【正文】 隨著我國(guó)電力企業(yè)市場(chǎng)化的改革和“廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”政策的實(shí)施，電力生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性開(kāi)始變得越來(lái)越重要，市場(chǎng)要求電廠必須使電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性并重。優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，降低生產(chǎn)成本和設(shè) 備損耗，以及提高管理水平和技術(shù)人員的綜合素質(zhì)是電廠提高經(jīng)濟(jì)性的必然要求。 在如今的形式下，電廠電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性關(guān)系到企業(yè)的榮辱興衰，由于電力行業(yè)是國(guó)家的命脈行業(yè)，電廠生產(chǎn)能否做到安全性和經(jīng)濟(jì)性兩手抓將直接影響社會(huì)的安定和國(guó)家的長(zhǎng)治久安。 因此，如何提高電廠生產(chǎn)自動(dòng)化水平，做到安全性與經(jīng)濟(jì)性并重將成為人們重點(diǎn)研究的領(lǐng)域 ]1[ 。 過(guò)熱汽溫控制領(lǐng)域的現(xiàn)狀 火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過(guò)程概括地說(shuō)是把燃料中含有的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程。整個(gè)生產(chǎn)工程可分為三個(gè)階段：一：燃料的化學(xué)能 在鍋爐中轉(zhuǎn)化成熱能，加熱鍋爐中的水使之變成蒸汽，稱為燃燒系統(tǒng)；二：鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，稱為汽水系統(tǒng)；三：由汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，稱為電氣系統(tǒng)。 單元機(jī)組的控制主要是指對(duì)鍋爐、汽輪機(jī)及輔助設(shè)備的控制 。 為了保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行，必須把各生產(chǎn)的主要工藝參數(shù)嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。其中，對(duì)主汽溫的控制是單元機(jī)組控制中比較重要的參數(shù)之一，因?yàn)檫^(guò)熱汽溫溫度是火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 3 鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。過(guò)熱汽溫的溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)顯著影響電廠的安全性和經(jīng)濟(jì) 性。 通過(guò)對(duì) 過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制現(xiàn)狀 資料的查閱 ，發(fā)現(xiàn)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)在正常工況下，能基本滿足過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的需要。但當(dāng)負(fù)荷變化較頻繁且比較大時(shí)，過(guò)熱汽溫控制經(jīng)常出現(xiàn)的越限和超調(diào)現(xiàn)象，會(huì)影響機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 另外 ，還發(fā)現(xiàn)目前火電廠對(duì)過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制多采用串級(jí)控制，但過(guò)熱汽溫控制困難較多，不僅質(zhì)量要求高，而且被控對(duì)象相當(dāng)復(fù)雜，無(wú)法確定過(guò)熱器精確的數(shù)學(xué)模型，過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制可控性差早已成為眾所周知的事實(shí)。 過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)程控制的重要性 鍋爐過(guò)熱汽溫是影響鍋爐生產(chǎn)過(guò)程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)，主要 表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （ 1） 過(guò)熱汽溫過(guò)高，影響設(shè)備使用壽命 過(guò)熱汽溫過(guò)高會(huì)使鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快，影響設(shè)備使用壽命?，F(xiàn)代鍋爐的過(guò)熱器是在高溫和高壓的條件下工作，過(guò)熱器出口的過(guò)熱汽溫，是火電廠整個(gè)汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高處。 過(guò)熱器采用的是耐高溫和耐高壓的合金鋼材料，過(guò)熱器正常運(yùn)行時(shí)的溫度已經(jīng)接近材料所允許的最高溫度。如果過(guò)熱汽溫過(guò)高，則容易燒壞過(guò)熱器，也會(huì)使蒸汽管道、汽輪機(jī)內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過(guò)大的熱膨脹變形而毀壞，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。 （ 2） 過(guò)熱汽溫過(guò)低，汽輪機(jī)的安 全運(yùn)行無(wú)法保證 如果過(guò)熱汽溫過(guò)低，將會(huì)降低全廠的熱效率。一般地，過(guò)熱汽溫每降低 5 一 10℃，熱效率約降低 1%，不僅增加燃料的消耗量、浪費(fèi)能源，而且還將使汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，加速汽輪機(jī)葉片的水蝕。 