火力發(fā)電系統(tǒng)中智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江 霓，譚愛國

(上海理工大學(xué) 電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心，上海 200093)

火力發(fā)電系統(tǒng)中智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江 霓，譚愛國

(上海理工大學(xué) 電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心，上海 200093)

針對(duì)鍋爐中主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中具有的非線性、參數(shù)時(shí)變性和系統(tǒng)大滯后等問題，以LabVIEW為平臺(tái)，采用數(shù)據(jù)采集卡PCI-8360V實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制平臺(tái)的通信，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)。采用PID、模糊PID以及模糊積分等算法控制鍋爐主蒸汽溫度, 同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡獲取這些數(shù)據(jù), 在可視化界面上以趨勢(shì)圖的方式實(shí)時(shí)顯示。結(jié)果表明，控制目標(biāo)溫度和實(shí)際仿真數(shù)據(jù)的誤差縮小到2～3 ℃，能夠滿足在50%～100%負(fù)荷之間，蒸汽溫度的變化范圍被控制在要求的-10～+5 ℃。

智能控制；LabVIEW；鍋爐主蒸汽溫度控制；模糊PID算法

智能溫度控制系統(tǒng)是基于提高汽輪機(jī)、鍋爐的工作效率和發(fā)電設(shè)備的輸出功率的思想而設(shè)計(jì)出的智能PID控制方式，因其負(fù)荷響應(yīng)速度快，持續(xù)變負(fù)荷能力強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，近年來應(yīng)用日益廣泛[1-2]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的鍋爐主蒸汽智能溫度控制系統(tǒng)，在建立發(fā)電系統(tǒng)(鍋爐及汽輪機(jī))響應(yīng)負(fù)荷模型的基礎(chǔ)上，引入了協(xié)調(diào)控制的機(jī)制，形成了發(fā)電系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷的控制系統(tǒng)。并且以LabVIEW為平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集卡PCI-8360V實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制平臺(tái)的通信。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有反饋及時(shí)、響應(yīng)時(shí)間短、能夠大幅度降低因延時(shí)而帶來的電量輸出誤差等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[3-6]。

1 系統(tǒng)控制流程

鍋爐發(fā)電設(shè)備的硬件主要由鍋爐主體、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集卡組成。鍋爐主蒸汽溫度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 鍋爐主蒸汽溫度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)監(jiān)控程序采用LabVIEW編寫, 通過預(yù)編程模式, 采用數(shù)據(jù)采集卡PCI-8360V實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制平臺(tái)的通信，通過數(shù)據(jù)采集卡對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)文給上位機(jī)，采用PID、模糊PID以及模糊積分等算法控制鍋爐主蒸汽溫度, 同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡獲取這些數(shù)據(jù), 保存成Excel的格式保存在文件中，并在可視化界面上以趨勢(shì)圖的方式實(shí)時(shí)顯示[7]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

LabVIEW是由美國國家儀器公司在得克薩斯州奧斯汀創(chuàng)造的一個(gè)編程軟件。它采用圖形化編程界面，易于上手且功能強(qiáng)大。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)軟件通訊處理

數(shù)據(jù)采集卡PCI-8360V對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)文到上位機(jī)，由LabVIEW程序控制反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3 控制算法

3.1 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式

鍋爐汽輪機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Coordinated Control System, CCS)，根據(jù)輸出要求負(fù)荷需求信號(hào)(Mega Watt Demand, MWD)，同時(shí)控制鍋爐的輸入燃料調(diào)節(jié)器 、給水調(diào)節(jié)器和輸出調(diào)節(jié)器，是一種結(jié)合了汽輪機(jī)跟蹤鍋爐以及鍋爐跟蹤汽輪機(jī)兩種控制方式優(yōu)點(diǎn)的控制系統(tǒng)。

目前大多數(shù)發(fā)電廠都采用了鍋爐汽輪機(jī)協(xié)調(diào)控制方式，該方法不僅可以提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)用戶端反饋回來的負(fù)荷需求量變化的魯棒性，還能提高發(fā)電效率并節(jié)能環(huán)保。盡管如此，由于鍋爐控制系統(tǒng)本身具有的大時(shí)滯、非線性、時(shí)變性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，在采取了以上對(duì)策的同時(shí)，還需引入模糊智能控制算法，以更好地實(shí)現(xiàn)當(dāng)延遲時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)鍋爐主蒸汽溫度的控制。將模糊控制與PID控制相結(jié)合的模糊PID控制器因其可以較方便地調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有了大幅改善，因此也得到了越來越多的應(yīng)用[8-10]。

3.2 負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)

鍋爐和汽輪機(jī)的協(xié)調(diào)控制方式是根據(jù)負(fù)荷需求信號(hào)MWD的反饋來進(jìn)行調(diào)節(jié)與操作的，這里將采用了負(fù)荷需求信號(hào)MWD的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)稱為負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)。如提到，需在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中加入一個(gè)模糊補(bǔ)償信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)出時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)。

3.3 時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)

時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)，由在鍋爐負(fù)荷變化時(shí)為使控制性能提高而進(jìn)行先行補(bǔ)償控制的補(bǔ)償模糊部分構(gòu)成。時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)用來控制設(shè)備輸出功率，同時(shí)克服鍋爐控制系統(tǒng)大時(shí)滯的不足。

圖2所示為時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)的模型，傳遞函數(shù)H(s)用式(1)表示。

(1)

圖2 模糊PID控制的時(shí)間補(bǔ)償系統(tǒng)模型

式中，Kp為比例增益；Ki為積分增益；Ta是時(shí)間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。

