火電廠鍋爐汽包水位的智能控制研究

陳振山，高明帥，張紅俠

（華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045）

0 引 言

中國一直是能源消耗大國，國家的主要能源供給來源于煤炭，因此火力發(fā)電廠是主要的煤炭能源消耗單位。在火力發(fā)電廠安全生產(chǎn)發(fā)電的過程中，鍋爐是最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，其中水位、壓力和溫度是鍋爐安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運行的重要指標(biāo)。水位過高會影響汽水分離，從而產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；水位過低則會影響汽水循環(huán)，使得鍋爐局部溫度過高而產(chǎn)生危險事故。因此，對于火力發(fā)電廠鍋爐運行而言，汽包水必須要實施穩(wěn)定可靠的自動調(diào)節(jié)與控制。

本論文主要結(jié)合鍋爐運行過程中汽包水控制的特點及其控制現(xiàn)狀，有針對性的提出面向火力發(fā)電廠汽包水的智能自動控制策略與措施，以期從中能夠找到合理有效的汽包水自動控制方案，并以此和廣大同行分享。

1 鍋爐汽包水控制概述

1.1 汽包水特性分析

所謂汽包，就是指鍋筒，是鍋爐運行中最為重要的受壓元件。汽包內(nèi)有汽水分離裝置，實現(xiàn)汽水分離，有一定的飽和水量，具有一定的蓄熱能力，并緩和汽壓的變化速率，但是汽包中汽水分離的過程受到汽包水位的影響，水位過高會影響汽水分離，從而產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；水位過低則會影響汽水循環(huán)，使得鍋爐局部溫度過高而燒壞鍋爐。

鍋爐在運行時，汽水平衡是很重要的一個運行指標(biāo)。汽包及蒸發(fā)管中貯藏的蒸汽和水，貯藏量的多少是以被調(diào)量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。

近年來，隨著鍋爐容量和壓力的不斷升級，鍋爐汽包水位的控制精度要求也逐漸提高，汽包水位的控制由過去單純的控制水位一個指標(biāo)發(fā)展到不僅僅要控制水位，還要控制汽水分離率、汽水循環(huán)率等多指標(biāo)控制，因此汽包水位控制的難度也逐漸加大。

1.2 汽包水控制現(xiàn)狀

過去對于鍋爐汽包水水位的控制，采用常規(guī)儀表結(jié)合操作工人的手動操作控制實現(xiàn)對汽包水位的控制，由于鍋爐汽包水位具有強非線性、大時滯等特點，傳統(tǒng)常規(guī)儀表僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)帶沖量的控制，無法實現(xiàn)受控過程的控制，因此控制效果并不理想；而手動操作在很大程度上又取決于操作工人的經(jīng)驗，因此傳統(tǒng)的控制手段無法改變鍋爐高能耗運行的狀態(tài)，并且鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性無法得到有效的保證。

隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了PID控制器。利用PID控制器來控制汽包水位，盡管對于系統(tǒng)而言，系統(tǒng)控制誤差大大縮小了，控制的精度相比于過去的傳統(tǒng)手動控制有了大幅提升，但是利用PID控制器實現(xiàn)的汽包水位控制，系統(tǒng)不穩(wěn)定且很容易產(chǎn)生虛假水位現(xiàn)象，難以獲得較好的控制效果。

針對上述傳統(tǒng)的汽包水位控制模式在實際應(yīng)用中的諸多不足，本論文擬將模糊自適應(yīng)控制方案應(yīng)用于鍋爐的汽包水位控制中，不依賴汽包水位數(shù)學(xué)模型的任何信息，只需要汽包的輸入輸出數(shù)據(jù)，既可以消除虛假水位現(xiàn)象，又能克服各種擾動，從而實現(xiàn)汽包水位的自動化智能化控制的目的。

2 鍋爐汽包水位的智能控制設(shè)計研究

2.1 汽包水位的測量分析

長期以來，汽包水位的測量一直是實現(xiàn)鍋爐汽包水位智能控制的難點問題。汽包水位是由汽包水位傳感器實現(xiàn)水位監(jiān)測的，但是傳感器本身具有一定的可靠性，一旦傳感器故障就會導(dǎo)致運行人員誤判斷、誤操作，水位預(yù)警失靈，停爐保護拒動，這會造成重大的鍋爐安全事故。因此，汽包水位的測量一直是工業(yè)控制過程中的一個難點。

