基于专家控制器的空气预热器漏风控制系统.pdf

华 南 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 32卷 第 8 期Journal of South China University of TechnologyVol. 32 No. 8 2004年 8 月 Natural Science EditionAugust 2004 文章编号 1000 - 565X 200408 - 0025 - 05 基于专家控制器的空气预热器漏风控制系统* 杨 宇1 倪云峰2 王 洪1 刘 丁3 1. 华南理工大学 应用物理系, 广东 广州 510640; 2. 西安科技大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710054; 3. 西安理工大学 自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048 摘 要 叙述了已应用于某发电厂回转式空气预热器漏风控制系统的工作原理, 重点分 析了造成空气预热器漏风的主要原因, 提出了一种基于专家系统模式、 利用计算机数据 库技术及知识库相结合的规则方法来实现预热器的漏风控制方案. 实际运行结果表明, 该 系统能够有效地降低预热器的漏风, 使得机组总体漏风率下降 10, 为机组的安全满负 荷运行提供有力保证. 关键词 空气预热器; 漏风控制系统; 间隙; 专家系统; 知识库 中图分类号 TM 621. 7 文献标识码 A 收稿日期 2004- 03- 29 * 基金项目 国家 九五 科技推广项目9504115007工 3 2 4 作者简介 杨宇 1970- , 男, 在职硕士生, 现任广东松 山职业技术学院讲师, 主要从事电厂热工自动化研究. Email songshanjw yahoo. com. cn 回转式空气预热器是目前电站锅炉中广泛使用 的一种节能设备, 它能够提高炉膛烟气的热利用率, 降低排烟温度. 但由于其结构复杂, 且处在锅炉尾部 烟道, 工作环境较为恶劣, 普遍存在着一次风、 二次 风以及烟气通道之间的相互漏风, 从而影响炉膛的 热效率及其风量的供给. 当过多的空气漏入烟道时, 不仅会使送、 引风机耗电增加, 而且还会使燃料送风 量不足, 导致锅炉降低负荷运行. 长期以来, 人们都 在致力于从结构上、 安装上和运行保护等不同方面 解决这个问题[ 1,2]. 自上世纪末期以来, 人工智能控 制用于火电机组的研究在国内外已成为研究热 点[3,4]. 本文在分析造成空气预热器漏风主要原因 的基础上, 提出了利用专家系统中的专家知识控制 器来实现预热器的漏风控制. 实际运行结果表明, 采 用该方法后, 能有效地降低预热器漏风. 1 漏风原因及传统解决方法 空气预热器的漏风一般包括携带漏风和直接漏 风两种. 携带漏风由预热器的结构形式、 尺寸大小和 转速高低来决定, 而直接漏风与密封间隙有关. 直接 漏风由轴向、 周向、 径向三部分组成, 其中轴向和周 向漏风约占总漏风量的 30 40, 其余的 60 70 [5]则是由径向漏风造成. 径向漏风的主要原因 是预热器转子受热后发生 蘑菇状 变形, 使得密封 间隙增大, 从而导致漏风量的增加. 其转子热变形如 图 1 所示. 因此, 要减少漏风, 主要应从减少径向漏 风着手. 空气预热器径向漏风的治理, 是根据不同位置 冷端径向密封、 热端径向密封 采用不同的方法分 别加以解决. 其中, 前者常采用冷态预留间隙的方式 来达到密封目的, 即在冷态时将冷端径向密封预留 一定间隙, 使转子在热变形后得到满意的密封间隙; 对于后者, 则采用配有电动执行机构的扇形板调节 装置, 它能在空预热器运行时, 实时检测径向密封片 与预热器转子法兰面之间的距离 简称间隙 , 跟踪 转子热变形, 即通常所称的间隙跟踪控制系统, 使得 密封间隙始终维持在允许的范围内. 通常, 电动调节装置安装在空预器外部, 位于烟 气、 一次风和二次风仓之间的扇形板热端上方, 扇形 板安装在空预器内部通过铰链与外部调节机构相 连, 通过调整机构实现上下调节. 图 2 为300 MW 机组锅炉三分仓调节扇形板位置示意图. 图 1 转子冷热状态比较 Fig. 1 Comparison of rotor in cold state and hot state 图 2 预热器扇形板电动调节装置控制位置图 Fig. 2 Installation position diagram of air preheat control sys tem 采用配有电动执行机构的扇形板调节装置时, 如何获得密封间隙的精确值, 一直是技术人员关注 的焦点, 目前大致可分为三种. 1 机械探针式 该技术是从美国 CE 公司引 进300MW 锅炉技术时附带引入的. 其工作原理是 在空气预热器内装一机械探针, 探针的前端与预热 器转子法兰面直接接触, 而另一端伸出在外. 运行 时, 探针每 4h 下探检测一次, 其位置的变化就反 映了间隙的变化, 并依此为调节根据. 但由于目前机 组很少能够长时间在稳定负荷下运行, 特别是调峰 机组, 随着负荷的变化, 间隙也会随之变化. 如果减 少下探间隔时间, 理论上是可行的, 但随着下探次数 增加, 探针磨损加大, 控制精度亦随之下降. 2 涡流传感器 采用电涡流反射原理实现对 预热器间隙的非接触式测量, 但烟气中的有害气体 会对探头造成腐蚀, 导致信号漂移, 影响测量精度. 3 声波传感器 漏风量的变化与声波变化密 切相关, 从而可以利用声波变化进行间隙测量. 