-PAGE1-CFＢ鍋爐汽包水位的專家PID掌握摘要：商議?了一種專家系統(tǒng)與實(shí)時掌握相結(jié)合的實(shí)時專家PＩD掌握方法，并用此方法掌握熱電廠循環(huán)流化床鍋爐(CircuｌatingＦlｕidizedBｅdBｏｉｌeｒ,簡稱CFB鍋爐）的汽包水位,使得鍋爐水位即使在擾動幅度較大的情況下仍能保持自控,現(xiàn)場投運(yùn)獲得了良好的掌握效果。關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床鍋爐(CFＢ鍋爐);專家ＰID掌握;實(shí)時專家系統(tǒng)

１、問題的提出

汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，它間接地反映了鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系。維持汽包水位是保持汽機(jī)和鍋爐平安運(yùn)行的重要條件。鍋爐汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽中水分過多，結(jié)果使過熱器受熱面結(jié)垢而導(dǎo)致過熱器燒壞，同時會使過熱蒸汽汽溫產(chǎn)生急劇變化，直接影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和平安性；汽包水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，當(dāng)負(fù)荷很大時,水的汽化速度很快,因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不準(zhǔn)時有效掌握，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐被燒壞或爆炸.因此，鍋爐汽包水位掌握是維持鍋爐平安運(yùn)行的重要掌握回路。

鍋爐汽包水位掌握策略己進(jìn)行了多年的理論商量，也已形成了包括單沖量、雙沖量、三沖量在內(nèi)的多種成熟的掌握方法.但在簡略的工業(yè)現(xiàn)場,卻仍不能保證水位掌握的自控高投運(yùn)率，其中的一個緣由唯恐是近年來鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大,對給水系統(tǒng)提出了更高的要求,這種要求簡略表現(xiàn)在:

(１）汽包的個數(shù)和體積削減，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積削減,從而加快了汽包水位的變化速度;

(2）鍋爐容量的增大,顯著地提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷,使鍋爐負(fù)荷變化對水位的影響加劇了;

（３）提高了鍋爐的工作壓力,使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)簡潔,調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿意掌握系統(tǒng)的要求。

從工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用來看,對于負(fù)荷比較穩(wěn)定、媒質(zhì)比較固定、燃燒比較平穩(wěn)的鍋爐(尤其是火電廠的煤粉鍋爐），鍋爐汽包水位的自動掌握系統(tǒng)在穩(wěn)定的工況下一般可以投入自動，但在系統(tǒng)動態(tài)特性大幅度變化的情況下，卻仍然需要嫻熟操作人員的手動掌握,分析緣由，我們認(rèn)為可能有下面幾個方面：

(1）母管制給水，來自其它鍋爐給水系統(tǒng)及給水泵的擾動,導(dǎo)致鍋爐給水壓力不斷變化,有時不能達(dá)到正常的給水壓力值;

（2）熱電廠供熱、供汽用戶的負(fù)荷擾動往往過于猛烈，導(dǎo)致蒸汽壓力的不斷變化。

(3）由于煤種、煤質(zhì)的變化或其它因素導(dǎo)致的燃燒系統(tǒng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致汽包水位的常常變化。

以上幾方面的擾動往往不同程度的導(dǎo)致汽包水位消滅“虛假水位”的現(xiàn)象,在不同的負(fù)荷下還會消滅不同程度的時滯和非最小相位特性。汽包水位的這種在不同階段動態(tài)特性不斷變化的特性使得接受單一結(jié)構(gòu)和參數(shù)的三沖量掌握方法達(dá)不到滿意的掌握效果。若考慮接受各種自適應(yīng)或參數(shù)自校正的算法會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、整定困難，在現(xiàn)場工況變化的情況下無法得到抱負(fù)的使用效果。本文基于現(xiàn)場操作閱歷,接受實(shí)時專家掌握系統(tǒng)的思路,構(gòu)造了一種專家系統(tǒng)與實(shí)時掌握相結(jié)合的實(shí)時專家PID掌握方法來掌握熱電廠CFB鍋爐的汽包水位，使得鍋爐水位即使在擾動幅度較大的情況下仍能保持自控，獲得了良好的掌握效果。2、CＦＢ鍋爐汽包水位過程特性圖１是鍋爐汽包的一個簡潔示意圖，水位掌握的要求就是維持汽包內(nèi)水位在某個要求的范圍內(nèi)(一般要求穩(wěn)定工況在±30mm內(nèi)，特殊波動在±5０ｍm）.主要通過調(diào)節(jié)給水量來掌握水位的穩(wěn)定。

