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      循環(huán)流化床鍋爐汽包水位的智能控制

      2020-08-10 07:40:34楊廣鑫劉占查
      氯堿工業(yè) 2020年4期
      關(guān)鍵詞:汽包蒸汽鍋爐

      楊廣鑫,劉占查

      (1.天津大沽化工股份有限公司,天津 300455; 2.河北國(guó)超信息科技有限公司,河北 辛集 052360)

      循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的新一代高效、低污染清潔燃燒技術(shù)。CFB鍋爐技術(shù)是我國(guó)電力工業(yè)的跨世紀(jì)導(dǎo)向工程,是應(yīng)用較廣的環(huán)保煤發(fā)電技術(shù)之一,CFB鍋爐是化工行業(yè)用電、供熱的重要設(shè)備。

      在CFB鍋爐應(yīng)用過程中,自動(dòng)化控制問題是困擾其技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。目前,在我國(guó)化工企業(yè)自備電廠的循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行中,汽水、燃燒兩大系統(tǒng)基本上均為人工手動(dòng)遙控操作。筆者就CFB鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的自動(dòng)控制進(jìn)行了探討、摸索、實(shí)踐,利用人工智能技術(shù)、自適應(yīng)和模糊理念,實(shí)現(xiàn)了CFB鍋爐汽包水位的智能控制。

      1 CFB鍋爐

      鍋(汽水系統(tǒng)):由省煤器、汽包(汽水分離器)、下降管、聯(lián)箱、水冷壁、過熱器和再熱器等設(shè)備及其連接管和閥門組成。

      爐(燃燒系統(tǒng)):由爐膛、燃燒器、點(diǎn)火裝置、空氣預(yù)熱器、煙風(fēng)道及爐墻、構(gòu)架等組成。

      CFB鍋爐的工作可分為3個(gè)過程:燃料燃燒、煙氣傳熱和水的汽化。

      (1)燃燒過程。燃料由煤斗通過給煤機(jī)、送煤風(fēng)和播煤風(fēng)將燃煤送入爐膛,當(dāng)煤在到達(dá)燃燒溫度后,一邊燃燒,一邊向后移動(dòng)。

      (2)傳熱過程。燃料燃燒釋放出熱量,其煙氣與爐膛內(nèi)的水管進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射傳熱,隨后煙氣進(jìn)入尾部煙道,與省煤器和預(yù)熱器進(jìn)行熱交換,最終由煙囪排出。

      (3)汽化過程。是蒸汽的產(chǎn)生過程,包括水循環(huán)和汽水分離兩個(gè)部分?;瘜W(xué)處理后的水通過除氧器除氧后經(jīng)省煤器預(yù)熱,進(jìn)入汽包。CFB鍋爐工藝流程如圖1所示。

      圖1 燃煤鍋爐工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of coal fired boiler

      2 問題的提出

      鍋爐汽包水位穩(wěn)定就是蒸汽流量等于給水流量(產(chǎn)出蒸汽與汽包供水相等)。

      影響汽包水位穩(wěn)定的因素有蒸汽負(fù)荷(汽輪機(jī)發(fā)電、對(duì)外供熱等)、燃燒工況(煤質(zhì)、煤量、一次風(fēng)、二次風(fēng)等)、給水系統(tǒng)壓力等。這些工藝參數(shù)發(fā)生變化,直接影響汽包水位的穩(wěn)定性。

      目前我國(guó)熱力鍋爐(供熱或發(fā)電)自動(dòng)化水平相對(duì)較低,汽包水位控制給水由人工遠(yuǎn)程手動(dòng)操作,勞動(dòng)強(qiáng)度大、水位波動(dòng)頻繁,影響汽水分離后蒸汽的品質(zhì),嚴(yán)重(蒸汽帶水)時(shí)易損壞汽輪發(fā)電機(jī)噴嘴和葉輪片等設(shè)備,更為嚴(yán)重的是斷水十幾秒后鍋爐將燒干或爆炸。目前,鍋爐汽包水位采用的自動(dòng)控制方法大部分基于三沖量PID、多變量前饋-反饋、PID串級(jí)等控制技術(shù),在鍋爐運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定(內(nèi)、外擾動(dòng)小)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,抗干擾能力弱。

      在系統(tǒng)中,為確保鍋爐的安全正常運(yùn)行,汽包水位測(cè)量需3種以上的測(cè)量原理和多點(diǎn)檢測(cè),如雙色水位計(jì)(云母水位計(jì))、差壓式水位計(jì)、電極式水位計(jì)和電容式液位計(jì)。電容式液位計(jì)的測(cè)量是基于兩電極間的液體及氣體介電常數(shù)不同,液位升高或下降,使兩電極間的電容量隨之變化。但在鍋爐汽包水位測(cè)量中,被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)是隨溫度的變化而變化,氣液相在汽水分離處介電常數(shù)接近,使得在氣液臨界區(qū)測(cè)量不穩(wěn)(波動(dòng)),對(duì)實(shí)現(xiàn)汽包水位自動(dòng)控制產(chǎn)生不利影響。

