智能控制技術在電廠熱工自動化的應用

童帥

[摘? ? 要]電力行業(yè)及相關企業(yè)對人們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)以及學習具有重要影響，在社會不斷發(fā)展的進程中，相關領域面對各種困難與挑戰(zhàn)，尤其是電廠熱工如何更好地應用智能控制技術成為備受關注的研究課題。在實際發(fā)展中，應在人力、物力以及財力上增加投入，對行業(yè)存在的問題進行深入分析。

[關鍵詞]智能控制技術;電廠熱工自動化;應用

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–00–02

Application of Intelligent Control Technology in Thermal

Process Automation of Power Plant

Tong Shuai

[Abstract]The power industry and related enterprises have an important impact on peoples daily life， production and learning. However， in the process of continuous development of society， related fields are facing various difficulties and challenges， especially how smart control is used in power plant thermal engineering. Good application has become a research topic of concern to many staff. Therefore， in actual development， relevant departments need to increase investment in human， material and financial resources， and conduct in-depth analysis of problems in the industry.

[Keywords]intelligent control; power plant thermal automation; application

火電廠自動控制的任務涉及到多個專業(yè)，不僅需要對鍋爐、汽輪機、發(fā)電機進行有效控制，同時需要對各種輔助設備進行相應地調(diào)控。由于采用的主機及輔助設備存在型號、使用場景上的差異，比如汽包鍋爐、直流鍋爐，在控制方法上就存在明顯的差別。PID在火電機組控制中有著廣泛的應用，但是PID控制器的參數(shù)整定存在多種方法，不同方法的執(zhí)行效率不同，同時部分PID控制器的參數(shù)整定方法實施難度較大，常規(guī)PID控制難以達到預期。因而，人們需要考慮其他先進的控制技術以實現(xiàn)火電廠的自動控制。智能控制技術成為近幾年控制工業(yè)領域的一項前沿科技，為處理復雜度大、不確定性高的系統(tǒng)提供有效的理論依據(jù)及實施方法，在梳理智能控制技術在電廠熱工自動化應用方向的同時，深入分析其在電廠熱工自動化中的具體應用。

1 電廠熱工自動化中智能控制技術的應用領域

（1）自動化控制。電廠熱工是較為復雜的工作，如果在電廠實際運行中僅采用人工的方式對電廠熱工進行控制，不僅會增加工作人員的工作壓力，同時對控制效率也會產(chǎn)生負面影響。將智能技術應用于控制作業(yè)中，可以將設備運行與有效調(diào)節(jié)、遠程控制有機地結合起來，同時保證設備流程符合作業(yè)規(guī)范。在運行環(huán)境及運行效率不確定的條件下，需要在確保設備可靠性的基礎上延長設備、系統(tǒng)的使用壽命。

（2）檢測智能化。在電廠熱工自動化中加入智能控制技術，可以實現(xiàn)智能檢測，使得在實際應用中，對設備運行產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)進行控制，同時，還可以對數(shù)據(jù)的有效性進行評估，及時發(fā)現(xiàn)設備、系統(tǒng)運行中存在的異常情況。另外，智能控制技術與自動化相結合，可以在熱工系統(tǒng)出現(xiàn)異常的情況下，根據(jù)自身當前的運行情況，對正在進行的作業(yè)進行調(diào)整，從而在異常提供有價值參考的同時，保證電廠其他設備的正常運行。

（3）主動保護。采用智能控制技術可以有效對電廠熱工系統(tǒng)中的各項設備、設施進行有效的自我保護。受到多種因素的影響，電廠熱工系統(tǒng)在運行中可能出現(xiàn)各種故障，相關監(jiān)督人員、作業(yè)人員如未能技術發(fā)現(xiàn)并整改，將會大幅提高生產(chǎn)事故的發(fā)生率。而智能控制技術本身內(nèi)涵自我保護的理念，在采集電廠熱工運行、檢測評估的基礎上，會主動對其進行保護。

（4）報警功能。智能控制技術本身不含有報警系統(tǒng)或者警示燈，只是和自我檢測、主動保護功能融合后衍生出報警的控制功能。電廠熱工自動化設備在運行中出現(xiàn)不能處理或者設備故障時，控制系統(tǒng)的報警功能就會產(chǎn)生相應地信號或者指示，提醒相關人員及時發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合維護人員對部分存在運行故障或者異常的設備進行針對性修理，從而提高電廠熱工應對突發(fā)情況的能力，減少財產(chǎn)損失。

