1、基于 Fuzzy-PID 控制的火电厂再热器温度控制系统设计摘 要目前，火电厂再热汽温控制中，再热蒸汽出口温度控制要求高、可控性差，工艺上对再热汽温控制的质量有非常严格的要求。再热汽温的相对稳定在火电厂安全性和经济性运行中有着重要的作用。由于再热器具有大惯性、非线性、时变、多变量和有自平衡能力等特点，如何提高再热汽温的控制效果，是热工过程控制领域的重要研究课题。本文对被控对象再热器进行了特性分析，较为详细的描述了 PID 控制和模糊控制的系统结构及原理。论文针对再热器具有的诸多特点及火电厂对再热汽温控制的要求，提出了对火电厂再热汽温采用 Fuzzy-PID 的控制策略。其主要目的是使 PID控
2、制和模糊控制的优势结合、互补，探索进一步提高再热汽温控制质量的有效途径。仿真结果表明，再热汽温 Fuzzy-PID 控制系统不依赖被控对象的数学模型，控制效果好于再热汽温常规 PID 控制系统，这有利于火电厂实现安全、经济、可靠、优化和环保的要求，具有广阔的应用前景。关键词：再热温度控制；PID 控制；模糊控制；Fuzzy-PID 控制AbstractAt present, the control of steam-gas exit temperature has high requirements and bad controllability in the process of rehea
3、ted steam temperature control in power plant. There are very strict requirements to the quality of reheated steam temperature control. The relatively stable of reheated steam temperature plays an important role in security and economy running of power plant. Due to the characteristics of re-heater s
4、uch as large inertia, nonlinear, time-varying, multivariable and self-balance, that makes how to improve the control quality of reheated steam temperature has become the significant research topic in thermal process control field.In this paper, it analyses the characteristic of reheater which is the
5、 controlled object, describes the configuration and the theory in common use of PID control and fuzzy control system comparatively detailed. Paper puts forward Fuzzy-PID control according to the characteristics of reheater like large inertia, nonlinear, time-varying, multivariable and the control re
6、quirements of reheated steam temperature in power plant. Its main objective is to make combination and complementary of advantages of PID control and fuzzy control in order to explore the effective approach to improve the control quality of reheated steam temperature.The result of simulation indicat
7、es that the Fuzzy-PID reheat steam temperature control system does not rely on mathematical models of controlled objects, and that the quality of Fuzzy-PID control system is better than conventional PID system. This control strategy is beneficial to realize safe, economic, credibly, optimized and en
8、vironmental protection requirements of power plant and it will be have wide application foreground.Keywords: reheated steam temperature control; PID control; Fuzzy control; Fuzzy -PID control目录第一章 绪论 .11.1 课题研究的背景与现状 .11.2 课题的目的与意义 .21.3 课题研究内容 .3第二章 再热汽温系统概述 .42.1 再热蒸汽循环及其焓熵分析 .42.1.1 再热蒸汽循环 .42.1.
