垃圾焚燒爐汽包水位的模糊控制

1、垃圾焚燒爐汽包水位的模糊控制             垃圾焚燒爐汽包水位的模糊控制 趙亞軍，周潔，浦興國，袁鎮(zhèn)福 (浙江大學(xué)熱能工程研究所能源潔凈利用與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)    摘要：針對循環(huán)流化床生活垃圾焚燒鍋爐熱負(fù)荷波動較大，給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性差的狀況，專門設(shè)計(jì)的鍋爐汽包水位模糊三沖量串級自動控制系統(tǒng)，采用調(diào)節(jié)參數(shù)模糊智能自調(diào)整，主副回路采用異步控制方式，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行線性化處理等策略。有效提高調(diào)節(jié)品質(zhì)

2、，將水位控制在較小的波動范圍，滿足垃圾發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的要求。    關(guān)鍵詞：模糊控制；汽包水位；垃圾焚燒Fuzzy control for steam drum level of waste incinerator ZHAO Yajun，ZHOU Jie，PU Xingguo，YUAN Zhenfu (Institute of Thermal Power Engineering，Clean Energy and Environment Engineering Key Lab of Ministry of Education，Zhejiang University，H

3、angzhou 310027，China)    Abstract：Municipal waste CFB incinerator is usually faced with problems such as furnace heat load fluctuation in large scope and low regulation resolution of main control feedwater valve，a 3element fuzzy control system is used to modulate PID control parameter

4、s in an online way.The inner and outer control loops in the control system are operated asynchronously to effectively decrease regulation time and improve regulation precision.Key words：fuzzy control；drum water level；waste incineration0引言循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、投資省等優(yōu)點(diǎn)，近些年被許多熱電廠用來焚燒處理城市生活垃圾，既減少了環(huán)境污染，又利用垃圾熱量供

5、熱和發(fā)電，產(chǎn)生很大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前電廠焚燒的垃圾基本未經(jīng)分檢，使得垃圾的熱值、水分含量等變化范圍較大，極易造成燃燒狀況不穩(wěn)定。燃料擾動較大，鍋爐燃燒控制難度大，也增加了汽包水位調(diào)節(jié)的難度。此外，大多垃圾焚燒電廠的設(shè)備投資相對較少，配置的主給水電動調(diào)節(jié)閥門和旁路給水調(diào)節(jié)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)性能較差，在很大程度上增大了水位自動控制回路整定的難度。因此典型的三沖量PID控制方式已不能達(dá)到汽包水位自動調(diào)節(jié)的要求。擬采用三沖量串級控制結(jié)合PID參數(shù)模糊自整定的復(fù)合控制方式，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自動調(diào)整，使控制回路 具有自適應(yīng)性能。調(diào)試結(jié)果顯示，在不同鍋爐負(fù)荷條件下，采用以上復(fù)合式控制策略能夠較好

6、地克服上述水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身的缺陷，并兼顧快速性和穩(wěn)定性等調(diào)節(jié)品質(zhì)要求，取得了較好的效果。1模糊三沖量水位控制原理汽包水面以下的水容積中是飽和水和蒸汽的混合物，含有大量汽泡，其體積會隨著鍋爐蒸發(fā)量、給水量和爐膛熱負(fù)荷而變化，因此存在“虛假水位”現(xiàn)象。影響汽包水位H的主要因素有：蒸汽流量D、給水量W和熱負(fù)荷R。因此，汽包水位動態(tài)特性方程有點(diǎn)類似于雙容水槽的水位控制動態(tài)特性，可以表示為：式中T1、T2是水位項(xiàng)時(shí)間常數(shù)；TW，TD分別是給水流量項(xiàng)和蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)；W，D分別是給水流量項(xiàng)和蒸汽流量項(xiàng)的比例放大系數(shù)。引起汽包水位變化的主要擾動因素是蒸汽流量和給水量。相比之下，熱負(fù)荷的擾動所引起的水位

