模糊控制在火力电厂300MW机组煤粉炉炉侧系统设计中的实践与验证

摘要：目前我国火力电厂300MW机组存在的最大问题就是工作效率不高，完全不能达到设计时的要求与标准，究其原因就是在稳定性、均匀性等方面的控制性能不高。而在煤粉炉控制过程中，则受到众多因素的干扰与影响，使控制系统不能很好地发挥其应有的作用。模糊控制系统作为一种有效的自动控制方式，对于提高煤粉炉工作效率、控制系统的可靠性等方面都有着相当积极的意义。本文通过对模糊控制的介绍及其在实际操作中的应用设计作简单论述。

关键词：火力电厂；300MW机组；煤粉炉；模糊控制；系统设计；实践；验证

中图分类号：TM73文献标识码：A文章编号：1009-0118（2012）05-0221-02

随着我国社会经济的快速发展，在城市建设中对于电力资源的需求缺口也日益增大，基于此，中小型火力电厂的建设项目也逐年增加。与此同时，如何提升火力电厂的工作效率成了电力企业急需解决的重大课题之一，将模糊控制理论应用到火力电厂300MW机组煤粉炉控制系统中就是一个比较科学合理的控制方法。

一、模糊控制概述

所谓模糊控制理论就是非线性控制的一种，发展于21世纪的70年代，作为新型的控制计算法，它并不需要详细知晓控制对象的数学模型结构，同时相比于普通的控制系统来说，它具有的鲁棒性更强、稳定性更好。模糊控制能够在控制过程中自动寻找最优化的控制方案，即自寻优的特点。

模糊控制的技术优势表现为：

（一）它在解决传统计算方法问题的同时，又将传统计算方法优点保留下来，从而使得整个控制系统在硬件上得到了最大优化，能够将大惯性、纯滞后原因造成的系统运行中的不良影响进行有效消除。另外对系统压力变化、煤种变化所造成的影响也能够通过模糊控制的自动修正功能进行解决。

（二）模糊控制所提供的最优控制解决方案并不是一个固定值，也不依靠系统控制人员进行预设的，而是根据系统运行的实际情况并利用在线搜索的方式为系统提供一个最切合实际的控制方案。

（三）模糊控制与偏差反馈控制相比，在控制量给定值的预设上有所不同，模糊控制以自动搜索手段实现了对象控制参数最优化。

（四）实现模糊控制，并不需要全面了解对象的所有参数，而是只要掌握控制对象特性中的时变要素，就能对其进行控制，并自动寻找最优化控制方案，相较于最优控制方案，较为简便。

二、模糊控制在火力电厂300mw机组煤粉炉炉侧系统设计中的实践

目前我国火力电厂在控制方面主要存在的问题有自动调节手段落后与使用煤种类变化波动大，使得设计的机组并不能够按照设计的要求达到发电标准，工作效率低下。

（一）设计目标

本系统设计目标为保护环境、节能降耗，同时提高300MW机组的工作效率。整体系统包括两方面的内容：1、利用风煤比的在线自动寻优方法与风煤比最佳自学习体系，从而使粉煤炉能够始终维持在最优工作状态之下；2、将引风控制、一次风压控制、送风控制以及粉煤炉的负荷控制的控制回路集成于微机控制系统之中，即图1，从而协同控制系统的原模拟调节设备对粉煤炉共同实施控制与实时监测，使粉煤炉保持稳定可靠的运行状态。

图1控制系统方案图

（二）方案的设计及实现

1、负荷控制系统。负荷控制系统起到的是通过燃料量的调节使主汽压力保持稳定的作用，本设计中的负荷控制系统基于经典模糊控制理论，利用炉内辐射信号，即可以将入炉燃料变化快速反应出来的信号以中间调节量的形式实现，从而设计了串级双闭环且带智能积分的模糊控制系统，即图2：

图2锅炉燃料调节系统原理图

在原理图中，E与Er分别表示炉膛断面的辐射能量值与其给定值，而PT与PTr则分别表示主蒸汽压力值与其给定值。对蒸汽压力扰动进行处理是外环起到的作用，并以主蒸汽压力的变化率C与偏差值E为依据，就能够得到火力辐射图值平均灰度数据的变化趋势，即代表粉煤炉内的辐射能水平值的变化趋势；而对煤质变化或给煤量的干扰进行消除则是内环起到的作用，它以外环控制给出的灰度数据作为依据，计算出灰度数据的变化率与偏差值，再借助模糊控制器提供的功能，获得给煤电机转速变化的结果；而基于粉煤炉运行规则，对锅炉进行增减负荷时的风煤比增减实现则是负荷规则调节器所起到的作用。而通过火力检测系统则能计算出现场炉膛断面的辐射能量值，表现为灰度值数据。虽然炉膛断面的辐射能量会随炉膛高度改变而改变，但只要粉煤炉上于稳定的燃烧状态，其辐射能量的总和值就不会有太大变化。

