CN103498805B - 一种火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置，包括控制信号中枢装置、无扰切换单元、静叶伺服器、转速伺服器、引风机和小汽机，控制信号中枢装置调用电厂数据采集系统中的运行数据，并且把调用来的运行数据传送给无扰切换单元，无扰切换单元将接收来的数据进行引风机静叶开度和小汽机转速的切换控制判断，并将判断后的控制指令传给静叶伺服器和转速伺服器，静叶伺服器和转速伺服器根据接收的控制指令进行动作，分别用于控制引风机和小汽机，其中，静叶伺服器用于控制引风机的静叶开度，转速伺服器用于控制小汽机的转速。本发明的无扰切换装置准确、高效，能够针对不同风机、以及电厂实时运行参数来进行自动控制。

Description

一种火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置

技术领域

本发明属于火电厂中的自适应自动控制设备，具体是指一种火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置。

背景技术

国家环保要求规定新建电厂FGD系统不设烟气旁路和现有FGD系统要拆除旁路烟道的强制措施，使得电厂对FGD系统的要求越来越高。FGD系统不设烟气旁路，其运行直接关系到机组的安全，FGD系统停运则机组也必须停运，锅炉从点火开始所有烟气直接进入吸收塔进行处理，这使烟气系统在设计等方面与常规的FGD系统有较大的不同。为此，新老电厂加装脱硫装置时普遍将引风机与脱硫增压机合并，直接采用引风机克服原有的烟气系统阻力和新增的脱硫系统阻力。

引增合一后的引风机功率增大，若采用电动机驱动引风机会造成起动时厂用母线电压降低，危害厂用电系统。若采用汽轮机驱动引风机可以避免电动机驱动时的起动大电流，很大程度降低了厂用电量，同时汽轮机可以和引风机协调配合，使引风机在不同负荷下都能处于运行高效区。可以说，采用汽轮机驱动引风机是一种比较优化的能源利用方式。

采用汽动引风机炉膛负压的控制，存在引风机的静叶控制调节及小汽机的转速控制调节两种调节方式，控制上相对复杂。目前静叶控制回路采用常规的单回路控制策略，其控制响应慢，不能适应快速的变负荷、甩负荷等工况的调节，因此需要深度优化控制策略，充分利用前馈和超驰控制。而目前转速控制常采用串级回路，主控制器用于控制锅炉炉膛负压的偏差，副调节器为转速控制。其在引风机的故障快速减负荷(runbank，RB)时会存在安全隐患，而且对炉膛负压缺乏快速反应能力。

采用汽动引风机后，导致两种控制之间的切换变得十分复杂，如果切换不当，容易导致小机失速，风机喘振等重大事故。鉴于此，有必要开发一种自适应无扰切换装置，对静叶控制和转速控制进行无扰切换，另一方面，也要对静叶控制和转速控制进行改进，提高对负荷的响应速度。

发明内容

本发明的目的在于克服火电厂引风机控制的系统的存在的缺陷与不足，提供一种火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置，该无扰切换装置准确、高效，能够针对不同风机、以及电厂实时运行参数来进行自动控制。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置，其特征在于：所述的无扰切换装置包括控制信号中枢装置、无扰切换单元、静叶伺服器、转速伺服器、引风机和小汽机，所述控制信号中枢装置调用电厂数据采集系统中的运行数据，并且把调用来的运行数据传送给所述的无扰切换单元，所述的无扰切换单元将接收来的数据进行引风机静叶开度和小汽机转速的切换控制判断，并将判断后的控制指令传给所述的静叶伺服器和转速伺服器，所述静叶伺服器和转速伺服器根据接收的控制指令进行动作，分别用于控制引风机和小汽机，其中，静叶伺服器用于控制引风机的静叶开度，转速伺服器用于控制小汽机的转速，以实现火电厂汽动引风机的自适应无扰切换。

所述电厂数据采集系统中的运行数据包括电厂运行负荷、锅炉负压、小汽机转速、小汽机胀差、引风机静叶开度、送风机动叶开度的数据。

所述的无扰切换单元对接收来的数据进行转速控制死区对比参照，若小汽机转速处于控制死区，则进行定速率降速，若小汽机转速未达到控制死区，则进行小汽机转速控制和引风机静叶开度控制判断。

