CN201539879U - 模糊-pid复合控制的回转式空气预热器转子变速运行*** - Google Patents

模糊-pid复合控制的回转式空气预热器转子变速运行*** Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***，包括带有控制接口的变频电源、入口开关、出口开关、旁路开关、驱动电机、减速机、回转式空气预热器转子、模糊-PID复合控制器、DCS控制柜和DCS操作员站。模糊-PID复合控制器和DCS控制柜以空气预热器出口局部烟温为被调量，调节回转式空气预热器转子转速，在0.05NH至NH区间变化。采用模糊-PID复合控制器可使***取得较好的自适应性、稳定性和鲁棒性，并缩短调试时间。对现役的回转式空气预热器改造，可提高其抗堵灰抗腐蚀能力，与热风再循环和暖风器相比，显著节能且可控性好，可以提高锅炉运行效率。

Description

模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***
(一)技术领域：本实用新型涉及一种电站锅炉用的回转式空气预热器转子变速运行***。本实用新型适用于中心驱动的回转式空气预热器和围带传动的回转式空气预热器。
(二)背景技术：现有技术的电站锅炉回转式空气预热器的转子，在电站锅炉从点火到停炉的整个运行周期中，一直以转速NH(额定转速)运行。
有一些回转式空气预热器转子的驱动电机配有变频电源，但变频电源仅作为软启动装置，用于降低回转式空气预热器启动过程中的角加速度以降低所必需的启动力矩。
(三)发明内容
模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***包括带有控制接口的变频电源(3)、入口开关(1)、出口开关(2)、旁路开关(9)、驱动电机(4)、减速机(5)、回转式空气预热器转子(6)、模糊-PID复合控制器(10)、DCS控制柜(7)、DCS操作员站(8)，本实用新型提供了一种在电站锅炉运行中智能控制回转式空气预热器转子(6)的转速的方法，以优化回转式空气预热器的换热能力使之与电站锅炉负荷、工况相匹配的技术方案，适用于已采用DCS(分布式控制***)控制的锅炉机组，其优点是DCS控制柜(7)、DCS操作员站(8)和部分数据可以共享，节省控制电缆。模糊-PID复合控制器的采用可使***取得较好的自适应性、稳定性和鲁棒性，并缩短***调试时间。
本实用新型专利模糊-PI复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***，在电站锅炉整个运行周期中，受模糊-PID复合控制器(10)闭环控制，模糊-PID复合控制的被调量是空气预热器出口局部烟温t2j，每1秒采样一次，取300秒(可调)的移动平均值作为被调量。一对测点互为备用，高选进入模糊-PID复合控制***。调节机构为回转式空气预热器转子(6)的转速，在NH(额定转速)至0.05NH区间无级可控。
空气预热器出口局部烟温t2j会随电站锅炉负荷和空气预热器进风温度的下降而下降，长时间过低的t2j会引起回转式空气预热器低温段传热元件和中温段传热元件结露、积灰，甚至堵塞流道，进而引起电站锅炉排烟温度异常升高，风机电耗异常升高。空气预热器出口局部烟温t2j又会随回转式空气预热器转子(6)的转速的下降而可控升高，即回转式空气预热器转子(6)的转速适当的下降可以补偿电站锅炉负荷和空气预热器进风温度的下降，如果t2j回升到tmb(目标温度)，回转式空气预热器转子结露和轻度积灰只发生在低温段传热元件，而低温段轻度积灰又能够被周期性工作的吹灰器定期清除，可维持一种长周期(12个月或更长)动态平衡，使得该电站锅炉在长周期运行中平均排烟温度最低，风机电耗最低。
