锅炉汽轮机水位电力控制系统研究

梁雪浩 于景震

山东华鲁恒升化工股份有限公司 山东德州 253000

摘要：锅炉属于我国工业生产与生活上应用面最广、数量最多的生活设备之一。其中，锅炉的水位控制环节是锅炉控制系统当中的一个十分重要的环节。保证锅炉的水位是否处于一个标准的范畴之内，对于锅炉是否能持续的安全可靠的工作是一个关键保障。也是对锅炉能不能够正常生产工作的一个重要考察。锅炉的汽包水位系统具有强非线性，时变大，强耦合，多哥变量等一些复杂特性。在构建锅炉汽包的水位调节的数学模型基础上，应用模糊控制理论来设计锅炉汽包水位控制系统。应用模糊控制来控制锅炉水位。同时，介绍了控制器的构建和仿真分析。MATLAB上位机用于水位控制系统的仿真。模糊控制算法与传统方法的结果显示，模糊控制器明显的改善了锅炉水位控制系统特性。所以，完成了锅炉汽包水位的最优实时控制。

关键词：锅炉水位，模糊控制，MATLAB仿真

1 研究技术

锅炉工业是我国的传统大型的行业之一。随着经济的迅速发展，以科技力量作为后盾的中国在锅炉方面的发展也从未间断。而且由于绿色环保观念的深入人心，资源短缺，环境恶劣等等方面的要求，新型锅炉的开发和研究迫在眉睫，这个项目也正式成为我国研究的重点项目之一。但因为目前我国的工业锅炉行业与企业都面临着各种各样的挑战和机遇。工业锅炉的制造公司是市场竞争的主体，应当对自身所处的外部机遇与自己待遇的内部条件有清醒的认识。清楚自己的市场位置，而且从战略的角度加以管理，明白该做的与不该做的。必须保证市场的导向战略，牢牢依靠科技的进步，立足于的科技创新。在国家的能源与环保政策的指引下，整合企业的结构与产品结构。此外，应抓住机遇，创造出适销对路而且具有自身特色的高及产品来激励企业的发展。并保持强劲的可持续发展的企业后劲，这样才能在激烈的市场竞争中占有一席之地。基于模糊控制的应用，本课题设计了一种模糊控制器。同水平PID控制器与单级PID控制器比较，状态水平控制器由于具有较小的超调量，较短的建立时间等特点。更加适用于锅炉液位控制。工业锅炉的汽包水位控制是锅炉控制系统中主要技术指标之一。由于假水位现象（FWL），根据人工调整中的人为思维过程，引入了三个测量信号，即鼓水位，供水流量和蒸汽流量，并采用模糊控制算法计算 控制体积，构成前向级联三脉冲模糊控制系统。基于MA TLAB的建模和仿真结果表明，该算法比传统PID控制具有更好的效果。

工业锅炉商品市场发展，不但受我国的国民经济发展速度与投资规模等因素的影响外，不断受到能源地政策与节能、环保及要求的约束。随着高性能商品的普及与产品质量的增加，国内之前的工业锅炉必须不断的更新。随着能源的供应结构变化与节能环保要求的日益严格，天然气的开发应用与高速发展会给工业锅炉的发展带来机遇。小型的燃煤工业锅炉会退出中心的城区，锅炉行业需要抓住这一机遇。利用清洁的燃料与洁净燃烧技术的高效、低能、少污染工业锅炉会是工业锅炉商品发展的潮流。然后向更加高端的商品市场前进。因此说环保、节能、高效的锅炉商品是我国的工业锅炉将来发展的方向。

第2章 锅炉水位控制系统介绍

2.1 锅炉系统的组成

锅炉水位系统主要是锅炉内胆、液位传感器、变送器、控制器、各种阀门及相关的管道组成。将液位测量信号当成控制信号，通过变送器至水位控制器，再根据测量值和设定值的偏差与偏差变化率对控制给水调节阀的闭合。从而改变给水量，以此来保证水位位置在设计定的误差范围内。

