温度波动下的锅炉汽包水位模糊控制方法

刘建华　李哲姝

(湖南工业大学电气与信息工程学院1，湖南 株洲　412007；湖南工业大学思想政治理论课教学科研部2，湖南 株洲　412007)

温度波动下的锅炉汽包水位模糊控制方法

刘建华1李哲姝2

(湖南工业大学电气与信息工程学院1，湖南 株洲412007；湖南工业大学思想政治理论课教学科研部2，湖南 株洲412007)

摘要：针对余热烟气温度波动引起锅炉汽包水位难以控制的问题，提出了温度波动下的锅炉汽包水位模糊控制方法。该方法通过分析余热烟气温度波动下的汽包水位动态特性，在已有PID三冲量控制算法的基础上，利用模糊控制方法将余热烟气温度偏差和偏差变化率引入到汽包水位控制算法中，以修正给水量设定值，抑制烟气温度波动造成的影响，稳定汽包水位。系统仿真和实际工程应用结果验证了所提方法的有效性、可行性。

关键词：余热发电汽包水位模糊控制三冲量控制温度波动动态特性PID修正锅炉

0引言

为发展循环经济，某冶炼厂利用3台锌沸腾焙烧余热锅炉和1台燃煤锅炉产生的热能进行发电[1]。其中，汽包水位间接反映了锅炉负荷和给水的动态平衡[2-3]。水位过高，会影响汽水分离；过低，又会破坏水循环，严重时损坏设备[4]。

为使汽包水位维持在允许范围内，三冲量控制、模型预测控制等方法得到了广泛应用[5-8]。然而，现有的方法大多只考虑汽包水位实时状态，而忽视了蒸汽参数的影响。事实上，当余热烟气温度变化时会改变锅炉吸热量和蒸汽量，影响汽包水位。同时，现场操作人员往往也会根据余热烟气温度变化趋势，通过施加一定的控制量，以减少温度变化造成的影响。

为此，本文基于模糊控制思想，将余热烟气温度偏差和偏差变化率引入到汽包水位控制中，设计了温度波动下的锅炉汽包水位模糊控制方法。该方法不仅符合现场操作规律，对提高汽包水位的控制水平也具有重要意义。

1控制对象动态特性分析

1.1给水流量扰动下的动态特性

当加大给水流量时，温度较低的给水在进入水循环系统时会吸取一部分热量，引起汽包和汽水管路中的热量损失，导致汽包体积减少，水位下降。直至水面下汽包容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才会因储水量的增加而上升。

1.2蒸汽流量扰动下的动态特性

蒸汽流量的增加会引起汽水混合物的汽、水比例发生变化，导致汽包水位上升，造成“虚假水位”现象。另外，随着蒸汽流量的增加，汽包气压下降，炉水沸点下降。由于炉水饱和水的气化，使汽包水位随压力下降而升高。

1.3余热烟气温度波动下的动态特性

当余热烟气温度增加时，锅炉吸热量增加，蒸发量增加，汽包压力升高，使蒸汽流量增加，蒸汽量大于给水量，受水中气泡增多和给水量小于蒸发量的双重影响，水位先升高后降低。同样，当余热烟气温度降低时，汽包水位呈现先下降后上升的趋势。

2模糊控制系统

为抑制余热烟气温度波动对汽包水位的影响，在前馈-串级三冲量模糊PID控制器的基础上[9]，采用模糊控制方式将余热烟气温度引入到控制器中，形成如图1所示的以汽包水位为主控信号的控制方案。图1中，蒸汽流量、余热烟气温度为前馈信号，给水流量为串级信号。

图1　汽包水位模糊控制框图

如图1所示的控制系统，主PID控制器根据汽包水位的反馈信号修正给水给定值，输出值由蒸汽流量前馈信号、余热烟气温度前馈信号、水位偏差前馈信号进行修正；修正后的输出值再由给水流量信号修正，经副PID计算给水调节阀输出值，完成给水流量的控制，实现汽包水位的稳定控制。模糊控制器1用于跟随余热烟气温度的变化状态，以余热烟气温度偏差和偏差变化率作为输入，输出量用于修正内环水流量的设定值；模糊控制器2以水位偏差和偏差变化率作为输入，以修正主控制回路的PID参数。

3模糊控制器设计

结合系统特点，设定水位偏差和水位偏差变化率的基本论域分别为[-Vy,+Vy]和[-αVy,+αVy]，余热烟气温度偏差和烟气温度偏差变化率的基本论域分别为[-Ty,+Ty]和[-αTy,+αTy]，对应的语言变量分别设为A、B、C和D。将模糊控制器1和模糊控制器2的输入语言变量值均定义为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为{NL、NM、PS、O、PS、PM、PL}，其量化论域为：{-6，-5，-4，…，0，…，+4，+5,+6}。输出语言变量值定义为{关大，关中，关小，保持，开小，开中，开大}，简记为{CF，CM，CS，H，OS，OM，OF}，对应的量化论域为：{-6，-5，-4，…，0，…，+4，+5，+6}。