9、2 再热蒸汽的焓熵分析 .52.2 再热器特点 .52.3 再热蒸汽的温度调节 .62.4 再热器结构参数对其动态特性的影响 .62.4.1 烟气再循环控制再热器温度系统对再热器动态参数的影响 .72.4.2 摆动燃烧器法再热器温度控制系统对动态参数的影响 .72.5 再热汽温数学模型的建立 .72.5.1 锅炉运行规程参数 .72.5.2 计算过程： .8第三章 模糊控制与 PID 控制 .103.1 模糊控制理论 .103.1.1 模糊控制简介 .103.1.2 模糊控制的基本原理 .103.2 模糊控制器的设计 .113.2.1 模糊化运算 .113.2.3 模糊推理 .133.2.4
10、清晰化计算 .143.3 PID 控制理论 .153.3.1 PID 控制概述 .153.3.2 PID 的控制规律 .163.3 PID 参数整定 .173.3.1 采样周期的选择 .173.3.2 PID 参数的工程整定法 .17第四章 再热汽温控制系统仿真研究 .194.1 基于再热汽温控制的模糊控制器的设计 .194.1.1 模糊控制工具箱（FUZZY LOGIC)简介 .194.1.2 基于再热汽温控制的模糊控制器的设计 .204.2 基于 Fuzzy 控制再热汽温控制的仿真 .244.3 基于 Fuzzy-PID 控制的再热汽温控制的仿真 .254.4 基于 PID 控制的再热汽温
11、控制的仿真 .26总 结 .28参考文献 .29谢辞 .301第一章 绪论1.1 课题研究的背景与现状从 20 世纪 80 年代初开始，我国电力工业得到迅速发展，到 1996 年拥有的发电设备容量约为 20 亿 MW，火电年发电量占全国总发电量的近 80 %。我国火电厂的机组是以燃煤机组为主。近年来 200MW300MW 已是我国主流热力火力发电机组，600MW800MW 大机组在将来一段时期新兴工程的重头项目。目前，我国哈尔滨锅炉厂正加紧研制和开发单机容量为 1200MW 超大型单炉直流式火力发电机组。加之，大型锅炉也参与大型电网负荷调峰，这就对温度控制特别是再热汽温控制提出可更高的要求。然
12、而再热器温度控制存在着以下调节的瓶颈。一、再热器温度控制系统存在不足（1）再热器温度的烟风挡板存在流量分配非线性；（2）减温水喷水调节再热器出口汽温滞后；（3）再热气温调节变量存在耦合。二、再热汽温调节存在着被调节量的非确定性再热蒸汽温度对象的不确定性主要来自以下干扰源：（1）负荷变化时，燃料供应量也是变化的，再热器吸热量是变化的，主蒸汽和再热器的流量也随之变化；（2）负荷基本不变时，由于燃烧工况变化及制动系统切换和停启，导致再热器的吸热量变化；（3）给水压力、温度或流量变化时，喷水减温效果也是变化的。三、再热器汽温调节的工作特点：大惯性和小惯性并存，再热蒸汽温度控制对象的动态特性慢，再热系统
13、动态响应阶次较高 1。火电厂再热器温度这种大惯性时变对象，在一定负荷下，对象存在明显的参数时变而且干扰较多。采用 PID 控制时，因 PID 控制器的参数难以自动调整，达不到火电厂中对再热汽温实时控制的要求。智能控制(Intelligent Control，IC)是指人们应用人工智能(Artificial Intelligent，AI)的理论和技术及运筹学的优化方法与控制理论的方法和技术相结合，在未知环境下，仿效人类的智能，实现对系统的控制。主要用来解决那些传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题。当前最主要的有三2种形式：模糊控制、专家规则控制与专家系统控制、人工神经网络控制。智能控制作为一
