循环流化床锅炉主蒸汽温度控制系统及仿真

摘要:为解决传统循环流化床锅炉主蒸汽串级PID温度控制系统的大滞后、大惯性问题，基于Matlab建立了主蒸汽和锅炉烟气传热过程程序，通过调整减温水量使锅炉主蒸汽温度控制在目标温度范围内。然后，将传热计算程序导入多模型切换控制系统仿真平台，结果表明，基于传热计算的多模型切换控制系统成功解决了主蒸汽温度的惯性大和延时大的问题，并且该控制系统能够适应锅炉负荷的变化。

关键词:循环流化床锅炉;主汽温度;PID;控制系统

引言

传统循环流化床锅炉主蒸汽温度控制采用串级PID控制系统，难以对锅炉主蒸汽温度进行精确控制。串级PID控制系统的主回路主要包括主调节器(PID控制器)、调节死区和主蒸汽温度变送器。为了解决控制模型与参数不匹配问题，采用了可变参数PID控制器，该控制器根据控制量和目标量之间的差异实时调整参数比例微分积分的值，并且当受控模型发生变化时，提高系统的控制质量。然而，PID调节器的参数仍然是偏差或时间线性函数，主蒸汽温度无法达到设定值，由于上述原因，AntonioNevado开发了一种自适应预测控制系统，称为蒸汽温度优化器(STO)，该自适应预测控制系统大大提高了控制精度和稳定性。项杰和董文博针对系统控制模型的不确定性和非线性串级PID温度控制系统的控制对象，提出了一种基于BP神经网络算法的非线性预测模糊变量控制系统，实验和仿真结果验证了该方法比线性控制算法对蒸汽温度的控制效果更好。RayTK通过对具有实时运行参数的两级SH调温器进行火用分析，确定了优化路径。但是，目前研究的控制方法主要是基于运行参数的估算计算量，本文将研究基于热力学计算的控制程序以提高循环流化床锅炉主蒸汽温度的控制精度。

1主蒸汽换热系统的设计计算

基于Matlab对循环流化床锅炉主蒸汽换热系统进行了模块化设计。整个模块分为计算模块、换热单元和辅助模块，计算模块分为物理参数、放热计算、炉膛计算，换热单元分为对流受热面、半辐射受热面和减温水计算。在模型分析的基础上，采用模块化编程方法完成计算系统的编程。最后，将各模块进行组合，并按计算顺序将各换热单元模块进行连接，形成锅炉主蒸汽换热计算系统。换热计算方法为:在已知循环流化床锅炉过热器主蒸汽入口温度的情况下，将过热器的出口主蒸汽温度作为高温过热器的入口温度，其传热计算分为热段和冷段———高温过热器部分和过热水的冷部分，通过计算过热器出口主蒸汽温度和过热器入口主蒸汽温度差，结合不同负荷条件下所对应的传热系数，计算得出控制主蒸汽出口温度所需的减温水量，并且在锅炉工况变化的条件下，保证过热器出口主蒸汽温度恒定不变。

2基于传热计算的多模型切换主蒸汽温度控制系统

在调温器控制系统中，被控对象分为超前区和滞后区两部分。研究时将主蒸汽控制系统的超前区和滞后区的传递函数简化为一阶惯性加纯滞后传递函数。超前区的传递函数可以表示为:式中K为放大系数，T为时间常数，n为阶数。可以通过实验获得上述引导区域参数，惯性传递函数的计算公式可以表示为:以30%锅炉负荷为例，超前区域的传递函数为8．07/(24S+1)2，则滞后区传递函数为1．48/(46．6S+1)4，如图1所示，等效一阶惯量加纯滞后传递函数为(1．48/108．5S+1)e－85S。该控制系统将传热过程与常规PID控制相结合，并引入切换功能。该切换函数通过对多模型切换指标的计算，将锅炉被控对象切换到最接近对应的典型负荷控制模型，使控制参数与模型匹配，以达到预期的控制效果。如图2所示的仿真系统是在30%负荷条件下建立的，由传热计算系统和多模型切换系统组成。换热计算系统的输入参数为结构参数和运行参数，减温水量通过燃烧和热平衡计算得出;当锅炉负荷发生变化时，由S功能编写的开关进行切换。

3多模型切换主汽温度控制系统仿真

基于换热计算的多模型开关主汽温度控制系统，由典型负荷控制模型下的传热计算系统和换热计算系统组成，并在不同的负荷条件下进行切换计算。主汽温控制系统在五种典型负荷工况下的仿真结果如图3所示。当锅炉负荷变化时，多模型切换程序切换到与当前控制模型匹配的控制模型，以获得理想的控制效果。仿真结果验证了该多模型切换系统的有效性。随着锅炉运行负荷的增加，控制系统的响应时间和达到稳态的时间缩短。当锅炉运行负荷降低时，系统能有效地降低超调。图4显示了锅炉在50%负荷下运行的阶跃响应曲线，该多模型切换程序将在仿真开始时进行切换，并准确地切换到最接近50%负荷的锅炉负荷模型，仿真结果验证了其准确性。由图4仿真曲线可以看出，初始阶段系统在30%负荷控制模式下运行。由于运行负荷不是典型负荷，经过多次模型切换，在系统运行约200s后，系统切换到44%控制模式然后自动输出最佳校正因子，当被控对象处于接近44%负荷控制模型后，稳定了主汽温度。根据以上仿真结果，基于传热计算的主汽温度控制系统的控制效果要优于串级PID控制系统，主要是因为该系统可以快速消除系统的干扰。

4结论

本文对循环流化床锅炉主蒸汽传热系统进行了模块化设计计算，并与多模型系统切换控制系统结合，建立了主蒸汽温度控制系统。该系统不仅成功解决了主蒸汽温度的惯性大和延时大的问题，并且该控制系统能够适应锅炉负荷的变化，快速消除控制系统中的干扰，还可以将控制模型与控制器参数进行匹配。典型负荷条件下的仿真结果表明，随着锅炉运行负荷的增加，控制系统的响应时间和达到稳态的时间缩短。当锅炉的运行负荷降低时，系统可以有效地减少超调，在非典型负荷条件下，控制系统可以连续切换模型以逼近锅炉运行负荷。

参考文献

［1］岳光溪．循环流化床技术发展与应用［J］．节能与环保，2004(1):14－15．

［2］刘德昌．流化床燃烧工业技术应用［M］．北京:中国电力出版社，1998．

［3］洪烽，刘吉臻，高明明．基于蓄能深度利用的循环流化床机组动态优化控制［D］．北京:华北电力大学(北京)，2019．

作者：周帅 单位：太原锅炉集团有限公司