基于模糊PID的電廠循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化控制

劉紅梅　任紅艷　丁盈

摘 要：目前發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)中還是通過啟停水泵的數(shù)量來控制循環(huán)水流量，但是該控制方法無法連續(xù)調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，使蒸汽機組的實際運行狀態(tài)離最有利真空度位置差距較大。為了節(jié)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(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，使循環(huán)水流量能隨循環(huán)水入口溫度的不同而連續(xù)、精確變動。其中，變頻器控制采用模糊PID控制算法，該算法結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強。

關(guān)鍵詞：發(fā)電廠；最有利真空度；循環(huán)水流量；PID控制

1 引言

發(fā)電廠的循環(huán)水系統(tǒng)是火力發(fā)電機組正常運行的一個重要輔助系統(tǒng)，由于某些原因，長期以來大部分還處于通過啟停水泵的數(shù)量來控制循環(huán)水流量的粗糙調(diào)節(jié)狀態(tài)，有的甚至處于不調(diào)狀態(tài)，其經(jīng)濟性不高。因此，研究如何控制循環(huán)水泵流量的連續(xù)、精確調(diào)節(jié)，實現(xiàn)汽輪機的經(jīng)濟運行是非常有必要的。本文根據(jù)汽輪機的經(jīng)濟運行原理，提出了通過變頻器控制循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速進而調(diào)節(jié)循環(huán)水流量的方法。該方法能實現(xiàn)循環(huán)水流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，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(jīng)濟運行的目的。

2 發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)工作原理

發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)主要由汽輪機末端排氣缸、循環(huán)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(huán)水泵將循環(huán)水送入凝汽器，由循環(huán)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(huán)得以繼續(xù)[1-2]。

3 凝汽器的最有利真空度

在發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)中，可近似認為運行中的凝汽器的壓力由循環(huán)水進水溫度、蒸汽負荷和循環(huán)水流量共同決定。在極限真空內(nèi)，提高真空度使蒸汽在汽輪機中的可用焓降增大，發(fā)電機的輸出功率則會隨之增加。循環(huán)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(huán)境，因此在蒸汽負荷一定的條件下，可以通過控制循環(huán)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(huán)水冷卻，所以循環(huán)水泵耗能會增加。因此一味地提高真空度不符合節(jié)能理念，達不到經(jīng)濟運行的目的。為了提高汽輪機組運行的經(jīng)濟性，可以讓循環(huán)水系統(tǒng)在最有利真空位置處運行。

4 模糊PID控制算法

根據(jù)結(jié)構(gòu)已定的汽輪機、凝汽器和循環(huán)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(huán)水流量。在蒸汽負荷不變的條件下，可根據(jù)循環(huán)水進水溫度來實時追蹤最有利循環(huán)水流量。為了使循環(huán)水流量的控制更精確，本文通過變頻器控制循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速來達到控制循環(huán)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?，F(xiàn)實生活中很多現(xiàn)象難以用經(jīng)典的二值邏輯來描述，例如“流量比較大”、“轉(zhuǎn)速過大”等。模糊算法通過建立隸屬度函數(shù)，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(tǒng)設定值，e（t）為設定值與系統(tǒng)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(jié)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(huán)水流量作為控制系統(tǒng)的設定值r（t），通過建立循環(huán)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(shù)之間的模糊關(guān)系，選用循環(huán)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(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的修正量?kp、?ki、?kd，實時修正PID的參數(shù)。

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(huán)水流量的變動，對循環(huán)水系統(tǒng)進行仿真實驗來驗證其控制效果。本系統(tǒng)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(shù)，模糊集選擇{NB（負大），NM（負中），NS（負?。?，NB（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）}。模糊控制規(guī)則庫按以下原則建立：（a）當測得的實際循環(huán)水流量大于給定的最有利循環(huán)水流量時，增大變頻器的頻率從而使循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速增大，增加循環(huán)水流量；反之，減小變頻器頻率使循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速減小，從而減小循環(huán)水流量。（b） 當實際循環(huán)水流量與最有利循環(huán)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(diào)過大和維護系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。

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

5 結(jié)束語

本文提出了通過變頻器控制循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速來控制循環(huán)水流量的方法，在變頻調(diào)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(xiàn)循環(huán)水流量的精確控制，使其保持在最有利循環(huán)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(huán)水處理控制系統(tǒng)設計與應用[J].東北電力技術(shù)， 2006（1）.

[2]高正中，龔群英，趙麗娜，等.基于模糊Petri網(wǎng)和狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)中的應用[J].電子器件， 2009（6）.