循环流化床锅炉汽包水位的智能控制

杨广鑫，刘占查

(1.天津大沽化工股份有限公司，天津 300455； 2.河北国超信息科技有限公司，河北 辛集 052360)

循环流化床(CFB)锅炉技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧技术。CFB锅炉技术是我国电力工业的跨世纪导向工程，是应用较广的环保煤发电技术之一，CFB锅炉是化工行业用电、供热的重要设备。

在CFB锅炉应用过程中，自动化控制问题是困扰其技术发展的关键因素之一。目前，在我国化工企业自备电厂的循环流化床锅炉的运行中，汽水、燃烧两大系统基本上均为人工手动遥控操作。笔者就CFB锅炉稳定运行的自动控制进行了探讨、摸索、实践，利用人工智能技术、自适应和模糊理念，实现了CFB锅炉汽包水位的智能控制。

1 CFB锅炉

锅(汽水系统)：由省煤器、汽包(汽水分离器)、下降管、联箱、水冷壁、过热器和再热器等设备及其连接管和阀门组成。

炉(燃烧系统)：由炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、烟风道及炉墙、构架等组成。

CFB锅炉的工作可分为3个过程：燃料燃烧、烟气传热和水的汽化。

(1)燃烧过程。燃料由煤斗通过给煤机、送煤风和播煤风将燃煤送入炉膛，当煤在到达燃烧温度后，一边燃烧，一边向后移动。

(2)传热过程。燃料燃烧释放出热量，其烟气与炉膛内的水管进行强烈的辐射传热，随后烟气进入尾部烟道，与省煤器和预热器进行热交换，最终由烟囱排出。

(3)汽化过程。是蒸汽的产生过程，包括水循环和汽水分离两个部分。化学处理后的水通过除氧器除氧后经省煤器预热，进入汽包。CFB锅炉工艺流程如图1所示。

图1 燃煤锅炉工艺流程示意图Fig.1 Process flow diagram of coal fired boiler

2 问题的提出

锅炉汽包水位稳定就是蒸汽流量等于给水流量(产出蒸汽与汽包供水相等)。

影响汽包水位稳定的因素有蒸汽负荷(汽轮机发电、对外供热等)、燃烧工况(煤质、煤量、一次风、二次风等)、给水系统压力等。这些工艺参数发生变化，直接影响汽包水位的稳定性。

目前我国热力锅炉(供热或发电)自动化水平相对较低，汽包水位控制给水由人工远程手动操作，劳动强度大、水位波动频繁，影响汽水分离后蒸汽的品质，严重(蒸汽带水)时易损坏汽轮发电机喷嘴和叶轮片等设备，更为严重的是断水十几秒后锅炉将烧干或爆炸。目前，锅炉汽包水位采用的自动控制方法大部分基于三冲量PID、多变量前馈-反馈、PID串级等控制技术，在锅炉运行相对稳定(内、外扰动小)的情况下实现自动控制，抗干扰能力弱。

在系统中，为确保锅炉的安全正常运行，汽包水位测量需3种以上的测量原理和多点检测，如双色水位计(云母水位计)、差压式水位计、电极式水位计和电容式液位计。电容式液位计的测量是基于两电极间的液体及气体介电常数不同，液位升高或下降，使两电极间的电容量随之变化。但在锅炉汽包水位测量中，被测介质的介电常数是随温度的变化而变化，气液相在汽水分离处介电常数接近，使得在气液临界区测量不稳(波动)，对实现汽包水位自动控制产生不利影响。

根据供热、发电等锅炉蒸汽生产的自动控制现状，锅炉运行原理及蒸汽生产过程中的各种干扰因素，进行实际动态测试及数据回归分析，传统的控制方法不能及时消除锅炉汽包水位偏差，抗干扰能力差。

针对上述问题，笔者采用一种新型的控制方式，即一个二维模糊控制与PID控制相结合，组成锅炉汽包给水混合控制(Fuzzy-PID控制器)，实现供热、发电CFB锅炉(220 t/h、130 t/h CFB锅炉)汽包水位的智能控制。

3 解决方案

热力锅炉汽包的水位会因负荷、燃烧工况和给水压力等参数的变化而波动，汽包水位是锅炉运行中一个非常重要的监控参数，它间接反映了锅炉负荷(产生的蒸汽量)和给水量之间的物料平衡关系，保证汽包内的水位在一定的允许范围内是锅炉和汽轮机安全运行的重要条件之一。

3.1 汽包水位的测量

由于电容式液位计在气液相分离处测量极不稳定，因此，对水位输入变量进行“峰谷回归”数据处理，有效抑制输入信号的干扰因素。而差压式液位测量，既使由于汽包内压力、温度变化造成液体的体积(密度)变化，其平衡容器输出的差压值相对不变。在汽包水位控制回路中，应尽量选择差压式平衡容器测量法，为控制提供准确、稳定的数据依据。

