锅炉汽温调节系统控制策略的优化研究.pdf

105现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 7 期2024 年 4 月Vol.3 No.7Apr.2024锅炉汽温调节系统控制策略的优化研究孙少华，肖 飞，孙承志，籍庆洲国家能源集团华北电力有限公司廊坊热电厂，河北廊坊 065000摘 要：锅炉汽温调节系统的控制策略优化是提高锅炉系统效率和稳定性的关键一环。通过对锅炉汽温调节系统的控制算法和参数进行优化，可以实现锅炉运行的精确控制和优化能源利用。介绍了引起锅炉汽温调节系统变化的因素，进而分析了锅炉汽温调节系统的控制优化策略，包括经典控制与现代控制两种方式，确保提高锅炉系统的温度稳定性和响应速度。这些优化应用为锅炉运行提供了更精确和高效的控制手段，并对提升锅炉系统的性能和节能效果具有重要意义。关键词：火电厂；锅炉；主汽温度；控制策略中图分类号：TM621.2 文献标识码：AOptimization Application of Control Strategy for Boiler Steam Temperature Regulation SystemSun Shaohua,Xiao Fei,Sun Chengzhi,Ji QingzhouLangfang Thermal Power Plant of National Energy Group North China Electric Power Co.,Ltd.,Langfang,Hebei 065000Abstract:The optimization application of control strategy for boiler steam temperature regulation system is a key link in improving the efficiency and stability of the boiler system.By optimizing the control algorithm and parameters of the boiler steam temperature regulation system,precise control of boiler operation and optimized energy utilization can be achieved.This article introduces the factors that cause changes in the boiler steam temperature regulation system,and then analyzes the control optimization strategies of the boiler steam temperature regulation system,including classical control and modern control methods,to ensure the improvement of temperature stability and response speed of the boiler system.These optimized applications provide more precise and efficient control methods for boiler operation,and are of great significance for improving the performance and energy-saving effect of boiler systems.Keywords:thermal power plants;boiler;main steam temperature;control strategy作者简介：孙少华（1986），男，硕士，国家能源集团华北电力有限公司廊坊热电厂运行部主任，研究方向为火力发电厂集控运行。锅炉作为工业和生活中重要的热能设备，对于保障生产和供热的稳定运行至关重要。而锅炉汽温的调节对于锅炉运行的稳定性和效率有着关键影响。因此，优化锅炉汽温调节系统的控制策略成为提高锅炉系统性能的重要研究方向。