2 智能控制技術

智能控制技術是人工智能及機械自動化等多個領域結合起來的一門綜合學科，它主要用于處理傳統(tǒng)控制難以解決的超常規(guī)控制問題。自20世紀70年代首次提出“智能控制技術”的概念后，基于智能控制技術的研究理論得到深層次的拓展，應用于社會各個層面。經(jīng)過長期的發(fā)展，智能控制技術應用從多個領域延伸至多個維度，基于該概念的定義、結構，國際上并沒有形成統(tǒng)一的共識。智能控制技術意味著機器乃至設計的系統(tǒng)具有獨立思考和學習能力。智能控制技術從類型角度，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家坐診、仿真控制等。部分學者將進化計算、集群優(yōu)化算法也作為智能控制技術的應用范疇。鑒于火電機組控制對象自身的特性，智能控制技術在該領域的應用主要包括基于前人理論的神經(jīng)網(wǎng)絡控制、粒子群優(yōu)化、蟻群算法等智能算法。

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡的智能控制技術。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是神經(jīng)網(wǎng)絡控制的主要模塊，它是一種計算、推理的人機技術，可以模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡思考模式，同時，進行信息的并行處理、學習、模式分類等行為。它是利用神經(jīng)元作為單元，將這些單元進行連接，同時單元與單元之間存在路徑，每一段路徑可以根據(jù)單元與單元間的信息密度設置相應權值。在構建人工神經(jīng)網(wǎng)絡的過程中，單元與單元之間的權值需要不斷修正，在此過程中針對信息權值的計算是一個自我學習的過程。在理論上，神經(jīng)元與神經(jīng)元之間是一種非線性映射關系，因而面對這種類型的對象難以建立數(shù)學模型。將神經(jīng)網(wǎng)絡用于火電機組的實現(xiàn)方式包括，設計鍋爐燃燒模型、NOx排放模型可以基于該網(wǎng)絡建立輸入輸出的映射關系;借助神經(jīng)網(wǎng)絡的自我成長能力，將性能指標、學習方法作為自變量，可以對PID控制器或者控制對象進行參數(shù)優(yōu)化;將算法與神經(jīng)網(wǎng)絡結合，比如將粒子群優(yōu)化算法與遺傳算法結合后可以對鍋爐燃燒進行有效控制。

相比建模的常規(guī)方法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡進行模型搭建需要考慮樣本的數(shù)量、需求的高低、不確定程度等問題。一般該方法用于離線研究，將其用于在線應用會因為自身特點而被極大地限制。

（2）模糊理論下的智能控制技術。該控制技術借鑒了模糊數(shù)學、模糊推理以及模糊語言的規(guī)則設計，即在專家或者一定經(jīng)驗考慮下建立不依賴對象的控制模型，將其用于復雜系統(tǒng)或者非線性系統(tǒng)，具有優(yōu)異的性能。但是需要指出的是，模糊控制在運行過程中會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)靜差，使得該模型不具有自我成長能力，對應隸屬度函數(shù)、模糊規(guī)則都是靜態(tài)的，依據(jù)一定的經(jīng)驗或者過去數(shù)據(jù)進行設計，本身不會因為當前的數(shù)據(jù)進行更新，因而要想對被控對象進行精確控制是不現(xiàn)實的。因此，在實際使用過程中模糊控制需要結合其他技術，比如PID控制采用模糊控制，將被控對象的輸出/期望值偏差、偏差程度-時間作為依據(jù)，調(diào)整控制器的P/I/D值。假設復雜對象處于一個運動的狀態(tài)下，模糊控制結合神經(jīng)網(wǎng)絡可以對復雜對象進行運動規(guī)則的建立，采用模糊規(guī)則可以對前饋信號、多變量解耦進行調(diào)整。

火電機組控制是一個復雜非線性運動過程，采用模糊規(guī)則下的模型可以對該過程進行很好地仿真。但是實際應用時，專家實踐經(jīng)驗對模型的可靠性、控制的效果、模型的復雜程度起到重要作用。

（3）智能控制技術的優(yōu)化算法。智能控制技術本質(zhì)上是建立在一定算法的基礎上，算法對一切事物、一些系統(tǒng)進行系統(tǒng)描述，事物的每個階段、系統(tǒng)每個運行過程都可以用算法加以描述。智能控制技術算法包括進化計算（EC）、集群智能（SI），這些算法很好地利用自然規(guī)律，將其進行函數(shù)式的描述。這些算法都是受自然啟發(fā)的算法，提取自然規(guī)則而衍生出的計量方法，屬于啟發(fā)式隨機優(yōu)化算法。其中，遺傳算法、進化規(guī)則、遺傳規(guī)劃均屬于EC類算法，粒子群優(yōu)化算法、蟻群優(yōu)化算法、免疫算法，這些算法屬于SI類算法，這些算法對于網(wǎng)絡安全、工業(yè)控制、故障控制均有廣泛的應用。以火電廠來說，遺傳算法、粒子集群優(yōu)化、蟻群優(yōu)化算法是應用較多的智能控制技術算法。