針對傳統(tǒng)的汽包水位測量的不足，本論文提出多傳感器融合測量的思想，因為究其本質(zhì)而言，汽包水位的測量實質(zhì)上是對給水量和蒸汽量的測量，進而實現(xiàn)二者之間的平衡。因此，改變過去傳統(tǒng)的單純依靠汽包水位傳感器測量的方法，改為依靠對給水量測量和蒸汽量測量進而實現(xiàn)控制汽包水位的目的。那么如何可靠的實現(xiàn)對給水量和蒸汽量的測量呢？這里需要引入傳感器融合的思想，即采用多個傳感器同時分別監(jiān)測給水量和蒸汽量，將傳感器本身的可靠性納入考慮范圍，將多個傳感器分別監(jiān)測到的給水量和蒸汽量，結(jié)合傳感器自身的可靠度進行數(shù)據(jù)融合，最終得出可信度較高的蒸汽量和給水量，而控制系統(tǒng)根據(jù)所監(jiān)測到的給水量和蒸汽量進行自動的智能化控制，調(diào)節(jié)給水量或者蒸汽量的大小，進而達(dá)到控制汽包水位的目的。那么究竟如何結(jié)合傳感器本身的可靠度進行給水量或者蒸汽量的監(jiān)測呢？

以給水量為研究對象，可以假設(shè)：令H1表示給水量傳感器存在故障，H0表示給水量傳感器無故障，N個本地給水量傳感器分別收到k個未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)向量Xi后，

其中 Xi＝ ［xi，1，xi，2，…，xi，k］，i＝1，2，…，N，xi，j∈ ｛0，1｝；

分別在本地作出一個b位（b≤k）的決策向量Ui＝ ［ui，1，ui，2，…，ui，b］，i＝1，2，…，N，ui，j∈ ｛0，1｝；

各個給水量傳感器的偵測正確的概率為Pd＝P［xi，j＝1｜H1］，1≤i≤N，1≤j≤k；

誤報概率為Pf＝［xi，j＝1｜H0］，1≤i≤N，1≤j≤k。

本地決策向量集 ［U1，U2，…，UN］傳輸?shù)饺诤现行?，由于給水量傳感器都不是絕對理想的，存在一定程度的噪聲，因此決策中心接收到的向量集為 ［R1，R2，…，RN］，其中

式中，σ為給水量傳感器信號的平均信噪比，gi，j為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的獨立高斯變量，gi，j～N（0，1），附加噪聲ni，j也服從正態(tài)分布，ni，j～N（0，1）。

融合中心的全局一位決策u0是基于向量集［R1，R2，…，RN］的，中心的偵測及誤報概率分別為PD和PF，有PD＝p［u0＝1｜H1］，PF＝p［u0＝1｜H0］。

為衡量決策規(guī)則的性能，必須計算偵測與誤報概率，從而為基于給水量傳感器可靠性的多傳感數(shù)據(jù)融合提供支撐。由此可見，利用這種多傳感器的數(shù)據(jù)融合的方法，其實質(zhì)是將無模型自適應(yīng)控制的方案應(yīng)用于鍋爐的汽包水位控制中，不依賴汽包水位數(shù)學(xué)模型的任何信息，只考慮傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，同時將傳感器本身的可靠度納入考慮范圍，只需要汽包的輸入輸出數(shù)據(jù)，既可以消除虛假水位現(xiàn)象，又能克服各種擾動。

2.2 鍋爐汽包水位控制方法

上文分析了鍋爐汽包水位的監(jiān)測方法，提出了基于傳感器本身可靠度的多傳感器數(shù)據(jù)融合監(jiān)測方法，擺脫了過去由單一水位傳感器實現(xiàn)水位監(jiān)測的諸多不足，不受具體的數(shù)學(xué)模型限制，大大提高了鍋爐汽包水位的監(jiān)測準(zhǔn)確性。那么在實現(xiàn)了汽包水位準(zhǔn)確監(jiān)測的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)對汽包水位的智能控制呢？從上面的分析可以看出，由于是采用分別監(jiān)測給水量和蒸汽量的方法實現(xiàn)汽包的輸入量和輸出量的監(jiān)測的，因此對于汽包水位的控制，就需要從汽包輸入量和輸出量的控制入手實現(xiàn)。

