发电厂锅炉送风系统控制方法研究

摘 要 发电厂锅炉送风系统作为锅炉燃烧系统的重要组成部分，对保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，实现发电厂的节能减排目标具有重要意义。针对锅炉送风系统采用传统的PID控制方式时存在的非线性、滞后性等问题，本文采用模糊自整定PID控制方法对送风系统进行控制，并通过MATLAB/Simulink仿真验证了送风系统模糊自整定PID控制方法的优越性。

关键词 发电厂锅炉；送风系统；PID；模糊自整定PID

中图分类号 TM6 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）07-0045-03

目前，我国的发电还是以火电为主，火力发电量占据了全国总发电量的近七成，其每年消耗的煤炭量占据了全国的一半。然而，煤炭的燃烧会产生大量的二氧化碳及其他有害气体，给环境带来了严重的污染。锅炉作为火电厂最重要的生产设备之一，能使锅炉燃烧系统经济高效运行，则可大大节省煤炭的用量，实现火电厂的节能减排。锅炉燃烧控制系统主要包括3个子系统：送风控制系统、因风控制系统和燃料控制系统。其中，控制锅炉送风系统保证送风量和喷入锅炉中的燃料处于最佳风煤比状态，这样既能使进入炉膛煤粉得到充分的燃烧，减少有毒气体的排放，也能最大程度地减少热量损失，从而达到节能减排的目标。

1 发电厂锅炉送风控制系统

发电厂锅炉送风控制系统对保证锅炉的燃烧的经济性和稳定性具有决定性作用。送风控制系统使锅炉的送风量和燃煤量（风煤比）相协调，从而使锅炉的燃烧效率达到较高的水平，这是送风控制子系统的主要任务。如果送风控制系统送入锅炉的空气太少，导致锅炉含氧量过低，则会导致燃料无法充分燃烧，不仅浪费燃料，更会使燃烧产生的二氧化硫等有毒气体含量增加污染空气；如果送风控制系统送入锅炉的空气太多，则会导致炉膛内的温度降低，同时增加烟气的热损失。

一般情况下，锅炉的热效率是无法直接测量得到的，因此我们经常会采用一些间接的方法来得到它。常用的送风控制系统的形式有燃料量―空气系统、热量―空气系统、蒸汽量―空气系统、给定负荷―空气系统和含氧量―空气控制系统。受到各种条件限制，到目前为止，热效率还无法通过现有的检测设备准确检测出来。只能通过间接测量来得到热效率的数值，目前各大电厂一般会通过测量烟气含氧量来测算锅炉热效率。锅炉燃烧过程中，排出的烟气中所含有的氧气所占的比值是一个十分重要的数据量，如果烟气含氧量过低，说明燃料没有得到充分的燃烧，这样会大量的浪费燃料而且也会加大有害气体的排放；而烟气含氧量过高，送风量过大会使炉膛失去大量的热量，也会使烟气中的SO2和NOx等有毒气体排放量增加。

把烟气含氧量作为锅炉燃烧的效率指标是一种很好的控制方案，由于烟气含氧量的测量有较大的滞后性，所以其一般要采用串级调速系统，具体结构如图1所示。其副回路由送风机和送风量控制器构成，反应速度较快。系统中的含氧量控制器是串级调速系统的主调节器，它主要起到校正的作用，其使得送风量和燃料量始终保持一定的比例，从而使得烟气含氧量维持在给定的最佳值。图1中加入了燃料量B的前馈信号，可以大大改善系统的动态特性。

串级调速系统相比于单回路控制系统而言，其动态特性有了很大的提升。将这两个调节器串联起来工作，其中的一个调节器的输出值作为另一个调节器的给定值。由于增加了一个副调节器和副回路，副回路的扰动可以得到的快速的克服，系统的动态性能得到大大提升。通俗的来讲，回路中的副调节器承担了“粗调”的任务，主调节器承担着“细调”的作用，所以系统的调节品质得到了进一步提高。

