循環流化床鍋爐主蒸汽溫度控制系統及仿真

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摘要:為解決傳統循環流化床鍋爐主蒸汽串級PID溫度控制系統的大滯后、大慣性問題，基于Matlab建立了主蒸汽和鍋爐煙氣傳熱過程程序，通過調整減溫水量使鍋爐主蒸汽溫度控制在目標溫度范圍內。然后，將傳熱計算程序導入多模型切換控制系統仿真平臺，結果表明，基于傳熱計算的多模型切換控制系統成功解決了主蒸汽溫度的慣性大和延時大的問題，并且該控制系統能夠適應鍋爐負荷的變化。

關鍵詞:循環流化床鍋爐;主汽溫度;PID;控制系統

引言

傳統循環流化床鍋爐主蒸汽溫度控制采用串級PID控制系統，難以對鍋爐主蒸汽溫度進行精確控制。串級PID控制系統的主回路主要包括主調節器(PID控制器)、調節死區和主蒸汽溫度變送器。為了解決控制模型與參數不匹配問題，采用了可變參數PID控制器，該控制器根據控制量和目標量之間的差異實時調整參數比例微分積分的值，并且當受控模型發生變化時，提高系統的控制質量。然而，PID調節器的參數仍然是偏差或時間線性函數，主蒸汽溫度無法達到設定值，由于上述原因，AntonioNevado開發了一種自適應預測控制系統，稱為蒸汽溫度優化器(STO)，該自適應預測控制系統大大提高了控制精度和穩定性。項杰和董文博針對系統控制模型的不確定性和非線性串級PID溫度控制系統的控制對象，提出了一種基于BP神經網絡算法的非線性預測模糊變量控制系統，實驗和仿真結果驗證了該方法比線性控制算法對蒸汽溫度的控制效果更好。RayTK通過對具有實時運行參數的兩級SH調溫器進行火用分析，確定了優化路徑。但是，目前研究的控制方法主要是基于運行參數的估算計算量，本文將研究基于熱力學計算的控制程序以提高循環流化床鍋爐主蒸汽溫度的控制精度。

1主蒸汽換熱系統的設計計算

基于Matlab對循環流化床鍋爐主蒸汽換熱系統進行了模塊化設計。整個模塊分為計算模塊、換熱單元和輔助模塊，計算模塊分為物理參數、放熱計算、爐膛計算，換熱單元分為對流受熱面、半輻射受熱面和減溫水計算。在模型分析的基礎上，采用模塊化編程方法完成計算系統的編程。最后，將各模塊進行組合，并按計算順序將各換熱單元模塊進行連接，形成鍋爐主蒸汽換熱計算系統。換熱計算方法為:在已知循環流化床鍋爐過熱器主蒸汽入口溫度的情況下，將過熱器的出口主蒸汽溫度作為高溫過熱器的入口溫度，其傳熱計算分為熱段和冷段———高溫過熱器部分和過熱水的冷部分，通過計算過熱器出口主蒸汽溫度和過熱器入口主蒸汽溫度差，結合不同負荷條件下所對應的傳熱系數，計算得出控制主蒸汽出口溫度所需的減溫水量，并且在鍋爐工況變化的條件下，保證過熱器出口主蒸汽溫度恒定不變。

2基于傳熱計算的多模型切換主蒸汽溫度控制系統

在調溫器控制系統中，被控對象分為超前區和滯后區兩部分。研究時將主蒸汽控制系統的超前區和滯后區的傳遞函數簡化為一階慣性加純滯后傳遞函數。超前區的傳遞函數可以表示為:式中K為放大系數，T為時間常數，n為階數。可以通過實驗獲得上述引導區域參數，慣性傳遞函數的計算公式可以表示為:以30%鍋爐負荷為例，超前區域的傳遞函數為8．07/(24S+1)2，則滯后區傳遞函數為1．48/(46．6S+1)4，如圖1所示，等效一階慣量加純滯后傳遞函數為(1．48/108．5S+1)e－85S。該控制系統將傳熱過程與常規PID控制相結合，并引入切換功能。該切換函數通過對多模型切換指標的計算，將鍋爐被控對象切換到最接近對應的典型負荷控制模型，使控制參數與模型匹配，以達到預期的控制效果。如圖2所示的仿真系統是在30%負荷條件下建立的，由傳熱計算系統和多模型切換系統組成。換熱計算系統的輸入參數為結構參數和運行參數，減溫水量通過燃燒和熱平衡計算得出;當鍋爐負荷發生變化時，由S功能編寫的開關進行切換。

3多模型切換主汽溫度控制系統仿真

基于換熱計算的多模型開關主汽溫度控制系統，由典型負荷控制模型下的傳熱計算系統和換熱計算系統組成，并在不同的負荷條件下進行切換計算。主汽溫控制系統在五種典型負荷工況下的仿真結果如圖3所示。當鍋爐負荷變化時，多模型切換程序切換到與當前控制模型匹配的控制模型，以獲得理想的控制效果。仿真結果驗證了該多模型切換系統的有效性。隨著鍋爐運行負荷的增加，控制系統的響應時間和達到穩態的時間縮短。當鍋爐運行負荷降低時，系統能有效地降低超調。圖4顯示了鍋爐在50%負荷下運行的階躍響應曲線，該多模型切換程序將在仿真開始時進行切換，并準確地切換到最接近50%負荷的鍋爐負荷模型，仿真結果驗證了其準確性。由圖4仿真曲線可以看出，初始階段系統在30%負荷控制模式下運行。由于運行負荷不是典型負荷，經過多次模型切換，在系統運行約200s后，系統切換到44%控制模式然后自動輸出最佳校正因子，當被控對象處于接近44%負荷控制模型后，穩定了主汽溫度。根據以上仿真結果，基于傳熱計算的主汽溫度控制系統的控制效果要優于串級PID控制系統，主要是因為該系統可以快速消除系統的干擾。

4結論

本文對循環流化床鍋爐主蒸汽傳熱系統進行了模塊化設計計算，并與多模型系統切換控制系統結合，建立了主蒸汽溫度控制系統。該系統不僅成功解決了主蒸汽溫度的慣性大和延時大的問題，并且該控制系統能夠適應鍋爐負荷的變化，快速消除控制系統中的干擾，還可以將控制模型與控制器參數進行匹配。典型負荷條件下的仿真結果表明，隨著鍋爐運行負荷的增加，控制系統的響應時間和達到穩態的時間縮短。當鍋爐的運行負荷降低時，系統可以有效地減少超調，在非典型負荷條件下，控制系統可以連續切換模型以逼近鍋爐運行負荷。

參考文獻

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［3］洪烽，劉吉臻，高明明．基于蓄能深度利用的循環流化床機組動態優化控制［D］．北京:華北電力大學(北京)，2019．

作者：周帥 單位：太原鍋爐集團有限公司