传统的锅炉汽温调节系统常常采用经验性的控制方法，例如PID（Proportional比例、Integral积分、Differential微分）控制算法。然而，由于锅炉系统存在复杂的非线性和时变特性，传统的控制方法难以满足精确控制和高效稳定的要求。为此，许多研究人员和工程师致力于优化锅炉汽温调节系统的控制策略，并应用先进的控制算法和智能化的调节器。其中，模糊控制、神经网络控制、模型预测控制等先进控制算法的应用，可以有效地克服锅炉系统时变性和非线性问题，提高系统的稳定性和响应速度1。此外，智能化的调节器如模糊PID控制器、自适应控制器等，能够根据锅炉系统的实时状态和特性，自动调整控制参数，进一步提高控制精度和稳定性。1 引起锅炉汽温调节系统变化的因素1.1 主蒸汽压力的变化主蒸汽压力的变化会导致锅炉汽温的波动，因此在优化锅炉汽温调节系统的控制策略时，需要考虑主蒸汽压力的变化。主蒸汽压力的变化一般由以下几个因素引起。（1）负荷变化：负荷的增减会导致主蒸汽压力的变化。当负荷上升时，锅炉需要提供更多的蒸汽，主蒸汽压力会相应增加。相反，负荷下降时，锅炉需要提供更少的蒸汽，主蒸汽压力会相应降低2。1062024 年 4 月第 3 卷第 7 期现 代 工 程 科 技106（2）给水温度的变化：给水温度的变化会直接影响主蒸汽压力。在给水温度升高的情况下，由于水的热胀冷缩性质，水对蒸汽的压力会增加，从而提高主蒸汽压力。相反，给水温度降低则会导致主蒸汽压力降低。（3）进口煤炭质量的变化：进口煤炭质量的变化对锅炉系统的运行有着重要的影响。煤炭的不均匀燃烧和燃烧质量的下降可能导致锅炉内部压力的改变，进而影响主蒸汽压力1。对于锅炉汽温调节系统的优化应用，需要考虑主蒸汽压力的变化，并采取相应的控制措施。例如，可以通过调整燃料供给和空气调节，控制煤炭的燃烧质量，稳定主蒸汽压力。此外，采用先进的控制算法和智能化的调节器，如模糊控制和神经网络控制，可以根据主蒸汽压力的变化，及时调整控制参数，实现对锅炉汽温的精确控制。1.2 锅炉负荷的变化随着不同工况和需求的变化，锅炉负荷会不断调整，因而引起锅炉汽温的变化。在优化锅炉汽温调节系统的控制策略时，需要充分考虑锅炉负荷的变化因素。锅炉负荷的变化主要有以下几个方面。（1）生产需求的变化：随着产业生产的需求发生变化，锅炉负荷会相应调整。当生产需求增加时，锅炉需要提供更多的热能，负荷增加，从而增加了锅炉的热输出。相反，当生产需求减少时，锅炉的负荷会相应减少3。（2）气候条件的变化：不同季节和气候条件的变化会直接影响锅炉的负荷。例如，在冬季寒冷的时候，锅炉需要提供更多的热能来满足供暖需求，负荷增加。而在夏季温暖的时候，锅炉的负荷通常较低。（3）能源供应的变化：锅炉负荷还可能受到能源供应的变化影响。例如，原料供应的波动或能源价格的变化都可能导致锅炉负荷的调整。针对锅炉负荷的变化，需要在锅炉汽温调节系统中应用相应的控制策略。例如，通过自适应控制算法来实时监测和调整燃烧系统中的燃料供应量，以满足变化的负荷需求。此外，采用先进的调节器和控制技术，如模型预测控制和模糊PID控制，根据负荷变化及时调整控制参数，实现对锅炉汽温的精确控制。1.3 炉膛火焰中心位置的影响火焰中心位置的变化会直接影响炉膛内的温度分布和热量传递，从而引起锅炉汽温的波动。在优化锅炉汽温调节系统的控制策略时，需要考虑炉膛火焰中心位置的影响。炉膛火焰中心位置的变化主要受以下几个因素的影响。（1）燃料供给系统：燃料供给系统的调整会直接影响炉膛火焰中心位置。例如，通过调整煤粉供给的速度和位置，可以控制火焰中心位置的迁移。不同的供给方式和燃烧器调整策略会导致火焰中心位置的偏移。（2）调节风量和风压：空气的供给对于火焰中心位置的控制也具有重要影响。通过调整风量和风压，可以控制炉膛内的氧量和燃料的混合情况，进而影响火焰中心位置4。（3）煤质和燃烧特性：不同的煤质和燃烧特性会影响火焰的形态和位置。例如，高挥发分煤和低挥发分煤的燃烧特性不同，火焰形态和火焰中心位置也会有所差异。针对炉膛火焰中心位置的变化，可以在锅炉汽温调节系统中应用相应的控制策略。例如，通过优化煤粉供给系统和调节风量、风压，可以控制火焰中心位置的偏移。此外，采用先进的燃烧器技术和煤质分析，可以控制煤质特性和燃烧过程，从而更好地控制火焰中心位置。1.4 饱和蒸汽湿度的变化蒸汽的湿度变化会直接影响蒸汽的热量含量和传热能力，从而引起锅炉汽温的波动。在优化锅炉汽温调节系统的控制策略时，需要考虑饱和蒸汽湿度的变化。