      根據(jù)供熱、發(fā)電等鍋爐蒸汽生產(chǎn)的自動(dòng)控制現(xiàn)狀,鍋爐運(yùn)行原理及蒸汽生產(chǎn)過程中的各種干擾因素,進(jìn)行實(shí)際動(dòng)態(tài)測(cè)試及數(shù)據(jù)回歸分析,傳統(tǒng)的控制方法不能及時(shí)消除鍋爐汽包水位偏差,抗干擾能力差。

      針對(duì)上述問題,筆者采用一種新型的控制方式,即一個(gè)二維模糊控制與PID控制相結(jié)合,組成鍋爐汽包給水混合控制(Fuzzy-PID控制器),實(shí)現(xiàn)供熱、發(fā)電CFB鍋爐(220 t/h、130 t/h CFB鍋爐)汽包水位的智能控制。

      3 解決方案

      熱力鍋爐汽包的水位會(huì)因負(fù)荷、燃燒工況和給水壓力等參數(shù)的變化而波動(dòng),汽包水位是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)非常重要的監(jiān)控參數(shù),它間接反映了鍋爐負(fù)荷(產(chǎn)生的蒸汽量)和給水量之間的物料平衡關(guān)系,保證汽包內(nèi)的水位在一定的允許范圍內(nèi)是鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件之一。

      3.1 汽包水位的測(cè)量

      由于電容式液位計(jì)在氣液相分離處測(cè)量極不穩(wěn)定,因此,對(duì)水位輸入變量進(jìn)行“峰谷回歸”數(shù)據(jù)處理,有效抑制輸入信號(hào)的干擾因素。而差壓式液位測(cè)量,既使由于汽包內(nèi)壓力、溫度變化造成液體的體積(密度)變化,其平衡容器輸出的差壓值相對(duì)不變。在汽包水位控制回路中,應(yīng)盡量選擇差壓式平衡容器測(cè)量法,為控制提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)依據(jù)。

      3.2 汽包水位的自動(dòng)控制

      人工智能主要研究用人工的方法和技術(shù),模仿、延伸和擴(kuò)展人的智能,模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支。

      針對(duì)諸多影響因素,結(jié)合PID調(diào)節(jié)規(guī)律、自適應(yīng)、現(xiàn)代控制理念、人工智能的模糊控制,設(shè)計(jì)并實(shí)施了鍋爐汽包水位智能控制。

      鍋爐運(yùn)行中的各種干擾因素集中反映在水位的變化。設(shè)計(jì)一個(gè)二維模糊控制器,即汽包水位測(cè)量為輸入,水位測(cè)量值PV與設(shè)定值SP計(jì)算后,得到偏差e、偏差變化率Δe(即e=PV-SP,Δe=e′),作為模糊控制器的輸入。其模糊控制器的組成如圖2所示。

      圖2 二維模糊控制器組成Fig.2 Constitution of two-dimensional fuzzy controller

      (1)輸入變量:PV的變化范圍[0,500],SP的變化范圍[0,500],e的變化范圍[-50,50],△e的變化范圍[-5,5]。

      PV模糊化[PVmin,PVLL,PVL,SP,PVH,PVHH,PVmax]論域的劃分如圖3所示。

      圖3 模糊化論域劃分圖Fig.3 Zoning plan of fuzzy domain

      語(yǔ)言變量:X1,X2,…,Xn。

      X1=(PV>SP)∧上升;

      X2=(PV>SP)∧下降;

      X3=(PV

      X4=(PV

      X5=(PV>PVH)∧上升;

      X6=(PV>PVH)∧下降;

      X7=(PV

      X8=(PV

      X9=(PV>PVHH)∧上升;

      X10=(PV>PVHH)∧下降;

      X11=(PV

      X12=(PV

      (2)輸出變量:u1,u2,…,un。

      (3)控制變量:OP。

      (4)模糊推理。

      IF(X1=T orX2=T orX3=T orX4=T) andPV

      IF (X1=T orX2=T orX3=T orX4=T) andPV>PVLTHEN 規(guī)則1;

      IFX5=T andPV

      IFX6=T andPV

      IFX7=T andPV>PVLLTHEN 規(guī)則1;

      IFX8=T andPV>PVLLTHEN 規(guī)則3;