但由 于锅炉在运行中非正常噪声的影响, 测量误差也必 然存在. 2 基于专家系统的控制系统 专家系统是指相当于 领域 专家处理知识和解 决问题能力的计算机智能软件系统, 它一般由数据 库、 规则库、 推理机、 人机接口以及规划环节等组成. 预热器在运行中, 转子的热变形量与温度、 材料 等因素有关, 由于材料的参数不能精确获取, 一般通 过估值算法获得; 被控量 漏风间隙 的精确测量也 不能完全得到保证, 使得采用基于经典控制论的传 统控制方法难以奏效[3,4]. 因此, 在对扇形板进行调 节控制时, 我们不再采用依赖精确模型的传统控制 方法, 而是在现场经验的基础上, 提出以控制径向漏 风间隙最小为目标, 采用计算机数据库技术将理论 计算值、 现场测试值和专家经验值进行总结归纳, 上 升至专家系统模式来实现系统的控制. 若考虑系统 的专用性而将专家系统知识库规模减小, 规则集简 化, 就可以得到本文所采用的专家控制器, 从而使得 推理变得简便易行. 2.1 专家控制器结构 专家控制器由知识库、 控制规则集、 推理机构及 信息获取与处理四部分组成. 1 知识库 知识库由事实集和经验数据库、 经 验公式等构成. 事实集主要包括被控对象的有关知 识, 如结构、 类型及特征等, 还包括控制规则的自适 应及参数的自调整等规则. 经验数据库的经验数据 包括被控对象的参数变化范围及其限幅值. 2 控制规则集 专家根据被控对象的特点及 其操作、 控制的经验, 采用产生式规则、 模糊关系及 解析形式等多种方法来描述被控对象的特征, 总结 出控制规则集. 3 推理机构 根据控制规则由前向后逐条匹 配, 直至搜索到匹配目标. 4 信息获取与处理 信息的获取主要是通过 闭环控制系统的反馈信息及系统的输入信息, 对它 们进行处理可以获得控制系统误差及误差变化量等 有用的信息. 26华 南 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版第 32卷 图 3 专家控制器结构图 Fig. 3 Diagram of expert controller 2. 2 基于专家控制器方式的控制系统工作 原理 2. 2. 1 基于专家控制器的控制策略 基于专家控制器的控制策略如下 设采样间隙 为 ss, 漏风间隙设定值为 sG, 控制冗余量 取值 0. 5、 - 0. 2, 执行机构的下降/ 提升当量为W, mm/ s. 当sssG 0. 5 时, 间隙偏大, 执行机构下降, 下降时间 t ss- sG 0. 5 / W. 当sG- 0.2∀ ss∀ sG 0.5时, 间隙正常, 不调整. 当ss∀ sG- 0. 2 时, 间隙偏小, 执行机构提升, 提升时间 t ss- sG- 0. 2 / W. 控制系统不再仅以检测控制量 间隙 作为系统 的唯一输入量, 而是引入了能够表征控制量的其它 参量, 如 预热器温度、 预热器的转子电流等作为系 统的综合输入, 并将其与专家经验相结合形成规则 来控制密封扇形板. 系统运行中, 每一次控制执行机构调节动作必 须与知识库中规则进行匹配, 若一致或相差在容许 范围内则输出, 否则按知识库规则调整. 另外, 知识 库中录入了限位值, 避免系统调节过程中因过量调 节或超越机械零位而损坏设备. 预热器受热后引起密封间隙增大的原因是 热 态时由于空预器热端温度高, 受热体径向膨胀大, 预 热器冷端温度低, 径向膨胀小, 同时由于中心轴向上 膨胀, 这样受热体就会产生 蘑菇状 变形. 在理论 上, 其变形规律遵循近似线性关系, 设变形的弦高用 来表示[5], 则 1 8 D2 h , ∃1 2 2 - 1 ∃2 2 式中 为受 热 体钢 材 热膨 胀系 数, 12 为冷端和热端的平均温度差; 1∃, 1分别为预热器烟气进、 出口温度, ∋ ; 2∃, 2分别 为预热器空气进、 出口温度, ∋ ; D 为转子直径, m; h 为转子高度,m. 总结多年现场调试经验, 对 300MW 锅炉冷热 态运行时省煤器出口烟温和提升机构的机械指针 位于预热器外部用来指示扇形板实际位置 进行了 实际测试, 结果如表 1所示. 表 1 300MW 预热器转子变形量 Table 1 300MW preheater rotor distortion 预热器 温度 / ∋ 转子变形量 最大值/mm 转子变形量 最小值/ mm 转子变形量 平均值/ mm ∀ 200 不投自动 不考虑 不投自动 不考虑 不投自动 不考虑 22024. 822. 223.0 24025. 224. 624.8 26027. 026. 026.5 28028. 527. 828.1 30028. 528. 028.3 32029. 028. 528.8 34029. 028. 528.8 36030. 529. 830.1 38031. 030. 030.5 系统采用传统的控制策略, 由于采样间隙精度 难以保证, 会导致执行机构的误动作或者动作不到 位. 为此设立了辅助规则, 即专家经验知识库, 从根 本上杜绝了误动作现象的发生. 知识可以通过现场 测试和理论计算综合获得, 通过系统的人机接口输 入系统知识库. 2. 2. 2 工作过程 下面以图 2 为例, 阐述利用专家控制器策略实 现扇形板调节, 使密封间隙达到最佳值的工作过程. 图 2 中预热器配有三块可调节扇形板 L1、 L2 和 L3. 在冷态安装时, 扇形板与转子面间均预留 4mm 冷 态间隙, 称为机械零位. 运行初期, 所有扇形板均处 于机械零位, 锅炉点火运行后, 预热器内温度逐渐升 高, 转子发生蘑菇状变形, 间隙开始增大. 