從質(zhì)量平衡的觀點(diǎn)來看,在調(diào)節(jié)過程中如能始終保證靜態(tài)平衡，給水量＝蒸發(fā)量,即W=Ｄ（質(zhì)量流量）,則水位就能始終維持在“０”位。但實(shí)際系統(tǒng)是動態(tài)的，給水壓力、主蒸汽壓力在調(diào)節(jié)中始終在不斷的變化，而且流量的溫壓補(bǔ)償通常也只是閱歷的、近似的。由于系統(tǒng)太簡潔,無法求得實(shí)時精確的給水及蒸汽質(zhì)量流量，所以我們通過汽包水位來間接地反映水系統(tǒng)的質(zhì)量平衡.

掌握汽包水位在要求的值的一個首要條件是必須得到真實(shí)的汽包水位測量值.圓滿的是，汽包水位掌握中存在著明顯的“虛假水位”現(xiàn)象.要設(shè)計滿意的掌握器必須對其進(jìn)行深化分析。

對于鍋爐汽包，負(fù)荷上升時，蒸汽流量Ｄ增大，導(dǎo)致汽包內(nèi)水蒸汽壓力突然降低，水的沸點(diǎn)也相應(yīng)降低,沸騰加劇，水面下氣泡容積增大,從而導(dǎo)致水位突然上升;另一方面，給水流量突然增加時，溫度較低的給水從原有的飽和汽水混合物中吸取一部分熱量，使水面下氣泡容積削減,水位下降。這種在蒸汽流量或結(jié)水流量變化初期,汽包水位沿著相反方向變化的現(xiàn)象人們稱之位“虛假水位”。從掌握上來講，“虛假水位”實(shí)際上就是非最小相位系統(tǒng)。我們以蒸汽流量的增加對汽包的影響為例進(jìn)行分析.在給水不變的情況下,負(fù)荷提升,導(dǎo)致蒸汽流量增加，如果不考慮其它因素的影響，則汽包水位由于蒸汽流量大于給水流量而直線下降.如圖２曲線ｃ所示;蒸汽量增大初期,因水中氣泡容積增大導(dǎo)致水位臨時先上升，由于氣泡容積只能增大到汽包壓力水平，故這種上升是有限的,一段時間后，汽包壓力就達(dá)到穩(wěn)定，水位也不再上升，如曲線a，曲線b即為兩者的綜合效果,即汽包水位變化的實(shí)際效果。圖2曲線c可以看成一個近似的積分環(huán)節(jié)，曲線a近似為一個慣性環(huán)節(jié),則曲線b（實(shí)際汽包水位對蒸汽擾動的響應(yīng)）可以近似為一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)，如圖3示。

用傳遞函數(shù)表示:

式（1)、(2）分別表示曲線c和曲線ａ.

G１(s）=kｄ/s

（1）

Ｇ２（s）=k/（1＋Ｔｄｓ）

（２）則曲線ｂ可表示為：

則蒸汽流量擾動下汽包水位的動態(tài)特性為:Gd（ｓ)=kｄ（１-τds)/ｓ（１+Tds）

（4）同理可求得給水流量擾動下汽包水位變化的動態(tài)特性:

Gw（s）=kw（1-τss）／ｓ（1+Tws)