由于t2j与回转式空气预热器转子(6)的转速N之间为显著的非线性关系；t2j又具有多变性，与众多锅炉运行参数有关，如燃料特性、回转式空气预热器的漏风状况、两侧回转式空气预热器的烟气空气分配状况、回转式空气预热器先期的积灰状态等，且有较大时滞；回转式空气预热器转子具有巨大的转动惯量和热惯性，回转式空气预热器转子的转速不能不宜也无需快速变化，应尽量避免超调、振荡，只需跟随电站锅炉的日负荷曲线适当变化即可。常规PID控制算法难以满足回转式空气预热器转子变速运行***的要求，本实用新型专利模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***采用模糊PID算法实现对回转式空气预热器转子变速运行的控制，利用模糊推理在线整定变参数PID控制模块的三个参数Kp、Ki、Kd，以取得较好的自适应性、稳定性和鲁棒性，使回转式空气预热器转子变速运行***能够长期稳定安全运行，并缩短***调试时间。
本实用新型专利中模糊-PID复合控制器(10)以误差e和误差的变化率ec作为输入，以不同的e和ec为依据对PID的三个参数Kp、Ki、Kd进行自整定。
本实用新型专利采用的带控制接口的变频电源(3)具有矢量控制特性或直接转矩控制特性，配有冷却风扇，以获得必要的启动转矩，在低转速高转矩条件下，长周期安全运行；在变频电源驱动的电动机上装有转速传感器，闭环运行以精确控制电动机转速。变频电源所带的转速控制接口优先采用模拟量接口(如4～20mA、0～10V)，也可以是数字接口(如RS485、DeviceNet、Profibus-DP、Modbus、CAN、SIMOLINK)或者同时具有2类接口。
本实用新型可用于对现有技术的电站锅炉回转式空气预热器进行改造，也可用于设计新一代的电站锅炉回转式空气预热器。本实用新型既适用于中心驱动的回转式空气预热器，也适用于围带传动的回转式空气预热器。
本实用新型提供了一种在电站锅炉运行中智能控制回转式空气预热器转子转速的方法，采用本实用新型的效益在于：
●在锅炉设计阶段，可以选择相对采用现有技术，更低的锅炉额定负荷下的排烟温度，提高锅炉的设计效率。而不必担心锅炉低负荷工况下在空气预热器的中、低温受热面发生严重的积灰与腐蚀。
●可以降低配SCR烟气脱硝装置的空气预热器的制造、改造成本。
●可以对现役的回转式空气预热器进行技术改造，提高其抗堵灰、抗腐蚀的能力，有效延长预热器的传热元件的使用寿命。
●可以利用额外提高tmb的方法进行热清灰，也可以改善原有预热器吹灰器的吹灰效果，防止预热器受热面压降过度升高，从而降低预热器漏风系数，降低引风机、送风机电耗。
●排烟温度长周期平均值最低，提高电站锅炉运行效率。
●可以降低回转式空气预热器的驱动功耗。
●可以延长回转式空气预热器转子主轴承的使用寿命。
●可以减少回转式空气预热器转子的携带漏风。
●与热风再循环相比，减小送风机流量，可以显著降低送风机电耗且可控性好。
●与暖风器相比，无低压蒸汽消耗，无暖风器风压降，可以显著降低能耗且可控性好。
●模糊-PID复合控制器的采用可使***取得较好的自适应性、稳定性和鲁棒性，并缩短***调试时间。
(四)附图说明：
图1模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***结构图
图1中未标出转速传感器、温度传感器、差压传感器等及其信号电缆，以避免***结构图过于繁杂。
4驱动电机、5减速机、6回转式空气预热器转子之间的连线表示机械连接关系。
图2模糊-PID复合控制器***结构图
在图1、图2中的附图标记：
1入口开关        2出口开关       3带有控制接口的变频电源
4驱动电机        5减速机         6回转式空气预热器转子
7 DCS控制柜      8 DCS操作员站   9旁路开关
10模糊-PID复合控制器
(五)具体实施方式：
为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图详细描述本实用新型提供的实施例：
模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***包括带有控制接口的变频电源(3)、入口开关(1)、出口开关(2)、旁路开关(9)、驱动电机(4)、减速机(5)、回转式空气预热器转子(6)、模糊-PID复合控制器(10)、DCS控制柜(7)、DCS操作员站(8)，其中：入口开关(1)、带有控制接口的变频电源(3)、出口开关(2)串联后与旁路开关(9)并联；带有控制接口的变频电源(3)受模糊-PID复合控制器(10)控制其频率在50Hz至2.5Hz区间变化，驱动电机(4)转速相应变化，经减速机(5)减速，回转式空气预热器转子(6)的转速在NH至0.05NH区间变化；DCS控制柜(7)依电站锅炉负荷、工况的变化向模糊-PID复合控制器(10)提供tmb(目标温度)。
