基于熱力發電廠中鍋爐除氧器控制方法的研究

劉永剛

摘要：除氧器是目前發電廠用到的主要設備，其是針對鍋爐發揮相關作用的。除氧器的作用是將水中的氧氣排除，延長設備耐腐蝕的時間，使得鍋爐運行的穩定性大大提升。下面圍繞除氧器展開相關討論，對除氧系統、PID控制器的設計進行詳細介紹，并建立仿真模擬試驗，驗證除氧器對溫度的控制具有明顯優勢，并對發電廠改進控制方法提供參考。

關鍵詞：發電廠；鍋爐；除氧器；控制方法

電能是社會生活中最常見的必需能量。為了減少煤燃燒造成的環境污染，近年來，許多發電廠都經歷了很大的改革。傳統發電過程中，困擾電力部門的最大問題是熱力設備被腐蝕的速度過快，頻繁更換設備，不利于鍋爐的穩定運行，同時增加經濟成本。

一、現狀概述

近年來我國的用電量呈現出直線增長趨勢，再加上我國政府出臺的一系列環境保護政策，我國的發電廠正在快速改革當中，設備腐蝕是改革過程中遇到的主要問題。在進入鍋爐之前，水中的溶解氧沒有被完全去除，由于供水管道和其它設備的氧氣腐蝕，每年發電廠都承受著巨大的經濟損失。為改善這一情況，必須對水進行處理，使其發生還原反應，水中的氧氣從中脫離出來。然后在脫氧器的幫助下，將氧氣在水中的溶解程度降到最低，進而達到減緩腐蝕的目的。在我國經濟飛速發展的情況下，工業生產中對除氧器的要求也在不斷提高，現階段針對除氧器的控制方法還達不到理想的設計要求，因此人們一直在探索一種更有效的方法[1]。

二、除氧系統

除氧器的主要作用是，將進水中的雜質氣體去除，例如氧氣，在相應的控制方法之下，雜質氣體不會與水分發生反應并結合在一起。下文對水中氧的特性和去除氧的基本方法進行詳細介紹。

（一）氣體特征

空氣中氧氣的含量很多，通常情況下，空氣極易和水發生反應，導致水中的氧含量明顯增加。溫度的高低是影響水中含氧量的主要因素，為達到較好的除氧效果，相應裝置需要同時滿足下面兩個條件：當除氧裝置的壓力達到最大時，進水的溫度必須達到飽和狀態溫度；水中分離出的氣體必須及時清除出去，否則會再次與水分子結合。由相關定理可知，氧氣的溶解程度與分壓的關系是非常密切的，溶解度隨著分壓的升高而不斷增加，分壓是指液體表面上空間中的壓力，此時該空間中只存在一種氣體。當分壓為零時，氣體不溶于水。

隨著溫度升高或壓力增加，蒸汽-水界面處的水蒸氣分壓也增加。當水的溫度達到沸點時，在蒸汽-水界面處僅存在水蒸氣而沒有其它氣體。

（二）溫控方案

經過長期的試驗驗證，104±3℃是除氧器工作的最佳溫度。從除氧器系統的復雜性來看，傳統的PID控制難以實現除氧。鍋爐運行的穩定性較差，且會對原材料造成大量浪費。鑒于此種情況，可以結合相關控制方法來設計更精確的控制器。我國一直在不斷探索新的控制方法，即模糊控制。到目前為止，它已經在許多工業領域中使用，并在實際生產過程中解決很多傳統控制難以解決的難題。

本次研究的溫控系統采用的控制方式是閉環控制，其原理如下圖所示。其中x（t）是鍋進水溫度的設計值，y（t）是實際值。

圖一 溫控框圖

當系統開始運行時，檢測除氧器內給水的溫度，測得的溫度經過變送器，變為標準電壓或電流信號，經過A/D轉換與給水溫度設定值比較，得出的偏差信號作為調節器的輸入，再經過D/A轉換處理，控制信號在調節器的作用下，被施加到執行器，以此控制鍋爐給水溫度。

（三）基本原理

控制器是實現模糊控制的關鍵。在計算機的編程控制下，控制器具有一定的自主處理數據的能力，偏差信號通過模糊控制器變為模糊量。在模糊語言的控制下，得到語言子集為模糊控制量，為保證將受控對象控制在比較精確的范圍內，需要將模糊量轉換為精確數值，并在獲得準確的數值后，將其值發送到執行器，從而達到精確控制對象的目的。

三、設計控制器

（一）PID控制器

變量確定設計的第一步，本次控制器的設計，需要同時確定輸入、輸出量。輸入量直接反應電力信號的變換情況，輸出量通常與控制器的補償量相近。維數的選擇是控制器設計的關鍵，目前大多數發電廠選擇的都是一維控制系統，比較容易實現對鍋爐溫度的控制。

1.確定變量

選擇輸入和輸出變量的詞集。通常，如果選擇單詞集則控制起來簡單方便，但其相關規則比較復雜。

本次試驗中，根據除氧裝置的實際工況，其輸入變量的設計包括兩個值，即e和ec，前者為誤差，后者表示誤差的相應的變化量。補償量是輸出變量，它們的域量化是13級，即：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}

根據模糊控制原理，輸入變量首先必須模糊化并轉換為模糊量，并乘以量化因子。量化因子的選擇，與控制系統的相應速度有著直接聯系，其值過大相應的過渡時間會變長，系統反應緩慢，不利于對運行系統的控制。

2.推理決策

推理決策是設計的重要階段，為保證最終設計成品性能的穩定，目前常采用Mamdani推理法。

（二）仿真結果

采用熱脫氧器的經典動態數學模型：G（S）=9.4e-4s（4.6s+1）3當受控對象的數學模型是由設計建立的數學模型時，呈現的仿真圖各項參數如下：Kp=0.1697，Ki=0.0113，Kd=0.636，ΔKp、ΔKi、ΔKd為控制器的補償量。選擇三組參數，并比較模擬結果。超調量也有明顯優勢，因為模糊控制的輸出量是對比例、積分和微分參數的補償[2]。系統設計除氧器溫度控制系統，只要除氧器的溫度保持在104±3°C，氧氣在脫氣器給水中的溶解度為零，就能達到較好的脫氧效果。

四、結束語

綜上所述，是對除氧器控制方法的相關介紹，以具體的仿真試驗，將是對除氧效果影響最大的因素，即溫度進行控制。在傳統PID控制的基礎上，將模糊控制的理論融入進去，并按照實際工況建立相應的仿真模型，通過仿真分析可知，在模糊理論和PID控制有效結合的基礎上，鍋爐運行的溫度被控制在合理范圍內。

參考文獻：

[1]郭紅霞.基于熱力發電廠中鍋爐除氧器控制方法的研究[J].榆林學院學報，2017.

[2]寇天龍.除氧器含氧量超標原因分析與調整[J].現代商貿工業，2016，（23）.

（作者單位：廣州發展鰲頭分布式能源站投資管理有限公司）