饱和蒸汽湿度的变化主要受以下几个因素的影响。（1）给水温度的变化：给水温度的变化会直接影响蒸汽的湿度。较高的给水温度会使水变为高温饱和蒸汽，此时湿度较低；反之，较低的给水温度会使水变为低温饱和蒸汽，此时湿度较高。（2）锅炉燃烧调整：锅炉的燃烧调整会对饱和蒸汽的湿度产生影响。燃料的燃烧调整会导致蒸汽湿度的变化。（3）锅炉蒸汽温度调节：通过调节锅炉蒸汽温度可以改变饱和蒸汽的湿度。提高蒸汽温度可以使饱和蒸汽的湿度降低。2 锅炉汽温调节系统的控制优化策略2.1 经典控制理论上的锅炉气温调节系统控制方法经典控制理论提供了锅炉汽温调节系统的一些基本控制方法，可以应用于优化锅炉汽温的调节。107孙少华，肖 飞，孙承志，等：锅炉汽温调节系统控制策略的优化研究应用科技（1）比例-积分-微分（PID）控制：PID控制是最常见和广泛应用的控制方法之一。PID控制器根据当前温度偏差、偏差的累计和变化速率，计算出合适的控制信号来调节锅炉的汽温。PID控制器可以根据实时的反馈信号，精确地调整控制参数，实现汽温的稳定控制5。（2）比例-积分（PI）控制：PI控制是在PID控制的基础上去除微分项得到的控制方法。PI控制器根据当前温度偏差和偏差的累计，计算出控制信号来调节锅炉的汽温。PI控制器在控制精度和稳定性之间达到了一个平衡。（3）比例-微分（PD）控制：PD控制是在PID控制的基础上去除积分项得到的控制方法。PD控制器根据当前温度偏差和偏差的变化速率，计算出控制信号来调节锅炉的汽温。PD控制器能够通过减少系统的超调现象和快速响应来提高控制性能。（4）模糊控制：模糊控制是使用模糊逻辑推理来进行控制的一种方法。模糊控制器通过设定模糊规则和模糊集合来判断和决定控制信号的大小和方向，以实现对锅炉汽温的调节。模糊控制器能够处理非线性和不确定性的问题，并具有较好的鲁棒性和自适应性。经典控制理论上的这些方法可以应用于锅炉汽温调节系统的控制，但由于锅炉系统的复杂性和非线性，这些经典控制方法可能难以满足精确控制的要求2。因此，在实际应用中，结合先进的控制理论和算法，如模型预测控制、神经网络控制等，可以进一步提高锅炉汽温调节系统的控制精度和性能。锅炉温度控制系统原理见图1。图1 锅炉温度控制系统原理图2.2 现代控制理论上的锅炉汽温调节系统控制方法除了经典控制理论外，现代控制理论提供了一些先进的控制方法，可以应用于优化锅炉汽温调节系统的控制。（1）模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）：模型预测控制是一种基于系统数学模型的控制方法。MPC通过使用系统的数学模型来预测未来的系统行为，并基于预测结果进行优化控制。在锅炉汽温调节中，MPC可以根据预测模型预测未来的汽温变化，并通过优化控制信号来控制锅炉参数，实现对汽温的精确控制。（2）自适应控制：自适应控制方法可以根据系统实时状态和特性来自动调整控制参数。根据锅炉运行环境和负荷变化，自适应控制器可以动态调整控制参数，以实现对锅炉汽温的稳定控制。这种方法能够适应不同工况和负荷变化，提高控制系统的鲁棒性和适应性。（3）神经网络控制：神经网络控制是利用人工神经网络来建立系统的非线性映射关系，并根据系统的输入输出进行学习和适应。在锅炉汽温调节系统中，神经网络控制可以通过学习和训练建立汽温与控制参数之间的映射关系，实现对汽温的精确调节。现代控制方法能够更好地处理锅炉系统的复杂性和非线性特性，提高控制精度和性能。此外，现代控制方法还可以结合先进的传感器和监控技术，实现对锅炉运行状态的实时监测和调节，进一步优化锅炉汽温的控制。2.3 智能控制2.3.1 专家控制专家控制是智能控制的一种重要方法，它基于专家知识和经验，通过建立专家系统来实现对锅炉汽温调节系统的控制。专家系统将专家知识编码为规则库，通过推理机来处理输入数据并生成相应的控制策略。在锅炉汽温调节系统中，专家控制可以实现自动化的控制决策，优化控制策略。专家控制在锅炉汽温调节系统中的应用有以下特点和优势。（1）知识丰富：专家控制利用领域专家的知识和经验，可以涵盖从锅炉工艺到控制策略的知识。这些专家知识包括燃料燃烧特性、锅炉结构参数、控制方法等方面的内容，可以为汽温调节系统的控制提供全面的指导。（2）人机交互：专家控制可以通过与操作人员的交互，实现对锅炉汽温调节系统的控制。