這里，為提高整個(gè)模型的最大梯度(上升的斜率)，做以下變換

F(s)+1=sTa+1

(2)

F(s)=sTa

(3)

根據(jù)上式，能夠改變式(1)的上升趨勢(shì)。實(shí)際上，由于Ta的變化，模糊控制器在任何狀態(tài)下，都必須使之上升到最佳的程度。

對(duì)于時(shí)間常數(shù)的變量，若模糊傳遞函數(shù)作為Ff(s)，則可以用下式表示

(4)

式中，Tfa為基于模糊規(guī)則的時(shí)間常數(shù)。

若Tfa=Ta,則與不用模糊控制器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r相同，開環(huán)傳遞函數(shù)H1(S)如下式所示

(5)

Tfa=0時(shí)的開環(huán)傳遞函數(shù)H2(S)如下式所示

(6)

Tfa≠0時(shí)，開環(huán)傳遞函數(shù)H3(S)如下式所示

(7)

式中，若Tfa的變化范圍在0～Ta，則式(5)～式(6)之間上升時(shí)間就可能是可變的。即根據(jù)模糊輸出，上升時(shí)間可變。

設(shè)備模型為時(shí)間常數(shù)模型，適用于系統(tǒng)的模糊規(guī)則，且驗(yàn)證了控制響應(yīng)的改善效果

(8)

(9)

(10)

推導(dǎo)出式(8)～式(10)這3個(gè)傳遞函數(shù)。經(jīng)過反復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)，最終時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定為式(10)。

4 LabVIEW的算法與界面設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)主控制界面

實(shí)時(shí)顯示模塊：實(shí)時(shí)顯示各種數(shù)據(jù)值、波形圖。如溫度、離散曲線、反饋曲線等，以方便實(shí)驗(yàn)人員了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖3為數(shù)據(jù)采集上位機(jī)的主控制界面。

圖3 鍋爐主蒸汽溫度控制平臺(tái)

4.2 LabVIEW程序框圖

當(dāng)選擇了PID算法時(shí)，LabVIEW程序如圖4所示。

圖4 PID算法的LabVIEW程序

當(dāng)選擇了模糊算法時(shí)，LabVIEW程序如圖5所示。

圖5 模糊算法的LabVIEW程序

當(dāng)選擇了模糊積分算法時(shí)，LabVIEW程序如圖6所示。當(dāng)選擇了模糊PID算法時(shí)，LabVIEW程序如圖7所示。以上是主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)在模糊PID、模糊控制、模糊積分控制和PID控制下的LabVIEW程序。

圖6 模糊積分算法的LaBVIEW程序

圖7 模糊PID算法的LabVIEW程序

采集到的溫度數(shù)據(jù)與電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成線性函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，保存成Excel的格式保存在文件中，如表1所示。

表1 采集溫度數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)電壓

設(shè)置控制目標(biāo)溫度412 ℃時(shí)，進(jìn)行控制仿真。仿真輸出與實(shí)際數(shù)據(jù)的比較：控制目標(biāo)溫度和實(shí)際仿真數(shù)據(jù)的誤差最大2～3 ℃，能夠滿足在50%～100%負(fù)荷之間，蒸汽溫度的變化范圍被控制在-10～+5 ℃的控制要求。

5 結(jié)束語

鍋爐的主蒸汽是指汽水分離的飽和蒸汽通過鍋爐中各種管道之間的過熱器和再熱器與高溫蒸汽與煙氣進(jìn)行熱交換，最后通過過熱器出口所得到蒸汽。主蒸汽的溫度高低直接影響到機(jī)組是否能安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行和輸出功率的大小[11]。

本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，建立了基于LabVIEW的主蒸汽智能溫度控制系統(tǒng)。該模型直接由實(shí)踐采集數(shù)據(jù)出發(fā)，避免了熱力學(xué)和傳熱學(xué)的復(fù)雜建模公式。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在負(fù)荷波動(dòng)的情況下，保持較好的魯棒性，簡(jiǎn)化了控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)，能夠滿足變工況運(yùn)行的需要，提高了機(jī)組的調(diào)峰能力[12-15]。

由于時(shí)間關(guān)系和設(shè)備的限制，所研究的控制系統(tǒng)還存在不足。如系統(tǒng)中沒有考慮到負(fù)荷預(yù)測(cè)，控制曲線的界面不能夠縮放等，還有待進(jìn)一步研究。

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Intelligent Temperature Control System in Thermal Power System Design and Implementation

JIANG Ni，TAN Aiguo

(Electrical and Electronic Technology Experiment Center,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

For nonlinear, parameter time-varying and big lag system of boiler main steam temperature control system, based on the Labview platform, data acquisition card PCI - 8360 - v,which is adopted to realize communication of upper machine and control platform, boiler main steam temperature control system was designed and implemented.Adopted PID control, fuzzy PID and fuzzy integral algorithm to control boiler main steam temperature, at the same time through access to the data acquisition card to accomplish the visual interface real-time display in the form of trend chart.Results show that the control error of the target temperature and the actual simulation data reduced to 2～3 ℃, can satisfy the between 50% - 100% load, control the steam temperature range was - 10 ～ + 5 ℃ control requirements,with practical application value.

intelligent control; LabVIEW; boiler main steam temperature control; fuzzy PID algorithm

2016- 05- 11

江霓(1989-)，女，碩士，助教。研究方向：智能電網(wǎng)中火發(fā)電設(shè)備的智能化控制等。譚愛國(1976-)，女，副教授。研究方向：粒子群優(yōu)化等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.042

TM273

A

1007-7820(2017)04-166-04