基于模糊控制的火力發電廠給水控制系統研究

楊賀強

（上海新華控制技術集團科技有限公司，上海 200241）

電力作為國民經濟發展的核心，在促進人類社會發展和科技進步方面發揮著十分巨大的作用，火力發電是一種通過燃燒煤炭等可燃物，對鍋爐進行加熱，產生大量高溫高壓的水蒸氣，推動發電機組運行的發電方式，占據了整個社會發電量的60%以上。給水控制系統主要是通過對中間點溫度的控制實現在發電過程中鍋爐燃水比的恒定，從而實現對鍋爐蒸汽溫度和壓力的控制，滿足不同工況下的給水量的需求，作為火力發電機組的核心，給水系統直接關系到火力發電的穩定性和經濟性，隨著大容量機組的不斷投入應用，發電過程中鍋爐的熱負荷越來越多，現有給水控制系統的控制精度、反應速度等均無法滿足火力發電安全控制的需求，因此，本文提出了一種新的基于模糊控制的火力發電廠給水控制系統，采用自適應模糊控制的方案，不僅能夠滿足對給水控制過程的連續跟蹤控制需求，而且能夠實現在控制過程中針對不同的工況進行自適應調節，有效地提升了給水控制的精確性和及時性，對提升火力發電的經濟性和安全性具有十分重要的意義。

1 基于模糊控制的給水控制系統

火力發電廠的發電機組的運行負荷一般是大于30%的額定負荷，在此情況下，主要處在直流運行階段，此時，給水控制系統主要通過控制鍋爐過熱器出口溫度來滿足對過熱蒸汽溫度的調整，進而實現對鍋爐運行燃水比的精確控制，由于鍋爐內的水在沸騰的過程中產生的過熱蒸汽具有極大的不穩定性，因此，對給水控制系統的控制擾動巨大，導致出現控制延遲和控制精度不足的現象，因此，在控制系統內增加了PID 模糊控制。同時，為了提升對給水控制的精確性，提出了采用基于中間點汽溫控制的串級控制系統，系統的主控制回路為中間點溫度控制，同時，增加了給水流量輔助控制回路，滿足以溫度變化調整給水量的控制需求，該基于模糊控制的給水控制系統整體結構如圖1 所示。

圖1 基于模糊控制的給水控制系統示意圖

由圖1 可知，在該控制系統中設置了2 個PID 模糊控制器，系統以分離器出口處的溫度為控制變量，模糊控制器1根據系統預設的溫度控制給定值調整鍋爐內的水量和高溫蒸汽的壓力，同時，設置在分離器出口處的溫度傳感器對分離器出口處的實際溫度進行監測，將監測結果反饋給入口處的信號處理器，經過模糊控制器1 的分析處理，輸出調節控制信號，同時，在系統內還設置有模糊控制器2，該控制器用于對給水流量進行分析調節，和模糊控制器一起實現對鍋爐工作過程中分離器出口溫度的精確控制。該模糊控制系統的優點在于采用了雙通道、雙重閉環調節控制模式，以出口處蒸汽溫度為主閉環調節控制，以給水流量調整為輔助閉環調節控制，實現了對給水控制系統的快速、精確控制。

2 自適應模糊控制原理

為了提升該模糊控制系統的控制精確性，滿足不同工況下的快速調整控制需求，在控制邏輯中加入了自適應控制算法，形成了自適應模糊調節控制，在控制過程中，以系統設定值r 作為控制變量，以系統設定值r 和實際被控量y 之間的偏差e 作為實際的調節控制量，由于在實際工作過程中系統的被控量及調節量均存在一定的偏差，因此，為了確保調節控制的精確性，需要根據系統控制邏輯和影響調節準確性的因素對偏差量e 進行一定的調節修正，自適應算法實際上就是根據在實際應用過程中對被控量和設定值之間變化情況的收集，設定一個邏輯控制變量，在應用過程中自動對偏差進行修正，最終輸出實際的控制量u，能夠最大程度地確保對給水系統溫度和給水量調節的精確性，提升發電機組的運行穩定性，該自適應模糊控制原理如圖2 所示。

圖2 自適應模糊控制原理示意圖

3 給水控制系統應用效果分析

為了對該模糊控制系統的實際應用效果進行分析，本文以某火電廠超臨界機組的給水控制系統為改造對象，對其控制系統進行改造，加入模糊控制邏輯，提升對擾動情況下的實際應用效果，在擾動下，機組的中間點溫度標幺值變化情況如圖3 所示。

圖3 不同控制模式下機組中間點溫度標幺值變化情況

由圖3 可知，在不同的控制系統下，當有擾動信號時新的模糊控制系統和傳統的控制系統作用下的機組中間點溫度標幺值均出現了波動。當在傳統控制模式下，機組的中間點溫度標幺值最大約為1.3°，當采用新的模糊控制系統時，最大約為1.1°，比優化前降低了15.4%。在傳統控制模式下出現擾動后，機組恢復到正常狀態所需的時間為1000s，而當采用新的模糊控制系統后，機組恢復時間約為100s，比優化縮短了90%，顯著的增加了火電機組運行的穩定性和溫度調節的靈敏性，對提升火電機組給水控制的精確性具有十分重要的意義。

為了對該模糊控制系統在干擾情況下的控制穩定性進行分析，設置在系統運行到500s 時加入一個擾動信息，則在不同控制方案下，控制系統的動態性能變化如表1 所示。

表1 干擾情況下不同控制方式調節特性表

由表1 可知，當在系統中加入一個干擾信號以后，由于在系統中有一個相對較大的控制延遲，因此，會導致系統整個的調節周期的信號超調值的變大，采用模糊控制方案下系統的超調值比傳統控制方案降低了33.1%，衰減率比傳統控制方案增加了1.1%，上升時間比優化前降低了25.9%，調節時間比優化前降低了9.8%，由此可知當采用模糊控制方案的情況下，系統消除干擾的時間和信號超調值均要優于傳統的控制方案。根據實際分析可知，采用模糊控制方案的情況下，給水控制系統的運行穩定性和抗干擾能力均顯著的優于傳統的控制方案，滿足大容量機組的精細化調節控制需求。

4 結語

針對現有的給水控制系統無法滿足大容量機組對給水系統運行穩定性和控制精度需求的現狀，本文提出了一種新的基于模糊控制的火力發電廠給水控制系統，采用自適應模糊控制的方案，不僅能夠滿足對給水控制過程的連續跟蹤控制需求而且能夠實現在控制過程中針對不同的工況進行自適應調節，根據實際應用表明：

（1）基于模糊控制的給水控制系統采用了雙通道、雙重閉環調節控制模式，以出口處蒸汽溫度為主閉環調節控制，以給水流量調整為輔助閉環調節控制，實現了對給水控制系統的快速、精確控制。

（2）采用新的基于模糊控制的方案，機組受擾動時機組的中間點溫度標幺值的最大值比優化前降低了15.4%，穩定時間比優化前縮短90%，顯著地增加了火電機組運行的穩定性和溫度調節的靈敏性。

（3）采用模糊控制方案下系統的超調值比傳統控制方案降低了33.1%，衰減率比傳統控制方案增加了1.1%，上升時間比優化前降低了25.9%，調節時間比優化前降低了9.8%，系統消除干擾的時間和信號超調值均要優于傳統的控制方案。