在电站锅炉整个运行周期中，回转式空气预热器的转子(6)的转速受模糊-PID复合控制器(10)闭环控制，模糊-PID复合控制的被调量是空气预热器出口局部烟温t2j，每1秒采样一次，取300秒(可调)的移动平均值作为被调量，一对测点互为备用，高选进入模糊-PID复合控制***。调节机构为回转式空气预热器的转子(6)的转速，在NH至0.05NH区间无级可控。
本实用新型专利采用的带控制接口的变频电源(3)具有矢量控制特性或直接转矩控制特性，配有冷却风扇；在驱动电机(4)上装有转速传感器，闭环运行以精确控制驱动电机(4)转速。变频电源所带的转速控制接口优先采用模拟量接口4～20mA。
本实用新型专利中模糊-PID复合控制器以误差e和误差的变化率ec作为输入，以不同的e和ec为依据对PID的三个参数Kp、Ki、Kd进行自整定。
e＝t2j-tmb                ec＝de/dt
e为t2j与tmb的差值，其基本论域[-100，100]，e的量化因子为：Ke＝0.03。
ec为t2j与tmb的差值的变化率，其基本论域[-6，6]，ec的量化因子为：Kec＝0.5。
将***误差e和误差变化率ec变化范围定义为模糊集上的论域。其模糊子集为：
e，ec＝{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}
子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，
量化等级为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。
隶属度函数采用三角形对称的全交迭函数。
ΔKp/ΔKi/ΔKd的模糊控制规则表
Figure DEST_PATH_GSB00000062414200041
ΔKp的基本论域为：[-1，1]
ΔKi的基本论域为：[-0.02，0.02]
ΔKd的基本论域为：[-1，1]
其模糊子集为：ΔKp，Δki，ΔKd＝{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}
子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，
量化等级为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。
隶属度函数采用三角形对称的全交迭函数。
ΔKp/ΔKi/ΔKd的解模糊化比例因子分别为：
ku(ΔKp)＝1/3  ku(ΔKi)＝1/150  ku(ΔKp)＝1/3
输入到变参数PID控制模块的ΔKp/ΔKi/ΔKd由下列算式计算Kp/Ki/Kd：
Kp＝Kp′+ΔKp
Ki＝Ki′+ΔKi
Kd＝Kd′+ΔKd
Kp′/Ki′/Kd′分别为上一周期变参数PID控制模块采用的Kp/Ki/Kd数值。
变参数PID控制模块的Kp/Ki/Kd刷新周期为10秒。
变参数PID控制模块的输入是e＝t2j-tmb；输出控制带有控制接口的变频电源(3)使其频率在50Hz至2.5Hz间变化，以驱动回转式空气预热器转子(6)在NH至0.05NH区间运行。
模糊-PID复合控制器(10)的硬件为一带有模/数I/O接口和通讯接口的单板机。其软件由输入信号处理模块、模糊化接口模块、规则库模块、数据库模块、解模糊接口模块、变参数PID控制模块、通讯模块等组成。
tmb(目标温度)对于不同的锅炉、不同的回转式空气预热器、不同的煤种、不同的季节、不同的空气预热器进风温度、不同的吹灰器、不同的吹灰周期、锅炉是否配有SCR烟气脱硝装置是不一样的。
对未配有SCR烟气脱硝装置的电站锅炉，
当燃料的应用基含硫量S应用≤1.5％时，tmb的初始值取136.6-t进风℃
                                    t进风为送风机出口空气温度。
