基于模糊PID的电厂循环水系统的优化控制

刘红梅　任红艳　丁盈

摘 要：目前发电厂循环水系统中还是通过启停水泵的数量来控制循环水流量，但是该控制方法无法连续调节循环水流量，使蒸汽机组的实际运行状态离最有利真空度位置差距较大。为了节约能耗，使蒸汽机组在最有利真空位置处运行，本文提出了通过变频器控制循环水泵的转速，使循环水流量能随循环水入口温度的不同而连续、精确变动。其中，变频器控制采用模糊PID控制算法，该算法结构简单，鲁棒性强。

关键词：发电厂；最有利真空度；循环水流量；PID控制

1 引言

发电厂的循环水系统是火力发电机组正常运行的一个重要辅助系统，由于某些原因，长期以来大部分还处于通过启停水泵的数量来控制循环水流量的粗糙调节状态，有的甚至处于不调状态，其经济性不高。因此，研究如何控制循环水泵流量的连续、精确调节，实现汽轮机的经济运行是非常有必要的。本文根据汽轮机的经济运行原理，提出了通过变频器控制循环水泵的转速进而调节循环水流量的方法。该方法能实现循环水流量的连续调节，使汽轮机组最大限度的工作在最有利真空度位置上，达到了经济运行的目的。

2 发电厂循环水系统工作原理

发电厂循环水系统主要由汽轮机末端排气缸、循环水泵、凝汽器、冷却塔等部分组成。汽轮机组运行过程中，乏汽由汽轮机末端排汽缸流入凝汽器中。这时就需要循环水泵将循环水送入凝汽器，由循环水与乏汽进行热量交换，冷却乏汽从而维持凝汽器的真空，使汽水循环得以继续[1-2]。

3 凝汽器的最有利真空度

在发电厂循环水系统中，可近似认为运行中的凝汽器的压力由循环水进水温度、蒸汽负荷和循环水流量共同决定。在极限真空内，提高真空度使蒸汽在汽轮机中的可用焓降增大，发电机的输出功率则会随之增加。循环水进水温度随四季变化而差距很大，一般取决于外界自然环境，因此在蒸汽负荷一定的条件下，可以通过控制循环水流量来达到提高凝汽器真空度的目的。但并不是真空度越高越好，因为随着真空度的增大，凝汽器需要更多的循环水冷却，所以循环水泵耗能会增加。因此一味地提高真空度不符合节能理念，达不到经济运行的目的。为了提高汽轮机组运行的经济性，可以让循环水系统在最有利真空位置处运行。

4 模糊PID控制算法

根据结构已定的汽轮机、凝汽器和循环水泵，由它们的特性能计算出凝汽器的最有利真空度和相应的最有利循环水流量。在蒸汽负荷不变的条件下，可根据循环水进水温度来实时追踪最有利循环水流量。为了使循环水流量的控制更精确，本文通过变频器控制循环水泵的转速来达到控制循环水流量的目的。在对变频器的控制上，采用具有一定自适应性的模糊PID算法[3]。

4.1 模糊控制原理

模糊理论最早是由Zadeh提出，是为了处理广泛存在的不精确、模糊的事件。现实生活中很多现象难以用经典的二值逻辑来描述，例如“流量比较大”、“转速过大”等。模糊算法通过建立隶属度函数，很好的解决了此类模糊问题。模糊控制器的原理图如图1所示，r（t）为系统设定值，e（t）为设定值与系统实际输出值之差。

4.2 模糊PID控制原理

将模糊算法与PID算法相结合就形成了模糊PID控制算法，其原理如图2所示。本文以变频器为被控对象，以最有利循环水流量作为控制系统的设定值r（t），通过建立循环水流量偏差e及偏差变化率ec与PID控制器中比例、积分、微分参数之间的模糊关系，选用循环水流量偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器和PID控制器的输入，模糊控制器输出PID算法中比例系数、积分系数和微分系数的修正量?kp、?ki、?kd，实时修正PID的参数。

5 实验仿真及分析

在MATLAB软件的Simulink中搭建模型，模拟最有利循环水流量的变动，对循环水系统进行仿真实验来验证其控制效果。本系统采用模糊PID算法，需要搭建模糊控制器和PID控制器，并将它们打包封装。在模糊控制器的设计中，其2个输入和3个输出都采用三角形隶属度函数，模糊集选择{NB（负大），NM（负中），NS（负小），NB（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。模糊控制规则库按以下原则建立：（a）当测得的实际循环水流量大于给定的最有利循环水流量时，增大变频器的频率从而使循环水泵的转速增大，增加循环水流量；反之，减小变频器频率使循环水泵转速减小，从而减小循环水流量。（b） 当实际循环水流量与最有利循环水流量的差值较大时，使控制量以消除误差为主；当差值较小时，使控制量防止超调过大和维护系统的稳定性为主。

由图3的仿真结果可知，当最有利循环水流量不断变化时，模糊PID算法能使系统快速响应，使实际循环水流量迅速跟踪最有利循环水流量且效果较好。

5 结束语

本文提出了通过变频器控制循环水泵的转速来控制循环水流量的方法，在变频调速控制策略上采用模糊PID算法，其具有一定的自适应性且控制精度高，能实现循环水流量的精确控制，使其保持在最有利循环水流量附近，使蒸汽机组最大限度的工作在最有利真空度位置上。

参考文献

[1]迟新利，刘禹林，韩希昌.循环水处理控制系统设计与应用[J].东北电力技术， 2006（1）.

[2]高正中，龔群英，赵丽娜，等.基于模糊Petri网和状态监测的井下水泵故障诊断[J].工矿自动化， 2016，42 （5）：28-31

[3]王岚，吴文.智能PID算法在变频恒压供水系统中的应用[J].电子器件， 2009（6）.