本发明可以做如下改进：所述的无扰切换装置还包括超速保护装置，所述控制信号中枢装置把从电厂数据采集系统中调用的运行数据还传送给所述的超速保护装置，所述的超速保护装置对接收来的数据进行小汽机超速预判断，并对超速事故进行预防控制，当小汽机转速超过转速预警值时报警，如果转速继续升高，达到转速预警值的110%～112%时，切断汽轮机进汽，使汽轮机停止运转。

本发明可以做如下改进：所述的无扰切换装置还包括防喘振装置，所述控制信号中枢装置把从电厂数据采集系统中调用的运行数据还传送给所述的防喘振装置，所述的防喘振装置具有引风机喘振模糊判断功能，对接收来的数据进行引风机喘振事故预判断，并对喘振事故进行预防控制，保证风机避开喘振区。

所述的防喘振装置根据接收来的数据对引风机进行喘振模糊判断，如果引风机转速到达相同工况下的防喘振装置内存储的喘振曲线所对应的喘振转速的95%，则可判断得出引风机具有喘振趋势。

本发明可以依据电厂风机的选型不同来进行自适应地调整控制参数以及控制策略，同时可结合电厂的实际运行参数来调整静叶控制系统与转速控制系统的切换，通过无扰切换系统以及防喘振系统来确保电厂汽动引风机的安全稳定运行，在突发事故工况的时候，通过超速保护来保证汽动引风机的设备安全。

所述的控制信号中枢装置利用数据管理器进行数据储存和处理，并用遗传退火算法对切换判断值进行寻优求解。

所述的数据管理器通过计算机来实现，所述数据管理器包括数据库、数据处理器两部分。数据库部分具有数据存储、查询、分析以及知识发现等功能。

所述的遗传退火算法是遗传算法与模拟退火算法的结合。遗传算法把握总体搜索的方向较强，但是局部搜索能力较差。而模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，同时又能够避免搜索过程陷入局部最优解。将这两种方法结合可以加快切换判断值的寻优。

以电厂特定工况下的运行参数以及风机参数作为染色体，以效率作为适应度评价函数，辅以汽机胀差，振动偏移量等作为惩罚函数，在其解空间内进行求解，找出较优的控制切换值，这样，可以使火电厂对不同风机性能都具有适应性，当电厂引风机进行更换时只需修改风机参数，而无需修改算法。

所述的无扰切换单元是一种智能切换控制系统，通过从电厂采集的运行数据进行转速控制死区对比参照，若转速处于控制死区将通过自动闭锁静叶控制系统进行定速率降速，若转速未达到控制死区则将进行转速控制和静叶开度控制判断，两种控制方式分别用模糊PID整定模块和串级PID模块进行控制，同时加入机组运行参数和送风机的动叶开度进行前馈控制。

所述的模糊PID整定模块能够根据现场经验规则或专家规则对PID进行变参数整定，提高控制速度和效果。对比串级回路控制，能够在RB工况下也能很好得根据电厂运行参数的改变而快速响应。

所述的串级PID模块是指主、副两个控制器串联使用。主控制器的输出作为副控制器的设定，这样，可以有效解决静叶控制的控制速度慢，控制不稳定等问题。

所述的防喘振装置具有引风机喘振模糊判断功能，同时利用PID控制器经过防喘振阀伺服器来控制防喘振阀的开关，保证风机避开喘振区。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

