發(fā)電廠鍋爐送風系統(tǒng)控制方法研究

李業(yè)功

摘 要 發(fā)電廠鍋爐送風系統(tǒng)作為鍋爐燃燒系統(tǒng)的重要組成部分，對保證鍋爐燃燒的經濟性和可靠性，實現(xiàn)發(fā)電廠的節(jié)能減排目標具有重要意義。針對鍋爐送風系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PID控制方式時存在的非線性、滯后性等問題，本文采用模糊自整定PID控制方法對送風系統(tǒng)進行控制，并通過MATLAB/Simulink仿真驗證了送風系統(tǒng)模糊自整定PID控制方法的優(yōu)越性。

關鍵詞 發(fā)電廠鍋爐；送風系統(tǒng)；PID；模糊自整定PID

中圖分類號 TM6 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）07-0045-03

目前，我國的發(fā)電還是以火電為主，火力發(fā)電量占據(jù)了全國總發(fā)電量的近七成，其每年消耗的煤炭量占據(jù)了全國的一半。然而，煤炭的燃燒會產生大量的二氧化碳及其他有害氣體，給環(huán)境帶來了嚴重的污染。鍋爐作為火電廠最重要的生產設備之一，能使鍋爐燃燒系統(tǒng)經濟高效運行，則可大大節(jié)省煤炭的用量，實現(xiàn)火電廠的節(jié)能減排。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)：送風控制系統(tǒng)、因風控制系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)。其中，控制鍋爐送風系統(tǒng)保證送風量和噴入鍋爐中的燃料處于最佳風煤比狀態(tài)，這樣既能使進入爐膛煤粉得到充分的燃燒，減少有毒氣體的排放，也能最大程度地減少熱量損失，從而達到節(jié)能減排的目標。

1 發(fā)電廠鍋爐送風控制系統(tǒng)

發(fā)電廠鍋爐送風控制系統(tǒng)對保證鍋爐的燃燒的經濟性和穩(wěn)定性具有決定性作用。送風控制系統(tǒng)使鍋爐的送風量和燃煤量（風煤比）相協(xié)調，從而使鍋爐的燃燒效率達到較高的水平，這是送風控制子系統(tǒng)的主要任務。如果送風控制系統(tǒng)送入鍋爐的空氣太少，導致鍋爐含氧量過低，則會導致燃料無法充分燃燒，不僅浪費燃料，更會使燃燒產生的二氧化硫等有毒氣體含量增加污染空氣；如果送風控制系統(tǒng)送入鍋爐的空氣太多，則會導致爐膛內的溫度降低，同時增加煙氣的熱損失。

一般情況下，鍋爐的熱效率是無法直接測量得到的，因此我們經常會采用一些間接的方法來得到它。常用的送風控制系統(tǒng)的形式有燃料量—空氣系統(tǒng)、熱量—空氣系統(tǒng)、蒸汽量—空氣系統(tǒng)、給定負荷—空氣系統(tǒng)和含氧量—空氣控制系統(tǒng)。受到各種條件限制，到目前為止，熱效率還無法通過現(xiàn)有的檢測設備準確檢測出來。只能通過間接測量來得到熱效率的數(shù)值，目前各大電廠一般會通過測量煙氣含氧量來測算鍋爐熱效率。鍋爐燃燒過程中，排出的煙氣中所含有的氧氣所占的比值是一個十分重要的數(shù)據(jù)量，如果煙氣含氧量過低，說明燃料沒有得到充分的燃燒，這樣會大量的浪費燃料而且也會加大有害氣體的排放；而煙氣含氧量過高，送風量過大會使爐膛失去大量的熱量，也會使煙氣中的SO2和NOx等有毒氣體排放量增加。

把煙氣含氧量作為鍋爐燃燒的效率指標是一種很好的控制方案，由于煙氣含氧量的測量有較大的滯后性，所以其一般要采用串級調速系統(tǒng)，具體結構如圖1所示。其副回路由送風機和送風量控制器構成，反應速度較快。系統(tǒng)中的含氧量控制器是串級調速系統(tǒng)的主調節(jié)器，它主要起到校正的作用，其使得送風量和燃料量始終保持一定的比例，從而使得煙氣含氧量維持在給定的最佳值。圖1中加入了燃料量B的前饋信號，可以大大改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

串級調速系統(tǒng)相比于單回路控制系統(tǒng)而言，其動態(tài)特性有了很大的提升。將這兩個調節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中的一個調節(jié)器的輸出值作為另一個調節(jié)器的給定值。由于增加了一個副調節(jié)器和副回路，副回路的擾動可以得到的快速的克服，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到大大提升。通俗的來講，回路中的副調節(jié)器承擔了“粗調”的任務，主調節(jié)器承擔著“細調”的作用，所以系統(tǒng)的調節(jié)品質得到了進一步提高。

