基于热力发电厂中锅炉除氧器控制方法的研究

刘永刚

摘要：除氧器是目前发电厂用到的主要设备，其是针对锅炉发挥相关作用的。除氧器的作用是将水中的氧气排除，延长设备耐腐蚀的时间，使得锅炉运行的稳定性大大提升。下面围绕除氧器展开相关讨论，对除氧系统、PID控制器的设计进行详细介绍，并建立仿真模拟试验，验证除氧器对温度的控制具有明显优势，并对发电厂改进控制方法提供参考。

关键词：发电厂；锅炉；除氧器；控制方法

电能是社会生活中最常见的必需能量。为了减少煤燃烧造成的环境污染，近年来，许多发电厂都经历了很大的改革。传统发电过程中，困扰电力部门的最大问题是热力设备被腐蚀的速度过快，频繁更换设备，不利于锅炉的稳定运行，同时增加经济成本。

一、现状概述

近年来我国的用电量呈现出直线增长趋势，再加上我国政府出台的一系列环境保护政策，我国的发电厂正在快速改革当中，设备腐蚀是改革过程中遇到的主要问题。在进入锅炉之前，水中的溶解氧没有被完全去除，由于供水管道和其它设备的氧气腐蚀，每年发电厂都承受着巨大的经济损失。为改善这一情况，必须对水进行处理，使其发生还原反应，水中的氧气从中脱离出来。然后在脱氧器的帮助下，将氧气在水中的溶解程度降到最低，进而达到减缓腐蚀的目的。在我国经济飞速发展的情况下，工业生产中对除氧器的要求也在不断提高，现阶段针对除氧器的控制方法还达不到理想的设计要求，因此人们一直在探索一种更有效的方法[1]。

二、除氧系统

除氧器的主要作用是，将进水中的杂质气体去除，例如氧气，在相应的控制方法之下，杂质气体不会与水分发生反应并结合在一起。下文对水中氧的特性和去除氧的基本方法进行详细介绍。

（一）气体特征

空气中氧气的含量很多，通常情况下，空气极易和水发生反应，导致水中的氧含量明显增加。温度的高低是影响水中含氧量的主要因素，为达到较好的除氧效果，相应装置需要同时满足下面两个条件：当除氧装置的压力达到最大时，进水的温度必须达到饱和状态温度；水中分离出的气体必须及时清除出去，否则会再次与水分子结合。由相关定理可知，氧气的溶解程度与分压的关系是非常密切的，溶解度随着分压的升高而不断增加，分压是指液体表面上空间中的压力，此时该空间中只存在一种气体。当分压为零时，气体不溶于水。

随着温度升高或压力增加，蒸汽-水界面处的水蒸气分压也增加。当水的温度达到沸点时，在蒸汽-水界面处仅存在水蒸气而没有其它气体。

（二）温控方案

经过长期的试验验证，104±3℃是除氧器工作的最佳温度。从除氧器系统的复杂性来看，传统的PID控制难以实现除氧。锅炉运行的稳定性较差，且会对原材料造成大量浪费。鉴于此种情况，可以结合相关控制方法来设计更精确的控制器。我国一直在不断探索新的控制方法，即模糊控制。到目前为止，它已经在许多工业领域中使用，并在实际生产过程中解决很多传统控制难以解决的难题。

本次研究的温控系统采用的控制方式是闭环控制，其原理如下图所示。其中x（t）是锅进水温度的设计值，y（t）是实际值。

图一 温控框图

当系统开始运行时，检测除氧器内给水的温度，测得的温度经过变送器，变为标准电压或电流信号，经过A/D转换与给水温度设定值比较，得出的偏差信号作为调节器的输入，再经过D/A转换处理，控制信号在调节器的作用下，被施加到执行器，以此控制锅炉给水温度。

（三）基本原理

控制器是实现模糊控制的关键。在计算机的编程控制下，控制器具有一定的自主处理数据的能力，偏差信号通过模糊控制器变为模糊量。在模糊语言的控制下，得到语言子集为模糊控制量，为保证将受控对象控制在比较精确的范围内，需要将模糊量转换为精确数值，并在获得准确的数值后，将其值发送到执行器，从而达到精确控制对象的目的。

三、设计控制器

（一）PID控制器

变量确定设计的第一步，本次控制器的设计，需要同时确定输入、输出量。输入量直接反应电力信号的变换情况，输出量通常与控制器的补偿量相近。维数的选择是控制器设计的关键，目前大多数发电厂选择的都是一维控制系统，比较容易实现对锅炉温度的控制。

1.确定变量

选择输入和输出变量的词集。通常，如果选择单词集则控制起来简单方便，但其相关规则比较复杂。

本次試验中，根据除氧装置的实际工况，其输入变量的设计包括两个值，即e和ec，前者为误差，后者表示误差的相应的变化量。补偿量是输出变量，它们的域量化是13级，即：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}

根据模糊控制原理，输入变量首先必须模糊化并转换为模糊量，并乘以量化因子。量化因子的选择，与控制系统的相应速度有着直接联系，其值过大相应的过渡时间会变长，系统反应缓慢，不利于对运行系统的控制。

2.推理决策

推理决策是设计的重要阶段，为保证最终设计成品性能的稳定，目前常采用Mamdani推理法。

（二）仿真结果

采用热脱氧器的经典动态数学模型：G（S）=9.4e-4s（4.6s+1）3当受控对象的数学模型是由设计建立的数学模型时，呈现的仿真图各项参数如下：Kp=0.1697，Ki=0.0113，Kd=0.636，ΔKp、ΔKi、ΔKd为控制器的补偿量。选择三组参数，并比较模拟结果。超调量也有明显优势，因为模糊控制的输出量是对比例、积分和微分参数的补偿[2]。系统设计除氧器温度控制系统，只要除氧器的温度保持在104±3°C，氧气在脱气器给水中的溶解度为零，就能达到较好的脱氧效果。

四、结束语

综上所述，是对除氧器控制方法的相关介绍，以具体的仿真试验，将是对除氧效果影响最大的因素，即温度进行控制。在传统PID控制的基础上，将模糊控制的理论融入进去，并按照实际工况建立相应的仿真模型，通过仿真分析可知，在模糊理论和PID控制有效结合的基础上，锅炉运行的温度被控制在合理范围内。

参考文献：

[1]郭红霞.基于热力发电厂中锅炉除氧器控制方法的研究[J].榆林学院学报，2017.

[2]寇天龙.除氧器含氧量超标原因分析与调整[J].现代商贸工业，2016，（23）.

（作者单位：广州发展鳌头分布式能源站投资管理有限公司）