2.2 传统控制方法

传统的PID算法在蒸汽发生器的水位控制过程中含有一些不足。对于带有高度复杂度，大时延与非线性的时变特性蒸汽发生器。PID参数调节是一项繁琐的工作，控制效果较差。而且，为了在条件改变时完成良好的控制效果，一般需要调节PID控制器参数。模糊控制作位一种基于模糊推理的非线性控制方法，它利用模糊语言实现熟练操纵人的操作经验与常识推理规则。模糊控制不需要知道控制对象的精确数学模型，对工艺参数的变化不敏感。带有很强的鲁棒性，能够克服非线性因素。因此，模糊控制具有更快的响应和更小的超音调，可以得到更好的控制效果。从以上认识，本课题构建了一种蒸汽发生器的水位模糊控制器。仿真结果显示该控制器具有良好的控制效果和实用价值。

2.3 现代控制方法

1965年，美国的L.A.Zadeh提出了模糊集合论；1973年加深研究了模糊语言处理，此类理论成果给模糊控制理论带来了数学依据。给模糊推理提供了理论基础。使得有人的经验参与的控制过程成为了实际可能。1974年，英国伦敦大学教授马丹（E．H．MamdanU)制造出当时世界上第一个用于锅炉和蒸汽机控制的模糊控制器，这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生^[1]。它是控制理论发展的高级阶段的产物，模糊控制一般是用来处理一些复杂的系统、难以完成实时控制的系统。

3.模糊控制技术研究

在锅炉工作期间，水位为一个十分重要的参数。如果水位非常高，导致它对蒸汽水的分离带来影响，那么使用设备故障将导致蒸汽。若水位太低，将破坏蒸汽水的循环，这将会导致严重的锅炉爆炸。同时，高绩效的锅炉的尺寸相对较小时，锅炉产生很大的蒸汽流量，因此控制锅炉的水位非常重要。锅炉水位自动控制的任务是控制供水流量，与蒸发流量保持平衡，进一步保持滚筒水位变化在允许范围内。通过示例模拟，本文已经确认了性能与传统的PID控制相比，模糊控制具有明显的优势。

3.1 锅炉水位模糊控制原理

锅炉的水位模糊控制器是模糊量化、模糊推理、模糊规则与反模糊化接口4个模块组成。多个水位传感器的距离信息计算后得到实时水位。判断锅炉液位控制效果的优劣，最重要的指标是控制系统不同时刻输出与设定水位之间的偏差及其变化率；因此，针对液位控制对象，选择误差e及其变化率de作为模糊控制器的2个输入信号，给水阀门的开度控制量u作为输出。在该系统构建中,选用维数较高的模糊控制器,控制效果较好。但维数较高的模糊控制器设计起来相当复杂与困难。

3.2 建立模糊关系

由于FWL现象，操作员是必须考虑蒸汽流量的影响手动调节时系统上的水流量。该操作人员应观察实际哑水位及其设定值的误差，水位的变化，水调节阀的开度，负荷的情况等。然后基于水位调节水阀。操作员的经验，将水位保持在规定的限度内。体现反映的调整过程人们的思考，模糊控制器的研究应该使用三个测量信号：鼓水位，供水流量与蒸汽流量，利用模糊控制算法得到相应的控制阀，实现一个前馈 - 级联三脉冲的模糊控制系统。

3.3 状态点的设定

由于模糊控制可以通过误差和误差率直接计算阀门位置，它比PID控制快，但模糊控制只能在稳定点附近调整，因此ti不适应变化稳定点 如果使用整体部件，它将降低执行速度和稳定性。本文根据锅炉的状态，即锅炉温度，压力和流量参数，计算当前的阀门位置。为了使系统稳定，将阀门位置作为模糊控制的稳定点，弥补了传统模糊控制在稳定点外的较大问题，将稳定点作为状态点。

4 结论

假设在固定蒸汽流量中，水位稳定在设定值，当给水流量值等于蒸汽流量时，相应的给水阀位置被认为是蒸汽流量的稳定点阀。 稳定点阀由水压，水温，蒸汽流量鼓压力和其他几个参数决定，因此我们可以通过这些状态参数确定状态点

参考文献

[1]许可. 母管制热电机组热力系统建模与负荷优化分配[D].浙江大学,2020.

[2]孙莉娜.1000 MW机组全容量双流锅炉给水泵汽轮机介绍[J].热力透平,2020,49(01):44-46+68.