基于模糊控制的火力发电厂给水控制系统研究

杨贺强

（上海新华控制技术集团科技有限公司，上海 200241）

电力作为国民经济发展的核心，在促进人类社会发展和科技进步方面发挥着十分巨大的作用，火力发电是一种通过燃烧煤炭等可燃物，对锅炉进行加热，产生大量高温高压的水蒸气，推动发电机组运行的发电方式，占据了整个社会发电量的60%以上。给水控制系统主要是通过对中间点温度的控制实现在发电过程中锅炉燃水比的恒定，从而实现对锅炉蒸汽温度和压力的控制，满足不同工况下的给水量的需求，作为火力发电机组的核心，给水系统直接关系到火力发电的稳定性和经济性，随着大容量机组的不断投入应用，发电过程中锅炉的热负荷越来越多，现有给水控制系统的控制精度、反应速度等均无法满足火力发电安全控制的需求，因此，本文提出了一种新的基于模糊控制的火力发电厂给水控制系统，采用自适应模糊控制的方案，不仅能够满足对给水控制过程的连续跟踪控制需求，而且能够实现在控制过程中针对不同的工况进行自适应调节，有效地提升了给水控制的精确性和及时性，对提升火力发电的经济性和安全性具有十分重要的意义。

1 基于模糊控制的给水控制系统

火力发电厂的发电机组的运行负荷一般是大于30%的额定负荷，在此情况下，主要处在直流运行阶段，此时，给水控制系统主要通过控制锅炉过热器出口温度来满足对过热蒸汽温度的调整，进而实现对锅炉运行燃水比的精确控制，由于锅炉内的水在沸腾的过程中产生的过热蒸汽具有极大的不稳定性，因此，对给水控制系统的控制扰动巨大，导致出现控制延迟和控制精度不足的现象，因此，在控制系统内增加了PID 模糊控制。同时，为了提升对给水控制的精确性，提出了采用基于中间点汽温控制的串级控制系统，系统的主控制回路为中间点温度控制，同时，增加了给水流量辅助控制回路，满足以温度变化调整给水量的控制需求，该基于模糊控制的给水控制系统整体结构如图1 所示。

图1 基于模糊控制的给水控制系统示意图

由图1 可知，在该控制系统中设置了2 个PID 模糊控制器，系统以分离器出口处的温度为控制变量，模糊控制器1根据系统预设的温度控制给定值调整锅炉内的水量和高温蒸汽的压力，同时，设置在分离器出口处的温度传感器对分离器出口处的实际温度进行监测，将监测结果反馈给入口处的信号处理器，经过模糊控制器1 的分析处理，输出调节控制信号，同时，在系统内还设置有模糊控制器2，该控制器用于对给水流量进行分析调节，和模糊控制器一起实现对锅炉工作过程中分离器出口温度的精确控制。该模糊控制系统的优点在于采用了双通道、双重闭环调节控制模式，以出口处蒸汽温度为主闭环调节控制，以给水流量调整为辅助闭环调节控制，实现了对给水控制系统的快速、精确控制。

2 自适应模糊控制原理

为了提升该模糊控制系统的控制精确性，满足不同工况下的快速调整控制需求，在控制逻辑中加入了自适应控制算法，形成了自适应模糊调节控制，在控制过程中，以系统设定值r 作为控制变量，以系统设定值r 和实际被控量y 之间的偏差e 作为实际的调节控制量，由于在实际工作过程中系统的被控量及调节量均存在一定的偏差，因此，为了确保调节控制的精确性，需要根据系统控制逻辑和影响调节准确性的因素对偏差量e 进行一定的调节修正，自适应算法实际上就是根据在实际应用过程中对被控量和设定值之间变化情况的收集，设定一个逻辑控制变量，在应用过程中自动对偏差进行修正，最终输出实际的控制量u，能够最大程度地确保对给水系统温度和给水量调节的精确性，提升发电机组的运行稳定性，该自适应模糊控制原理如图2 所示。

图2 自适应模糊控制原理示意图

3 给水控制系统应用效果分析

为了对该模糊控制系统的实际应用效果进行分析，本文以某火电厂超临界机组的给水控制系统为改造对象，对其控制系统进行改造，加入模糊控制逻辑，提升对扰动情况下的实际应用效果，在扰动下，机组的中间点温度标幺值变化情况如图3 所示。

图3 不同控制模式下机组中间点温度标幺值变化情况

由图3 可知，在不同的控制系统下，当有扰动信号时新的模糊控制系统和传统的控制系统作用下的机组中间点温度标幺值均出现了波动。当在传统控制模式下，机组的中间点温度标幺值最大约为1.3°，当采用新的模糊控制系统时，最大约为1.1°，比优化前降低了15.4%。在传统控制模式下出现扰动后，机组恢复到正常状态所需的时间为1000s，而当采用新的模糊控制系统后，机组恢复时间约为100s，比优化缩短了90%，显著的增加了火电机组运行的稳定性和温度调节的灵敏性，对提升火电机组给水控制的精确性具有十分重要的意义。

为了对该模糊控制系统在干扰情况下的控制稳定性进行分析，设置在系统运行到500s 时加入一个扰动信息，则在不同控制方案下，控制系统的动态性能变化如表1 所示。

表1 干扰情况下不同控制方式调节特性表

由表1 可知，当在系统中加入一个干扰信号以后，由于在系统中有一个相对较大的控制延迟，因此，会导致系统整个的调节周期的信号超调值的变大，采用模糊控制方案下系统的超调值比传统控制方案降低了33.1%，衰减率比传统控制方案增加了1.1%，上升时间比优化前降低了25.9%，调节时间比优化前降低了9.8%，由此可知当采用模糊控制方案的情况下，系统消除干扰的时间和信号超调值均要优于传统的控制方案。根据实际分析可知，采用模糊控制方案的情况下，给水控制系统的运行稳定性和抗干扰能力均显著的优于传统的控制方案，满足大容量机组的精细化调节控制需求。

4 结语

针对现有的给水控制系统无法满足大容量机组对给水系统运行稳定性和控制精度需求的现状，本文提出了一种新的基于模糊控制的火力发电厂给水控制系统，采用自适应模糊控制的方案，不仅能够满足对给水控制过程的连续跟踪控制需求而且能够实现在控制过程中针对不同的工况进行自适应调节，根据实际应用表明：

（1）基于模糊控制的给水控制系统采用了双通道、双重闭环调节控制模式，以出口处蒸汽温度为主闭环调节控制，以给水流量调整为辅助闭环调节控制，实现了对给水控制系统的快速、精确控制。

（2）采用新的基于模糊控制的方案，机组受扰动时机组的中间点温度标幺值的最大值比优化前降低了15.4%，稳定时间比优化前缩短90%，显著地增加了火电机组运行的稳定性和温度调节的灵敏性。

（3）采用模糊控制方案下系统的超调值比传统控制方案降低了33.1%，衰减率比传统控制方案增加了1.1%，上升时间比优化前降低了25.9%，调节时间比优化前降低了9.8%，系统消除干扰的时间和信号超调值均要优于传统的控制方案。