（5）一般τd，τｗ均大于0，因此給水?dāng)_動及蒸汽擾動對汽包水位的動態(tài)系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)。由掌握理論知識我們知道，對于非最小相位系統(tǒng)，接受簡潔的形如：G（s)=ｋp(1+T/Ti）ｓ式中kp,Ti——分別為比例、積分系數(shù)；Ｔ—-采樣周期固定參數(shù)ＰI掌握器難以有效地掌握系統(tǒng)的過渡過程?，F(xiàn)場掌握的實(shí)踐也證明白上面的觀點(diǎn)?？紤]方案的改進(jìn)，最自然的想法是盼望掌握系統(tǒng)自動地調(diào)整PID掌握器參數(shù)和結(jié)構(gòu)，以更好地適應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)的變化。由于鍋爐系統(tǒng)的簡潔性和建模困難，基于數(shù)字模型方法的自適應(yīng)或自整定方法在實(shí)際掌握的實(shí)現(xiàn)仍是困難的。而成功的掌握仍然有賴于有運(yùn)行閱歷的工程師。基于專家閱歷的專家PID掌握以專家的閱歷來實(shí)時調(diào)整PＩD掌握器的參數(shù)，結(jié)果證明在簡潔干擾的情況下仍能取得良好的掌握效果。３、CＦＢ鍋爐專家ＰID掌握算法本文構(gòu)造了一個專家系統(tǒng)與實(shí)時掌握協(xié)調(diào)的實(shí)時掌握系統(tǒng)，依據(jù)水位偏差、負(fù)荷變化及變化率或母管壓力的變化由專家系統(tǒng)依據(jù)規(guī)章選用合適的ＰＩD參數(shù)值,極端情況下,專家系統(tǒng)接管實(shí)時掌握進(jìn)行直接專家掌握輸出,以盡快使水位回到正常值。掌握框圖如圖4所示。COUT—-三沖量水位掌握器外環(huán)掌握器，PIＤ或?qū)＜艺莆掌?由ＥC決定）ＣIN-—三沖量水位掌握器內(nèi)環(huán)掌握器,PID或?qū)＜艺莆掌?由EC決定)ＥC——專家決策掌握器ＧP1——三沖量水位內(nèi)環(huán)對象特性GP２——三沖量水位外環(huán)對象特性F—-水位測量變送D--蒸汽負(fù)荷或負(fù)荷變化率P——給水壓力或蒸汽壓力Ｐｗ--給水壓力Pｄ-—蒸汽壓力K——蒸汽流量前饋系數(shù)專家掌握器EC依據(jù)系統(tǒng)所采集的水位偏差e（△e）、負(fù)荷變化或變化率D（△Ｄ）及母管壓力(Pｗ)的變化依據(jù)規(guī)章表選用合適的ＰＩD參數(shù)值。由掌握及運(yùn)行專家依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)所整定的幾組PIＤ參數(shù)值預(yù)先以表格或規(guī)章的形式存入專家掌握器的規(guī)章庫中。同時EＣ也依據(jù)負(fù)荷變化等情況調(diào)整前饋系數(shù)值。當(dāng)遇到極端情況時，如水位偏離偏差高限、負(fù)荷太低使調(diào)節(jié)閥處于強(qiáng)非線性工作區(qū)、負(fù)荷波動速率太大常規(guī)掌握作用太弱等情況消滅時，由EC決定把汽包水位內(nèi)外環(huán)掌握器CIN、CＯＵT由ＰID掌握切為基于專家閱歷的規(guī)章掌握。因此這里的CIN、COUT實(shí)際上是PIＤ掌握器與專家掌握器的組合。它們的切換由協(xié)調(diào)決策的專家掌握器EＣ掌握。EC轉(zhuǎn)變PIＤ掌握器參數(shù)和掌握方式的原則是使汽包水位在大偏差時盡快回到規(guī)定值,大干擾引起大波動時盡可能的維持在規(guī)定的水位掌握限內(nèi)。專家系統(tǒng)的人機(jī)界面Operator主要用于規(guī)章的實(shí)時修改。從掌握結(jié)構(gòu)來看,本文所給出的仍是以主蒸汽流量為前饋的三沖量給水掌握系統(tǒng)。但它己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同與一般的固定參數(shù)的PID掌握。主要的不同點(diǎn)是：(1）PIＤ掌握器的參數(shù)并非固定一組，而是依據(jù)水位系統(tǒng)所處動態(tài)環(huán)境的不同，仿專家閱歷選取較合適的掌握參數(shù)。這種掌握參數(shù)隨動態(tài)不同而轉(zhuǎn)變的策略顯然會改善掌握品質(zhì)。(2）掌握參數(shù)事先依據(jù)專家閱歷離線整定完畢，實(shí)時掌握中專家掌握器只是依據(jù)對象的模糊化信息通過規(guī)章進(jìn)行選取,這種方法雖然在精度上比實(shí)時整定保守,但它更牢靠，且實(shí)時性強(qiáng),沒有參數(shù)整定時間.(3）極端情況下直接對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行規(guī)章掌握(或直接轉(zhuǎn)變內(nèi)環(huán)流量設(shè)定值進(jìn)行單回路掌握）可能飛速遏制系統(tǒng)向更壞的方向進(jìn)展，快速把系統(tǒng)拉回正常值；而PID常規(guī)掌握基于增量的輸出作用在極端情況下往往太弱,使操作人員不得不切為手動操作。從這一點(diǎn)上說，這也是仿人掌握的一種。3．１掌握結(jié)構(gòu)及參數(shù)的調(diào)整方法汽包水位掌握方式及掌握參數(shù)專家調(diào)整表(表１）介紹了掌握方式及掌握參數(shù)的調(diào)整方法。其中E，△E，P，D,△D分別為汽包水位偏差、水位偏差變化率、母管壓力、負(fù)荷及負(fù)荷變化率的模糊化值,F為模糊函數(shù),Ｍ1，M2,M3為模糊限值.實(shí)時掌握中用產(chǎn)生式規(guī)章方式實(shí)現(xiàn)：IＦＦ（Ｅ,△E，Ｐ，Ｄ，△D)<Ｍ1THENＰIＤ三沖量串級掌握