3.2 汽包水位的自动控制

人工智能主要研究用人工的方法和技术，模仿、延伸和扩展人的智能，模糊控制是智能控制的一个重要分支。

针对诸多影响因素，结合PID调节规律、自适应、现代控制理念、人工智能的模糊控制，设计并实施了锅炉汽包水位智能控制。

锅炉运行中的各种干扰因素集中反映在水位的变化。设计一个二维模糊控制器，即汽包水位测量为输入，水位测量值PV与设定值SP计算后，得到偏差e、偏差变化率Δe(即e=PV-SP，Δe=e′)，作为模糊控制器的输入。其模糊控制器的组成如图2所示。

图2 二维模糊控制器组成Fig.2 Constitution of two-dimensional fuzzy controller

(1)输入变量：PV的变化范围[0,500]，SP的变化范围[0,500]，e的变化范围[-50,50]，△e的变化范围[-5,5]。

PV模糊化[PVmin,PVLL，PVL，SP，PVH，PVHH，PVmax]论域的划分如图3所示。

图3 模糊化论域划分图Fig.3 Zoning plan of fuzzy domain

语言变量：X1，X2，…，Xn。

X1=(PV>SP)∧上升；

X2=(PV>SP)∧下降；

X3=(PV

X4=(PV

X5=(PV>PVH)∧上升；

X6=(PV>PVH)∧下降；

X7=(PV

X8=(PV

X9=(PV>PVHH)∧上升；

X10=(PV>PVHH)∧下降；

X11=(PV

X12=(PV

(2)输出变量：u1，u2，…，un。

(3)控制变量：OP。

(4)模糊推理。

IF(X1=T orX2=T orX3=T orX4=T) andPV

IF (X1=T orX2=T orX3=T orX4=T) andPV>PVLTHEN 规则1；

IFX5=T andPV

IFX6=T andPV

IFX7=T andPV>PVLLTHEN 规则1；

IFX8=T andPV>PVLLTHEN 规则3；

IFX9=T THEN 规则4；

IFX10=T THEN 规则5；

IFX11=T THEN 规则6；

IFX12=T THEN 规则7。

(5)模糊规则。

规则1～规则3中：K、K1为比例因子；T为控制周期；Ti为累加因子；TD为超前因子。

规则4,(u4)=-K2·f(en)等百分比递减；

规则5,(u5)=Ts_[-K2·f(en)]定时等百分比递减；

规则6,(u6)=Ts_[K2·f(en)]定时等百分比递增；

规则7,(u7)=K2·f(en)等百分比递增。

规则4～规则7中：K2为比例因子；f(en)为其他“规则i”的运算模型；Ts为运算周期的定时器。

(6)反模糊化。

控制(精确)量：

OP=OP+u1；

OP=OP+u2；

OP=OP+u3；

OP=OP+u4；

OP=OP+u5；

OP=OP+u6；

OP=OP+u7。

汽包水位在PVL至PVH范围内，实施“规则1”运算控制，满足锅炉系统相对稳定的工作过程。

当汽包水位上升至[PVH，PVHH]区域或下降至[PVLL，PVL]区域后，由“规则2”“规则3”(模糊补偿器)对给水量进行修正。

当汽包水位上升至[PVHH，PVmax]区域或下降至[PVmin，PVLL]区域后，由“规则4”“规则5”“规则6”“规则7”(模糊补偿器)对给水量进行二次修正，然后进行模糊恢复修正水位的危险变化。

实施锅炉汽包水位自动给水智能控制技术的构成如图4所示。

图4 汽包水位智能控制构成图Fig.4 Constitution of drum water level intelligent control

实践证明：Fuzzy-PID混合控制对CFB锅炉汽包水位的给水调节，能够满足锅炉运行工艺参数，即汽包水位稳定在±50 mm范围内。

4 汽包水位智能控制实例

该自动控制系统应用在山西长治霍家工业霍氏自备电厂1台220 t/h CFB锅炉上，采用差压法进行测量，锅炉汽包水位基本稳定在±10 mm以内；该自动控制系统应用在陕西北元集团锦源化工热电分厂2台130 t/h CFB锅炉上，采用电容式进行测量，锅炉汽包水位基本稳定在±20 mm以内。可以看出：减弱了燃烧系统和排放等环节的干扰因素。

图5为山西霍家工业霍氏自备电厂220 t/h CFB锅炉汽包水位智能控制运行曲线,图6为陕西北元锦源化工热电分厂130 t/h CFB锅炉汽包水位手动与智能控制的运行曲线的比较情况。

经过长时间运行，证明CFB锅炉汽包水位智能控制有如下优势：汽包水位稳定，控制灵敏，安全可靠性高，有效避免了内、外扰动因素的干扰，满足了控制要求。

5 结语

热力锅炉的水位控制过程具有非线性、不稳定性、时滞等特点，传统的锅炉水位控制系统均采用串级三冲量PID控制，其控制性能稳定，但不能很好地解决“虚假液位”和外界较大干扰的问题。采用Fuzzy-PID混合控制有效避免了蒸汽负荷变化、燃烧工况变化和供水压力变化对汽包水位的影响，实现了锅炉的安全运行。

图6 130 t/h CFB锅炉汽包水位手动与智能控制的运行曲线的比较Fig.6 Comparison of drum water level curves between manually controlled and intelligently controlled 130-t/h CFB boiler