丁承剛， 郭士義， 石偉晶， 王景成

(1上海電氣電站環(huán)保工程有限公司，上海 201612；2上海交通大學 自動化系 系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240)

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燃煤電站鍋爐二次風控制系統(tǒng)優(yōu)化

丁承剛1， 郭士義1， 石偉晶2， 王景成2

(1上海電氣電站環(huán)保工程有限公司，上海 201612；2上海交通大學 自動化系 系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240)

針對二次風控制系統(tǒng)中的風煤比優(yōu)化問題進行研究。首先，以鍋爐熱平衡原理為基礎，分析了過量空氣系數(shù)、飛灰含碳量及排煙溫度對鍋爐效率的影響，建立了熱經(jīng)濟性參數(shù)在煙氣含氧量影響下的計算模型和以鍋爐效率為目標的最佳煙氣含氧量數(shù)學模型。其次，對于二次風控制系統(tǒng)，提出了用Smith模糊PID控制器替換傳統(tǒng)的PID控制器的控制方法。最后，通過實驗仿真比較兩種控制器在被控對象模型匹配和不匹配情況下的控制性能。

二次風控制系統(tǒng)；最佳煙氣含氧量；飛灰含碳量；Smith預估器；模糊PID控制

0 引 言

《電力行業(yè)“十二五”規(guī)劃》指出，到2015年，火電供電煤耗需降至325克標準煤/千瓦時。大型火力發(fā)電機組的鍋爐效率每提高1%，整套機組的效率能提高0.3%-0.4%[1]。

風煤比是影響燃燒效率的關鍵因素。目前電站燃煤鍋爐的二次風控制系統(tǒng)投運狀況不太理想，原因包括：一是氧量設定值不準確。由于最佳煙氣含氧量和最佳風煤比具有等價的關系，因此對最佳風煤比的研究往往轉化對最佳煙氣含氧量的研究[2]；在這方面的研究成果中，張斌等[3]研究了鍋爐運行參數(shù)的變化對供電煤耗率的影響并建立了鍋爐主要運行參數(shù)變化對供電煤耗率的影響模型。谷俊杰等人[4]研究了基于煙氣含氧量變化的電站鍋爐變工況運行經(jīng)濟分析方法。二是二次風量控制系統(tǒng)不能及時地使送風調(diào)節(jié)回路跟蹤負荷的變化，從而使燃燒系統(tǒng)具有合適的風煤比。由于二次風量控制系統(tǒng)伴隨著物理化學反應，無法精確地建立模型，同時由于被控對象具有滯后、時變等非線性，傳統(tǒng)的PID無法滿足要求，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時間變長[5]。王慧麗[6]對風量控制系統(tǒng)采用模糊控制的方法來控制二次風機的指令，用模糊控制器替換傳統(tǒng)的PID控制，驗證了模糊控制在辨識精度和穩(wěn)定性方面具有更好的效果。

針對氧量設定值和二次風優(yōu)化控制問題，本文建立了各熱經(jīng)濟性參數(shù)在煙氣含氧量影響下的變化特性計算模型和以鍋爐熱效率為目標的最佳煙氣含氧量偏微分方程；其次，針對二次風量控制系統(tǒng)，研究了Smith模糊PID復合控制方法，在模型匹配和失配情況下進行了仿真研究。

1 最佳煙氣含氧量模型

1.1 反平衡法鍋爐效率表示

根據(jù)反平衡法則計算鍋爐的各項熱損失求取鍋爐熱效率：

ηb=(100-q2-q3-q4-q5-q6)%=

(1)

式中ηb：鍋爐效率；Q2：單位質(zhì)量燃料的排煙熱損失；Q3：單位質(zhì)量燃料的化學未完全燃燒熱損失；Q4：單位質(zhì)量燃料的機械未完全燃燒熱損失，；Q5：單位質(zhì)量燃料的鍋爐散熱熱損失；Q6：單位質(zhì)量燃料的灰渣物理熱損失；q2，q3，q4，q5，q6分別為相應的各部分熱損失的百分比，%。Qr：燃料的收到基低位發(fā)熱量。

1.2 基于煙氣含氧量的鍋爐效率分析計算模型

煙氣含氧量的變化直接會導致過量空氣系數(shù)的變化，也直接影響Q2，Q3和Q4。煙氣含氧量如果過高，則排煙熱損失過大；煙氣含氧量過低，則不完全燃燒熱損失升高。當氧量逐漸增加，Q2+Q3+Q4會先減小后增加，因此存在一個最小值，與最小值對應的氧量為最佳煙氣含氧量。

