CN110207096A - 热力锅炉汽包水位智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热力锅炉汽包水位智能控制方法，主要包括以下步骤：设定水位PV的变化范围和正常运行的水位标准值SP，计算偏差e以及偏差变化率△e；设定汽包内水位线限值，包括水位上限PVh、水位高限PVhh、水位下限PVl、水位低限PVll；实时采集汽包内水位信号，并对水位信号进行预处理；分析水位变化状态，通过扰动观测器结合模糊推理，选择相应的控制策略，并通过输出模块驱动电动阀门动作调整汽包给水量。本发明能够实时响应影响锅炉汽包水位变化的因素变化，从而及时给出控制指令，消除锅炉汽包水位的偏差，为锅炉安全运行提供可靠保证。

Description

热力锅炉汽包水位智能控制方法

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别是一种用于智能控制热力锅炉汽包水位的方法。

背景技术

我国热力锅炉(供热或发电)的汽包给水系统大部分以人工远程手动操作，劳动强度大、汽包水位波动频繁，影响着汽水分离后蒸汽的品质，严重时(蒸汽含水大)将损坏汽轮发电机喷嘴和叶轮片等设备，更为严重的是断水十几秒至二十几秒后会将锅炉烧干或发生爆炸。影响水位稳定的因素有：蒸汽负荷变化(汽轮机发电、对外供热蒸汽等改变)、燃烧工况变化(煤质、煤量、一次风、二次风等的改变)、汽包排污(每天排污一次)、给水系统供水压力变化等等。对于锅炉汽包水位稳定自动给水控制条件是，当蒸汽流量等于给水流量(产出蒸汽与汽包供水相等)时，汽包水位相对稳定(物料平衡)。

目前，部分企业实施了锅炉汽包水位的给水自动控制，采用的控制技术大多基于三冲量PID、多变量前馈—反馈、PID串级等控制技术(毕业论文及专业期刊)等，实际实施过程中仅在锅炉蒸汽生产过程中，系统相对稳定(内、外扰动小)的情况下实现自动控制。

通过对锅炉运行原理及蒸汽生产过程中的各种干扰因素影响，并进行实际动态测试及数据回归分析，现有的三冲量PID控制、多变量前馈—反馈控制以及PID串级控制技术，都存在一定的缺陷，例如：1)无论上述哪种方法都离不开PID调节规律，在投运的过程中需整定、修改参数；2)比例作用强，给水系统波动大，易产生振荡；积分作用强，易出现饱和现象；若减弱，则不能及时响应较大的干扰；3)由于干扰源的千变万化，相对固定的比例、积分、微分是很难克服的，必须由人工干预才能消除；总体来说，现有的控制技术在控制和抗干扰方面，无法及时消除锅炉汽包水位的偏差，给锅炉运行带来较大的安全隐患。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种热力锅炉汽包水位控制方法，能够实时响应影响锅炉汽包水位变化的因素变化，从而及时给出控制指令，消除锅炉汽包水位的偏差，为锅炉安全运行提供可靠保证。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

热力锅炉汽包水位智能控制方法，主要包括以下步骤：

A.设定水位PV的变化范围和正常运行的水位标准值SP，计算偏差e以及偏差变化率△e；设定汽包内水位线限值，包括水位上限PVh、水位高限PVhh、水位下限PVl、水位低限PVll；

