一種基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱電鍋爐技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱 電鍋爐蒸汽量控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今，我國(guó)空氣質(zhì)量已受到威脅，霧霾天氣嚴(yán)重。其根源主要是能源的消耗過(guò)程中 產(chǎn)生的氣體。我國(guó)年消耗煤炭量已近21億噸，主要消耗于燃煤鍋爐，除大型發(fā)電鍋爐外，我 國(guó)的熱電鍋爐、工業(yè)鍋爐大多數(shù)存在運(yùn)行效率低，單位煤耗高，浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。為了適 應(yīng)現(xiàn)代低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，結(jié)合熱電行業(yè)的特點(diǎn)，只有做好熱電鍋爐負(fù)荷的準(zhǔn)確估計(jì)與 合理控制，才能做到節(jié)能減排，走出一條低能耗、低排放、高增長(zhǎng)的新型工業(yè)化之路。
[0003] 環(huán)流化床鍋爐是用熱能來(lái)加熱工質(zhì)（一般為水）產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備，由鍋爐本體和 輔助設(shè)備兩大部分組成，循環(huán)流化床鍋爐本體是鍋爐設(shè)備的主體，它包括鍋本體和爐本體； 鍋即汽水系統(tǒng)，它的主要作用是吸收熱量，使水蒸發(fā)變成過(guò)熱蒸汽。主要由汽包、省煤器、下 降管、水冷壁、過(guò)熱器、再熱器等組成；爐即燃燒系統(tǒng)，它的主要作用是讓燃料在爐內(nèi)燃燒放 熱，它由爐膛、燃燒器、分離器及空氣預(yù)熱器等組成；輔助系統(tǒng)由燃料供應(yīng)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、 通風(fēng)系統(tǒng)、除灰除塵系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、測(cè)量和控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)以及相應(yīng)的附屬設(shè)備和 儀器儀表等組成。
[0004] 循環(huán)流化床鍋爐獨(dú)特的流體動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)使其具備了許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要 有；燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、污染物排放低、燃燒熱強(qiáng)度大等。
[0005] 循環(huán)流化床鍋爐雖然具有較其它類型鍋爐優(yōu)越的性能和特點(diǎn)，但在其商用化和大 型化的過(guò)程中還存在著許多函待解決的問(wèn)題；其中除了循環(huán)流化床鍋爐自身設(shè)計(jì)上存在的 問(wèn)題外，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)控制已經(jīng)成為其推廣的重要障礙。目前循環(huán)流化床鍋爐 的自動(dòng)化水平普遍比較低，其燃燒控制系統(tǒng)基本都不能投上自動(dòng)，絕大多數(shù)還是依靠手動(dòng) 操作。主要存在以下不足：
[0006] 1、鍋爐運(yùn)行時(shí)過(guò)于依賴有經(jīng)驗(yàn)的操作人員；
[0007] 2、操作不當(dāng)會(huì)致使運(yùn)行效率低、不能滿足負(fù)荷的需求；
[0008] 3、人工控制下的燃燒效率不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控 制方法，旨在解決現(xiàn)有的鍋爐運(yùn)行自動(dòng)化水平較低，過(guò)于依賴有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，操作不當(dāng) 會(huì)致使運(yùn)行效率低、不能滿足負(fù)荷的需求，人工控制下的燃燒效率不理想的問(wèn)題。
[0010] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制 方法是一種基于蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)且兼顧其可信度的熱電鍋爐蒸汽量bang-bang與模糊控制 方法，其特征在于，該基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法采用基于 高斯核函數(shù)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，將建立的模型與實(shí)際值進(jìn)行誤差估計(jì)；確定 模型的可信度；設(shè)計(jì)bang-bang控制器和模糊控制器，對(duì)比模型的可信度和模型的輸出值。
[0011] 進(jìn)一步，所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法采用基 于高斯核函數(shù)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型之前需要選取燃料量U作為徑向基函數(shù)神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，將循環(huán)流化床鍋爐的主蒸汽壓力y作為徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸 出。
[0012] 進(jìn)一步，徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為輸入層、隱含層、輸出層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0013] 進(jìn)一步，徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層神經(jīng)元的核函數(shù)采用高斯函數(shù)；
[0014] 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法是一種基于蒸汽 負(fù)荷預(yù)測(cè)且兼顧其可信度的熱電鍋爐蒸汽量bang-bang與模糊控制方法，其特征在于，該 基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法采用基于高斯核函數(shù)的徑向基 函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，將建立的模型與實(shí)際值進(jìn)行誤差估計(jì)；確定模型的可信度；設(shè)計(jì) bang-bang控制器和模糊控制器，對(duì)比模型的可信度和模型的輸出值。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，其 特征在于，采用基于高斯核函數(shù)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型之前需要選取燃料量u作 為徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，將循環(huán)流化床鍋爐的主蒸汽壓力y作為徑向基函數(shù)神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，其 特征在于，徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為輸入層、隱含層、輸出層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，其 特征在于，徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層神經(jīng)元的核函數(shù)采用高斯函數(shù)； 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中，神經(jīng)元的個(gè)數(shù)n為5, ％為隱層到輸出層的權(quán)值，〇為基寬，Xp= (up(k)， yp(k) V為第P個(gè)輸入樣本（P = 1，2,. . .