炉在实际运行过程中，实际的送风量要比理论需要的空气量要稍微的多一些，我们把这一值用过剩空气系数α表示，也就是空燃比。在锅炉运行中我们要设定合适过剩空气系数α，才有利于提高锅炉的效率。过剩空气系数α可用烟气含氧量来表示，计算公式如下式（1）所示：

上式（1）中，2O %表示烟气含氧量，从式（1）可以看出过剩空气系数与烟气含氧量是反比的关系。控制空气过剩系数就可以达到控制烟气含氧量系数的目的。

由图1可知，烟气含氧量―空气串级控制系统的主变量是烟气含氧量，送风量作为副变量。主控制器的输出值作为副控制器的给定值，副控制器通过控制送风机的扇叶开度来实现其给定值。反馈回路中的烟气含氧量由主回路检测装置来检测，送风机的风量由副回路检测装置来进行计算。

目前，这套串级控制系统已经发展成熟，且可靠性高。但其控制系统中一般都是采用PID控制器，当系统中有较大扰动时，系统的调节能力仍有待提高。本文引进模糊PID来实现对该系统的控制。

2 基于模糊PID的送风系统控制方法

在MATLAB软件中建立发电厂锅炉送风系统模糊PID控制器，其内部结构如图2所示，用Constant模块模拟Kpo，Kio，Kdo的初值，dKp，dKi，dKd的变化范围需要在调试中确定，模糊控制器通过对输入偏差e和偏差变化率ec的分析，得到dKp，dKi，dKd应取的值，然后通过求和模块把dKp，dKi，dKd不断和Kpo，Kio，Kdo相加，得到随着偏差和偏差变化率变化而变化的Kp，Ki，Kd，从而提高系统的控制效果。在控制过程中，经过不断的调试，最终得到控制效果最佳时候的Kp，Ki，Kd的初值和dKp，dKi，dKd变化的论域。

利用MATLAB/Simulink搭建送风控制系统仿真模型，其结构为串级控制。仿真的框图如图3所示。

如图3所示，信号源Step1，Step2，Step3都是阶跃模块，其作用分别是给系统施加给定值，内扰动，外扰动。Subsystem1和Subsystem2是模糊自整定PID模块，其中Subsystem1构成系统的主调节器，Subsystem2构成系统的副回路调节器，其共同实现了系统的串级控制。风机的传递函数用Transfer Fcn表示，其为一阶惯性环节，与Subsystem2构成副回路，通过对风机的转速进行反馈，副回路可以快速的消除内部的扰动。主回路中的反馈是烟气含氧量的值。为了方便起见，我们把反馈装置的参数均设置为1。Transfer Fcn1是二阶的惯性模块，其和Transport Delay（延迟模块）构成了烟气含氧量的传递函数。最后通过示波器Scope将系统的仿真结果显示出来。

锅炉风机控制系统受到的扰动来自两方面，一方面是内部扰动，另一方面是外部扰动，现对风机控制系统的内部扰动和外部扰动分别进行仿真。

2.1 加入内扰情况下的动态特性

将Step1和Step3的输出置0，从0开始，Step2加入一个10%的扰动，观察系统的响应特性曲线，如图4所示。

由图4可以看出，加入20%的内扰后，PID控制的超调量更大，其调节时间需要近600s，而模糊控制只需要400s便可恢复稳定状态。可以得出，在动态调节效果上，模糊控制要比普通PID有优势。

2.2 加入外扰情况时的动态特性

由图5可以看出，加入30%的外扰后，普通PID控制的调节时间为400s，而模糊自整定PID控制的调节时间为200s，约为前者的一半。

由上面仿真可知，当火电厂锅炉送风系统受到内部扰动或外部扰动时，与PID控制方法相比，模糊自整定PID方法的_动调节时间更短，性能更好。

3 结论

火电厂锅炉送风控制系统对保证锅炉的高效率燃烧，降低煤炭燃烧量，减少发电厂有害气体的排放，实现发电厂的节能减排目标具有重要意义。本文对锅炉送风控制系统的控制方法进行了改进，并通过MATLAB仿真验证了，模糊自整定PID控制方法在系统受到扰动时的动态特性要优于传统的PID控制方法。

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