输入模糊变量通过模糊规则与输出模糊变量建立关系。在考虑模糊控制规则时，选取控制量的原则为：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；当误差小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为出发点。结合实际操作经验，归纳出余热烟气温度和水位偏差的模糊控制规则分别如表1和表2所示。

表1　余热烟气温度模糊控制规则表

表2　水位偏差模糊控制规则表

依据模糊控制规则，结合输入模糊量，利用Mamdani推理法计算输出控制量[10]。对于模糊控制器1，设控制系统的控制规则为：

if E=Aiand Ec=Bjthen U1=Uij

(1)

式中：i=1,2,…,7;j=1,2,…,7；E为偏差；Ai为偏差的语言变量值；Ec为偏差变化率；Bj为偏差变化率的语言变量值；U1为控制量；Uij为对应于Ai、Bj的语言变量值。

则有模糊关系：

Rij=Ai×Bj×Uij

(2)

同理，将所有的模糊关系元Rj作并运算，得到总的模糊关系:

Rv=R1∪R2∪Rn×m

(3)

则对于余热烟气温度偏差和偏差变化率的输出模糊控制量为:

U1=(A×B)○Rv

(4)

同理可推出模糊控制器2的输出模糊控制量为:

U2=(C×D)○Rt

(5)

经过模糊推理计算出的控制量仍是模糊量，需进行反模糊化处理才能用于修正给水量，本文采用加权平均法进行反模糊化处理[11]。

4系统仿真与工程应用

根据汽包水位控制系统框图，借助Matlab环境下的模糊逻辑工具箱，通过模糊推理编辑器和隶属度函数编辑器构造输入、输出变量的论域及相关隶属度函数参数。同时，结合汽包水位影响因素与水位的动态关系模型[5,7]，利用Simulink环境的功能模块，完成余热温度波动下的锅炉汽包水位模糊控制系统。

本仿真系统只分析温度波动下的水位动态特性，待系统平稳后，在500 s时采用阶跃信号的方式，加入10%的温度波动(15 ℃)，并与常规PID控制系统进行比较，仿真结果如图2所示。

图2　汽包水位动态特性响应曲线对比图

由图2可以看出，考虑温度扰动后，最大汽包水位偏差由常规PID的5.2 mm减少到2.9 mm；增加温度波动后的稳态时间由常规PID的86 s缩短到78 s，从而表明本文所提方法的优越性。

利用和利时MACSV系统，构建汽包水位模糊控制算法组态程序，并应用于某冶炼厂的余热发电系统。每隔1 h采集一次数据，一周的运行情况与原系统的比较结果如图3所示。

由图3分析可知，通过将温度波动信号引入到汽包水位控制算法中，汽包水位的最大偏差仅为32 mm，远低于原有系统的61 mm，且90%以上的水位偏差数据点均集中于(-20 mm,20 mm)之间，效果明显优于原有的PID控制方法，控制效果良好。

图3　工业应用汽包水位控制效果对比图

5结束语

为使余热发电系统的锅炉汽包水位控制方法更加符合现场操作规律，在分析温度波动影响汽包水位动态特性的基础上，通过模糊控制方法将温度波动信号引入到三冲量PID控制算法中，形成考虑温度波动的汽包水位模糊控制方法。最后通过系统仿真和实际工业应用结果，验证所提方法在减少超调量、缩短稳态时间、抗干扰能力等方面的优势。

参考文献

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[11]Zdenko K,Stjepan B.Fuzzy controller design:theory and applications[M].Florida:CRC Press Inc.,2006.

Fuzzy Control Method for Boiler Drum Water Level under Temperature Fluctuation

Abstract：For waste heat power generation,the control of boiler drum water level becomes difficult due to the temperature fluctuation of flue gas,to solve this problem,the fuzzy control method for drum water level under temperature fluctuation is proposed.Through analyzing the dynamic characteristics of drum water level under temperature fluctuation,by using fuzzy control method,based on existing three-element PID control algorithm,the temperature deviation and deviation rate of the flue gas are introduced into the control algorithm of drum control level to revise the set-point of feed-water flow,thus the influence caused by temperature deviation of flue gas is restrained,and the drum water level is stabilized.The results of system simulation and practical engineering application verify the effectiveness and feasibility of the method proposed.

Keywords:Waste heat power generationDrum water levelFuzzy controlThree-element controlTemperature fluctuationDynamic characteristicPIDRevisionBoiler

中图分类号：TH811;TP273+.4

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605022

国家自然科学基金资助项目(编号：61503131)；

湖南省教育厅科学研究基金资助项目(编号：14C0327)；

湖南工业大学自然科学研究基金资助项目(编号：2014HZX14)。

修改稿收到日期：2015-03-24。

第一作者刘建华(1981-)，男，2013年毕业于中南大学控制科学与工程专业，获博士学位，讲师；主要从事复杂工业过程控制、数据挖掘等方向的研究。