B.实时采集汽包内水位信号，并对水位信号进行预处理；

C.分析水位变化状态，通过扰动观测器结合模糊推理，选择相应的控制策略，并通过输出模块驱动电动阀门动作调整汽包给水量。

上述热力锅炉汽包水位智能控制方法，步骤C具体包括以下内容：

C1.设定水位变化状态；

C2.设定控制策略；

C3.判断当前控制周期T内汽包水位的变化处于步骤C1中的哪种状态，对应选择C2的控制策略输出。

上述热力锅炉汽包水位智能控制方法，步骤C1具体包括以下内容：

X1＝水位高于SP并上升；

X2＝水位高于SP并下降；

X3＝水位低于SP并上升；

X4＝水位低于SP并下降；

X5＝水位高于PVh并上升；

X6＝水位高于PVh并下降；

X7＝水位低于PVl并上升；

X8＝水位低于PVl并下降；

X9＝水位高于PVhh并上升；

X10＝水位高于PVhh并下降；

X11＝水位低于PVll并上升；

X12＝水位低于PVll并下降。

上述热力锅炉汽包水位智能控制方法，步骤C2中所述控制策略包括上升或下降的补偿修正指令以及根据蒸汽负荷的大小计算出的相应补偿修正值；具体包括以下形式：

策略u1，

策略u2，

策略u3，

策略u4，(u₄)＝-K₂·f(e_n)；

策略u5，(u₅)＝Ts_[-K₂·f(e_n)]；

策略u6，(u₆)＝Ts_[K₂·f(e_n)]；

策略u7，(u₇)＝K₂·f(e_n)；

其中，K、K₁、K₂为比例因子；T为控制周期；Ti为累加因子；T_D为超前因子，f(e_n)为其他“策略ui(i＝1、2……7)”的运算模型；Ts为运算周期的定时器。

上述热力锅炉汽包水位智能控制方法，步骤C3具体包括以下内容：

当控制周期T内水位的变化状态为X1、X2、X3或者X4，并且实时水位信号PV低于水位上限PVh时，运行策略u1；

当控制周期T内水位的变化状态为X1、X2、X3或者X4，并且实时水位信号PV高于水位下限PVl时，运行策略u1；

当控制周期T内水位的变化状态为X5，并且实时水位信号PV低于水位高限PVhh时，运行策略u2；

当控制周期T内水位的变化状态为X6，并且实时水位信号PV低于水位高限PVhh时，运行策略u1；

当控制周期T内水位的变化状态为X7，并且实时水位信号PV高于水位低限PVll时，运行策略u1；

当控制周期T内水位的变化状态为X8，并且实时水位信号PV高于水位低限PVll时，运行策略u3；

当控制周期T内水位的变化状态为X9，运行策略u4，等百分比递减；

当控制周期T内水位的变化状态为X10，运行策略u5，定时等百分比递减；

当控制周期T内水位的变化状态为X11，运行策略u6，定时等百分比递增；

当控制周期T内水位的变化状态为X12，运行策略u7，等百分比递增。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明结合PID调节规律、自适应技术、现代控制理念以及人工智能的模糊控制技术，通过对水位变化的实时监控，能够及时解决由于外界因素的干扰导致水位变化时，对补水系统进行控制，达到快速进行补偿修正的目的，从而使得锅炉汽包水位基本长周期稳定在正常工作区内与水位异常区的临界面之间，消除锅炉汽包水位的偏差，为锅炉安全运行提供可靠保证。

附图说明

图1为本发明的控制原理框图；

图2为本发明设置的汽包水位线示意图；

图3为本发明具体实施方式中一天内汽包水位控制的效果图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

锅炉运行过程中，汽包水位受外界干扰的影响起伏较大，为能够快速地相应外界干扰，并及时修正汽包内水位，进一步保证锅炉的正常运行，本发明提出一种基于模糊控制的热力锅炉汽包水位智能控制方法。该方法主要包括以下步骤：

A.设定水位PV的变化范围和正常运行的水位标准值SP，计算偏差e以及偏差变化率△e；设定汽包内水位线限值，包括水位上限PVh、水位高限PVhh、水位下限PVl、水位低限PVll，如图2所示。

当汽包水位位于水位上限PVh与水位下限PVl之间时，为正常水位波动区域，当汽包水位位于水位上限PVh与水位高限PVhh之间或者水位下限PVl和水位低限PVll之间时，为异常水位区域；当汽包水位高于水位高限PVhh或者低于水位低限PVll，为危险水位区域。

B.采用水位变送单元实时采集汽包内水位信号，并对水位信号进行预处理。

由于锅炉汽包水位控制在供热和发电工业中非常重要，其水位测量要求比较高，一般采用2～4台水位测量变送单元，用于检测实时水位信号PV。本实施例中共设置四台水位测量变送单元，用于测量汽包内水位的变化。