，100)，up(k)為燃料量，yp(k)為當(dāng)前時(shí)刻的主蒸 汽壓力，y(k+l)為下一時(shí)刻的主蒸汽壓力，I Ixp-CiI I2為歐式范數(shù)；c i為高斯函數(shù)的中心， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)對(duì)模型中參數(shù)采用梯度下降法進(jìn)行辨識(shí)后，便進(jìn)行建模。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，其 特征在于，參數(shù)〇和C i通過(guò)梯度下降法得出，具體包括： 第一步，給定初始的燃料量值為25t/h，和收斂的精度0. 5,且系數(shù)K的值定為0 ; 第二步，計(jì)算函數(shù)梯度，并構(gòu)造搜索方向：叉▽表示求導(dǎo)數(shù)，Xk代表神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)中要訓(xùn)練的參數(shù)； 第三步，搜索最優(yōu)步長(zhǎng)a k，并求出新的迭代點(diǎn)：
第四步，收斂判斷，滿足，就迭代終止，否則，k = k+1，轉(zhuǎn)入第二步再次 計(jì)算，直到滿足要求；其中||V/ 表示求范數(shù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，其 特征在于，將建立的模型與實(shí)際值進(jìn)行誤差估計(jì)具體方法包括： 將徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的主蒸汽壓力序列減去實(shí)測(cè)的主蒸汽壓力序列，得到殘差 序列；對(duì)殘差序列建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，并給出相應(yīng)的數(shù)值指標(biāo)，即為殘差的可信度，具體 表達(dá)式為：
式中：{yi，i = 1，2，...，N}和儀,/ = 1，2，...,7^分別為實(shí)測(cè)的主蒸汽壓力序列和徑向基 函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的主蒸汽壓力序列；Xi為第i個(gè)主蒸汽壓力的可信度；y i為第i個(gè)主蒸 汽壓力的權(quán)重，^即為實(shí)測(cè)的主蒸汽壓力和徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的主蒸汽壓力殘差的 可信度指標(biāo)。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，其 特征在于，bang-bang控制器設(shè)計(jì)的具體方法包括： bang-bang控制器數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：
其中，Au表示控制器的輸出值，u_為設(shè)定的最大控制量，即燃料量的最大調(diào)節(jié)量，中 1!_取3〖/1!;6表示期望的主蒸汽壓力值與模型預(yù)測(cè)出的主蒸汽壓力的差值，|e|表示誤差 e的絕對(duì)值，U b表示差值的臨界值，u b取0. 004Mpa。
8. 如權(quán)利要求1所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，其 特征在于，模糊控制器的設(shè)計(jì)方法具體包括： 第一步，模糊控制器采用二維的模糊控制器，將得到的主蒸汽壓力值與所期望的主蒸 汽壓力值做比較，得到的誤差e，以及誤差的變化率e。作為模糊控制器模糊化前的輸入，以 燃料量的增量AuJt為輸出，值可正可負(fù)，正值表示燃料量增加，負(fù)值表示燃料量減少； 第二步，e和e。經(jīng)量化因子k 6和k。模糊化后得到控制器的輸入E和E中量化因子分 別取0. 9和I. 1 ; 第三步，確定E、E。和A V 1的模糊集均為{NB，NM，NS，ZO, PS，PM，PB}，（分別表示狀 態(tài)：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，正好，正小，正中，正大），E、EjP Au':的隸屬度函數(shù)均采用三角形 隸屬度函數(shù)； 第四步，當(dāng)主蒸汽壓力誤差為正大，主蒸汽壓力誤差變化率為正大時(shí)，表示主蒸汽壓力 比期望的值高很多，且溫度升高的速度很快，那么減少燃料量； 第五步，將得到的結(jié)果進(jìn)行去模糊，去模糊化的方法采用加權(quán)平均法，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
其中，Af是清晰化燃料量增量；Au'是模糊推理出的燃料量增量；y是模糊隸屬度 函數(shù)；Af通過(guò)比例因子便得到最終的引風(fēng)量增量Au p
9. 如權(quán)利要求1所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，其 特征在于，對(duì)比模型的可信度和模型的輸出值具體方法包括： 根據(jù)計(jì)算出的可信度和徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出值來(lái)確定采用模糊和 bang-bang控制策略中的哪種控制策略； 當(dāng)可信度^>0.92時(shí)，期望的主蒸汽壓力值與模型預(yù)測(cè)出的主蒸汽壓力差值的絕對(duì)值 大于0? 004MPa時(shí)，采用bang-bang控制策略；當(dāng)可信度p >0.92時(shí)，期望的主蒸汽壓力值與 模型預(yù)測(cè)出的主蒸汽壓力差值的絕對(duì)值小于0. 〇〇4MPa時(shí)，采用模糊控制策略。
10.如權(quán)利要求4所述的基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法， 其特征在于，所述的建模的具體方法為： 步驟一、確定神經(jīng)元的個(gè)數(shù)為5 ; 步驟二、采用梯度下降法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值、寬度和中心進(jìn)行辨識(shí)； 步驟三、將辨識(shí)好的參數(shù)帶入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有具體的數(shù)學(xué)表達(dá) 式，完成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于誤差估計(jì)及蒸汽負(fù)荷預(yù)測(cè)的熱電鍋爐蒸汽量控制方法，采用基于高斯核函數(shù)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，將建立的模型與實(shí)際值進(jìn)行誤差估計(jì)；確定模型的可信度；設(shè)計(jì)bang-bang控制器和模糊控制器，對(duì)比模型的可信度和模型的輸出值。本發(fā)明可以有效地降低循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)營(yíng)成本，提高了循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間和壽命；提高了燃燒效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，較好的解決了現(xiàn)有的鍋爐運(yùn)行自動(dòng)化水平較低，過(guò)于依賴有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，操作不當(dāng)會(huì)致使運(yùn)行效率低、不能滿足負(fù)荷的需求，人工控制下的燃燒效率不理想的問(wèn)題。
【IPC分類】F22B35-00, F23C10-28
【公開號(hào)】CN104819449
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510197675
【發(fā)明人】申濤, 鄭鑒君, 代桃桃, 任萬(wàn)杰, 欒維磊
【申請(qǐng)人】濟(jì)南大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年4月24日