排煙溫度是電站燃煤鍋爐運行參數(shù)中非常重要的參數(shù)。排煙熱損失占所有熱損失中的60%～80%。

電站鍋爐中灰渣含碳量包括飛灰含碳量和爐渣含碳量。與灰渣平均含碳量有關的損失為機械不完全燃燒熱損失。

過量空氣系數(shù)定義為燃料燃燒時實際空氣量和理論燃燒空氣量的比值。過量空氣系數(shù)的變化對電站鍋爐的燃燒影響比較大。另外，過量空氣系數(shù)與其他運行參數(shù)的耦合性比較強。

由于熱效率主要受以上變量影響，本文忽略其他因素(例如散熱損失)。建立以鍋爐熱效率ηb為因變量，過量空氣系數(shù)α、排煙溫度tpy和飛灰含碳量Cfh為自變量的函數(shù)，即：

ηb=f(α,tpy,Cfh)

(2)

將上式對煙氣含氧量O2求導，可以得到鍋爐效率ηb對電站鍋爐運行過程中煙氣含氧量O2的偏導數(shù)關系：

(3)

令式(3)右邊為0時，所對應的氧量即為鍋爐熱效率最高的最佳煙氣含氧量。

2 熱經(jīng)濟性參數(shù)的微增量方程計算

2.1 煙氣含氧量變化時排煙溫度對熱效率影響

(4)

當排煙溫度變化時，鍋爐效率的變化量為：

(5)

因此:

(6)

排煙溫度對煙氣含氧量偏導數(shù)?tpy/?O2可以表示為

(7)

式中f=ad/(ad+af)，表示煙氣對流傳熱系數(shù)在總傳熱系數(shù)中所占的份額。ad：煙氣對流傳熱系數(shù)，af：煙氣輻射傳熱系數(shù)，k：煙道漏風系數(shù)。漏風系數(shù)可以由空預器出口過量空氣系數(shù)減去入口過量空氣系數(shù)求得：k=αout-αin

2.2 煙氣含氧量變化時過量空氣系數(shù)對熱效率影響

根據(jù)電站鍋爐運行規(guī)程可以得到過量空氣系數(shù)變化對鍋爐效率的影響為：

(8)

(9)

式中V0：理論空氣體積；dk：空氣絕對濕度。

2.3 煙氣含氧量變化時飛灰含碳量對熱效率的影響

(10)

(11)

其中afh為飛灰份額，對于研究對象的“W”型火焰煤粉爐這一數(shù)值通常取85%；Cfh為飛灰含碳量；Clz為爐渣碳含量；由于爐渣含碳造成的機械不完全損失為0.5%-1%，對鍋爐效率影響較小，所以將Clz認定為定值。

飛灰含碳量變化對鍋爐效率的影響為：

(12)

因此:

(13)

利用2012年4月至5月的鍋爐運行數(shù)據(jù)，建立不同負荷下飛灰含碳量與煙氣含氧量之間的數(shù)學關系。結果如表1所示。

根據(jù)氧量和負荷分別對飛灰含碳量影響的分析，飛灰含碳量與氧量的關系用拋物線方程擬合，負荷與氧量的關系用線性方程擬合，即:

f(Cfh)=a(1)x2+a(2)xy+a(3)x+a(4)y+a(5)

其中x：煙氣含氧量，%；y：鍋爐負荷，MW；a(1)、a(2)、a(3)、a(4)、a(5)是方程系數(shù)。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)做最小二乘擬合，得：

f(Cfh)=0.224x2+0.005xy-3.546x-0.028y+17.353

(14)

殘差平方和：RSS=1.189 2，擬合結果在可接受范圍內(nèi)。

表1 不同負荷飛灰含碳量與煙氣含氧量對應數(shù)值

將式(4)、(5)、(8)、(9)、(13)和(15)代入式(3)，并將不同負荷下(180 MW、200 MW、220 MW、240 MW、260 MW、280 MW和300 MW)的運行參數(shù)代入式(3)，即可得到不同負荷下的最佳煙氣含氧量，如圖1所示。

3 基于Smith模糊PID控制算法的二次風量控制系統(tǒng)

3.1 二次風量控制系統(tǒng)簡介

二次風量控制系統(tǒng)是以給煤量作為前饋的PID控制系統(tǒng)，對供給鍋爐二次風量進行調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 二次風量控制系統(tǒng)框圖

