先进控制理论在火电厂锅炉主蒸汽温度控制中的应用

国电汉川发电有限公司 梅 洋

近几年，我国互联网技术发展越来越快，在许多行业得到广泛应用，推动了社会经济的迅速发展。在火电厂热工方面通过引入自动控制理论、合理应用智能化控制技术，使工作效率得到有效提升，促进火电厂的健康发展。目前，为了满足社会需求，火电厂生产作业类型越来越多，需要不断改进自动化技术并加强创新，使热工自动化水平日益提升，为火电厂的持续、稳定发展奠定良好基础。

在火力发电过程中，锅炉的运行状况直接影响生产的进行和生产产品的质量、产量以及成本。电厂锅炉的输入、输出都是多个变量，各种相关参数也是相互联系和耦合的，所以，这就导致了传统控制方法难以做到比较准确地展示被控对象的动态以及静态的特性。在火电厂锅炉温度控制系统中引入自动控制理论，合理应用智能化控制技术，能使工作效率得到有效提升。

1 火电厂自动控制理论、基本应用及热工自动化内容

目前，自动化控制技术研究主要有经典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论三大阶段，之间有着相互配合的共存关系。经典控制理论是最早的自动化控制理论，涉及非线性系统分析法、串级控制法、PID 控制法、根轨迹法、频率法等；现代控制理论是经典控制理论的延续，主要涉及线性系统控制理论、非线性控制理论、自适应控制理论、动态识别系统、预测控制理论以及最优化估计理论等。这种理论主要是采用时域法、线性代数等方法，建立数学模型来对系统的运作规律进行模仿，并对系统内的各项数据信息进行整合，不断完善系统设计来完成；智能控制理论是目前自动控制理论中最新的内容，主要涉及神经网络控制、模糊控制以及专家系统等[1]。

在火电厂的作业生产中通过合理应用自动控制理论和相关技术，可大大提高工作效率和质量。在自动化作业中，使用仪表可直接测量火电厂运营过程中的热工参数。同时一旦出现问题能快速发现，从而可针对问题采取有效的措施来解决，进一步确保火电厂运行的安全性与稳定性。另外，火电厂热工自动化系统在控制设备时通常都是按照一定的流程来操作，也可叫作顺序控制，可对机组的开启、运行、关闭、处理事故等进行把控。

同时，控制装置的判断能力非常好，具有良好的保护作用。当某项操作流程结束后系统会自动确定并开始进行下一流程内容，若上项操作流程没有顺利完成就开展下一流程，系统会自动中断并报警处理。相关人员在应用自动控制系统时，一定要及时关注系统发出的指示与警告，并制定合理的调整制度，优化相关流程，减少设备发生故障的几率，这样可提高生产效率和质量，确保工作人员的安全。

2 火电厂热工自动化控制系统作用分析

2.1 拓展系统控制能力

对于火电厂热工自动化控制系统而言，主要是应用计算机方面的原理，并运用相关的辅助技术手段来全程监控仪器设备，还要结合实际应用情况不断改进和完善管理信息系统，帮助工作人员有效开展对火电厂热工自动化控制。目前，火电厂在开展热工自动化控制工作中经常会使用DCS 这种比较先进的控制系统。相关人员还要将自动化技术和自动控制理论有效结合在一起，对硬件设施和模拟信号进行整合，通过这种方式来对热工仪表的输入信号进行线性化处理。

在处理仪表的非线性特性矫正处理时，要引入相关的理论知识，确保取得良好的校正效果。若是使用智能热工仪表，要充分利用自动控制理论和计算机技术来对数字进行线性化处理。同时要及时转换输入的信号，这样可得到相关的数字量，然后通过准确计算确保智能热工仪表输入信号实现线性化，使得智能仪表的非线性特性校正满足生产要求[2]。

2.2 加快生产速度，提升整体质量

目前，我国火电厂在自动化控制系统方面已掌握了非常多种类的高级算法模块，并有良好的实用性。以国电智深EDPF-NT+系统为例，一旦设备在运行过程中出现故障，相关的设计模块可第一时间发现，并具有自我维修和报警功能，可帮助工作人员及时发现并解决问题。另外，该系统和计算机连接后可快速完成数据资料的传输和共享，可让工作人员及时掌握运行情况，可使生产效率和质量得到有效提高[3]。

3 火电厂锅炉主蒸汽温度控制常用的控制方法

3.1 锅炉主蒸汽温度控制系统的特点和发展历史

大量的实践表明，采用传统的控制方法控制锅炉的燃烧，会出现几方面问题：

系统时滞效应。控制滞后的来源包括检测滞后、传输滞后、响应滞后，同时这种滞后效应会随着负荷的变化而变化。所以传统单一的控制系统很难达到适时控制的效果，需要新的能适时监控的控制方法[4]。

不同控制量之间存在严重耦合。还有一次风量、送风量的变化，这些变化相互影响，有时相互增强变化效果、有时相互减弱这种变化效果。因此给水流量、风量等必须适时调整以适应新的变化要求。同时耦合的效果是不确定的，传统单一的控制效果要想对这种多输入、多输出的耦合现象进行有效控制，也是很难做到的。

