CN116379413A - 基于双回路模糊pid的超临界直流锅炉主汽温控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法。传统双回路串级PID控制方法因各个锅炉型号、燃烧器布置、设计煤种和实际煤种的差异等因素，造成主蒸汽温度调整不及时、波动范围大，降低锅炉燃烧热效率和发电煤耗的同时，存在管壁超温的风险。本发明是对一级回热系统的超临界直流锅炉，在末级过热器入口设置减温水控制屏式过热器出口的主蒸汽温度，减温水均使用电动调节装置，引入双回路串级PID控制器，建立的模糊系统，经模糊推理和解模糊形成精确主、副回路模糊PID控制，使得主汽温度满足571±10℃。本发明用于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法。

Description

基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法

技术领域：

本发明涉及火力发电厂过程控制技术领域，具体涉及一种基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法。

背景技术：

超临界直流锅炉是指主蒸汽压力大于22.1Mpa的直流锅炉，由于超临界锅炉机组主蒸汽参数高、热效率高、煤耗低等诸多优势，超临界直流机组已成为火力燃煤发电厂的主流趋势；

超临界直流锅炉没有固定的液态-汽态转换点，蓄热能力小，相变位置不固定，动态特性复杂，工质流与能量流呈较强的非线性特耦合。超临界直流锅炉主蒸汽温度在上述因素影响下，温度控制困难，需采用多级(一般为两级)减温水同锅炉中间点温度共同配合才能满足设计规范要求；

超临界直流锅炉的汽水流动受热过程复杂，燃烧器布置、燃烧煤种的变化、锅炉热负荷的高低都会影响主蒸汽温度的调节；

现有技术的双回路串级PID控制方法会因各个锅炉型号、燃烧器布置、设计煤种和实际煤种的差异等诸多因素，造成主蒸汽温度调整不及时、波动范围大，降低锅炉燃烧热效率和发电煤耗的同时，也存在管壁超温的风险。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，火力发电厂锅炉汽水蒸发阶段末级受热管壁为末级过热器，经末级过热器出口的蒸汽因直接驱动汽轮发电机做功称主蒸汽，本发明通过调整末级过热器入口温度，进而控制末级过热器出口温度-即锅炉主蒸汽温度，使其保持在额定要求范围内。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，对一级回热系统的超临界直流锅炉，在末级过热器入口设置减温水控制屏式过热器出口的主蒸汽温度，减温水均使用电动调节装置，引入双回路串级PID控制器，建立的模糊系统，经模糊推理和解模糊形成精确主、副回路模糊PID控制，使得主汽温度满足571±10℃。

所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，主蒸汽温度与末级过热器后温度均取三选中逻辑，控制器采样温度取温度变化速率限制器，自动切除异常波动坏点。

所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，主汽温度取左、右侧主汽温平均值为主回路主汽温测量值，末级过热器后温度取左、右侧末级过热器后温度为副回路汽温测量值，主汽温及末级过热器后左、右侧温差过大切除自动调节装置。

所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，双回路模糊PID控制采用双回路串级控制方式，主回路使用模糊PID控制器，副回路使用模糊PI控制器。

所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，主、副闭环回路采用基于专家经验的模糊控制，依据值班员操作数据，选择5段式模糊论域，即E＝{NB，NS，ZE，PS，PB}，分别表示“负大”、“负小”、“零”、“正小”、“正大”。

所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，双回路主汽温度控制系统主、副闭环回路引入增量和对温度误差信号及其变化率进行归一化处理，设计量化因子，使误差及误差变化量的基本值域范围同模糊变量论域相吻合。

所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，主、副闭环回路的模糊系统均采用对称三角隶属度函数，依据操作站专家经验建立主、副回路控制器模糊规则表。

所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，将模糊化后的信号进行模糊逻辑推理，得到的模糊量解进行解模糊，进而获取精确控制输入和。

有益效果：

1.本发明是一种基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，该方法通过设计主蒸汽温度调节系统的测点选取算法，确保温度选定的准确性及有效性；构建PI副回路控制器控制先导入口温度开展粗调，构建PID主回路控制器控制主蒸汽温度进行细调，构造串级连接主、副回路控制器，提升主汽温度调节精度；依据电站值班员经验设定模糊规则库，进而对PID参数开展模糊逻辑计算，形成基于专家经验模糊PID串级回路；以一阶惯性系统模拟末级过热器滞后特性，验证双回路模糊控制方法的较传统串级控制的精度和效率有大幅提升。

2.本发明采用末级过热器入口温度调节出口温度额定，主蒸汽温度调节滞后性较大，选取末级过热器入口温度为先导温度，设置副调节器调整先导温度为545±20℃，取主蒸汽温度为控制目标，设置主调节器进行控制。

