PDF《模糊控制系统在 450 t/h CFB 锅炉床温控制中的应用》

模糊控制系统在

450 t/h CFB 锅炉床温控制中的应用 Application of Fuzzy Control System to Furnace Bed Temperature Control in

450 t/h Circulated Fluidized Bed Boiler( CFB) 于希宁

1 , 平玉环

1 , 杜亚荣

1 , 张书敬

2 ( 1.

华北电力大学, 河北 保定 071003;

2.保定热电厂, 河北 保定 071003)

0 引言 循环流化床锅炉( 简称 CFB 锅炉) 由于具有燃 烧效率高、 燃烧适应性广、 低污染等独特的优点, 受 到世界各国的广泛重视, 并得到迅速的发展. 但是由 于CFB 锅炉的动态过程十分复杂, 用常规控制方 法, 难以保证各项控制指标的实现.近年来, 模糊控 制技术得到了发展, 出现了不少成功的应用范例. 研 究设计结果表明[1] , 模糊控制器能够对时变、 非线性 和复杂的被控对象进行较为有效的控制.本文针对 保定热电厂

8 号机组

450 t/h 循环流化床锅炉燃烧 的特殊性, 设计出一种模糊控制器并进行仿真. 仿真 试验结果表明, 该控制器能达到满意的控制效果.

1 CFB 锅炉床温被控对象的动态特性分析 由于 CFB 锅炉系统存在比较紧密的耦合关系, 一般将燃烧系统分解为几个相对独立的调节对象, 相应设置独立的调节系统.主要控制系统有负荷控 制系统、 床温控制系统、 床层压差控制系统、 炉膛负 压控制系统及二次返料控制系统.在此重点介绍 CFB 锅炉床温控制系统. 1.1 床温 床温是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的 重要控制参数, 直接影响锅炉运行的脱硫效率及 NOx 的产量.一般床温控制在

850 ℃左右, 此温度是 实现炉内脱硫的最佳温度, 同时 NOx 的产生量比较 少. 床温太低不但会使锅炉效率降低, 锅炉运行不稳 定, 容易灭火, 还会使炉内脱硫效率下降, NOx 的产 量大大增加, 而且容易造成炉膛料床结焦, 使循环流 化床锅炉无法循环流化燃烧, 若产生炉膛结焦, 则必 须停炉. 1.2 影响床温的因素 影响床温的因素有给煤量、一次风量、二次风 量、 炉底排渣量等. ( 1) 炉底排渣量对床压影响较大, 而对床温的 影响很小;

锅炉运行二次风量根据负荷而定( 低负荷 时下二次风挡板开度为 50%, 中负荷时下二次风挡 板开度为 80%, 高负荷时下二次风挡板开度为 100%), 下二次风挡板开度为不可变: 所以设计控制方案无 需考虑炉底排渣量和二次风量对床温的影响. ( 2) 循环流化床的一次风有两个作用: 一是作 为流化用风, 二是作为燃烧用风. 风量的调节通常随 给煤量的变化而变化. 大量的运行工况表明: 若给煤 量不变, 床温维持在 780~

900 ℃时, 一次风增加, 床 温下降;

一次风减少, 床温上升. 床温在这个范围内, 一次风对床温的调节作用较明显;

煤种变化对床温 影响较大, 且惯性比较大, 但煤种变化直接引起给煤 [摘要] 针对保定热电厂

8 号450 t/h 循环流化床锅炉床温控制系统的运行特点, 设计了 模糊控制器, 用以代替常规控制.仿真结果表明, 模糊控制器具有良好的控制性能, 用于保定 热电厂

8 号机组的床温控制, 达到了预期满意的结果. [关键词] 循环流化床;

床温控制系统;

模糊控制 [中图分类号] TP13;

TK229.6+

6 [文献标识码] B [文章编号] 1008- 6218( 2007) 03- 0050-

02 [收稿日期] 2006- 11-

03 [作者简介] 于希宁( 1955―) , 女, 安徽省人, 华北电力大学控制科学与控制工程学院教授, 主要研究方向为高等过程控制理论和 线性理论的研究与工程应用. 内蒙古电力技术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER

2007 年第

25 卷第

3 期50 表1模糊控制器输出规则表 NB NB NB NS ZE ZE NS NB NS ZE ZE PS ZE NS NS ZE PS PS PS NS NS ZE PS PB PB ZE ZE PS PB PB NB NS ZE PS PB EC E 量的变化, 从许多不同的运行工况中发现, 一般从开 始加煤经过 1~4 min 床温才开始上升, 并且给煤量 越大, 床温波动越大. ( 3) 除监视床温外, 还应密切监视床温变化率[2] , 因为床温变化率可反映床温变化的趋势和快慢.根 据保定热电厂

8 号机组的实际运行情况, 床温变化 率变化十分明显, 所以实际运行中, 为了维持床温的 稳定, 必须监视床温变化率, 并结合负荷、 给煤量、 风 量提前进行调整.

2 循环流化床床温控制系统方案 经以上分析可知, 通过调节给煤量和一次风量 可保证床温稳定在要求的范围内.由于送风系统的 频繁调节不利于整个系统的稳定[3] , 因此采用调节给 煤量来控制床温.设计的床温―燃料量双回路控制 系统见图 1. 2.1 控制原理 以床温偏差作为主控信号送入到床温调节器, 考虑到电厂煤质的不稳定性, 把进入炉膛的总给煤 量作为内回路反馈信号;

为了消除煤质变化对床温 的影响, 把热量信号 M dP/dt+D ( M 为进入炉膛的总给 煤量, P 为汽包压力, D 为主汽流量) 作为内回路的 前馈补偿, 输出到燃料量调节器;

另外由于给煤量的 变化会对负荷产生影响, 因此作为前馈补偿的热量 信号加高低限幅来保证负荷的稳定.调节器的输出 调节给煤量使得床温测量值稳定在与对应负荷要求 的范围内. 2.2 传递函数 根据电厂提供的系统辨识结果, 对象

2 传递函数 关系( 给煤量和床温的关系) 为G2( s) = 7.78 ( 1+146s)

3 ;

对象

3 传递函数关系 ( 主汽流量与床温关系为) G3 ( s) =

1 ( 1+146s)

7 ;

对象

4 传递函数关系( 调节器输 出的给煤变化指令与给煤量的关系)为: G3(s)=

2 (1+10s)2 .

3 床温控制系统模糊控制器的设计 3.1 控制原理 模糊控制原理图( 见图 2) 中r为系统设定值, 是主蒸汽流量对床温设定值

850 ℃的修正;

E、 EC、 U 为反应系统误差、误差变化和控制量的模糊集合, u 为模糊控制器的输出的控制, y 为系统的输出. 3.2 控制器 模糊控制器的模糊输入语言变量可选 e 为床温 实际值与温度给定值 r 之间的误差, ec 为其误差变 化率, 输出变量为一次风量, 这样就构成了一个双输 入单输出的模糊控制器. 设误差 E 的基本论域为[-

50 ℃, +50 ℃], 选定 E 的论域 X={- 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5}, 为语言 变量 E 选择

5 个语言值 NB、 NS、 ZE、 PS、 PB.设误差 变化率 ec 的基本论域为 [- 6, +6], 选定 EC 的论域 Y={- 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5}, 为语言变量选 取NB、 NS、 ZE、 PS、 PB 共5个语言值. 设控制量 u 的基本论域为[0, +5], 若选定 U 的 论域为 Z={0, 1, 2}, 为语言变量 U 选取 NB、 NS、 ZE、 PS、 PB

5 个语言值. 根据手动操作控制的经验, 总结 得出由

25 条Fuzzy 条件语句构成的控制规则表( 如表1所示) .这样便构成了模糊控制器, 之后便可在 Matla 仿真环境中搭建 Fuzzy 模块进行仿真, Matlab 软件为此提供了方便的仿真环境, 只需选择合适的 隶属函数及输入控制规则, 而不需要进行手工的矩 阵合成运算和模糊推理运算. 图1燃料量控制床温系统 床温 调节器 燃料量 调节器 对象