操作人员可以通过与专家系统的界面交互，提供实时的系统参数和外部条件，专家系统则根据专家规则和推理机生成相应的控1082024 年 4 月第 3 卷第 7 期现 代 工 程 科 技108制策略。（3）自适应性：专家控制具有一定的自适应性，可以通过学习和反馈来不断优化控制策略。通过分析历史数据和运行情况，专家系统可以自动调整控制参数和策略，以适应不同的工况和负荷变化。在锅炉汽温调节系统中，专家控制可以通过建立专家规则库和推理机，实现对锅炉参数、燃烧状态、供水温度等的智能调节。通过专家控制的优化应用，可以更好地实现对锅炉汽温的精确控制和优化调节。2.3.2 人工神经网络控制人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）控制是智能控制中一种重要的方法，它模仿人脑神经网络的结构和功能，通过学习和训练来实现对系统的控制。在锅炉汽温调节系统，人工神经网络控制可以应用于优化控制策略，具有很大的潜力。人工神经网络控制在锅炉汽温调节系统中的应用有以下特点和优势。（1）非线性建模能力：人工神经网络具有较强的非线性建模能力，可以适应锅炉系统复杂的非线性特性。通过神经网络对锅炉系统进行建模，可以准确地描述系统的输入输出关系，并实现对汽温的精确控制。（2）自适应性：人工神经网络具有自适应性，可以根据系统动态变化自动调整网络的权重和偏置。当锅炉负荷和工况发生变化时，神经网络能够自动适应新的输入和输出模式，实现对汽温的自适应控制。（3）学习和优化：人工神经网络可以通过学习和训练来优化控制策略。通过使用大量的历史数据进行训练，神经网络可以调整权重和偏置，以实现对锅炉系统的良好控制。此外，采用反向传播算法等优化方法，可以进一步提高神经网络的控制性能。在锅炉汽温调节系统中，人工神经网络控制可以通过建立合适的神经网络结构和学习算法，控制锅炉参数和燃烧过程，实现对汽温的精确调节。通过训练网络模型和优化控制策略，可以提高锅炉系统的控制精度和稳定性。2.3.3 模糊控制模糊控制是智能控制中常用的一种方法，它基于模糊逻辑的推理和模糊集合的运算，通过建立模糊规则和反应曲线来实现对系统的控制。在锅炉汽温调节系统中，模糊控制具有很大的优势和应用潜力。模糊控制在锅炉汽温调节系统中的应用有以下特点和优势。（1）适应性：模糊控制能够处理非线性和不确定性的问题，在锅炉系统这样复杂的控制环境中表现出良好的适应性。通过建立模糊规则和反应曲线，可以根据输入的模糊值生成相应的控制输出，实现对锅炉汽温的精确控制。（2）可解释性：模糊控制提供了直观易懂的控制规则和输出方式，具有良好的可解释性。通过设定合适的模糊集和模糊规则，可以将专家的经验和知识转化为模糊控制的规则库，更好地理解和解释控制结果。（3）简化建模：模糊控制不需要精确的数学建模，相对于传统的数学模型建模方法更为简化。这就意味着在锅炉汽温调节系统中，模糊控制可以更快地实施和优化，尤其对于复杂的非线性系统更为有效。在锅炉汽温调节系统中，模糊控制可以通过定义合适的模糊集合、建立模糊规则和设计反应曲线，实现对锅炉参数和燃烧过程的控制。通过考虑温度误差、负荷变化和时间变化等输入变量，模糊控制器可以生成相应的控制输出，实现对汽温的精确控制。3 结语综上所述，在锅炉汽温调节系统的控制策略优化中，应用智能控制方法可以显著提高锅炉系统的控制精度、稳定性和效率。无论是经典控制理论的方法，还是现代控制理论的方法，都为优化锅炉汽温调节系统提供了不同的角度和手段。通过合理选择和组合不同的控制算法和技术，并根据具体的锅炉系统特性进行调整和优化，可以实现对锅炉汽温的精确控制和优化调节，大大提升锅炉系统的效率、稳定性和能源利用率，为工业和生活中的能源供应提供稳定可靠的基础。参考文献1 吴朋.火电厂前馈式分段汽温调节系统开发与应用J.自动化与仪器仪表,2005(1):23-24,34.2 王永涛,杨保,乔岩涛,等.火电机组锅炉汽温调节系统控制策略的优化应用C/2015年中国电机工程学会热工自动化专业委员会和燃气轮机发电专业委员会学术年会暨热工自动化技术交流会论文集,2015:61-66.3 李云亮.浅谈电厂300MW机组锅炉汽温调节J.科技创新与应用,2014(19):122.4 国钦光,姜炜,董泽,等.基于模糊决策的主汽温多模型内模控制J.计算机仿真,2020,37(11):71-74.5 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