通过这样连接的模糊控制结构，大幅度减少了模糊控制规则的数量，与此同时还有着降维的功能。

2、一次风压控制系统。在粉煤炉膛内，燃料会根据位置的不同而呈现出不同的状态，即使达到最佳风煤比也不能完全保证风力布局在炉膛内的合理性，这样一来，一、二次风压比例的合理控制对粉煤炉实现燃烧的高效率就产生了相当重要的作用。通常来说，一次风压控制系统的任务包括使燃烧区域的边角产生均匀的二次风量、在规定的范围内控制一次风压。

3、送风控制系统。送风控制系统能够将粉煤炉的工作效率提升并将锅炉的燃烧状态始终处于最为经济的状态下，要达到这个目标，就要让燃料与空气始终保持在一个恰当的比例之下。

其中氧量设定值就是指烟气含氧量的最佳值，它的获得是以粉煤炉热负荷变化的情况，并利用风煤比在线搜索以及风煤比最佳自学习系统得到的；其内环由PLC负责，即利用简单模糊的控制设备，以送风量设定值偏差与实测值为依据，将送风门的开度值计算出；而外环则是上位机负责，即利用PI调节设备，并以给粉机的转速反馈以及氧量为依据，从而得出送风量设定数值。

4、自学习系统。所谓自学习系统，就是当粉煤炉在运行状态下，分析整理操作人员的相关操作、运行数据，同时对处于各类带有普遍性质的最佳粉煤炉工作状态时呈现出来的烟气含氧量以及风煤比进行学习。如此一来，在粉煤炉实际运行之中，系统就能够以锅炉当前所处的工作状态为基础，依据其学习的成果对烟气含氧量以及送风量进行合理确定，换言之，就是使锅炉始终处于最佳工作状态。整个学习的过程的形式是不间断在线学习方式，只有当系统处于稳定运行状态时，系统微调才会借助在线搜索策略得以实现。这里所提到的在线搜索策略其实就是通过煤粉炉响应送风摄动信号的一个过程，这个过程的目标是对当前风煤比的状态进行判定，从而使学习结果得到更优化、合理化。举个简单的例子，当系统处于稳定运行状态下时，发出送风摄动的信号并加以观察，如果炉膛的烟温提升，则表示刚刚施加的风煤比相较于当前值要更优，而如果发送的是反向摄动信号，如果经观察并没有在两个方向使指标更优化，则表示先前的风煤比已经处于最优状态，也就是说，这个自学习系统使整个控制系统具备了很强的自适应性能。

（三）控制策略

这个控制系统的策略共分为四类，分别是自控系统全面参与的策略，即中控机呈现闭环运行模式，各高级控制策略均处于运行状态，从而使整个系统的运行更为协调并处于最佳工作状态；下位机参与的策略，即全部PLC设备均呈现闭环运行模式，控制二次风门、送风总门、引风导叶以及给粉机转速均通过简易智能控制或是常规控制实现；手动运行模式，即PLC呈现出开环运行模式，二次风门、送风总门、引风导叶以及给粉机转速均通过手动无级调节控制中心的CRT加以实现；原有操控系统，即传统操作控制模式，并没有自动控制系统参与其中。

（四）效果评估与验证

1、该设计的控制策略具有较高的可靠性与性价比，操作人员可根据粉煤炉的不同工作状态选择自动控制的模式，从而使粉煤炉更为经济、安全以及稳定。

2、将该系统设计进行相关鉴定试验后，试验结果表明在模糊控制状态下的粉煤炉工作效率较之前提升2.93%，节约标准煤用量3.28%，如以耗煤量15万吨/每年，250元/每吨为例，那么一年将可以节省成本达120余万元。

参考文献：

\[1\]潘维加.300MW单元机组煤粉炉燃烧控制系统的研究及其改进\[J\].中国电机工程学报，2000,20(9).

\[2\]崔淑妮,徐向东.中小型煤粉炉计算机监控系统研究\[R\].中国智能自动化会议，2001.

\[3\]韩晋,栗国玉,魏强,郭志春.球磨机控制系统的优化\[J\].电力学报，2005,20(2).