14、种新的控制方法，近年来已广泛应用到了锅炉再热蒸汽温度控制中 2。我国使用的再热机组已有 40 多年的历史，迄今为止已有约 600 台再热机组在运行。但是严格的讲，电厂锅炉再热器的设计和汽温调控还存在一些问题，若考虑更广泛的调峰和使用更高级的再热器，会暴露很多问题，综合以往的有关再热器的实验研究，归纳超来：一是管壁超温爆管问题；二是温度调节特性差、调温幅度小的问题 1。尽管国内许多控制专家就再热汽温可控性差的问题，做了很多研究，也提出了不少新的、先进的控制方案，但因工程实现存在困难，真正应用甚少，故火电厂过再汽温实时控制问题也一直未能得到彻底的解决。1.2 课题的目的与意义为了降低发电成本、响应
15、节能减排的环保政策，提高火电厂的热循环效率。目前，国内的火电 200MW 以上机组大都配备了中间再热系统。蒸汽中间再热的目的一是提高蒸汽的干度，二是为了提高超高参数以上大容量机组的热经济性 3。汽温是按照材料的的许可温度取安全上限值，当再汽温温度过高时，会使锅炉受热面及的蠕变加快，影响使用寿命，若严重超温，可能导致材料强度下降发生爆炸。同时，汽温过高还会使汽轮机前几级叶片的机械强度，降低汽轮机的使用寿命，还会引起汽轮机内部过度的热膨胀，严重影响生产运行的安全。当汽温过低时，会降低机组热循环效率，同时使通过汽轮机最后几级叶片的湿度增加，引起叶片的磨损，影响汽轮机安全运行。若汽温波动大，会引起汽轮
16、机膨胀差的变化，产生剧烈振动，影响安全生产，还会引起锅炉、汽轮机金属疲劳损伤。因此，在机组运行和工况调整过程中，维持汽温的相对稳定是非常重要的。一般要求再热汽温的波动范围不得超过额定值-5+5 。随着科学技术的不断进步，对工业过程控制的要求也越来越高，不仅要求控制的快速性、精确性和可靠性，而且还注重控制的实时性、容错性、鲁棒性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另一方面，一些复杂的系统一般具有如下特点：缺乏精确的数学模型、分布式参数、庞大的数据和信息量及高标准的性能要求等，火电厂再热汽温就属于这类对象。模糊 PID 控制器应用在火电厂再热汽温控制系统中，通过模糊控制和传统 PID 控制的有机结
17、合。仿真结果表明：同常规 PID 控制器相比，模糊 PID 控制器可以有效实现对再热汽温等复杂对象的在线控制, 并将快速性、稳定性统一起来，具有3极强的鲁棒性和抗干扰性 4。1.3 课题研究内容针对再热汽温大惯性、时变、非线性和具有自平衡能力等特性。目前，火电厂的再热汽温常规 PID 控制系统的控制效果不理想，如果单独使用模糊控制对再热汽温进行控制，也不能满足再热汽温实时控制的要求。本文针对再热汽温提出了Fuzzy-PID 控制的方案。具体做了以下内容:1）查阅相关资料，了解再热器相关知识，熟悉再热器温度控制的特性；2）建立再热汽温控制系统的数学模型；3）熟悉模糊控制基本原理、模糊控制工具箱，
18、掌握模糊控制器的设计方法；4）设计 Fuzzy-PID 控制器；5）在 MATLAB/SIMULINK 下，对采用 Fuzzy 控制、Fuzzy-PID 控制和 PID 控制三种控制分别对系统进行仿真；6）对系统进行动态性能指标和控制性能进行分析。4第二章 再热汽温系统概述本章主要从再热蒸汽的焓熵分析、再热器特点、再热器调温方式和再热器不同调温结构下其动态特性对再热器进行了详细的介绍，建立再热汽温控制数学模型。2.1 再热蒸汽循环及其焓熵分析2.1.1 再热蒸汽循环再热也称为中间再热或二次过热，其设备包括再热器和温度调节装置。它的作用是把汽轮机内作过部分功的蒸汽（高压缸）再次加热，达到一定的过
19、热温度，称为再热蒸汽，然后这些蒸汽又引返汽轮机的下一级（中压缸或低压缸）内继续作功。蒸汽循环( 一级再热) 如图 2-1 所示。图 2-1 蒸汽循环图如果不采用中间再热方式，在提高蒸汽初压的情况下，要保证汽轮机末级蒸汽干度在允许范围内，就必要大大题提高蒸汽初温。但是这样处理会受到冶金技术水平和技术经济条件的限制。因此，只好采用中间再热来解决这一矛盾。采用中间在过热，为进一步提高蒸汽初压创造了条件，此时不必担心汽轮机末级干度低于允许值。如果再热温度和压力选择得当，将使循环热效率提高，同时对汽轮机相对内效率也产生有利的影响。在现代超高压机组中，采用中间再热，可使电站效率相对提高 6%8%。低压缸中