当燃料的应用基含硫量S应用≥3.5％时，tmb的初始值取170-t进风℃
当燃料的应用基含硫量S应用＞1.5％但＜3.5％时，
tmb的初始值取1670×(S应用-1.5％)+136.6-t进风℃
对配有SCR烟气脱硝装置的电站锅炉，无论是按高温段、低温段两段方式布置传热元件的回转式空气预热器，还是按高温段、中温段、低温段三段方式布置传热元件的回转式空气预热器，传热元件的结露和积灰通常只允许发生在低温段，并且有必要的吹灰手段(如双工质吹灰***)定期清灰。通常低温段传热元件的高度越高，总传热面积越大，优化后的排烟温度会越低。由于硫酸氢铵的露点温度远高于硫酸露点，tmb的初始取值与燃料的应用基含硫量关系不大，与SCR烟气脱硝装置运行时的剩余氨浓度关系较大，正常时剩余氨浓度应≤3PPM，剩余氨浓度较低时tmb可以取较低值。
对配有SCR烟气脱硝装置的电站锅炉
tmb的初始值取2×(175-H低温)-t进风℃
             H低温低温段传热元件高度cm
可以利用额外提高tmb的方法进行热清灰如额外提高20℃，持续60分钟。热清灰的效果可以通过改变tmb和持续时间来优化，还可以协同蒸汽吹灰器、燃气脉冲吹灰器共同清灰，为回转式空气预热器的长周期安全经济运行提供了新的操作手段。
DCS控制柜(7)、DCS操作员站(8)包括以下模块：
a.空气预热器进、出口烟温测量、显示和闭环调节模块。
空气预热器进口烟温和排烟温度可以利用电站锅炉原有测点。
每台空气预热器需增加4点空气预热器出口局部烟温测点，该4点空气预热器出口烟温测点布置在烟气通流区域近转子出口处的两侧，每侧2点为1对。在转子转速甚低时该2对局部烟温与排烟温度会有显著偏差，可用于评估空气预热器在各个工况下的抗堵灰能力。局部烟温温度较高的一对测点即t2j用于模糊-PID复合控制器(10)输入，调节回转式空气预热器转子(6)的运行转速，每1秒采样一次，取300秒的移动平均值作为被调量。一对测点互为备用，高选进入模糊PID控制调节***。
b.空气预热器二次风进、出口温度测量和显示模块。
空气预热器二次风进口温度和二次风热风温度可以利用电站锅炉原有测点。每台空气预热器需增加2点二次风空气预热器出口局部温度测点，该2点出口局部温度测点布置在二次风通流区域近转子处的两侧，在转子转速甚低时该2点二次风空气预热器出口局部温度与二次风热风温度会有显著偏差，可用于评估空气预热器在各个工况下对炉膛燃烧稳定性的影响。
c.空气预热器一次风进、出口温度测量和显示模块。
空气预热器一次风进口温度和一次风热风温度可以利用电站锅炉原有测点。
d.空气预热器烟侧进、出口差压测量和显示模块。
直接用差压变送器测量空气预热器烟侧进出口差压，测量精度较高，如电站锅炉原有，可以共享数据。如原无，每台空气预热器需增加1点。
e.空气预热器转子主/辅驱动电机电流、变频电源输出电流测量和显示模块。
观察、印证、记录空气预热器转子与扇型密封板是否有触碰。
f.空气预热器自密封***扇形板行程协调模块。
空气预热器转子转速下降过程中，转子的蘑菇型变形会减少，需协调提升自密封***扇形板，以避免空气预热器转子与扇型密封板触碰。
g.主发电机电负荷信号、锅炉主蒸汽流量信号、送引风机电流模块。
可以利用电站锅炉原有测点。用于观察同负荷条件下烟侧进、出口差压的变化，以掌握空气预热器转子积灰情况和优化清灰参数。
h.空气预热器转子降速、升速手控模块。
可以选定空气预热器转子降速、升速方式，降速、升速速率，降速、升速目标值。记录与显示各烟温Vs转速，各风温Vs转速曲线。
i 空气预热器转子转速与空气预热器吹灰装置协调模块。
优化空气预热器吹灰器工作时的空气预热器转子转速、每次吹灰持续时间、两次吹灰的间隔时间。
记录与显示燃气脉冲式吹灰装置工作时空气预热器转子的已清灰和待清灰区域。
提供空气预热器吹灰装置自投入和吹灰完成信号。
提供热清灰所需要的额外提高的tmb。
j 空气预热器转子转速自寻优模块。
寻优目标：*空气预热器转子积灰轻微，可控。
          *送、引风机长周期平均电耗最低。
          *排烟温度长周期平均值最低。
          *空气预热器吹灰装置长周期平均功耗最低。
向模糊PID控制器提供tmb。