4 对象

2 前馈补偿 对象

3 主汽流量 对床温设 定值修正 热量信号 床温测量值注: 1) 对象 2―给煤量与床温之间的关系;

2) 对象 3―主汽流量与床温之间的关系;

3) 对象 4―调节器输出的给煤量变化指令与给煤量之 间的关系 图2模糊控制原理图 模糊化 模糊 控制器 模糊判别 对象

2 de/dt e ec U y u Y ( 下转第

60 页) 内蒙古电力技术2007 年第

25 卷第

3 期51 ( 上接第

51 页)

4 仿真试验结果 图

3、图4为原系统的仿真试验曲线与模糊控 制方案的仿真试验曲线. 可以看出, 模糊控制方案比 原系统的动态性能要好, 调节时间快, 超调量也小, 有利于锅炉安全、 稳定、 经济运行;

另使用模糊控制 之后系统的鲁棒性较好, 正好适用床温对象数学模 型的不确定性.

5 结论 从以上仿真试验分析可以看出, 模糊控制可以 满足循环流化床锅炉床温自动控制的需要, 比常规 的PID 控制动态性能、 鲁棒性好, 而且结构简单, 适 应性广, 抗干扰能力强, 达到了预期的目的. [参考文献] [1] 宋锦海.模糊控制在循环流化床中的应用 [J].工程热物理 学报, 1998, 19( 5) . [2] 阎维平, 于希宁.循环流化床床温控制过程分析[J].锅炉技 术, 2001, 32( 12) . [3] 杨林.循环流化床锅炉床层温度的模糊控制[J].北方交通 大学学报, 2002, 26( 6) . 编辑: 王金丽 重要组成部分. 5.1 漏电总保护 漏电总保护器是全网的总保护, 应配置在配变 的低压总电源侧, 选用电流型的漏电保护器. 其漏电 动作电流值的选择以防止间接接触的触电保护为 主, 并在躲过电网正常的漏电流的前提下尽量选较 小值. 对于漏电流较小的电网, 额定漏电动作电流值 以75 mA、

100 mA、

150 mA3 档可调为宜, 最大分断 时间不超过 0.2 s. 5.2 漏电中级保护 漏电中级保护器应设置在接户线进入集表箱的 电源刀闸的负荷侧, 用来防止套户线至末级保护器 之前的直接接触的触电伤亡事故的发生, 并作为末 级保护器的后备保护.其额定漏电动作电流值宜选 用45~

60 mA, 最大分断时间应大于 0.1 s 小于 0.2 s, 并取得与上下级保护器动作时间的配合. 5.3 漏电末级保护 漏电末级保护器应设置在进户线的电源侧, 接 刀闸后接漏电保护器.用于家用电器、固定安装电 器、 移动式电器、 携带式电器及临时用电设备的漏电 保护器, 是直接防止人身触电的保护设备, 其额定漏 电动作电流值不应大于

30 mA, 动作时间≤0.1 s;

手 持式电动器具及在特别潮湿场所的用电设备, 漏电 保护器的漏电动作电流不应大于

10 mA. 三级保护器的动作电流与分断时间的科学配 合, 是提高漏电保护器正确动作率和投运率的必要 措施, 是提高供电安全性、 可靠性的技术手段.笔 者认为: 总保护、 中级保护与末级保护, 其动作电 流值应有

15 mA 及以上的级差, 在分断时间上应有 0.05 s 的时差.总之, 漏电总保护器的定值最大, 漏 电末级保护器的定值最小, 漏电中级保护器的定值 介于上、 下级保护器定值的中间.

6 结束语 农网改造事关重大, 不能有半点疏忽. 所以应根 据地方实际制定改造计划, 合理选择设备, 采用安全 可靠的施工组织措施, 优质、 高效地完成农网改造工 作. 编辑: 王金丽 图4床温对象变化时两种控制方案对比 原床温控制系统响应曲线 模糊控制响应曲线

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200 时间/s 床温 / ℃ 图3床温控制系统仿真曲线 原床温控制系统性能仿真曲线 模糊控制方案性能仿真曲线

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