锅炉燃烧过程不确定因素。燃烧过程中煤的热值变化、不同工况的改变等诸多不确定的因素，给控制系统模型的搭建增大了难度。锅炉燃烧系统并非是线性系统，同时它有比较大的延迟、严重的耦合特点以及时变的特性，也增加了风煤的供给难度。当燃煤的挥发分降低，含碳量增加或煤粉变粗时，由于煤粉在炉膛中所需时间增长，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，则将使汽温升高。

3.2 经典控制理论及现代控制理论

经典控制理论主要作用于输入、输出为单个量的线性定常系统。但由于现实控制领域中单输入、单输出的模型比较少，所以这种理论的实际应用场合比较受限。

现代控制理论要使控制效果较好须有较精确的数学模型。如果控制对象的数学模型能较精确地获得，经典控制理论结合现代控制理论能有效地对系统进行有效控制，并能取得比较优良的控制效果。但如果控制对象的数学模型不够精确或根本不能得到，则很难达到有效的控制效果。若是使用智能热工仪表，要充分利用自动控制理论和计算机技术来进行处理。同时要及时转换输入的信号，这样可得到相关的数字量，确保智能热工仪表输入信号，使得智能仪表校正满足生产要求。

3.3 模糊控制

模糊控制是以模糊数学、模糊语言形式的知识表达、模糊逻辑，以及模糊推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统，它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。作为智能控制的一种，模糊控制是一种较先进的非线性控制，既有系统化的理论又有大量的实际应用背景。与普通的控制相比具有构造容易、鲁棒性好等显著的优势。

仅依靠模糊规则来实现汽温系统的控制是很难实现的，加之模糊控制有着稳定性不高、精度不高的固有缺点，这就导致模糊控制难以消除系统的稳态误差。混合型模糊PID 系统将串级控制与模糊控制的优点有机地组合起来，较好的解决了蒸汽系统中系统小的超调量与系统快速性间的矛盾[5]。

3.4 模糊PID 控制

模糊PID 控制，是在传统PID 控制的基础上采用模糊规则对PID 控制的各项参数进行自整定。它结合了传统PID 可靠性高、性能稳定、解构简单的优点，同时又有较好的动态特性以及消除系统的稳态误差。模糊神经网络PID 控制区别于传统的PID控制结构，其包含模糊PID 控制器的设计以及神经网络算法对参数的修正0控制器的核心是模糊控制，从模糊控制得到输入输出的样本输入到神经网络中进行训练学习，从而得到一定范围内的控制变量0模糊PID 控制利用模糊理论得到最终控制的可调参数。当系统的输出与期望值比较出现偏差时，把偏差量模糊化，利用模糊规则选择合适的输出，然后再经过解模糊化，最终得到期望的输出值，实现无偏差输入。

利用PID 温度控制系统是先借助于热传感器，测量锅炉炉膛的温度，然后再经过模数转电路输送给DCS 控制系统输入端，控制器根据接收到的信号对温度实行监测，如果温度过高，系统就会显示高温预警。

PID 控制的模糊分解：该控制方法采用并联结构，将PID 控制分解为其他控制方式与模糊控制相并联，从而使得两种控制器的优点相互补，达到比较良好的控制效果[6]。分解主要有5种类型：模糊控制与积分控制并联、模糊控制与含有模糊积分增益的积分控制并联、模糊PI、模糊控制与前馈控制的并联、模糊PI 控制与模糊PD 控制并联。

3.5 自适应模糊控制

自适应模糊控制是指模糊控制系统在控制过程中能自动改善模糊规则，使其具有自我学习和适应的能力，它又称为自组织模糊控制。自适应模糊控制器与一般模糊控制器相比较，多了模糊性能的测量、模糊控制量的校正及模糊规则修正三个环节，可通过确定精确修正量、转化为模糊修正量，最后经过模糊规则的修正环节实现对控制规则的改善。

3.6 专家系统

常规控制器的缺陷是结构过于单一，不足以应付复杂的控制过程，优点是在一般数学方法不能分析时提供基于一定规则的控制方法。而专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。

所以，将专家系统技术引入到控制中，能弥补或减少常规控制器的一些控制缺陷。因为专家系统技术重视分类和分层次，同时也重视知识的推理。与专家系统利用和表达知识的优点相结合，增强控制效果。

为确保火电厂热工自动化系统的顺利运行，管理人员一定要加强监管力度，全面落实各项监测工作，特别是在主蒸汽温度方面要做好管控，避免出现故障问题。在此过程中，工作人员要积极学习并合理应用自动控制方面的理论知识。通过应用能够使喷水减温器的自动化水平得到大幅度提高，进一步满足主蒸汽温度的控制要求。另外，工作人员要结合相关的理论知识，合理设置烟气挡板和相应检测设备的参数，使主蒸汽温度控制方式具有一定的针对性，提高运行的安全性和可靠性，从而推动我国火电厂热工自动化的健康发展。

4 结语

对于火电厂来说，为了降低设备的故障发生率，提高生产效率和质量，在生产经营中应不断进行改进和创新。目前，传统控制理论和先进控制理论在热工自动化生产中均具有重要作用。在对锅炉主蒸汽温度控制进行研究时一定要综合考量到超调小、响应速度快、稳态误差小等各方面的诉求，选取适合自己模型的控制方法，才能达到更好的控制效果。