（1）本发明结合电厂的运行参数，风机及机组参数，采用遗传退火算法来整定合适的控制切换参数，能够实现电厂引风机的自适应调整。

（2）对静叶控制系统进行改进，采用串级PID控制，并增加前馈控制信号，实现机组的快速负荷响应。

（3）对转速控制系统进行改进，采用模糊PID控制，实现变工况的变参数自动控制，同时增加前馈控制信号来提高其响应速度。

（4）在无扰切换单元中，加入死区控制，能够有效避免小机因引风机静叶开度减小而被动超速，提高小机的安全性。

（5）加入防喘振装置，使风机避开喘振区，同时加入超速保护装置，有效提高了设备的安全性。

附图说明

图1是本发明火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置的整体框架图；

图2是本发明火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置中控制信号中枢装置的框架图；

图3是本发明火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置中无扰切换单元的框架图；

图4是本发明火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置中防喘振装置的框架图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明的一种本发明火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置中包括控制信号中枢装置1、无扰切换单元2、防喘振装置3、超速保护装置4、静叶伺服器5、转速伺服器6、引风机7、小汽机8，所述控制信号中枢装置1把从电厂DAS系统接收来的运行数据经过处理后传给无扰切换单元2、防喘振装置3和超速保护装置4，无扰切换单元2将接收来的数据进行引风机静叶开度和小汽机转速的切换控制判断，并将处理后的控制命令传给静叶伺服器5和转速伺服器6，静叶伺服器5和转速伺服器6对接收来的控制指令进行动作，分别控制引风机的静叶开度和小汽机的转速，防喘振装置3对接收来的数据进行引风机喘振事故预判断，并对喘振事故进行预防控制，超速保护装置4对接收来的数据进行小汽机超速预判断，并对超速事故进行预防控制。

控制信号中枢装置利用数据管理器进行数据储存和处理，并用遗传退火算法对切换判断值进行寻优求解。

数据管理器通过计算机来实现，所述数据管理器包括数据库、数据处理器两部分。数据库部分具有数据存储、查询、分析以及知识发现等功能。

遗传退火算法对不同风机性能都具有适应性，当电厂引风机进行更换时无需修改算法。

无扰切换单元2是一种智能切换控制系统，通过从电厂采集的运行数据进行转速控制死区对比参照，若转速处于控制死区将通过自动闭锁静叶控制系统进行定速率降速，若转速未达到控制死区则将进行转速控制和静叶开度控制判断，两种控制方式分别用模糊PID整定模块和串级PID模块进行控制，同时加入机组运行参数和送风机的动叶开度进行前馈控制。

模糊PID整定模块能够根据现场经验规则或专家规则对PID进行变参数整定，提高控制速度和效果。

串级PID模块是指主、副两个控制器串联使用。主控制器的输出作为副控制器的设定，并增加机组运行参数和送风机静叶开度等前馈信号进行控制。

防喘振装置3所需数据由风机喉部差压探测器、风机入口温度探测器、风机出口压力探测器测得。

防喘振装置3具有引风机喘振模糊判断功能，同时利用PID控制器经过防喘振阀伺服器来控制防喘振阀的开关，保证风机避开喘振区。

本发明具体操作过程原理如下：

控制信号中枢装置1用Delphi软件编辑的可视化软件从电厂的数据采集系统简称DAS系统调用电厂的运行数据，将电厂运行负荷，锅炉负压，小汽机转速，小汽机胀差，引风机静叶开度，送风机动叶开度等数据经过处理后传给无扰切换单元2、防喘振装置3和超速保护装置4；无扰切换单元2作为一种智能切换控制系统，通过从电厂采集的运行数据进行转速控制死区对比参照，若转速处于控制死区将通过自动闭锁静叶控制系统进行定速率降速，若转速未达到控制死区则将进行转速控制和静叶开度控制判断，两种控制方式分别用模糊PID整定模块和串级PID模块进行控制，转速控制中的模糊PID整定模块能够根据现场经验规则或专家规则对PID进行变参数整定，提高控制速度和效果，而静叶控制中的串级PID模块则采用主、副两个控制器串联使用，提高控制稳定性；防喘振装置3通过从由风机喉部差压探测器、风机入口温度探测器、风机出口压力探测器测得的数据进行喘振模糊判断，同时利用PID控制器经过防喘振阀伺服器来控制防喘振阀的开关，保证风机避开喘振区；超速保护装置4对接收来的数据进行小汽机超速预判断，并对超速事故进行预防控制：当小汽机转速超过转速预警值时，报警器报警，调速汽门进行调节控制，如果转速继续升高，超过预警值时设定转速的110%～112%，超速遮断装置动作，迅速切断汽轮机进汽，使汽轮机停止运转。