鍋爐在實際運行過程中，實際的送風量要比理論需要的空氣量要稍微的多一些，我們把這一值用過剩空氣系數(shù)α表示，也就是空燃比。在鍋爐運行中我們要設定合適過?？諝庀禂?shù)α，才有利于提高鍋爐的效率。過?？諝庀禂?shù)α可用煙氣含氧量來表示，計算公式如下式（1）所示：

上式（1）中，2O %表示煙氣含氧量，從式（1）可以看出過?？諝庀禂?shù)與煙氣含氧量是反比的關系。控制空氣過剩系數(shù)就可以達到控制煙氣含氧量系數(shù)的目的。

由圖1可知，煙氣含氧量—空氣串級控制系統(tǒng)的主變量是煙氣含氧量，送風量作為副變量。主控制器的輸出值作為副控制器的給定值，副控制器通過控制送風機的扇葉開度來實現(xiàn)其給定值。反饋回路中的煙氣含氧量由主回路檢測裝置來檢測，送風機的風量由副回路檢測裝置來進行計算。

目前，這套串級控制系統(tǒng)已經發(fā)展成熟，且可靠性高。但其控制系統(tǒng)中一般都是采用PID控制器，當系統(tǒng)中有較大擾動時，系統(tǒng)的調節(jié)能力仍有待提高。本文引進模糊PID來實現(xiàn)對該系統(tǒng)的控制。

2 基于模糊PID的送風系統(tǒng)控制方法

在MATLAB軟件中建立發(fā)電廠鍋爐送風系統(tǒng)模糊PID控制器，其內部結構如圖2所示，用Constant模塊模擬Kpo，Kio，Kdo的初值，dKp，dKi，dKd的變化范圍需要在調試中確定，模糊控制器通過對輸入偏差e和偏差變化率ec的分析，得到dKp，dKi，dKd應取的值，然后通過求和模塊把dKp，dKi，dKd不斷和Kpo，Kio，Kdo相加，得到隨著偏差和偏差變化率變化而變化的Kp，Ki，Kd，從而提高系統(tǒng)的控制效果。在控制過程中，經過不斷的調試，最終得到控制效果最佳時候的Kp，Ki，Kd的初值和dKp，dKi，dKd變化的論域。

利用MATLAB/Simulink搭建送風控制系統(tǒng)仿真模型，其結構為串級控制。仿真的框圖如圖3所示。

如圖3所示，信號源Step1，Step2，Step3都是階躍模塊，其作用分別是給系統(tǒng)施加給定值，內擾動，外擾動。Subsystem1和Subsystem2是模糊自整定PID模塊，其中Subsystem1構成系統(tǒng)的主調節(jié)器，Subsystem2構成系統(tǒng)的副回路調節(jié)器，其共同實現(xiàn)了系統(tǒng)的串級控制。風機的傳遞函數(shù)用Transfer Fcn表示，其為一階慣性環(huán)節(jié)，與Subsystem2構成副回路，通過對風機的轉速進行反饋，副回路可以快速的消除內部的擾動。主回路中的反饋是煙氣含氧量的值。為了方便起見，我們把反饋裝置的參數(shù)均設置為1。Transfer Fcn1是二階的慣性模塊，其和Transport Delay（延遲模塊）構成了煙氣含氧量的傳遞函數(shù)。最后通過示波器Scope將系統(tǒng)的仿真結果顯示出來。

鍋爐風機控制系統(tǒng)受到的擾動來自兩方面，一方面是內部擾動，另一方面是外部擾動，現(xiàn)對風機控制系統(tǒng)的內部擾動和外部擾動分別進行仿真。

2.1 加入內擾情況下的動態(tài)特性

將Step1和Step3的輸出置0，從0開始，Step2加入一個10%的擾動，觀察系統(tǒng)的響應特性曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，加入20%的內擾后，PID控制的超調量更大，其調節(jié)時間需要近600s，而模糊控制只需要400s便可恢復穩(wěn)定狀態(tài)?？梢缘贸觯趧討B(tài)調節(jié)效果上，模糊控制要比普通PID有優(yōu)勢。

2.2 加入外擾情況時的動態(tài)特性

由圖5可以看出，加入30%的外擾后，普通PID控制的調節(jié)時間為400s，而模糊自整定PID控制的調節(jié)時間為200s，約為前者的一半。

由上面仿真可知，當火電廠鍋爐送風系統(tǒng)受到內部擾動或外部擾動時，與PID控制方法相比，模糊自整定PID方法的擾動調節(jié)時間更短，性能更好。

3 結論

火電廠鍋爐送風控制系統(tǒng)對保證鍋爐的高效率燃燒，降低煤炭燃燒量，減少發(fā)電廠有害氣體的排放，實現(xiàn)發(fā)電廠的節(jié)能減排目標具有重要意義。本文對鍋爐送風控制系統(tǒng)的控制方法進行了改進，并通過MATLAB仿真驗證了，模糊自整定PID控制方法在系統(tǒng)受到擾動時的動態(tài)特性要優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制方法。

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