送風量控制系統(tǒng)首先將給煤B0通過燃料量—二次風量關系函數(shù)f2(x)得到二次風量粗調(diào)量VB，乘以來自煙氣含氧量的校正系數(shù)K得到初始二次風給風量V1，實測二次風量V2與初始二次風給風量V1的偏差信號e經(jīng)過PID控制器，控制二次風的開度，用以保證空燃比。而校正回路利用電站鍋爐安裝的煙氣含氧量檢測裝置反饋實際煙氣含氧量O2，根據(jù)煙道中的煙氣含氧量測量值O2與根據(jù)負荷D而變化的最佳煙氣含氧量Ob之間的偏差，利用PI調(diào)節(jié)器，并乘以風/煤比校正函數(shù)f3(x)得到最佳風煤比例校正系數(shù)K對粗調(diào)量進行調(diào)節(jié)，通過對二次風指令V1的校正調(diào)節(jié)進入爐膛的二次風量。另外，f1(x)為負荷—最佳含氧量關系函數(shù)，給出了隨負荷改變煙氣中最佳含氧量的設定值。轉換函數(shù)f4(x)反饋煙氣含氧量。

3.2 Smith模糊PID控制算法

圖3 單回路純時滯控制系統(tǒng)

為比較二次風量控制系統(tǒng)控制器的控制性能，設計圖3的單回路純時滯控制系統(tǒng)，被控對象二次風量的傳遞函數(shù)利用一階加純滯后進行模型辨識：

式中K、T和τ分別表示增益、時間常數(shù)和純滯后時間。

由于二次風量控制系統(tǒng)為滯后系統(tǒng)，且建立精確的數(shù)學模型比較困難。傳統(tǒng)的PID控制方法無法很好的解決問題。Smith預估控制對于時滯系統(tǒng)具有良好的控制作用,它在估計對象動態(tài)特性的基礎上,用一個預估模型進行補償,從而得到一個沒有時滯的被調(diào)節(jié)量反饋到控制器。Smith預估控制的優(yōu)點是將時滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外,缺點是過分依賴精確的數(shù)學模型?？紤]到模糊控制器對參數(shù)變化不敏感的特點,將模糊控制器引入到Smith預估控制系統(tǒng)中,將Smith和模糊PID控制方法相結合,構成一種Smith模糊PID控制系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 Smith模糊PID二次風量控制系統(tǒng)

3.3 二次風量控制系統(tǒng)Smith模糊PID控制器設計

模糊PID以誤差值E和誤差變化率EC作為控制器的輸入，利用模糊控制器規(guī)則對PID參數(shù)修正，將PID參數(shù)的修正量ΔKp，ΔKi和ΔKd作為輸出量。輸入量，輸出量的模糊論域：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。把以上在[-6,+6]之間的變量分成七個等級，每個等級作為一個模糊變量，并對應一個模糊子集或隸屬度函數(shù)，分別如下：{PB，PM，PS，ZM，NS，NM，NB}，依次代表“正大，正中，正小，零，負小，負中，負大”。輸入輸出的隸屬度函數(shù)取三角函數(shù)。

在PID控制器中，三個參數(shù)Kp，Ki和Kd的作用不同，根據(jù)三個參數(shù)的不同作用得到不同誤差E和誤差變化率EC是的參數(shù)整定規(guī)則，根據(jù)參考文獻[5]，得出ΔKp，ΔKi和ΔKd的模糊控制規(guī)則表，如表2所示。

根據(jù)模糊規(guī)則表，采用加權平均法作為去模糊方法，則計算出在不同的誤差和誤差變化時PID參數(shù)的調(diào)整量的輸出值。PID參數(shù)的整定算式為：

式中Kp0、Ki0、Kd0是Kp、Ki、Kd的初始值，它們通過常規(guī)的方法得到。ΔKp、ΔKi、ΔKd是模糊控制器的輸出，即PID參數(shù)的校正量。

表2 ΔKp，ΔKi和ΔKd的模糊控制規(guī)則表

3.4 仿真驗證與分析

為了說明本文所提出的Smith模糊PID控制方法在處理模型失配和時滯方面的有效性，選取了常規(guī)PID控制方法和Smith模糊PID方法進行對比。輸入為階躍信號。PID參數(shù)采用Ziegler-Nichols整定法，分別為Kp=2,Ki=0.04,Kd=4。仿真結果如圖5所示。