3.本发明方法中主蒸汽温度的主、副调节器串行连接，采用副调节器粗调后进一步提升主调节器的控制精度，满足锅炉主蒸汽目标设定值571±5℃。

4.本发明采用的具体方案为：构造一种基于模糊PID的双回路串级主蒸汽温度控制方法，通过双侧四取二逻辑、温升速率限制器以及测点质量检测装置确定主蒸汽及末级过热器入口准确温度，设计PI副回路控制器控制先导入口温度，设计PID主回路控制器控制主蒸汽温度，依据电站值班员经验设定模糊规则库，进而对PID参数开展逻辑计算，形成基于专家经验的模糊PID串级回路，以一阶惯性系统模拟末级过热器滞后特性，验证双回路模糊控制方法的较传统串级控制的精度有所提升。

5.本发明的主要流程如附图1所示，包括：主蒸汽温度采样选取；构建减温水串级双回路闭环控制系统；设立基于专家经验的模糊规则库；构造基于模糊逻辑的主、副回路PID控制器；调整末级过热器入口及出口温度至额定。

附图说明：

附图1为本发明的程序流程图；

附图2为主蒸汽温度逻辑选取算法；

附图3为双回路串级回路控制流程图；

附图4为双回路模糊PID控制流程图；

附图5为基于双回路模糊PID主汽温控制方法仿真图。

具体实施方式：

实施例1：

一种基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，本发明温度测量值选取过程；

步骤2，构建减温水串级双回路闭环控制系统；

步骤3，设立基于专家经验的模糊规则库；

步骤4，构造基于模糊逻辑的主、副回路PID控制器；

步骤5，调整末级过热器入口及出口温度至额定；

所述步骤1包括以下步骤：

(1)主蒸汽温度t₁的产生过程：就地温度变送器产生对应4-20mA电流量传递至数据采集器中，对应生成连续模拟0-1000℃在Ovation系统中做逻辑运算，在末级过热器左右侧出口温度采用3XMTR模块算法，得到末级过热器左、右侧各一个温度点；

(2)主蒸汽温度t₁的修正过程：经Ovation系统中采集的左右侧各三个测点经过3XMTR模块进行判断，所有测点正常时取三个测点的中值，当有一个温度测点故障时另外两个取平均值，当三个测点偏差大于正负10℃，3XMTR模块自动切至手动，并在系统中进行报警，自动保持上一时刻的值不变，当左、右侧三个测点偏差全部超过10℃直接判断测点坏质量产生；左右侧温度测点选择完成后经2XMTR模块最终求取平均值进行计算，2XMTR模块正常时不进行测点质量判断，但存在偏差报警，如2XMTR模块两个测点偏差大于10℃，系统中进行报警，提醒人员炉内存在偏烧或者阀门故障。若坏点产生，切除温度闭环回路自动调节并将当前温度修正为前一时刻值，实现下一周期自动控制回路运行的无扰切换；

(3)根据直流锅炉运行状态，选取锅炉末级过热器控制温度571±10℃，优选地设定主蒸汽温度570℃；

(4)先导温度t₂的产生和修正过程：采用同主蒸汽温度相同的产生和修正方法，选取末级过热器入口为先导温度，设置副调节器调整先导温度为545±20℃，优选地设定先导温度t₂为545℃。

所述步骤2包含以下步骤：

(1)根据主回路蒸汽温度t₁需要精确控制的特性，取温度偏差为：e₁＝t₁-t_r1，设计主回路为PID控制器，控制目标为末级过热器出口温度：

其中K_1P，K_1I，K_1D分别为主回路控制器PID参数，在之后步骤中使用模糊规则进行调整。

(2)副回路控制目标为末级过热器出口温度t₂，取温度偏差为：e₂＝t₂-t_r2，该处先导温度受二级减温水执行器作用，需具备较高控制灵敏性，设计为副回路PI控制器；

其中K_2P，K_2I，K_1D分别为副回路控制器PI参数，在之后步骤中使用模糊规则进行调整。

(3)副回路控制作用下产生的混合减温水后的蒸汽作为主回路的输入，通过副回路的粗调，降低主回路的输出信号，提升主回路的灵敏性。

所述步骤3包含以下步骤：

(1)设计主蒸汽温度模糊论域和模糊隶属度函数，将主蒸汽温度分为5段式模糊论域E₁＝{NB，NS，ZE，PS，PB}，代表含义为“负大”“负小”“零”“正小”“正大”，设计对应温度分别为“545-555℃”“555-565℃”“565-575℃”“575-585℃”“585-595℃”。