7、變化的時(shí)間常數(shù)較大，其“虛假水位”的幅值相對較小。因?yàn)闊嶝?fù)荷突然增加會使汽包水容積中汽泡容積增加，水位上升。由于蒸汽流量不變，汽包壓力增大會使汽包水容積中汽泡容積減小，對水位上升產(chǎn)生一定的抑制作用。因此給水量w的擾動可看成主要內(nèi)擾因素，而蒸汽流量D的擾動是外擾。在進(jìn)行控制系統(tǒng)整定調(diào)試前分別進(jìn)行內(nèi)、外擾動下的水位響應(yīng)特性試驗(yàn)，獲取相應(yīng)的遲延時(shí)間和響應(yīng)速度，計(jì)算初始調(diào)節(jié)參數(shù)。模糊三沖量串級控制回路如圖1所示。系統(tǒng)由主、副兩回路組成，主回路的輸出作為副回路的輸入，從而構(gòu)成串級回路結(jié)構(gòu)。主回路以水位作反饋量。副回路以給水量作反饋量，能及時(shí)消除給水壓力變化等內(nèi)擾。同時(shí)以蒸汽流量作前饋量，使得給水量的調(diào)節(jié)

8、能快速跟蹤蒸汽流量的變化。針對垃圾焚燒電廠給水電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能較差的狀況，將副回路也設(shè)定為比例積分環(huán)節(jié)，有利于消除 給水量調(diào)節(jié)的靜差。當(dāng)鍋爐用汽負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，由于產(chǎn)汽量不能及時(shí)適應(yīng)用汽量的變化，會導(dǎo)致汽包壓力改變而發(fā)生虛假水位現(xiàn)象，使得汽包水位的改變對于蒸發(fā)量的變化有較大的滯后，所以主回路的調(diào)節(jié)周期不宜過小。而給水量的擾動影響汽包水位較迅速，副回路相對主回路是一個快速響應(yīng)環(huán)節(jié)。因此主副回路采用異步控制方式，可以減少控制過程中水位的超調(diào)量和波動，提高水位調(diào)節(jié)速度。整定試驗(yàn)得主副回路調(diào)節(jié)周期比在5左右具有較好的控制效果。在模糊三沖量串級控制系統(tǒng)中主、副回路均 采用模糊PI控制算法，PI算法采用

9、增量式：模糊控制模塊Fuzzy1和Fuzzy2用來實(shí)現(xiàn)PI控制參數(shù)智能自調(diào)整功能，也就是當(dāng)水位偏差e1、給水量偏差e2和水位偏差變化率較大時(shí)，采用較大的調(diào)節(jié)量，增大比例增益Kp，減小積分時(shí)間TI；當(dāng)偏差e1和e2較小時(shí)，采用較小的控制量，縮小比例增益Kp，增大積分時(shí)間TI。采用模糊控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)積分分離功能，可以有效地加快水位調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間，減小超調(diào)量，盡可能實(shí)現(xiàn)最小拍控制。2模糊自整定PI參數(shù)控制器設(shè)計(jì)2.1模糊化模糊控制策略的實(shí)質(zhì)是分區(qū)域調(diào)整汽包水位控制回路中的PI控制參數(shù)Kp和KI。PI參數(shù)Fuzzy自整定控制器在常規(guī)PI調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上，應(yīng)用Fuzzy集合理論建立參數(shù)KP、KI與偏差絕對

10、值e和偏差變化率絕對值間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系，并根據(jù)不同的e和在線自調(diào)整參數(shù)Kp、KI。二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為：在模糊控制過程中，當(dāng)汽包水位接近設(shè)定值，即偏差和偏差變化率的絕對值較小時(shí)，傳統(tǒng)的模糊控制方法失去作用，從而導(dǎo)致模糊控制規(guī)則失效。我們使用了下面的控制策略，方法如下：從而得到變換后的e和e，其動態(tài)范圍大大壓縮，再將其模糊化為兩個模糊變量E和Ec，兩者均包含模糊集B，M，S，B代表大，M代表中，S代表小，即2.3模糊推理根據(jù)系統(tǒng)采樣和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，按下列參數(shù)整定函數(shù)得到控制器參數(shù)為：    式(7)和式(8)中，j(E，Ec)隸屬值為 由此，建立了PI控制器

11、參數(shù)Kp，KI與偏差及其變化率Ec之間的模糊函數(shù)關(guān)系，應(yīng)用此函數(shù)實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的模糊在線自整定，滿足了系統(tǒng)在不同E、Ec下對控制器參數(shù)的不同要求。3給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能線性化該垃圾焚燒鍋爐使用的給水調(diào)節(jié)閥本身的線性度不是很好，同時(shí)由于所配置的電動操作器的不靈敏區(qū)較大和安裝質(zhì)量問題，致使給水調(diào)節(jié)閥的上行與下行存在很大的回差，以及較差的調(diào)節(jié)分辨率(約為1.52.5)，給水流量的最小調(diào)節(jié)變化量為2t/h左右，嚴(yán)重影響給水調(diào)節(jié)的質(zhì)量。此外，調(diào)節(jié)閥漏水量很大，閥門開度在0時(shí)，漏水量為14t/h左右。閥門可調(diào)節(jié)開度范圍較窄，約為50左右。當(dāng)閥門開度開大至80后基本失去調(diào)節(jié)能力，但此時(shí)給水量達(dá)42t/h以上，已