C.分析水位变化状态，通过扰动观测器结合模糊推理，选择相应的控制策略，并通过输出模块驱动电动阀门动作调整汽包给水量，动态响应后返回至扰动观测器。具体包括以下内容。

C1.设定水位变化状态。

在水位观测过程中，根据偏差变化率△e判断水位的变化状态，偏差变化率△e为正，说明水位处于上升状态，偏差变化率△e为负，说明水位处于下降状态。

C2.设定控制策略。控制策略包括上升或下降的补偿修正指令以及根据蒸汽负荷的大小计算出的相应补偿修正值；具体包括以下形式。

策略u1，

策略u2，

策略u3，

策略u4，(u₄)＝-K₂·f(e_n)；

策略u5，(u₅)＝Ts_[-K₂·f(e_n)]；

策略u6，(u₆)＝Ts_[K₂·f(e_n)]；

策略u7，(u₇)＝K₂·f(e_n)；

其中，K、K₁、K₂为比例因子；T为控制周期；Ti为累加因子；T_D为超前因子，f(e_n)为其他“策略ui(i＝1、2……7)”的运算模型；Ts为运算周期的定时器。

C3.判断当前控制周期T内汽包水位的变化处于步骤C1中的哪种状态，对应选择C2的控制策略输出。

以下四种水位变化状态下，运行策略u1：当控制周期T内水位的变化状态为X1、X2、X3或者X4，并且实时水位信号PV低于水位上限PVh时；当控制周期T内水位的变化状态为X1、X2、X3或者X4，并且实时水位信号PV高于水位下限PVl时；当控制周期T内水位的变化状态为X6，并且实时水位信号PV低于水位高限PVhh时；当控制周期T内水位的变化状态为X7，并且实时水位信号PV高于水位低限PVll时。也即，按比例因子对偏差进行计算，根据偏差的大小在单位时间内进行累计，从而给出调节阀的开度大小的指令。

当控制周期T内水位的变化状态为X5，并且实时水位信号PV低于水位高限PVhh时，运行策略u2。也即，按对数特性对偏差进行计算，根据偏差的大小在单位时间内进行累计，从而给出减少给水量的指令。

当控制周期T内水位的变化状态为X8，并且实时水位信号PV高于水位低限PVll时，运行策略u3。也即，按对数特性对偏差进行计算，根据偏差的大小在单位时间内进行累计，从而给出增加给水量的指令。

当控制周期T内水位的变化状态为X9，运行策略u4，采用等百分比递减的方式调节水位变化。

当控制周期T内水位的变化状态为X10，运行策略u5，采用定时等百分比递减的方式调节水位变化。

当控制周期T内水位的变化状态为X11，运行策略u6，采用定时等百分比递增的方式调节水位变化。

当控制周期T内水位的变化状态为X12，运行策略u7，采用等百分比递增的方式调节水位变化。

也即，当汽包水位在PVl至PVh范围内，实施策略u1运算控制，满足锅炉系统相对稳定的工作过程；当汽包水位上升或下降至[(PVll，PVl)，(PVh，PVhh)]区域后，由策略u2、策略u3对给水量进行修正；当汽包水位上升或下降至[(PVmin,PVll)，(PVhh，PVmax)]区域后，由策略u4、策略u5、策略u6、策略u7对给水量进行二次修正，然后再进行模糊恢复修正水位的危险变化。

本发明的控制原理如图1所示，具体为：建立扰动观测器，扰动观测器与内置控制策略u1、策略u2、…策略u7的控制模块并行，通过检测的实时水位信号PV以及设定的水位标准值SP、水位限值PVhh、PVh、PVl、PVll的模糊化论域进行分析处理，发出水位上升或水位下降的补偿修正指令，而后再控制根据蒸汽负荷的大小计算出相应的补偿修正值，送往输出模块驱动电动门调整汽包给水量，动态响应后返回到扰动观测器。

本实施例在一天内控制汽包水位的效果如图3所示，其中纵轴为0～100％，汽包水位测量0～500mm，纵轴的每百分之十相当于50mm，横轴为时间。从图中控制曲线分析可以看出，锅炉汽包水位一天当中始终控制在±10mm以内，波动范围相对于行业标准减少了五倍，大大提高了汽包水位的稳定性。