(2)按照值班员专家经验，取S2中所述主蒸汽设定温度与采样温度误差及e₁＝t₁-t_r1其变化率

形成主回路模糊PID控制器模糊规则库：

(3)上述模糊规则表的逻辑为，如果主蒸汽实际温度比设定温度低为NB，且温度变化趋势仍在下降为NB，则主回路模糊PID控制器中的比例积分参数为负大为NB；若实际温度比设定温度高为PB，且温度变化趋势仍在上升为PB，则主回路模糊PID控制器中的比例积分参数为正大PB，其中表格中NZ和PZ分别代表“正零”“负零”。

(4)设计末级过热器入口温度模糊论域和模糊隶属度函数，将其分为5段式模糊论域E₂＝{NB，NS，ZE，PS，PB}，代表含义为“负大”“负小”“零”“正小”“正大”，设计对应温度分别为“510-520℃”“520-530℃”“530-540℃”“540-550℃”“550-560℃”；

取S2中所述主蒸汽设定温度与采样温度误差及e₂＝t₂-t_r2，其变化率

按照值班员专家经验，形成副回路模糊PI控制器模糊规则库：

(5)上述模糊规则表的逻辑为，如果末级过热器入口实际温度比设定温度低为NB，且温度变化趋势仍在下降为NB，则主回路模糊PID控制器中的比例参数为负大NB；若实际温度比设定温度高PB，且温度变化趋势仍在上升PB，则主回路模糊PID控制器中的比例参数为正大PB，其中表格中NZ和PZ分别代表“正零”“负零”。

所述步骤4包含以下步骤：

(1)副回路控制器为粗调且在低温范围内运行，控制调节速率快且不要求精确，模糊参数调节较主回路控制器更大；

(2)主、副回路模糊隶属度函数选择三角隶属度函数；

(3)如附图4所示，在串级双回路PID控制器基础上，修正构造基于模糊逻辑的主回路PID控制器：

其中γ_1P、γ_1I、γ_1D为常数校正速度量，模糊PID控制器参数由当前PID控制器参数同模糊推理出的参数增量加权形成；

如附图4所示，在串级双回路PID控制器基础上，修正构造基于模糊逻辑的主回路PI控制器：

其中γ_1P、γ_1I、γ_1D为常数校正速度量，模糊PID控制器参数由当前PID控制器参数同模糊推理出的参数增量加权形成：

所述步骤5包含以下步骤：

(1)采用一阶惯性环节

模拟具有长时滞、大惯性的末级过热器系统，末级过热器初始入口温度设定为510℃。

(2)采用MATLAB仿真软件进行仿真，所得结果如图5所示。

(3)采用模糊双回路PID控制器较传统串级PID控制器，控制精度较高，控制效率有大幅提升，证明该发明方法的先进性。

Claims (8)

1.一种基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，其特征是：对一级回热系统的超临界直流锅炉，在末级过热器入口设置减温水控制屏式过热器出口的主蒸汽温度，减温水均使用电动调节装置，引入双回路串级PID控制器，建立的模糊系统，经模糊推理和解模糊形成精确主、副回路模糊PID控制，使得主汽温度满足571±10℃。

2.根据权利要求1所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，其特征是：主蒸汽温度与末级过热器后温度均取三选中逻辑，控制器采样温度取温度变化速率限制器，自动切除异常波动坏点。

3.根据权利要求2所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，其特征是：主汽温度取左、右侧主汽温平均值为主回路主汽温测量值，末级过热器后温度取左、右侧末级过热器后温度为副回路汽温测量值，主汽温及末级过热器后左、右侧温差过大切除自动调节装置。

4.根据权利要求3所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，其特征是：双回路模糊PID控制采用双回路串级控制方式，主回路使用模糊PID控制器，副回路使用模糊PI控制器。

5.根据权利要求4所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，其特征是：主、副闭环回路采用基于专家经验的模糊控制，依据值班员操作数据，选择5段式模糊论域，即E＝{NB，NS，ZE，PS，PB}，分别表示“负大”、“负小”、“零”、“正小”、“正大”。

6.根据权利要求5所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，其特征是：双回路主汽温度控制系统主、副闭环回路引入增量和对温度误差信号及其变化率进行归一化处理，设计量化因子，使误差及误差变化量的基本值域范围同模糊变量论域相吻合。

7.根据权利要求6所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，其特征是：主、副闭环回路的模糊系统均采用对称三角隶属度函数，依据操作站专家经验建立主、副回路控制器模糊规则表。

8.根据权利要求7所述的基于双回路模糊PID的超临界直流锅炉主汽温控制方法，其特征是：将模糊化后的信号进行模糊逻辑推理，得到的模糊量解进行解模糊，进而获取精确控制输入和。

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