循環(huán)流化床鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)及仿真

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摘要:為解決傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐主蒸汽串級PID溫度控制系統(tǒng)的大滯后、大慣性問題，基于Matlab建立了主蒸汽和鍋爐煙氣傳熱過程程序，通過調(diào)整減溫水量使鍋爐主蒸汽溫度控制在目標溫度范圍內(nèi)。然后，將傳熱計算程序?qū)攵嗄Ｐ颓袚Q控制系統(tǒng)仿真平臺，結(jié)果表明，基于傳熱計算的多模型切換控制系統(tǒng)成功解決了主蒸汽溫度的慣性大和延時大的問題，并且該控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)鍋爐負荷的變化。

關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床鍋爐;主汽溫度;PID;控制系統(tǒng)

引言

傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐主蒸汽溫度控制采用串級PID控制系統(tǒng)，難以對鍋爐主蒸汽溫度進行精確控制。串級PID控制系統(tǒng)的主回路主要包括主調(diào)節(jié)器(PID控制器)、調(diào)節(jié)死區(qū)和主蒸汽溫度變送器。為了解決控制模型與參數(shù)不匹配問題，采用了可變參數(shù)PID控制器，該控制器根據(jù)控制量和目標量之間的差異實時調(diào)整參數(shù)比例微分積分的值，并且當受控模型發(fā)生變化時，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。然而，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)仍然是偏差或時間線性函數(shù)，主蒸汽溫度無法達到設(shè)定值，由于上述原因，AntonioNevado開發(fā)了一種自適應(yīng)預(yù)測控制系統(tǒng)，稱為蒸汽溫度優(yōu)化器(STO)，該自適應(yīng)預(yù)測控制系統(tǒng)大大提高了控制精度和穩(wěn)定性。項杰和董文博針對系統(tǒng)控制模型的不確定性和非線性串級PID溫度控制系統(tǒng)的控制對象，提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的非線性預(yù)測模糊變量控制系統(tǒng)，實驗和仿真結(jié)果驗證了該方法比線性控制算法對蒸汽溫度的控制效果更好。RayTK通過對具有實時運行參數(shù)的兩級SH調(diào)溫器進行火用分析，確定了優(yōu)化路徑。但是，目前研究的控制方法主要是基于運行參數(shù)的估算計算量，本文將研究基于熱力學(xué)計算的控制程序以提高循環(huán)流化床鍋爐主蒸汽溫度的控制精度。

1主蒸汽換熱系統(tǒng)的設(shè)計計算

基于Matlab對循環(huán)流化床鍋爐主蒸汽換熱系統(tǒng)進行了模塊化設(shè)計。整個模塊分為計算模塊、換熱單元和輔助模塊，計算模塊分為物理參數(shù)、放熱計算、爐膛計算，換熱單元分為對流受熱面、半輻射受熱面和減溫水計算。在模型分析的基礎(chǔ)上，采用模塊化編程方法完成計算系統(tǒng)的編程。最后，將各模塊進行組合，并按計算順序?qū)⒏鲹Q熱單元模塊進行連接，形成鍋爐主蒸汽換熱計算系統(tǒng)。換熱計算方法為:在已知循環(huán)流化床鍋爐過熱器主蒸汽入口溫度的情況下，將過熱器的出口主蒸汽溫度作為高溫過熱器的入口溫度，其傳熱計算分為熱段和冷段———高溫過熱器部分和過熱水的冷部分，通過計算過熱器出口主蒸汽溫度和過熱器入口主蒸汽溫度差，結(jié)合不同負荷條件下所對應(yīng)的傳熱系數(shù)，計算得出控制主蒸汽出口溫度所需的減溫水量，并且在鍋爐工況變化的條件下，保證過熱器出口主蒸汽溫度恒定不變。

2基于傳熱計算的多模型切換主蒸汽溫度控制系統(tǒng)