      IFX9=T THEN 規(guī)則4;

      IFX10=T THEN 規(guī)則5;

      IFX11=T THEN 規(guī)則6;

      IFX12=T THEN 規(guī)則7。

      (5)模糊規(guī)則。

      規(guī)則1~規(guī)則3中:K、K1為比例因子;T為控制周期;Ti為累加因子;TD為超前因子。

      規(guī)則4,(u4)=-K2·f(en)等百分比遞減;

      規(guī)則5,(u5)=Ts_[-K2·f(en)]定時(shí)等百分比遞減;

      規(guī)則6,(u6)=Ts_[K2·f(en)]定時(shí)等百分比遞增;

      規(guī)則7,(u7)=K2·f(en)等百分比遞增。

      規(guī)則4~規(guī)則7中:K2為比例因子;f(en)為其他“規(guī)則i”的運(yùn)算模型;Ts為運(yùn)算周期的定時(shí)器。

      (6)反模糊化。

      控制(精確)量:

      OP=OP+u1;

      OP=OP+u2;

      OP=OP+u3;

      OP=OP+u4;

      OP=OP+u5;

      OP=OP+u6;

      OP=OP+u7。

      汽包水位在PVL至PVH范圍內(nèi),實(shí)施“規(guī)則1”運(yùn)算控制,滿足鍋爐系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的工作過程。

      當(dāng)汽包水位上升至[PVH,PVHH]區(qū)域或下降至[PVLL,PVL]區(qū)域后,由“規(guī)則2”“規(guī)則3”(模糊補(bǔ)償器)對(duì)給水量進(jìn)行修正。

      當(dāng)汽包水位上升至[PVHH,PVmax]區(qū)域或下降至[PVmin,PVLL]區(qū)域后,由“規(guī)則4”“規(guī)則5”“規(guī)則6”“規(guī)則7”(模糊補(bǔ)償器)對(duì)給水量進(jìn)行二次修正,然后進(jìn)行模糊恢復(fù)修正水位的危險(xiǎn)變化。

      實(shí)施鍋爐汽包水位自動(dòng)給水智能控制技術(shù)的構(gòu)成如圖4所示。

      圖4 汽包水位智能控制構(gòu)成圖Fig.4 Constitution of drum water level intelligent control

      實(shí)踐證明:Fuzzy-PID混合控制對(duì)CFB鍋爐汽包水位的給水調(diào)節(jié),能夠滿足鍋爐運(yùn)行工藝參數(shù),即汽包水位穩(wěn)定在±50 mm范圍內(nèi)。

      4 汽包水位智能控制實(shí)例

      該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在山西長(zhǎng)治霍家工業(yè)霍氏自備電廠1臺(tái)220 t/h CFB鍋爐上,采用差壓法進(jìn)行測(cè)量,鍋爐汽包水位基本穩(wěn)定在±10 mm以內(nèi);該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在陜西北元集團(tuán)錦源化工熱電分廠2臺(tái)130 t/h CFB鍋爐上,采用電容式進(jìn)行測(cè)量,鍋爐汽包水位基本穩(wěn)定在±20 mm以內(nèi)??梢钥闯觯簻p弱了燃燒系統(tǒng)和排放等環(huán)節(jié)的干擾因素。

      圖5為山西霍家工業(yè)霍氏自備電廠220 t/h CFB鍋爐汽包水位智能控制運(yùn)行曲線,圖6為陜西北元錦源化工熱電分廠130 t/h CFB鍋爐汽包水位手動(dòng)與智能控制的運(yùn)行曲線的比較情況。

      經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,證明CFB鍋爐汽包水位智能控制有如下優(yōu)勢(shì):汽包水位穩(wěn)定,控制靈敏,安全可靠性高,有效避免了內(nèi)、外擾動(dòng)因素的干擾,滿足了控制要求。

      5 結(jié)語(yǔ)

      熱力鍋爐的水位控制過程具有非線性、不穩(wěn)定性、時(shí)滯等特點(diǎn),傳統(tǒng)的鍋爐水位控制系統(tǒng)均采用串級(jí)三沖量PID控制,其控制性能穩(wěn)定,但不能很好地解決“虛假液位”和外界較大干擾的問題。采用Fuzzy-PID混合控制有效避免了蒸汽負(fù)荷變化、燃燒工況變化和供水壓力變化對(duì)汽包水位的影響,實(shí)現(xiàn)了鍋爐的安全運(yùn)行。

      圖6 130 t/h CFB鍋爐汽包水位手動(dòng)與智能控制的運(yùn)行曲線的比較Fig.6 Comparison of drum water level curves between manually controlled and intelligently controlled 130-t/h CFB boiler

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