因?yàn)檫^(guò)熱汽溫降低還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓部分的燴降減小，引起各級(jí)反動(dòng)度和軸向推力增大，對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行帶來(lái)不利。所以，過(guò)熱汽溫過(guò)低不僅會(huì)使機(jī) 組循環(huán) 熱效率降低，煤耗增大，而且汽輪機(jī)的安全運(yùn)行也無(wú)法保證。 （ 3） 過(guò)熱汽溫變化過(guò)大，危及機(jī)組安全運(yùn)行 過(guò)熱汽溫變化過(guò)大，除了使管材及有關(guān)部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機(jī)汽缸的轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全運(yùn)行。總之，過(guò)熱汽溫過(guò)高、過(guò)低或變化過(guò)大都是生產(chǎn)過(guò)程所不允許的。 基于上述原因，對(duì)過(guò)熱汽溫控制是必不可少的。不僅如此，工藝上對(duì)過(guò)熱汽溫控制的質(zhì)量要求也是非常嚴(yán)格的。如何有效地控制過(guò)熱汽溫始終成為人們關(guān) 注的 問(wèn)題 ]2[ 。 火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 4 過(guò)熱 蒸 汽溫 度 實(shí)時(shí)控制存在的難度 火電廠過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾方面。 （ 1） 影響過(guò)熱汽溫變化的因素很多 例如，燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力和汽包水位，還會(huì)影響過(guò)熱汽溫和 煙氣流量等。另外，蒸汽負(fù)荷、減溫水量、煙氣流量和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起過(guò)熱汽溫變化 （ 2） 過(guò)熱汽溫被控對(duì)象具有大遲延、大慣性的特點(diǎn) 過(guò)熱器具有大遲延、大慣性的特點(diǎn)。尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過(guò)熱受熱面相對(duì)于蒸發(fā)受熱面的比例加大，使其遲延和慣性更大，從而進(jìn)一步加大了過(guò)熱汽溫控制的難度。 （ 3） 過(guò)熱器呈現(xiàn)非線性、不確定時(shí)變等特點(diǎn) 例如，燃料量的變化對(duì)過(guò)熱汽溫、壓力、汽包水位等的影響有不同的滯后，減溫水量的變化對(duì)過(guò)熱器出口的過(guò)熱汽溫有較大的滯后影響，這些滯后的大小還隨著負(fù)荷狀況的改變而改變。 過(guò)熱器在各種擾動(dòng)作用下 (如負(fù)荷、工況變化等 )表現(xiàn)出非線性和時(shí)變等特性，使過(guò)熱汽溫控制的難度加大。 （ 4） 過(guò)熱汽溫參數(shù)要求高 因過(guò)熱器正常運(yùn)行時(shí)的溫度已接近鋼材允許的極限溫度，強(qiáng)度方面的安全系數(shù)也很小。故現(xiàn)代大型機(jī)組對(duì)過(guò)熱汽溫參數(shù)要求很嚴(yán)格，通常中高壓鍋爐過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)偏差不允許超過(guò)士 10℃，長(zhǎng)期偏差不允許超過(guò)士 5℃。 （ 5） 控制手段單一 目前主要以噴水減溫為主要控制手段。 綜上所述，過(guò)熱器是一個(gè)典型的非線性、時(shí)變、大遲延、大慣性和多隨機(jī)干擾擾動(dòng)的設(shè)備，過(guò)熱汽溫是火電機(jī)組熱力過(guò)程的主要參數(shù)之一。過(guò)熱器是在高溫 高壓環(huán)境 下工作，過(guò)熱器出口的過(guò)熱汽溫是全廠工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁 溫的最高處?；痣姀S生產(chǎn)工藝上允許的過(guò)熱汽溫變化范圍很小，影響過(guò)熱汽溫變化的干擾因素多，過(guò)熱器呈現(xiàn)非線性特性等，這些都使得過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)復(fù)雜化。正確選擇控制過(guò)熱汽溫的控制手段及控制策略是非常重要的 ]3[ 。 過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)程控制 的發(fā)展方向 通過(guò) 查閱資料 和分析 可知 ，目前，串級(jí)控制在火電廠中的過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制中占主導(dǎo)地位，但其控制效果還不能令人十分滿意。 時(shí)滯系統(tǒng)的控制問(wèn)題早己引起了人們的廣泛 關(guān)注，許多人從不同角度發(fā)展了很多時(shí)滯被控對(duì)象的控制方法。長(zhǎng)期以來(lái)，針對(duì)火電廠被控對(duì)象過(guò)熱器具有大滯后、非線性、多變量和時(shí)變等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)過(guò)熱汽溫控制方法進(jìn)行了很多有益探索和研究。因?yàn)閲?guó)內(nèi)外在過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)的技術(shù)和發(fā)展方面十分接近，所以，這里主要對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)過(guò)熱汽溫過(guò)程控制的方法，進(jìn)行有限的闡述。 火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 5 PID 控制算法是其中最簡(jiǎn)便的，控制參數(shù)可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行整定或解析設(shè)計(jì)?；痣姀S中的過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制，如果采用傳統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律，因?yàn)閰?shù)整定困難，缺乏對(duì)過(guò)熱器動(dòng)態(tài)變化的自適應(yīng)能力，達(dá)不到火電廠中的過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控 制要求。