下面结合图2、图3、图4分别对控制信号中枢装置、无扰切换单元和防喘振装置作进一步说明。

控制信号中枢装置1用Delphi软件编辑的可视化软件从电厂的DAS系统调用电厂的运行数据，如：电厂运行负荷，锅炉负压，小汽机转速，小汽机胀差，引风机静叶开度，送风机动叶开度等，数据管理器1-2对接收来的数据进行存储、分析和处理，所述的数据管理器包括数据库、数据处理器两部分。数据库部分具有数据存储、查询、分析以及知识发现等功能，存储的数据包括：电厂运行负荷，锅炉负压，小汽机转速，小汽机胀差，引风机静叶开度，送风机动叶开度，经大量实验、调试获得的超速报警值等等。所述数据库与数据处理器两部分之间进行数据传输交换，所述数据库为数据处理器提供特定工况下如：100%工况，75%工况，50%工况，25%工况的运行参数及风机参数。

处理后的数据传给遗传退火算法计算模块1-3，遗传退火算法计算模块1-3由Matlab软件编程得到，通过将接收来的数据进行寻优求解，具体步骤如下：

Step1：读取特殊工况下DAS系统的运行参数电厂运行负荷，锅炉负压，小汽机转速，静叶开度等参数；

Step2：设置遗传退火算法的目标个数、算法参数、变量范围；

Step3：初始化种群，设置初始化温度，设定温度步长；

Step4：计算当前种群各个体的目标函数值，产生初始解空间；

Step5：计算当前温度T，并让温度T逐渐减少，如果温度T>0，则转入下一步；

Step6：选择、交叉、变异得到中间子种群；

Step7：将得到的中间子种群和父代种群合成为一个统一的新种群；

Step8：计算增量Δt′=C(S′)-C(S)，其中C(S)为目标函数；

Step9：若Δt′<0则接受S′作为新的当前解，否则以概率exp(-Δt′/T)接受S′作为新的当前解；

Step10：判断是否达到预设的终止条件，如满足，则最后一次迭代的全局值中每一维的权值即为所求的；否则返回step4，算法继续迭代，直至满足条件。

最后通过寻优求解，得出无扰切换单元中静叶开度控制和转速控制的最佳切换判断值。最佳切换判断值包括开度切换值和速度切换值，得出的最佳切换判断值将进入无扰切换单元2，用做切换判断的重要依据。

无扰切换单元2中的转速控制死区参照对比模块2-2对小汽机的转速进行判断，若转速进入控制死区，则启动自动闭锁静叶控制系统2-3，通过定速率降速装置2-4对小汽机进行降速；若转速未进入控制死区，则通过转速控制判断模块2-5a和静叶开度控制判断模块2-5b进行切换控制判断，当2台引风机的静叶开度均大于开度切换值且2台小机转速均大于速度切换值时，切换至转速控制判断模块，当2台引风机中任意1台转速小于速度切换值时，切换至静叶开度控制模块。

其中小汽机转速通过模糊PID整定模块2-7a进行控制；模糊控制鲁棒性好，抗干扰能力强，对复杂对象或难以建立精确数学模型的对象具有很好地控制效果，模糊PID整定模块将模糊控制与PID控制器结合在一起，在较大偏差范围内利用模糊推理的方法给出控制量，达到快速稳定的调节；模糊控制器的输入为小机转速误差和误差变化率，输入信号的模糊化分为负大、负中、负小、几为零、正小、正中、正大；隶属度函数采用高斯型隶属函数，如下所示：

$f_1\left(X\right)=\frac{-1}{1+\exp \left({-W}_{s1}(X-W_{c1})\right)}+1$

$f_2\left(X\right)=\frac{1}{1+\exp \left({-W}_{s1}(X-W_{c1})\right)}+\frac{-1}{1+\exp \left({-W}_{s1}(X-W_{c2})\right)}$

$f_3\left(X\right)=\frac{1}{1+\exp \left({-W}_{s1}(X-W_{c2})\right)}$

$f_1\left(\mathrm{\&Delta;X}\right)=\frac{-1}{1+\exp \left({-W}_{s2}(\mathrm{\&Delta;X}-W_{c3})\right)}+1$

$f_2\left(\mathrm{\&Delta;X}\right)=\frac{1}{1+\exp \left({-W}_{s2}(\mathrm{\&Delta;X}-W_{c3})\right)}+\frac{-1}{1+\exp \left({-W}_{s2}(\mathrm{\&Delta;X}-W_{c4})\right)}$

$f_3\left(\mathrm{\&Delta;X}\right)=\frac{1}{1+\exp \left({-W}_{s2}(\mathrm{\&Delta;X}-W_{c4}\right)}$

