火力发电机组锅炉控制系统的研究

【摘 要】现有传统火力发电机组锅炉控制系统的效能以无法满足整个热工系统要求，本文研究了传统系统的组成以及不足，介绍了目前非常有广泛应用前景的数个新技术并加以分析，通过采集火力发电机组及锅炉现场运行数据，对数据进行筛选和处理，可实现火力发电机组与锅炉的最优控制。

【关键词】机组锅炉；控制系统；传统模型

引言：计算机革命为人们带来的便捷不仅仅局限于生活，它为世界科技的进步有着巨大的贡献。各类操控纷纷引进计算机系统加以控制，这在提高生产效率的同时，也使操作更为复杂。我们了解，传统火力系统的操作控制手段较为单一，它的转化能力以无法满足日益增长的火力需求，而且对系统的掌控力薄弱，时长发生失控显现。当计算机应用在火力发电领域时，又带来更多探索与思考。快速发展势必会将各类数学模型加以完善，应用在火力发电机组锅炉控制系统的研究也近臻稳定，但一个系统往往还有许多亟待解决的问题。从火力发电机组操控、研究的角度讲，便有控制效果差，不稳定性和大惯性等缺点。这些缺点也造成无法发挥数学模型最大功能的局面。

1.传统火力发电机组锅炉控制系统的不足

从目前电网监控数据分析，不同时段的电力复合差值极大，这便需要调节量程较广的机组系统支持，所以关于电网的用量分配尤为重要。想让电力负载效能提升就必须精进机机组系统。机组系统能力负载分配调控力必须加强，才会使整体可控，以应对负载的线性变化和随机变化。调控点随需求变化便会影响装置的运行寿命和使用效率。这样传统火力发电机组锅炉控制系统便暴露出来。这种负责的、随机的运行系统将会使某一个或某几个工作点位的衔接出现稳定性波动，这些看似简单的问题实则会影响整个系统的工作效率。国内外科研人员正在逐步对发电机组锅炉控制系统进行改造，为得是解决需求体量大、量程范围广的设备能满足新时代的需求。在改进中，主要目标是提升发电机组锅炉控制系统稳定性和安全性、提高供能系统的工作效率和调控再热温度等工作能力。

2.锅炉机组控制系统操作应满足的条件

锅炉机组控制系统应具备能够稳定开车、停车与经济适应性的需要，在调控中完善锅炉系统连接点的顺畅衔接，为了保证供能系统平稳高效的应对负载变化，确保系统安全推进。以下有几个条件需要满足。

2.1下级系统多样化并设立有效冗余措施

下级系统在设计中应考虑单独下级系统的独立性和整个控制系统的完整性，使连接通畅，每个指令传达响应迅速，无效信息交流应尽量避免。与此同时，每个子系统不得长时间满负载运行，操控必须留出有效剩余空间，还需要考虑临界点的负面效应对整体的影响。

2.2整体响应链应有连锁紧急停车功能

系统工作中难免遇到错误操作，为避免扩大影响，连锁紧急停车功能应作为必要功能设计在系统中。连锁紧急停车功能作为最重要的服务设备之一是为了确保安全生产目标达成。同时还能帮助维护、测试和校准顺利实施。

2.3系统开、停车平稳并保证自动切换平顺

当某一子系统接收或发出的信号有误是，紧急停车功能应自动发挥功能，使部分或整体停止工作，直到系统自行校正或人工校正后重新启动。系统的所有子系统当收到不利信号时，连锁紧急停车功能的自动切换和人工切换过程都需平顺，不应只在收到人工指令后运行。当系统得到正确信号时，连锁紧急停车功能需要提示操作人员后才可重新启动。