在調(diào)溫器控制系統(tǒng)中，被控對象分為超前區(qū)和滯后區(qū)兩部分。研究時將主蒸汽控制系統(tǒng)的超前區(qū)和滯后區(qū)的傳遞函數(shù)簡化為一階慣性加純滯后傳遞函數(shù)。超前區(qū)的傳遞函數(shù)可以表示為:式中K為放大系數(shù)，T為時間常數(shù)，n為階數(shù)。可以通過實驗獲得上述引導(dǎo)區(qū)域參數(shù)，慣性傳遞函數(shù)的計算公式可以表示為:以30%鍋爐負荷為例，超前區(qū)域的傳遞函數(shù)為8．07/(24S+1)2，則滯后區(qū)傳遞函數(shù)為1．48/(46．6S+1)4，如圖1所示，等效一階慣量加純滯后傳遞函數(shù)為(1．48/108．5S+1)e－85S。該控制系統(tǒng)將傳熱過程與常規(guī)PID控制相結(jié)合，并引入切換功能。該切換函數(shù)通過對多模型切換指標的計算，將鍋爐被控對象切換到最接近對應(yīng)的典型負荷控制模型，使控制參數(shù)與模型匹配，以達到預(yù)期的控制效果。如圖2所示的仿真系統(tǒng)是在30%負荷條件下建立的，由傳熱計算系統(tǒng)和多模型切換系統(tǒng)組成。換熱計算系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)為結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)，減溫水量通過燃燒和熱平衡計算得出;當鍋爐負荷發(fā)生變化時，由S功能編寫的開關(guān)進行切換。

3多模型切換主汽溫度控制系統(tǒng)仿真

基于換熱計算的多模型開關(guān)主汽溫度控制系統(tǒng)，由典型負荷控制模型下的傳熱計算系統(tǒng)和換熱計算系統(tǒng)組成，并在不同的負荷條件下進行切換計算。主汽溫控制系統(tǒng)在五種典型負荷工況下的仿真結(jié)果如圖3所示。當鍋爐負荷變化時，多模型切換程序切換到與當前控制模型匹配的控制模型，以獲得理想的控制效果。仿真結(jié)果驗證了該多模型切換系統(tǒng)的有效性。隨著鍋爐運行負荷的增加，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間和達到穩(wěn)態(tài)的時間縮短。當鍋爐運行負荷降低時，系統(tǒng)能有效地降低超調(diào)。圖4顯示了鍋爐在50%負荷下運行的階躍響應(yīng)曲線，該多模型切換程序?qū)⒃诜抡骈_始時進行切換，并準確地切換到最接近50%負荷的鍋爐負荷模型，仿真結(jié)果驗證了其準確性。由圖4仿真曲線可以看出，初始階段系統(tǒng)在30%負荷控制模式下運行。由于運行負荷不是典型負荷，經(jīng)過多次模型切換，在系統(tǒng)運行約200s后，系統(tǒng)切換到44%控制模式然后自動輸出最佳校正因子，當被控對象處于接近44%負荷控制模型后，穩(wěn)定了主汽溫度。根據(jù)以上仿真結(jié)果，基于傳熱計算的主汽溫度控制系統(tǒng)的控制效果要優(yōu)于串級PID控制系統(tǒng)，主要是因為該系統(tǒng)可以快速消除系統(tǒng)的干擾。

4結(jié)論

本文對循環(huán)流化床鍋爐主蒸汽傳熱系統(tǒng)進行了模塊化設(shè)計計算，并與多模型系統(tǒng)切換控制系統(tǒng)結(jié)合，建立了主蒸汽溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅成功解決了主蒸汽溫度的慣性大和延時大的問題，并且該控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)鍋爐負荷的變化，快速消除控制系統(tǒng)中的干擾，還可以將控制模型與控制器參數(shù)進行匹配。典型負荷條件下的仿真結(jié)果表明，隨著鍋爐運行負荷的增加，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間和達到穩(wěn)態(tài)的時間縮短。當鍋爐的運行負荷降低時，系統(tǒng)可以有效地減少超調(diào)，在非典型負荷條件下，控制系統(tǒng)可以連續(xù)切換模型以逼近鍋爐運行負荷。

參考文獻

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作者：周帥 單位：太原鍋爐集團有限公司