投入间隙 调节机构后, 系统根据采样间隙值、 转子电流值以及 预热器温度开始对三块扇形板进行下放调节. 每次 调节 1 个基本单位 每个基本单位为 1 mm, 对应 调节机构动作执行电机动作时间为 10 s . 在整个调节过程中, 系统实时记录各块扇形板 位置 距冷态机械零位置距离 并更新数据库. 每下 放 1 个基本单位, 单元数据加 1; 每提升 1 个基本单 位, 单元数据减 1. 同时调整控制规则. 27 第 8期杨 宇 等 基于专家控制器的空气预热器漏风控制系统 采用上述方式后, 系统性能得到改善, 主要表现 如下 1 完全消除了文献[1]中提到的故障扇形板被 提至上限时, 上限行程开关因工作环境恶劣 高温、 煤灰等 有时触点未动作, 导致扇形板调节电机过载 而损坏的现象. 2 若机组稳定运行, 预热器内温度不变, 则扇 形板调节机构基本不动作, 减少了调节机构的动作 频率, 延长了执行机构使用寿命, 可靠性得以提高. 3 间隙传感器发生故障时, 系统停止运行. 2. 3 基于专家控制器策略的控制系统组成 硬件系统包括间隙测量与转换、 转子电流检测与 转换、 预热器内温度检测与转换和计算机控制系统. 1 间隙传感器安装于空气预热器内部的调节 扇形板上, 对预热器密封间隙进行连续检测, 转换器 完成信号的转换放大, 将信号以恒流源 4 20 MA 的形式输出. 2 转子电流检测与转换部分, 通过霍尔器件获 得转子电流, 并将其转换为恒流源形式输出至主控 计算机. 3 温度检测与转换部分, 通过热电偶获得预热 器内温度值,并将以恒流源形式输出至主控计算机. 4 计算机控制部分, 采用工业控制计算机作为 主控计算机, 实现对多路间隙信号的实时数据监视 与处理. 系统具有运行控制、 状态监视、 报警、 报表打 印等功能, 预留与主控DAS 系统接口. 5 软件, 系统上位机的组态软件采用美国 Rockwell 公司的人机界面软件 Rsview32. Rsview32 将VBA 作为其系统功能的扩展语言, VBA 集成开 发环境帮助用户在 Rsview32 内建立、 调试和运行 VBA子程序, 通过 VBA 实现 Rsview32 数据与第三 方程序捆绑, 增加了内部可交互操作性. 另外, 视现 场检测与控制需要, 可在软硬件功能上进行扩展. 3 实验结果 采用基于专家控制器模式的控制策略, 基本上 解决了实际系统中的径向漏风问题, 实际运行结果 表明, 机组总体漏风率下降了近 10. 在山东某电 厂300 MW 锅炉机组上进行了预热器漏风实验, 分别在投入控制系统和不投入控制系统时, 对风道 中的烟气含量进行测定并进行折算, 实验结果数据 如表 2 所示. 表 2 实验结果1 Table 2 Experiment results 预热器 投运前漏 风率/ 投运后漏 风率/ 送风机 电流/A 引风机 电流/ A 一次风机 电流/ A A18.310. 840. 1170. 596. 6 B19.911. 441. 1171. 697. 2 注 1 负荷 P 288MW. 4 结论 1 采用基于专家控制器策略的预热器漏风控 制系统, 完全消除了因上限行程开关工作环境恶劣 高温、 煤灰等 使得扇形板在被提至上限时, 触点未 动而导致扇形板调节电机过载而损坏. 2 若机组稳定运行, 预热器温度不变, 则扇形 板调节机构基本不动, 减少了调节机构的动作频率, 延 长了执行机构电机使用寿命, 提高了系统的可靠性. 3 运行结果表明, 该系统投入使用后, 系统漏 风得到明显改善, 一般可使漏风率降低近 10 . 参考文献 [1] 吴光明, 方世清. 回转式空气预热器密封间隙系统改造 [ J]. 热力发电, 20021 20- 22. Wu Guang ming, Fang Shiqing. Air proof gap of helicoid air preheater reconstruction [J] . Thermal Power Generation, 2002 1 20- 22. [2] 寿兵. 华能福州电厂二期空预器特点及安装、 调试问题 的解决 [ J]. 热力发电, 20013 36- 38. Shou Bing. Installation and debugging problem of air pre heater settlement in huaneng fu zhou second power plant [J]. Thermal Power Generation, 20013 36- 38. [3] 吕剑虹, 陈来九. 模糊 PID 控制器及在汽温控制系统中 的应用研究 [ J]. 中国电机工程学报, 1995, 151 16- 22. Lu Jiang hong, Chen Lai jiu. Fuzzy PID controller and its application study in temperature control system [J]. Proceed ings of the China Society of Electrical Engineering, 1995, 15 1 16- 22. [4] 栾秀春, 李士勇. 火力发电机组锅炉控制技术的新进展 [ J]. 热能动力工程, 2003, 18 4 330- 333. Luan Xiuchun, Li Shiyong. The advanced technology in power plant boiler control system [J] . Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2003, 184 330- 333. [5] 任建兴, 黄建雄, 朱培富, 等. 回转式空气预热器漏风问 题的研究 [ J]. 华东电力, 1997, 6 37- 39. Ren Jian xing,Huang Jian xiong, Zhu Peifu, et al. Investiga 28华 南 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版第 32卷 tion on the leakage of helicoid air preheater [ J]. EastchinaPower Station, 1997, 6 37- 39. Leakage Control System Based on the Expert Controller for Air Preheaters Yang Yu 1 Ni Yun feng 2 Wang Hong 1 Liu Ding 3 1. Dept. of Applied Physics, South China Univ. of Tech. , Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. College of Telecommunication and Ination, Xi an Univ. of Science and Tech. , Xi an 710054, Shaanxi, China; 3. College of Automation and Ination Engineering , Xi an Univ. of Tech. , Xi an 710048, Shaanxi, China Abstract The principle of the leakage control system for rotary air preheaters applied in a power plant was described, with emphasis on the main causes of the leakage. A new approach based on the expert system mode was then present ed, which implements the leakage control of the preheater by the rule combining the computer database with the knowledge base. The practical results show that the proposed control system can effectively reduce the air leakage to 90 of that without leakage control system, thus guaranteeing the safe and normal running of the units. Key words air preheater; leakage control system; gap; expert system; knowledge base 上接第 24 页 Influence of the Negative Third order Dispersion on the Soliton Compression Effect in FSDD Li Chao Wu Ting wan Dept. of Applied Physics, South China Univ. of Tech. , Guangzhou 510640, Guangdong, China Abstract By utilizing the theory of equivalenteffect, the nonlinear Schrodinger equation of FSDD Fiber with Slow lydecreasing Dispersion with the negative thirdorder dispersion was discussed. It is found that the negative third or der dispersion has a certain relation with the slowlydecreasing dispersion term, thus proving that the negative third or der dispersion helps to the compression effect of FSDD on soliton, and there exists an optimal value of negative third order dispersion. The dynamic compression process wasalso analyzed. The results obtained by theoretical analysis ac cord well with those obtained by numerical simulation. Key words fiber with slowlydecreasing dispersion; negative thirdorder dispersion; soliton compression effect 29 第 8期杨 宇 等 基于专家控制器的空气预热器漏风控制系统