圖5 模型匹配時階躍響應

圖5為模型匹配的情況下三種控制方法的階躍響應曲線。可以看出，相比PID控制超調(diào)較大，Smith模糊控制和Smith預估控制均沒有超調(diào)；在沒有超調(diào)的前提下，Smith模糊控制比Smith預估控制的調(diào)節(jié)時間更少。綜合來講，在模型匹配的情況下，Smith模糊控制的控制性能要好于Smith預估控制和傳統(tǒng)的PID。

圖6為模型失配情況下三種方法的階躍響應對比曲線，選擇模型時間常數(shù)為T=50，τ=20(統(tǒng)計意義下最長的時間延遲)。

圖6 模型不匹配時階躍響應(T=50，τ=20)

在這種情況下，PID控制器的調(diào)節(jié)時間比較長而且超調(diào)量也明顯增加到50%；Smith預估控制也出現(xiàn)了超調(diào)且調(diào)節(jié)時間比較長；相比而言，雖然Smith模糊控制也出現(xiàn)一點超調(diào)但能較快回歸到階躍值。通過比較，可以得出結論，Smith模糊控制能夠取得較好的控制效果，具有更好地魯棒性。

4 結束語

針對二次風控制系統(tǒng)風煤比優(yōu)化問題，本文建立最佳煙氣含氧量模型，得到電站鍋爐運行中不同負荷下的最佳煙氣含氧量設定值。研究結果對系統(tǒng)二次風量的調(diào)節(jié)具有借鑒意義。對于二次風控制系統(tǒng)，通過仿真表明：Smith模糊PID控制器充分發(fā)揮了模糊控制器和Smith預估器的優(yōu)點，對純滯后特性有較好的補償作用，提高系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。

[1] 應劍,徐旭,王興龍. 電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術的發(fā)展與應用[J]. 能源工程,2006,26(2):55-58.

[2] 黃超,徐向東. 基于NNARMAX辨識的最佳含氧量自主尋優(yōu)[J]. 清華大學學報:自然科學版,2007,93(2):215-218.

[3] 張斌. 電站鍋爐運行參數(shù)對供電煤耗率的影響[D].河北:華北電力大學,2010.

[4] 谷俊杰,孔德奇,高大明,等. 電站鍋爐燃燒優(yōu)化中最佳煙氣含氧量設定值的計算[J]. 華北電力大學學報:自然科學版,2007,34(6):61-65.

[5] 劉統(tǒng). 火電廠燃燒系統(tǒng)風煤比多參量協(xié)調(diào)控制研究[D].重慶:重慶大學,2012.

[6] 王慧麗. 鍋爐風量測量方法改進與控制系統(tǒng)設計[D].河北：華北電力大學,2012.

The Optimizing Control of the Secondary Air Control System of Power Plant

Ding Chenggang1, Guo Shiyi1，Shi Weijing2, Wang Jingcheng2

(1.Shanghai Electric Power Generation Environment Protection Engineering Co, Ltd., Shanghai 201612, China;2.Key Laboratory of System Control and Information Processing, Department of Automation,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The paper addresses the wind coal ratio optimization problem for secondary air control system. Firstly, on the basis of the basic theory of boiler thermal balance, this paper explains the effects of excess air coefficient, unburned carbon content in fly ash and boiler's exhaust gas temperature on boiler efficiency, and establishes the mathematical model of boiler's thermal economy parameters affected by the flue gas oxygen content and partial differential equation of the optimal oxygen content in flue gas aiming to improve boiler efficiency. Then, for the second air control system, a control approach is proposed by Smith fuzzy PID instead of the traditional PID. Further, control performances are compared between two different controllers under the model is matching and mismatching via simulation experiments.

the secondary air control system; the optimal oxygen content; unburned carbon content in fly ash; Smith predictor; fuzzy PID

國家自然科學基金(61174059,61233004,61433002)；國家973項目(2013CB035406)； 2015年度上海市高端智能裝備首臺突破和示范應用專項

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.033

TP272/278

A

1000-3886(2016)04-0106-04

丁承剛(1965-)，男，上海人，上海電氣電站環(huán)保工程有限公司總工程師，研究方向是燃煤電站環(huán)保工程。 王景成(1972-)，男，陜西渭南人，上海交通大學自動化系，教授，博士生導師，從事過程控制與優(yōu)化、實時系統(tǒng)控制與仿真等研究。

定稿日期: 2016-03-31