遺傳算法是結合生物界的自然選擇、遺傳變異法則而設計的一種自適應、具有自我進化的全局并行隨機搜素算法。它能夠計算全局最優(yōu)解，該最優(yōu)解適用于待研究的具體問題，這些問題一般都存在多段不連續(xù)峰函數(shù)、無解析式目標函數(shù)。粒子群優(yōu)化算法充分利用集群優(yōu)勢，挖掘個體協(xié)作、競爭函數(shù)，從而獲取搜索空間內(nèi)的最優(yōu)解。相較于遺傳算法，粒子群優(yōu)化算法操作復雜度低，更容易實現(xiàn)，算法具有較強的收斂性能，同時面對不同的場景，該算法的適應性能較強。蟻群優(yōu)化算法是在蟻群算法的基礎上進一步拓展，將信息素更新、概率轉移作為算法執(zhí)行的兩個基本函數(shù)，從而決定下一步的搜索方向，即方向是不斷改變的，從而有助于一個多問題集合的解決。在這種情況下，一個問題內(nèi)多個問題雖然不存在直接相關，但是基于方向的確定，有助于多個問題逐步解決。上述3種算法可以對火電機組進行負荷分配，對控制器參數(shù)進行優(yōu)化，根據(jù)不同的控制方案進行優(yōu)化等。

3 智能控制技術在電廠熱工自動化的應用

（1）智能控制技術在溫度調(diào)節(jié)中的應用。在電廠熱工鍋爐的使用中，對鍋爐燃燒溫度的控制是一項重要的工作，對電廠熱工自動化的效果產(chǎn)生重要影響，該項工作的主要目的就是減少溫度大幅調(diào)整對設備、燃燒產(chǎn)生的不利影響，其中，溫度過高會降低鍋爐的使用壽命，溫度過低會降低燃燒的整體效果。在過去的鍋爐溫度控制中，缺乏一致的控制技術，導致鍋爐的燃燒溫度難以有效地掌控。借助智能技術的應用，可以對鍋爐溫度進行有效地監(jiān)督，即鍋爐溫度如果過高，控制系統(tǒng)會對其進行高溫超標分析，并采取相應措施進行降溫，進而促使鍋爐溫度在正常范圍內(nèi);如果鍋爐溫度過低，控制系統(tǒng)也會做出相應調(diào)整，檢測燃料的使用情況，避免燃料使用效率過低。

（2）智能控制技術在水資源控制中的應用。智能控制技術可以應用到電廠熱工自動化的給水領域，即采用模糊控制的方式對電廠變頻器進行調(diào)整，進而對輸出電路進行有效控制，實現(xiàn)給水系統(tǒng)的自我控制、智能化調(diào)節(jié)，進而大幅提升電廠熱工系統(tǒng)的運行效率。相比以往的電廠熱工系統(tǒng)，智能控制技術可以改善電廠熱工系統(tǒng)原有的管理不足，提升給水控制水平和供水管理水平，進而對電廠生產(chǎn)運營產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益，進一步推動電廠的持續(xù)發(fā)展。

（3）智能控制技術在制粉作業(yè)中的應用。過去電廠熱工的自動化運行中，主要采用“儲式”的制粉系統(tǒng)，該類制粉系統(tǒng)存在運行效率過低的問題，不僅會對電廠熱工的運行效率產(chǎn)生負面影響，同時會制約電廠的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。制粉系統(tǒng)采用智能控制技術可以對運行產(chǎn)生的復雜生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行建模，生成模型可以對電廠熱工制粉系統(tǒng)中的信號數(shù)據(jù)進行區(qū)分與篩選，從而提高電廠熱工的控制效率。

（4）智能控制技術對機組負荷的調(diào)控。機組運行效率是評估電廠生產(chǎn)運行水平的一項重要指標。通過在電廠熱工自動化系統(tǒng)引入智能控制技術，可以對機組負荷進行有效監(jiān)督，進而合理釋放/增加機組負荷，實時掌握運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)運行存在的問題，并采取強有力的措施解決問題，保證機組正常運行，促進電廠熱工自動化控制水平達到效益最大化。

4 結語

在電廠熱工自動化的發(fā)展進程中，智能控制技術對該領域具有廣泛的推動與促進作用。在電廠熱工系統(tǒng)引入智能控制技術，不僅有效解決以往存在的控制問題，同時可以最大限度提升熱工系統(tǒng)控制的反應速度、檢測的力度?；谥悄芸刂萍夹g使得電廠熱工系統(tǒng)的自我檢測、主動保護、報警功能及綜合控制得以實現(xiàn)，對促進電廠持續(xù)、較快發(fā)展具有積極的意義。

參考文獻

[1] 王亞冬.智能控制技術在電廠熱工自動化中的應用[J].華東科技，2017（3）：259.

[2] 王偉平.智能控制技術在電廠熱工自動化中的應運分析[J].電氣技術與經(jīng)濟，2020，17（5）：23-25.