20、压缸凝汽器高压排气低压排气锅炉 高压缸中压缸排气新汽再热汽给水泵 冷却水5edS(熵)XeXdP2T0 T1P1P0cbai（焓）X=1再热一般采用一次再热，再热温度与初温相近（在我国的现有产品设计中，都取再热温度与初温相等） ，再热压力为初压的 20%左右。再热器的压降应尽量低些，通常在 2Kg/cm2 左右 5。2.1.2 再热蒸汽的焓熵分析蒸汽经过再热，提高了温度，增加了焓值。从图 2-2 上可以看出，当汽轮机背压 P2 为一定时，原来每公斤的蒸汽的作功能力相当于线长 ae；在再热方式下，蒸汽从 b 点再热到 c 点，则从蒸汽始点 a 算起，其作功能力是 ab 与 cd 之和；由于等压线
21、的分布特性是向右扩张的，cd 的长度必然大于 be；所以，再热蒸汽总的作功能力增加了。图 2-2 中间再热方式的焓熵示意图但采用再热方式的目的首先在于提高汽轮机末端的干度。从图 2-2 可见，随着蒸汽初（压力和温度）的提高，在一定的背压 P2 下，蒸汽终态的干度越来越低，这时蒸汽中含水量会造成汽轮机末级叶片的严重侵蚀。所以高压机组普遍采用中间再热，以保证汽轮机末级蒸汽湿度在许可范围内（从图 2-2 中由于干度 XdXe，所以 d点干度提高） 。一般要求汽轮机末级蒸汽的干度不低于 88%90%5。2.2 再热器特点再热器中流动的介质是中低压蒸汽，与压力比较高的过热蒸汽相比，由于蒸气密度低，因而传
22、热特性也比较差，由于其比热较小，因而同一热偏差汽温偏差也比较大。另外，再热器的允许阻力较小，质量很低，对炉内的烟温和管内的流量偏差也比较敏感。这就是通常的再热器超温管爆的主要原因。归纳起来，有以下特点：一、再热器的工作条件比过热器差6再热蒸汽压力低，在相同的蒸汽流速下，管子对蒸汽的放热系数比过热蒸汽的多，在相同的烟温偏差下，或者说在受热面负荷相同的条件下，管壁与蒸汽之间温度差比过热器大。二、再热器对汽温偏差敏感再热蒸汽比容 Cp 较过热蒸汽比容 Cp 小，在相同的热偏差下，引起的汽温偏差比过热器大。若要改善热偏差，则应在再热器中增加混合和交叉数目，但是，又会受到流动阻力的限制。三、工况变化对再
23、热汽温影响大当运行的工况变化时，会造成受热面的吸热量和蒸汽焓增的发生相应变化，这一特性便于烟气调温。此外，由于再热器随着高参数，分级分布发展趋势，工质温度分布在沿程变化比较大；由于管道、受热面布置在空间和结构变化较大、时滞性大、其动态响应较慢。2.3 再热蒸汽的温度调节调节再热汽温的主要方法有：烟气再循环、烟气分配挡板、摆动式喷燃器、蒸汽旁通和汽-汽热交换器等。再热器的温度调节原则上和过热器类似，调节方法也大致相同，但由于再热器工作的特殊性，再热汽温调节有一定的特点和要求。在汽轮机负荷下降时，再热器的进口汽温也随着降低。当从额定负荷至 70%负荷时，一般再热器的进口温度要降低 2030。另外，
24、当运行工况变化时如煤种水分变化、过量空气系数增加、炉内结渣等，也会影响再热蒸汽的温度。在过热设备中，喷水减温是调节过热汽温的重要手段，但在再热汽温调节中，喷水减温仅作细调和紧急处理之用。这是因为在再热设备中应用喷水减温会增加再热蒸汽流量，使汽轮机的中、低压部分功率比例增大，从而降低了热力循环的效率。在超过高压机组上每向再热蒸汽喷入相当于锅炉蒸发量的 1%的水量时，就会降低循环效率 0.1% 0.25%。2.4 再热器结构参数对其动态特性的影响目前，再热器的调温结构通常采用平行烟道挡板、烟气再循环、摆动燃烧器、汽汽交换器等，调温结构方式实现再热器调温。以下就烟气再循环、摆动燃烧器这两种调温结构方式的动态方式对再热器动态特性的影响。