12、超過鍋爐的額定蒸發(fā)量。上述閥門調(diào)節(jié)性能很難達(dá)到自動控制的要求。為給水自控回路有較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在模糊PI控制器與調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間增加一個線性化處理器。即在對調(diào)節(jié)閥的全程調(diào)節(jié)特性進(jìn)行細(xì)致測試的基礎(chǔ)上，將給水流量與閥門開度的關(guān)系擬合成多項(xiàng)式。PI控制器以給水量作為輸出量，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋的開度和調(diào)節(jié)方向，計(jì)算比較精確的閥門開度調(diào)節(jié)量輸出到調(diào)節(jié)閥。達(dá)到調(diào)節(jié)特性線性化的目的。閥門上行時(shí)的多項(xiàng)式如式(14)，下行時(shí)k為閥位反 饋值加30。4整定試驗(yàn)結(jié)果當(dāng)鍋爐用汽負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，由于產(chǎn)汽量不能及時(shí)適應(yīng)用汽量的變化，會導(dǎo)致汽包壓力改變而發(fā)生虛假水位現(xiàn)象，使得汽包水位的改變對于蒸發(fā)量的變化有較大的滯后，

13、所以主回路的調(diào)節(jié)周期不宜過小。而給水量的擾動影響汽包水位迅速。垃圾焚燒鍋爐汽包水位自動控制系統(tǒng)的主副回路采用異步控制可以減少控制過程中水位的波動。整定試驗(yàn)得主副回路調(diào)節(jié)周期比確定在5左右，具有較好的控制效果。對采用模糊三沖量串級控制策略的垃圾焚燒鍋爐汽包水位自動控制系統(tǒng)的各調(diào)節(jié)參數(shù)整定后 進(jìn)行的擾動試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。圖2為水位階躍試驗(yàn)的水位跟蹤曲線。試驗(yàn)過程中，蒸汽流量保持29.7t/h基本不變。給水量從31.2t/h快速調(diào)高至33.4t/h，使水位偏離設(shè)定值至60mm時(shí)由手動切換為自動控制。從圖2曲線可看出：峰值時(shí)間tp約為87s；調(diào)節(jié)時(shí)間ts約為156s；水位波動范圍±12

14、mm；衰減率約為76。能很好滿足鍋爐水位調(diào)節(jié)要求。多次試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)節(jié)振蕩次數(shù)平均為1.5次，近似于 單拍調(diào)節(jié)。說明結(jié)合模糊控制技術(shù)的三沖量串級水位調(diào)節(jié)效果良好。圖3為蒸發(fā)量階躍試驗(yàn)的水位跟蹤曲線。試驗(yàn)時(shí)先停止垃圾給料，鍋爐保持低負(fù)荷運(yùn)行，蒸汽流量降至2226t/h左右，手動調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)閥，直至汽包水位維持在±15mm內(nèi)，保持給水流量不改變。然后逐漸加大垃圾給料速度，提高爐內(nèi)熱負(fù)荷，引起蒸發(fā)量增加，汽包水位在3min內(nèi)逐漸下降至50mm左右時(shí)將給水調(diào)節(jié)投入自動方式。圖中過渡曲線的峰值時(shí)間tp約為70s，調(diào)節(jié)時(shí)間ts約為144s，tp和ts都較小，反映了系統(tǒng)能對輸入信號快速響應(yīng)。水位波動范圍±13mm；衰減率約為68。經(jīng)過二拍振蕩后已逼近目標(biāo)值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)有較快的收斂性。5結(jié)論(1)針對循環(huán)流化床生活垃圾焚燒鍋爐熱負(fù)荷波動較大，給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性差的狀況，專門設(shè)計(jì)的鍋爐汽包水位模糊三沖量串級自動控制系統(tǒng)能將水位穩(wěn)定地自動控制在較小波動范圍內(nèi)(±13mm)，滿足垃圾發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的要求。(2)采用模糊控制策略實(shí)現(xiàn)積分