（1）給水量的控制

改變過去采用定速水泵供給鍋爐汽包的傳統(tǒng)方式，這是因為采用定速水泵供給水量，一旦鍋爐汽包水位發(fā)生明顯變化時，定速水泵調(diào)節(jié)供給水量的速度跟不上汽包水位發(fā)生變化及導(dǎo)致惡化事故的速度，容易造成較大的安全事故隱患，因此定速水泵目前普遍應(yīng)用于小型的鍋爐系統(tǒng)。對于大型鍋爐系統(tǒng)，現(xiàn)在普遍采用單級三沖量控制系統(tǒng)供給水量。

給水量的控制通常容易受到給水壓力、汽包壓力、調(diào)節(jié)閥開度等因素的干擾，造成產(chǎn)生虛假水位，給汽包水位的控制帶來了難度；而單級三沖量控制系統(tǒng)恰恰解決了虛假水位的問題，這主要是因為采用單級三沖量控制系統(tǒng)，能夠?qū)⑵敵隽俊羝孔鳛榍梆佇盘?，將給水量發(fā)生擾動之后的給水量信號作為局部反饋信號。調(diào)節(jié)器根據(jù)這兩個反饋信號自動控制調(diào)節(jié)閥的開度，進而實現(xiàn)給水量的控制，消除了給水量擾動帶來的影響，以及虛假水位帶來的汽包保護器的誤動作，大大提高了給水量的控制精度，如圖1所示。

圖1 給水量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）蒸汽量的控制

蒸汽量的控制通常需要明確知道系統(tǒng)出口處的壓力、溫度、濕度、粘度等參數(shù)，才能夠計算出系統(tǒng)的輸出蒸汽量，這樣的處理過程不僅需要進行大量的計算，同時對于系統(tǒng)而言，蒸汽量的控制精度也并不高。因此，對于蒸汽量的控制，同樣道理，可以將汽包水位控制系統(tǒng)的輸入量——給水量作為前饋信號，由汽包內(nèi)的汽水分離器件實現(xiàn)汽水分離，并數(shù)字化控制蒸汽量的輸出，進而達(dá)到控制系統(tǒng)蒸汽量輸出的目的，如圖2所示。

圖2 蒸汽量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制了系統(tǒng)的輸入量給水量和輸出量蒸汽量，即可實現(xiàn)對鍋爐汽包水位的自動化智能化控制，但是在控制過程中，還有很多具體的技術(shù)問題，有待于廣大技術(shù)人員共同努力去解決。

3 結(jié) 語

本論文以應(yīng)用在火力發(fā)電廠領(lǐng)域中的鍋爐為研究對象的載體，以鍋爐運行過程中的汽包水位為具體研究對象，詳細(xì)分析探討了傳統(tǒng)汽包水位控制方法在實際應(yīng)用中所暴露出來的諸多不足與問題，有針對性的提出了基于模糊自適應(yīng)控制的方案，將其應(yīng)用于鍋爐的汽包水位控制中，并分析研究了其中的技術(shù)問題，提出了具體的汽包水位智能化控制設(shè)計措施，對于進一步提高我國火力電廠鍋爐汽包水位的智能化控制水平具有較好的理論和實踐指導(dǎo)意義。當(dāng)然，更多的具體的汽包水位控制策略與技術(shù)方案有待于廣大熱工專業(yè)技術(shù)人員的共同努力，才能夠最終實現(xiàn)火電廠鍋爐汽包水位控制水平的大幅提升。

［1］ 趙建立，王永征.大型火電機組熱工控制技術(shù)與實例［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］ 海 山.鍋爐汽包水位的智能控制研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2008.

［3］ 王 卓.模糊控制在鍋爐水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.北京：北京科技大學(xué)，2005.

［4］ 愈海斌，褚 健.CFB鍋爐汽包水位的專家PID控制［J］.機電工程，2000，（3）：103－106.

［5］ 高 巖.基于專家系統(tǒng)的鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化控制［J］.電力自動化設(shè)備，2005，25（5）：27－29.