掌握參數(shù)為

內(nèi)環(huán)：P1ＩN,Ｉ1ＩＮ，D1IN外環(huán):Ｐ１O(jiān)UＴ,I1OUT,Ｄ１O(jiān)UTＩFF(Ｅ，△E，P，D，△Ｄ)＜M2THEＮ……

ＩＦF（E，△E,P,Ｄ，△D）〉M2THEN

基于閱歷的規(guī)章掌握

EＮDIF圖5為ＣFB鍋爐汽包水位專家PID掌握結(jié)構(gòu)詳圖，圖中簡略描述了掌握方式及掌握參數(shù)的專家調(diào)整原則。

鍋爐在只供熱、供汽時負(fù)荷可能很低，這時調(diào)節(jié)閥開度一般都很小，工作在強(qiáng)非線性區(qū)，常規(guī)的PＩＤ掌握效果不好，此時接受專家規(guī)章掌握.

鍋爐在突然停熱（汽）負(fù)荷或發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時，鍋爐動態(tài)變化很大，從給水量=蒸發(fā)量靜態(tài)平衡觀點(diǎn)看,此時調(diào)節(jié)水閥應(yīng)立即大幅度關(guān)小，常規(guī)PＩＤ掌握輸出增量較小達(dá)不到操作要求,此時亦仿人工操作,切為專家掌握，飛速減小流量設(shè)定或直接關(guān)小閥門。

水位偏差太大時,利用專家閱歷直接設(shè)定流量值或直接開關(guān)閥門,以使水位飛速回到正常值。3。２專家規(guī)章掌握

主要有兩種方式：

(1)直接以產(chǎn)生式規(guī)章方式作用于調(diào)節(jié)閥。

如:IF水位≥報警高限THEN

給水調(diào)節(jié)閥=全關(guān)

(２）規(guī)章調(diào)節(jié)副環(huán)給水流量的設(shè)定值，內(nèi)環(huán)仍進(jìn)行ＰID掌握，掌握結(jié)構(gòu)由三沖量串級轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)章調(diào)整設(shè)定值的單回路隨動掌握系統(tǒng)

如：ＩF△D>負(fù)荷變化限值THEN

給水流量設(shè)定=蒸汽流量＋偏差補(bǔ)償

其中偏差補(bǔ)償由運(yùn)行工程師依據(jù)實(shí)際情況設(shè)定.４、現(xiàn)場掌握效果

上述掌握系統(tǒng)于199７年5月在浙江省嵊州市熱電廠3#爐——7５t/h循環(huán)流化床鍋爐調(diào)試投運(yùn)成功。取得了很好的掌握效果。由于該廠熱電聯(lián)供,以供熱為主，故負(fù)荷波動大；母管制給水運(yùn)行，1＃、2#鍋爐均為操作人員手工操作,操作任意性大，常常消滅３爐“搶水”現(xiàn)象,故對象特性波動大。盡管運(yùn)行環(huán)境惡劣，但由于設(shè)計中已考慮到各種情況，故自控運(yùn)行良好,始終保持高投入率。5

、小結(jié)本文基于現(xiàn)場操作閱歷,接受實(shí)時專家掌握系統(tǒng)的思路,簡略商議?了一種專家系統(tǒng)與實(shí)時掌握相結(jié)合的實(shí)時專家PID掌握方法，并用此方法掌