k 变频电源入口开关、出口开关、旁路开关控制模块。
变频电源异常时，变频电源出系，变频电源旁路开关自动投入，以保证电站锅炉的安全运行。
l 通讯模块。
*与电站锅炉原有DCS共享部分测点数据。
*与变频电源(变压变频交流电源)通讯，监视变频电源的工作状态参数。
*与空气预热器自密封***通讯，协调提升/下降自密封***扇形板。
*与空气预热器吹灰装置程控***通讯，协调优化空气预热器吹灰装置的效能。
*与SCR烟气脱硝装置通讯，协调优化排烟温度。
m 空气预热器转子轴向剖面传热元件温度分布图模块。
烟侧不同位置的轴向剖面传热元件温度分布图，由实测空气预热器进、出口烟温经计算而得的伪彩色温度分布图，用于评估空气预热器转子不同转速下的抗堵灰能力，防止空气预热器转子的中温段换热元件结露、结灰。
n 回转式空气预热器转子启动和停止模块。
启动和停止模式的选择和控制。
主、辅预热器转子驱动电机的切换。
模糊-PID复合控制的投入和停用。
o 回转式空气预热器转子变速运行***主菜单模块。

Claims (6)

1.一种模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***，其特征在于：所述变速运行***包括带有控制接口的变频电源(3)、入口开关(1)、出口开关(2)、旁路开关(9)、驱动电机(4)、减速机(5)、回转式空气预热器转子(6)、模糊-PID复合控制器(10)、DCS控制柜(7)、DCS操作员站(8)，其中：入口开关(1)、带有控制接口的变频电源(3)、出口开关(2)串联后与旁路开关(9)并联；带有控制接口的变频电源(3)受模糊-PID复合控制器(10)控制其频率在50Hz至2.5Hz区间变化，驱动电机(4)转速相应变化，经减速机(5)减速，回转式空气预热器转子(6)的转速在NH至0.05NH区间变化；DCS控制柜(7)依电站锅炉负荷、工况的变化向模糊-PID复合控制器(10)提供目标温度。
2.根据权利要求1所述的模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***，其特征在于：所述的模糊PID控制器(10)的硬件为一带有模/数I/O接口和通讯接口的单板机。
3.根据权利要求1所述的模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***，其特征在于：所述的带控制接口的变频电源(3)具有矢量控制特性或直接转矩控制特性，配有冷却风扇；驱动电机(4)上装有转速传感器；带控制接口的变频电源(3)所带的转速控制接口可以是模拟量接口4_20mA、0_10V，也可以是数字接口RS485、DeviceNet、Profibus-DP、Modbus、CAN、SIMOLINK，或者同时具有2类接口。
4.根据权利要求1所述的模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***，其特征在于：所述的DCS控制柜(7)具有4点布置在烟气通流区域近转子出口处两侧的出口烟温测点。
5.根据权利要求1所述的模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***，其特征在于：所述的DCS控制柜(7)、DCS操作员站(8)可以和已采用DCS控制的电站锅炉机组共享。
6.根据权利要求1所述的模糊-PID复合控制的回转式空气预热器转子变速运行***，其特征在于：所述的DCS控制柜(7)、DCS操作员站(8)包括空气预热器进出口烟温测量显示和闭环调节模块、空气预热器二次风进出口温度测量和显示模块、空气预热器一次风进出口温度测量和显示模块、空气预热器烟侧进出口差压测量和显示模块、空气预热器转子主/辅驱动电机电流变频电源输出电流测量和显示模块、空气预热器自密封***扇形板行程协调模块、主发电机电负荷信号锅炉主蒸汽流量信号送引风机电流模块、空气预热器转子降速升速手控模块、空气预热器转子转速与空气预热器吹灰装置协调模块、变频电源入口开关出口开关旁路开关控制模块、通讯模块。
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