所以，原則上不采用單回路的 PID 對(duì)過(guò)熱汽溫進(jìn)行控制。 過(guò)熱器實(shí)時(shí)控制常規(guī)控制方案主要包括串級(jí)控制、 Smith 預(yù)估控制、導(dǎo)前微分、分段式控制和溫差控制等，但投運(yùn)效果均不理想。導(dǎo)前微分或串級(jí)控制是目前針對(duì)時(shí)滯被控對(duì)象應(yīng)用最廣泛的控制策略。導(dǎo)前微分與串級(jí)控制在理論上十分接近，第3章節(jié)將重點(diǎn)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)的技術(shù)分析和陳述。 模糊控 制是由控制理論與模糊集合理論相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一種新型控制技術(shù)。能夠利用熟練運(yùn)行人員的操作經(jīng)驗(yàn)或領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，解決復(fù)雜被控對(duì)象的控制問(wèn)題，故模糊控制從一開(kāi)始便立刻引起控制界 的廣泛興趣，并得以迅速發(fā)展。 模糊控制的發(fā)展歷史不長(zhǎng)，模糊控制本身還存在一定的缺陷等原因。如果單獨(dú)使用模糊控制對(duì)過(guò)熱汽溫進(jìn)行過(guò)程控制，也不能滿足過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制的要求。第4章節(jié)將重點(diǎn)對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)的技術(shù)分析和表述。 近年來(lái)，關(guān)于過(guò)熱汽溫控制這一課題的研究，主要集中在以下三個(gè)方面。 （ 1） 利用 PID 復(fù)合控制 針對(duì)過(guò)熱器的特性，在傳統(tǒng)的 PID 控制領(lǐng)域，利用其他方法和 PID 控制相結(jié)合來(lái)改善 PID 控制效果。 （ 2） 開(kāi)發(fā)專家、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制系統(tǒng)等多種控制系統(tǒng) 針對(duì)過(guò)熱器的特性，應(yīng)用人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué) 的最新技術(shù)，開(kāi)發(fā)專家控制系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)等多種控制系統(tǒng)。 （ 3） 開(kāi)發(fā)解 耦 控制系統(tǒng) 針對(duì)過(guò)熱器的強(qiáng) 耦 合性，開(kāi)發(fā)解 耦 控制系統(tǒng)。 盡管國(guó)內(nèi)許多控制專家就過(guò)熱汽溫可控性差的問(wèn)題，做了很多研究，也提出了不少新的、先進(jìn)的控制方案，但因工程實(shí)現(xiàn)存在困難，真正 應(yīng)用甚少， 首先過(guò)熱汽溫過(guò)程控制對(duì)火電廠的安全生產(chǎn)是非常重要的。其次， 在電力生產(chǎn)過(guò)程中，真正的過(guò)熱器數(shù)學(xué)模型無(wú)法得到。影響過(guò)熱汽溫過(guò)程控制的因素眾多，過(guò)熱汽溫過(guò)程控制的優(yōu)化仍是沒(méi)有真正解決的難題。 對(duì)于火電廠過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制問(wèn)題的解決仍需一定的時(shí)間 。 本文研究目的及研究的主要內(nèi)容 大型電廠鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)是提高電廠經(jīng)濟(jì)效益，保證機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而同時(shí)，主蒸汽溫度對(duì)象具有大延遲、大慣性和時(shí)變性的特點(diǎn)，過(guò)熱器管道長(zhǎng)度和蒸汽容積較大，當(dāng)減溫水流量發(fā)生變化時(shí)過(guò)熱器出口蒸汽溫度有較大的火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 6 延遲；負(fù)荷變化時(shí)，主蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)特性變化明顯；這給 有效控制帶來(lái)了很大的困難。 通過(guò)合理利用火電廠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和技能、有關(guān)專家的豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，在對(duì)火電廠過(guò)熱汽溫控制對(duì)象分析基礎(chǔ)上，保留串級(jí)控制抗內(nèi)擾的性能，結(jié)合模糊控制動(dòng)態(tài)特性好的特點(diǎn)，尋求串 級(jí)控制與模糊控制有效結(jié)合，并提出一種 復(fù)合 模糊串級(jí)控制設(shè)計(jì)方案，改善火電廠過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)性能 ，以求提高火電廠電力生產(chǎn)安全性與經(jīng)濟(jì)性。 本文研究的主要內(nèi) 容有 （ 1） 對(duì)過(guò)熱汽溫的特性進(jìn)行分析， 了解目前國(guó)內(nèi)外對(duì) 具有大滯后和大慣性特點(diǎn)的過(guò)熱汽溫控制方面所采取的控制方案的情況。 （ 2） 對(duì) 傳統(tǒng)的過(guò)熱汽溫所采用的串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析。 （ 3） 提出 復(fù)合 模糊 串級(jí) 控制方案，利用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真研究，密切關(guān)注參數(shù)變化對(duì)控制結(jié)果的影響，做好對(duì)比和總結(jié)。 （ 4） 將 復(fù)合 模糊串級(jí)控制與傳統(tǒng)串級(jí)控制進(jìn)行對(duì)比研 究。 