通过设定的模糊规则不断调整PID参数，达到快速稳定的调节效果。

将整定后的参数传给转速控制器2-8a进行转速控制；引风机静叶开度通过串级PID模块2-7b进行控制。转速控制回路采用串级控制，主调节器控制炉膛压力，其输出指令作为小机转速副调节器的设定值，在主调节器中引入送风机动叶开度指令的函数作为引风机转速设定的前馈。

防喘振装置3利用风机喉部差压探测器3-1a、风机入口温度探测器3-1b、风机出口压力探测器3-1c测得的数据传给模数转换器3-2进行转换，再将数据传给数据处理器3-3，数据处理器的控制逻辑自动识别所需的引风条件即机组的运行工况，并据此自动选择某一特定工况下的特定防喘振曲线。汽动引风机的防喘振点的集合不是单一的曲线，而是复杂的域面，因而为了简化控制，应事先进行现场的反复实验，最终将其喘振点简化为数条特定曲线。

同时控制系统再根据入口的大气温度对该防喘振曲线进行实时温度补偿修正，每个温度范围给出相应的修正系数，通过这些系数来进行温度补偿修正修正系数通过实验获得。之后喘振模糊判断器3-4将接收来的数据进行喘振模糊判断，喘振转速可通过喘振曲线查得，如果引风机转速到达该工况下的喘振转速的95%，则可判断得出有喘振趋势，将通过PID控制器3-5对防喘振阀伺服器3-6进行控制，通过打开防喘振阀3-7保证风机避开喘振区。

Claims (5)

1.一种火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置，其特征在于：所述的无扰切换装置包括控制信号中枢装置(1)、无扰切换单元(2)、静叶伺服器(5)、转速伺服器(6)、引风机(7)和小汽机(8)，所述控制信号中枢装置(1)调用电厂数据采集系统中的运行数据，并且把调用来的运行数据传送给所述的无扰切换单元(2)，所述的无扰切换单元(2)将接收来的数据进行引风机静叶开度和小汽机转速的切换控制判断，并将判断后的控制指令传给所述的静叶伺服器(5)和转速伺服器(6)，所述静叶伺服器(5)和转速伺服器(6)根据接收的控制指令进行动作，分别用于控制引风机(7)和小汽机(8)，其中，静叶伺服器(5)用于控制引风机(7)的静叶开度，转速伺服器(6)用于控制小汽机(8)的转速，以实现火电厂汽动引风机的自适应无扰切换；所述的无扰切换装置还包括超速保护装置(4)，所述控制信号中枢装置(1)把从电厂数据采集系统中调用的运行数据还传送给所述的超速保护装置(4)，所述的超速保护装置(4)对接收来的数据进行小汽机超速预判断，并对超速事故进行预防控制，当小汽机转速超过转速预警值时报警，如果转速继续升高，达到转速预警值的110％～112％时，切断汽轮机进汽，使汽轮机停止运转。

2.根据权利要求1所述的火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置，其特征在于：所述电厂数据采集系统中的运行数据包括电厂运行负荷、锅炉负压、小汽机转速、小汽机胀差、引风机静叶开度、送风机动叶开度的数据。

3.根据权利要求2所述的火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置，其特征在于：所述的无扰切换单元(2)对接收来的数据进行转速控制死区对比参照，若小汽机转速处于控制死区，则进行定速率降速，若小汽机转速未达到控制死区，则进行小汽机转速控制和引风机静叶开度控制判断。

4.根据权利要求1所述的火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置，其特征在于：所述的无扰切换装置还包括防喘振装置(3)，所述控制信号中枢装置(1)把从电厂数据采集系统中调用的运行数据还传送给所述的防喘振装置(3)，所述的防喘振装置(3)具有引风机喘振模糊判断功能，对接收来的数据进行引风机喘振事故预判断，并对喘振事故进行预防控制，保证风机避开喘振区。

5.根据权利要求4所述的火电厂汽动引风机自适应无扰切换装置，其特征在于：所述的防喘振装置(3)根据接收来的数据对引风机进行喘振模糊判断，如果引风机转速到达相同工况下的防喘振装置(3)内存储的喘振曲线所对应的喘振转速的95％，则可判断得出引风机具有喘振趋势。