本发明应用于供热、发电用锅炉的汽包水位给水系统的自动控制，可以利用客户原有(符合使用要求)的控制设备(DCS等控制系统)，也可重新添置控制设备，在其控制软件平台(具有一定的计算方法)上，按照本发明进行组态；工厂动态响应测试，控制组态软件下装调试(开环模拟)到预想效果；设置工艺参数和控制参数，闭环投入并进行参数整定后，符合工艺、控制要求后投入正常运行。

Claims (5)

1.热力锅炉汽包水位智能控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

A.设定水位PV的变化范围和正常运行的水位标准值SP，计算偏差e以及偏差变化率△e；设定汽包内水位线限值，包括水位上限PVh、水位高限PVhh、水位下限PVl、水位低限PVll；

B.实时采集汽包内水位信号，并对水位信号进行预处理；

C.分析水位变化状态，通过扰动观测器结合模糊推理，选择相应的控制策略，并通过输出模块驱动电动阀门动作调整汽包给水量。

2.根据权利要求1所述的热力锅炉汽包水位智能控制方法，其特征在于，步骤C具体包括以下内容：

C1.设定水位变化状态；

C2.设定控制策略；

C3.判断当前控制周期T内汽包水位的变化处于步骤C1中的哪种状态，对应选择C2的控制策略输出。

3.根据权利要求2所述的热力锅炉汽包水位智能控制方法，其特征在于，步骤C1具体包括以下内容：

X1＝水位高于SP并上升；

X2＝水位高于SP并下降；

X3＝水位低于SP并上升；

X4＝水位低于SP并下降；

X5＝水位高于PVh并上升；

X6＝水位高于PVh并下降；

X7＝水位低于PVl并上升；

X8＝水位低于PVl并下降；

X9＝水位高于PVhh并上升；

X10＝水位高于PVhh并下降；

X11＝水位低于PVll并上升；

X12＝水位低于PVll并下降。

4.根据权利要求3所述的热力锅炉汽包水位智能控制方法，其特征在于，步骤C2中所述控制策略包括上升或下降的补偿修正指令以及根据蒸汽负荷的大小计算出的相应补偿修正值；具体包括以下形式：

策略u1，

策略u2，

策略u3，

策略u4，(u₄)＝-K₂·f(e_n)；

策略u5，(u₅)＝Ts_[-K₂·f(e_n)]；

策略u6，(u₆)＝Ts_[K₂·f(e_n)]；

策略u7，(u₇)＝K₂·f(e_n)；

其中，K、K₁、K₂为比例因子；T为控制周期；Ti为累加因子；T_D为超前因子，f(e_n)为其他“策略ui(i＝1、2……7)”的运算模型；Ts为运算周期的定时器。

5.根据权利要求4所述的热力锅炉汽包水位智能控制方法，其特征在于，步骤C3具体包括以下内容：

当控制周期T内水位的变化状态为X1、X2、X3或者X4，并且实时水位信号PV低于水位上限PVh时，运行策略u1；

当控制周期T内水位的变化状态为X1、X2、X3或者X4，并且实时水位信号PV高于水位下限PVl时，运行策略u1；

当控制周期T内水位的变化状态为X5，并且实时水位信号PV低于水位高限PVhh时，运行策略u2；

当控制周期T内水位的变化状态为X6，并且实时水位信号PV低于水位高限PVhh时，运行策略u1；

当控制周期T内水位的变化状态为X7，并且实时水位信号PV高于水位低限PVll时，运行策略u1；

当控制周期T内水位的变化状态为X8，并且实时水位信号PV高于水位低限PVll时，运行策略u3；

当控制周期T内水位的变化状态为X9，运行策略u4，等百分比递减；

当控制周期T内水位的变化状态为X10，运行策略u5，定时等百分比递减；

当控制周期T内水位的变化状态为X11，运行策略u6，定时等百分比递增；

当控制周期T内水位的变化状态为X12，运行策略u7，等百分比递增。