基于模糊PID的電廠循環水系統的優化控制

劉紅梅　任紅艷　丁盈

摘 要：目前發電廠循環水系統中還是通過啟停水泵的數量來控制循環水流量，但是該控制方法無法連續調節循環水流量，使蒸汽機組的實際運行狀態離最有利真空度位置差距較大。為了節約能耗，使蒸汽機組在最有利真空位置處運行，本文提出了通過變頻器控制循環水泵的轉速，使循環水流量能隨循環水入口溫度的不同而連續、精確變動。其中，變頻器控制采用模糊PID控制算法，該算法結構簡單，魯棒性強。

關鍵詞：發電廠；最有利真空度；循環水流量；PID控制

1 引言

發電廠的循環水系統是火力發電機組正常運行的一個重要輔助系統，由于某些原因，長期以來大部分還處于通過啟停水泵的數量來控制循環水流量的粗糙調節狀態，有的甚至處于不調狀態，其經濟性不高。因此，研究如何控制循環水泵流量的連續、精確調節，實現汽輪機的經濟運行是非常有必要的。本文根據汽輪機的經濟運行原理，提出了通過變頻器控制循環水泵的轉速進而調節循環水流量的方法。該方法能實現循環水流量的連續調節，使汽輪機組最大限度的工作在最有利真空度位置上，達到了經濟運行的目的。

2 發電廠循環水系統工作原理

發電廠循環水系統主要由汽輪機末端排氣缸、循環水泵、凝汽器、冷卻塔等部分組成。汽輪機組運行過程中，乏汽由汽輪機末端排汽缸流入凝汽器中。這時就需要循環水泵將循環水送入凝汽器，由循環水與乏汽進行熱量交換，冷卻乏汽從而維持凝汽器的真空，使汽水循環得以繼續[1-2]。

3 凝汽器的最有利真空度

在發電廠循環水系統中，可近似認為運行中的凝汽器的壓力由循環水進水溫度、蒸汽負荷和循環水流量共同決定。在極限真空內，提高真空度使蒸汽在汽輪機中的可用焓降增大，發電機的輸出功率則會隨之增加。循環水進水溫度隨四季變化而差距很大，一般取決于外界自然環境，因此在蒸汽負荷一定的條件下，可以通過控制循環水流量來達到提高凝汽器真空度的目的。但并不是真空度越高越好，因為隨著真空度的增大，凝汽器需要更多的循環水冷卻，所以循環水泵耗能會增加。因此一味地提高真空度不符合節能理念，達不到經濟運行的目的。為了提高汽輪機組運行的經濟性，可以讓循環水系統在最有利真空位置處運行。

4 模糊PID控制算法

根據結構已定的汽輪機、凝汽器和循環水泵，由它們的特性能計算出凝汽器的最有利真空度和相應的最有利循環水流量。在蒸汽負荷不變的條件下，可根據循環水進水溫度來實時追蹤最有利循環水流量。為了使循環水流量的控制更精確，本文通過變頻器控制循環水泵的轉速來達到控制循環水流量的目的。在對變頻器的控制上，采用具有一定自適應性的模糊PID算法[3]。

4.1 模糊控制原理

模糊理論最早是由Zadeh提出，是為了處理廣泛存在的不精確、模糊的事件。現實生活中很多現象難以用經典的二值邏輯來描述，例如“流量比較大”、“轉速過大”等。模糊算法通過建立隸屬度函數，很好的解決了此類模糊問題。模糊控制器的原理圖如圖1所示，r（t）為系統設定值，e（t）為設定值與系統實際輸出值之差。

4.2 模糊PID控制原理

將模糊算法與PID算法相結合就形成了模糊PID控制算法，其原理如圖2所示。本文以變頻器為被控對象，以最有利循環水流量作為控制系統的設定值r（t），通過建立循環水流量偏差e及偏差變化率ec與PID控制器中比例、積分、微分參數之間的模糊關系，選用循環水流量偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器和PID控制器的輸入，模糊控制器輸出PID算法中比例系數、積分系數和微分系數的修正量?kp、?ki、?kd，實時修正PID的參數。

5 實驗仿真及分析

在MATLAB軟件的Simulink中搭建模型，模擬最有利循環水流量的變動，對循環水系統進行仿真實驗來驗證其控制效果。本系統采用模糊PID算法，需要搭建模糊控制器和PID控制器，并將它們打包封裝。在模糊控制器的設計中，其2個輸入和3個輸出都采用三角形隸屬度函數，模糊集選擇{NB（負大），NM（負中），NS（負小），NB（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。模糊控制規則庫按以下原則建立：（a）當測得的實際循環水流量大于給定的最有利循環水流量時，增大變頻器的頻率從而使循環水泵的轉速增大，增加循環水流量；反之，減小變頻器頻率使循環水泵轉速減小，從而減小循環水流量。（b） 當實際循環水流量與最有利循環水流量的差值較大時，使控制量以消除誤差為主；當差值較小時，使控制量防止超調過大和維護系統的穩定性為主。

由圖3的仿真結果可知，當最有利循環水流量不斷變化時，模糊PID算法能使系統快速響應，使實際循環水流量迅速跟蹤最有利循環水流量且效果較好。

5 結束語

本文提出了通過變頻器控制循環水泵的轉速來控制循環水流量的方法，在變頻調速控制策略上采用模糊PID算法，其具有一定的自適應性且控制精度高，能實現循環水流量的精確控制，使其保持在最有利循環水流量附近，使蒸汽機組最大限度的工作在最有利真空度位置上。

參考文獻

[1]遲新利，劉禹林，韓希昌.循環水處理控制系統設計與應用[J].東北電力技術， 2006（1）.

[2]高正中，龔群英，趙麗娜，等.基于模糊Petri網和狀態監測的井下水泵故障診斷[J].工礦自動化， 2016，42 （5）：28-31

[3]王嵐，吳文.智能PID算法在變頻恒壓供水系統中的應用[J].電子器件， 2009（6）.