火电厂锅炉汽包水位的智能控制研究

陈振山，高明帅，张红侠

（华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045）

0 引 言

中国一直是能源消耗大国，国家的主要能源供给来源于煤炭，因此火力发电厂是主要的煤炭能源消耗单位。在火力发电厂安全生产发电的过程中，锅炉是最重要的生产设备之一，其中水位、压力和温度是锅炉安全生产和稳定运行的重要指标。水位过高会影响汽水分离，从而产生汽带水现象；水位过低则会影响汽水循环，使得锅炉局部温度过高而产生危险事故。因此，对于火力发电厂锅炉运行而言，汽包水必须要实施稳定可靠的自动调节与控制。

本论文主要结合锅炉运行过程中汽包水控制的特点及其控制现状，有针对性的提出面向火力发电厂汽包水的智能自动控制策略与措施，以期从中能够找到合理有效的汽包水自动控制方案，并以此和广大同行分享。

1 锅炉汽包水控制概述

1.1 汽包水特性分析

所谓汽包，就是指锅筒，是锅炉运行中最为重要的受压元件。汽包内有汽水分离装置，实现汽水分离，有一定的饱和水量，具有一定的蓄热能力，并缓和汽压的变化速率，但是汽包中汽水分离的过程受到汽包水位的影响，水位过高会影响汽水分离，从而产生汽带水现象；水位过低则会影响汽水循环，使得锅炉局部温度过高而烧坏锅炉。

锅炉在运行时，汽水平衡是很重要的一个运行指标。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是以被调量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。

近年来，随着锅炉容量和压力的不断升级，锅炉汽包水位的控制精度要求也逐渐提高，汽包水位的控制由过去单纯的控制水位一个指标发展到不仅仅要控制水位，还要控制汽水分离率、汽水循环率等多指标控制，因此汽包水位控制的难度也逐渐加大。

1.2 汽包水控制现状

过去对于锅炉汽包水水位的控制，采用常规仪表结合操作工人的手动操作控制实现对汽包水位的控制，由于锅炉汽包水位具有强非线性、大时滞等特点，传统常规仪表仅仅能够实现带冲量的控制，无法实现受控过程的控制，因此控制效果并不理想；而手动操作在很大程度上又取决于操作工人的经验，因此传统的控制手段无法改变锅炉高能耗运行的状态，并且锅炉运行的安全性和稳定性无法得到有效的保证。

随着微处理器技术的发展和计算机控制技术的发展，逐渐出现了PID控制器。利用PID控制器来控制汽包水位，尽管对于系统而言，系统控制误差大大缩小了，控制的精度相比于过去的传统手动控制有了大幅提升，但是利用PID控制器实现的汽包水位控制，系统不稳定且很容易产生虚假水位现象，难以获得较好的控制效果。

针对上述传统的汽包水位控制模式在实际应用中的诸多不足，本论文拟将模糊自适应控制方案应用于锅炉的汽包水位控制中，不依赖汽包水位数学模型的任何信息，只需要汽包的输入输出数据，既可以消除虚假水位现象，又能克服各种扰动，从而实现汽包水位的自动化智能化控制的目的。

2 锅炉汽包水位的智能控制设计研究

2.1 汽包水位的测量分析

长期以来，汽包水位的测量一直是实现锅炉汽包水位智能控制的难点问题。汽包水位是由汽包水位传感器实现水位监测的，但是传感器本身具有一定的可靠性，一旦传感器故障就会导致运行人员误判断、误操作，水位预警失灵，停炉保护拒动，这会造成重大的锅炉安全事故。因此，汽包水位的测量一直是工业控制过程中的一个难点。

针对传统的汽包水位测量的不足，本论文提出多传感器融合测量的思想，因为究其本质而言，汽包水位的测量实质上是对给水量和蒸汽量的测量，进而实现二者之间的平衡。因此，改变过去传统的单纯依靠汽包水位传感器测量的方法，改为依靠对给水量测量和蒸汽量测量进而实现控制汽包水位的目的。那么如何可靠的实现对给水量和蒸汽量的测量呢？这里需要引入传感器融合的思想，即采用多个传感器同时分别监测给水量和蒸汽量，将传感器本身的可靠性纳入考虑范围，将多个传感器分别监测到的给水量和蒸汽量，结合传感器自身的可靠度进行数据融合，最终得出可信度较高的蒸汽量和给水量，而控制系统根据所监测到的给水量和蒸汽量进行自动的智能化控制，调节给水量或者蒸汽量的大小，进而达到控制汽包水位的目的。那么究竟如何结合传感器本身的可靠度进行给水量或者蒸汽量的监测呢？