火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 7 2 過(guò)熱汽溫控制特性與要求 現(xiàn)代鍋爐的過(guò)熱器是在高溫、高壓條件下工作的，鍋爐出口的過(guò)熱蒸汽溫度是整個(gè)汽水行程中工質(zhì)的最高溫度，對(duì)于電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重 大影響。鍋爐蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)包括一級(jí)過(guò)熱器、減溫器、二級(jí)過(guò)熱器等。 過(guò)熱器布置示意圖如圖 所示。 圖 過(guò)熱器布置示意圖 過(guò)熱器正常工作時(shí)的溫度，一般要接近材料所允許的最高溫度，如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，則過(guò)熱器容易損壞，也會(huì)使汽輪機(jī)內(nèi)部引起過(guò)度的熱膨脹，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行的安全；過(guò)熱蒸汽溫度偏低，則設(shè)備的效 率將會(huì)降低，一般蒸汽溫度每降低5℃ ， 效率要降低 1％，同時(shí)使通過(guò)汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片的磨損。因此，必須控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度，使不超出規(guī)定的范圍。鍋爐蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)的控制任務(wù)，是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。過(guò)熱蒸汽溫度自動(dòng)控制是鍋爐自動(dòng)化的重要任務(wù)之 一。 過(guò)熱蒸汽溫度對(duì)象的靜態(tài)特性 過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性指汽溫隨鍋爐負(fù)荷變化的靜態(tài)關(guān)系。鍋爐過(guò)熱器由對(duì)流式過(guò)熱器和輻射式過(guò)熱器等組成，但是從圖 ，對(duì)流式過(guò)熱器 和輻射式過(guò)熱器的過(guò)熱汽溫的靜態(tài)特性完全相反。對(duì)于對(duì)流式過(guò)熱器，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，通過(guò)其煙氣的溫度和流速都增加，因而使過(guò)熱汽溫升高，所以對(duì)流式過(guò)熱氣的出口汽溫隨負(fù)荷增加而升高。對(duì)于輻射式過(guò)熱器，由于負(fù)荷增加時(shí)爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負(fù)荷增大所需要的吸熱火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 8 量，因此輻射式過(guò)熱器的出口汽溫隨負(fù)荷增加而降低?，F(xiàn)代大型鍋爐的過(guò)熱器，對(duì)流式過(guò)熱器的受熱面積大于輻射式過(guò)熱器受熱面積，因而總的汽溫將隨負(fù)荷增加而升高 。 圖 過(guò)熱蒸汽溫度的靜態(tài)特性 過(guò)熱蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 過(guò)熱 汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指引起過(guò)熱汽溫變化的擾動(dòng)與汽溫之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。引起過(guò)熱蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、進(jìn)入過(guò)熱器的蒸汽溫度變化、流過(guò)過(guò)熱器的煙氣的溫度和流速變化等，這些因素還可能相互制約。歸納起來(lái)主要有三個(gè)方面， 蒸汽流量變化 (負(fù)荷變化 )，加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化 (過(guò)熱器入口汽溫變化 )。 蒸汽流量 (負(fù)荷 )擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量的變化使沿整個(gè)過(guò)熱器管路長(zhǎng)度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時(shí)改變，從而改變過(guò)熟器的對(duì)流放熱系數(shù)，使沿整個(gè)過(guò)熱器各點(diǎn)的 蒸汽溫度幾乎同時(shí)改變，因而汽溫反應(yīng)較快，遲延時(shí)間較小。 從階躍響應(yīng)曲線可知， 其特點(diǎn)是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小 ,如圖 。 火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 9 圖 蒸汽量變化對(duì)過(guò)熱汽溫的影響 煙氣流量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性 煙氣流量擾動(dòng) (煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化 )時(shí)，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個(gè)過(guò)熱器同時(shí)改變的，因而沿過(guò)熱器整個(gè)長(zhǎng)度 使煙氣傳遞熱量也同時(shí)變化，所以汽溫反應(yīng)較快，時(shí)間常數(shù)和遲延均比別的 擾動(dòng)小，和蒸汽流量擾動(dòng)的影響類似。從階躍響應(yīng)曲線可 知，煙氣流量的動(dòng)態(tài)特性是：有滯后、 有慣性、有自平衡能力，如圖 。 圖 煙氣流量變化對(duì)過(guò)熱汽溫的影響 火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 10 減溫水流量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性 利用減溫器進(jìn)行調(diào)溫，是目前應(yīng)用較廣的一種調(diào)節(jié)方式。減溫器有表面