3.火力发电机组锅炉辅助管控系统的组成与进展

火力发电机组锅炉辅助管控系统主要有三部分构成：负载调控系统、下级控制系统和负载调整单元[2]。负载调控系统又分为负载调整核心和机组锅炉的核心控制体系。负载调整核心根据上级系统指令和原料进炉控制的操作，设定结果负载指令，通过提升、降低负载运行速度等流程，可以接收现场负载要求指示，确保机组锅炉辅助管控系统推进。要求汽轮机和机组锅炉的控制手段愈加平顺，通过负载调控系統调控现场负载要求指示，将信号传递至汽轮机和机组锅炉调控反应器。汽轮机和机组锅炉调控反应器识别上一程序信号，同时分析当前状况，计算出最优负载调控方式，并对能决定系统运行的关键参数进行实施监控和搭配调整，参数包括实时传输运载信号、传递负载信号、热能关键参数和设置值等。调节机组锅炉传输信号与下级系统传输指令的衔接，达到上级系统与下级系统上传下行的目的，下级系统及时反馈，上级系统及时调整。

3.1自动响应调控系统

自动响应调控系统的意义在于根据实际信号，监视各个子部门运行状态并动态调整参数。当用电高峰与用电低谷差别显著时，自动响应调控系统会自行调整多个输入点并多项接收反馈。如此进行的非线性调整这样能够为发电机组提供高效的控制策略。通过自动响应调控系统控制原料质量、系统设备老化、对锅炉蒸汽温度动态特性的影响问题，运行结果表明自适应性控制比传统的单输入、单输出控制要有明显的高效性。在英国普林斯顿大学的科研人员创新了自动响应调控系统，既能协调后端机组锅炉，又能能够调整主蒸汽位，从研究结果中我们非常清晰的看出，它的整体性能要比传统单因素调节效率高数倍[3]。机组在运行过程中的动态信息可以通过神经网络自主性的学习功能进行捕获，动态信息将对运行参数的非线性进行补偿，避免不确定因素的干扰，最终达到系统线性耦合的目的。通过这些研究实例也可以得出自适应性控制能够较好的解决非线性问题，效果比传统的控制技术优越。

3.2神经网络技术

依靠神经网络技术的发展，神经控制已经入住机组锅炉控制系统。神经系统主要功能实现通过非线性映射能力和函数逼近能力。在这种非线性神经网络控制可以达到较好的控制效果。在欧洲某研究机构的科研人员提出汽轮机与主蒸汽机协同作用的反向模型，建立了神经网络调控核心，通过对汽轮机与主蒸汽机的程序算法模拟并逆向运行，探索出响应时间更短的控制时间，这应用在锅炉系统中将提高效能数倍。后来又有科研人员将复杂的控制系统分解为数个小节，应用人工智能系统控制整个机组体系，实验表明，通过人工智能系统的学习与重组，机组的各项参数可以达到较为匹配的程度，能够解决部分系统并重新运行，这对响应原件的补偿和解决随机性有很大作用。

3.3预计算技术

惯性大，非线性程度过高等是热能研究中的常见问题，由于这些因素致使无法形成成熟的算法，这也导致了传统机组锅炉系统无法建立完备的数学模型，输入值与执行值得差别在所难免。为了解决精度、鲁邦特性等问题应用在自动化中的预算技术在热能领域开始应用。预测控制技术在量程广的机组锅炉控制系统中能够自行调控汽轮机与主蒸汽机的配合。有研究表明预计算程序能够明显提高整体效率，此类控制器的性能明显优于传统单输入和单输出控制器性能。

4结语

火力发电机组锅炉的发展研究表明，机组组成，程序架构以及各项新技术的附加调整共同决定了控制系统的良好平稳运行，并保证高效性能。因此，对传统火力发电机组锅炉的改进和完善才是保证性能的基础，在完善效能的基础上再对能耗等辅助数据进一步发展。本文介绍了一些新的控制技术：自动响应调控系统、神经网络技术、预计算技术、虚拟控制系统，目的是为能够为火力发电机组锅炉控制技术的发展提供一种新的研究思路。

参考文献：

[1]施燕美.基于自抗扰技术的协调控制系统研究[D].保定：华北电力大学，2007.

[2]陈霄峰，陈国清，赵飞.基于循环流化床锅炉特性的115MW发电机组协调控制策略[J].自动化信息，2009（6）：56-57.

[3]李冉.超临界机组协调控制策略的优化研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.

（作者单位：华能海南发电股份有限公司东方电厂）

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