以给水量为研究对象，可以假设：令H1表示给水量传感器存在故障，H0表示给水量传感器无故障，N个本地给水量传感器分别收到k个未经处理的原始数据向量Xi后，

其中 Xi＝ ［xi，1，xi，2，…，xi，k］，i＝1，2，…，N，xi，j∈ ｛0，1｝；

分别在本地作出一个b位（b≤k）的决策向量Ui＝ ［ui，1，ui，2，…，ui，b］，i＝1，2，…，N，ui，j∈ ｛0，1｝；

各个给水量传感器的侦测正确的概率为Pd＝P［xi，j＝1｜H1］，1≤i≤N，1≤j≤k；

误报概率为Pf＝［xi，j＝1｜H0］，1≤i≤N，1≤j≤k。

本地决策向量集 ［U1，U2，…，UN］传输到融合中心，由于给水量传感器都不是绝对理想的，存在一定程度的噪声，因此决策中心接收到的向量集为 ［R1，R2，…，RN］，其中

式中，σ为给水量传感器信号的平均信噪比，gi，j为服从标准正态分布的独立高斯变量，gi，j～N（0，1），附加噪声ni，j也服从正态分布，ni，j～N（0，1）。

融合中心的全局一位决策u0是基于向量集［R1，R2，…，RN］的，中心的侦测及误报概率分别为PD和PF，有PD＝p［u0＝1｜H1］，PF＝p［u0＝1｜H0］。

为衡量决策规则的性能，必须计算侦测与误报概率，从而为基于给水量传感器可靠性的多传感数据融合提供支撑。由此可见，利用这种多传感器的数据融合的方法，其实质是将无模型自适应控制的方案应用于锅炉的汽包水位控制中，不依赖汽包水位数学模型的任何信息，只考虑传感器监测的数据信息，同时将传感器本身的可靠度纳入考虑范围，只需要汽包的输入输出数据，既可以消除虚假水位现象，又能克服各种扰动。

2.2 锅炉汽包水位控制方法

上文分析了锅炉汽包水位的监测方法，提出了基于传感器本身可靠度的多传感器数据融合监测方法，摆脱了过去由单一水位传感器实现水位监测的诸多不足，不受具体的数学模型限制，大大提高了锅炉汽包水位的监测准确性。那么在实现了汽包水位准确监测的基础上，如何实现对汽包水位的智能控制呢？从上面的分析可以看出，由于是采用分别监测给水量和蒸汽量的方法实现汽包的输入量和输出量的监测的，因此对于汽包水位的控制，就需要从汽包输入量和输出量的控制入手实现。

（1）给水量的控制

改变过去采用定速水泵供给锅炉汽包的传统方式，这是因为采用定速水泵供给水量，一旦锅炉汽包水位发生明显变化时，定速水泵调节供给水量的速度跟不上汽包水位发生变化及导致恶化事故的速度，容易造成较大的安全事故隐患，因此定速水泵目前普遍应用于小型的锅炉系统。对于大型锅炉系统，现在普遍采用单级三冲量控制系统供给水量。

给水量的控制通常容易受到给水压力、汽包压力、调节阀开度等因素的干扰，造成产生虚假水位，给汽包水位的控制带来了难度；而单级三冲量控制系统恰恰解决了虚假水位的问题，这主要是因为采用单级三冲量控制系统，能够将汽包输出量——蒸汽量作为前馈信号，将给水量发生扰动之后的给水量信号作为局部反馈信号。调节器根据这两个反馈信号自动控制调节阀的开度，进而实现给水量的控制，消除了给水量扰动带来的影响，以及虚假水位带来的汽包保护器的误动作，大大提高了给水量的控制精度，如图1所示。

图1 给水量控制系统结构图

（2）蒸汽量的控制

蒸汽量的控制通常需要明确知道系统出口处的压力、温度、湿度、粘度等参数，才能够计算出系统的输出蒸汽量，这样的处理过程不仅需要进行大量的计算，同时对于系统而言，蒸汽量的控制精度也并不高。因此，对于蒸汽量的控制，同样道理，可以将汽包水位控制系统的输入量——给水量作为前馈信号，由汽包内的汽水分离器件实现汽水分离，并数字化控制蒸汽量的输出，进而达到控制系统蒸汽量输出的目的，如图2所示。

图2 蒸汽量控制系统结构图

控制了系统的输入量给水量和输出量蒸汽量，即可实现对锅炉汽包水位的自动化智能化控制，但是在控制过程中，还有很多具体的技术问题，有待于广大技术人员共同努力去解决。

3 结 语

本论文以应用在火力发电厂领域中的锅炉为研究对象的载体，以锅炉运行过程中的汽包水位为具体研究对象，详细分析探讨了传统汽包水位控制方法在实际应用中所暴露出来的诸多不足与问题，有针对性的提出了基于模糊自适应控制的方案，将其应用于锅炉的汽包水位控制中，并分析研究了其中的技术问题，提出了具体的汽包水位智能化控制设计措施，对于进一步提高我国火力电厂锅炉汽包水位的智能化控制水平具有较好的理论和实践指导意义。当然，更多的具体的汽包水位控制策略与技术方案有待于广大热工专业技术人员的共同努力，才能够最终实现火电厂锅炉汽包水位控制水平的大幅提升。

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