的寿命和安全。对于小容量锅炉来说，它的蓄水 量较大，水面以下的汽泡体积不占很大比重。因此给水容积延迟和假水位现象不 明显，可以采用单冲量控制系统。1、双冲量调节系统从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位 大致不变。所以我们可以考虑采用比值控制系统。采用比值控制方案的优点是系 统完全根据物

15、质平衡条件工作，给水量W的大小决定于耗汽量D，假水位现象不 会引起给水调节机构的误动作。然而应该看到，这个比值控制系统对汽包水位来 说是开环控制。所以不能单独使用比值系统。2、三冲量调节系统这个系统对上述两种方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。当耗汽量D 突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地 指挥调节机构减小给水量；另一方面，D的增大又通过比值控制作用指挥调节机 构增加水量。实际给水量是增大还是减小，取决于系统参数的整定。当假水位现 象消失后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。从另外一个角度来看， 这也是一个前馈一反馈复合控制系统。本课题我们采用聚类融合对三冲量水位进行控制，它是工业上的一种创新。2.4聚类融合控制系统基本思想聚类融合控制是融合多个传感器数据并聚类成反映过程运行状况的类别，根据每 一类别所描述的过程为特点采取相应的控制策略进行控制。在工业控制中，过程 运行状况也是工况。在简单的系统中，某个传感器的输出可大体反映工况，但在 复杂的生产过程中，工况无法用一个或几个过程变量来直接表示。采用适当的信 息融合方法，将从不同侧面描述多个传感器信息融合起来，就可获得对工况的完 整或比较完整的描述，使人