【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)所選的風(fēng)道區(qū)域是紊流段?？纱致缘孛枋龇e灰等原因造成的風(fēng)道氣阻變化，對(duì)于一個(gè)非線性氣阻的流量可用下式表示 （417）其中為質(zhì)量流量；為流量系數(shù)；為空氣流通面積；為經(jīng)氣阻后的流通密度；為氣阻前后壓差；為重力加速度。把代入上式得到 （418）由于積灰流通面積是個(gè)不確定的時(shí)變因素，這個(gè)因素將嚴(yán)重影響風(fēng)量控制，使燃燒較難工作在最佳區(qū)。4．1．2鍋爐燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性1．燃料傳送過(guò)程燃料煤傳送過(guò)程的輸入?yún)?shù)是給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出參數(shù)是給煤量的多少。當(dāng)給煤機(jī)從中間儲(chǔ)倉(cāng)供應(yīng)爐膛燃料時(shí)，給煤機(jī)在動(dòng)態(tài)特性上是一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)。同時(shí)，給煤機(jī)傳送具有純滯后時(shí)間。所以，煤粉傳送過(guò)程的傳遞函數(shù)為 （419）其中為放大系數(shù)：為時(shí)間常數(shù)，S；為煤傳送滯后時(shí)間，s；2．燃料燃燒過(guò)程燃料燃燒過(guò)程的輸入?yún)?shù)是給煤量，輸出參數(shù)是燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，可以用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似描述其動(dòng)態(tài)特性： （420）其中為燃燒過(guò)程的放大系數(shù)；為燃燒過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。3．工質(zhì)形成過(guò)程工質(zhì)形成過(guò)程主要是熱水蓄能的過(guò)程，它的輸入?yún)?shù)為鍋爐進(jìn)水所含有的熱量。輸出參數(shù)為管道出口的能量。在研究形成過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以分省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)段兩部分組成。其傳遞函數(shù)可表示為省煤器省煤段的傳遞函數(shù)可表示為其中為循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，；為循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過(guò)程的放大系數(shù)；為省煤器省煤段的停留時(shí)間，；為省煤器省煤段的放大系數(shù)。綜合上面兩部分的公式，可以求出熱水形成過(guò)程的傳遞函數(shù)： （421）鍋爐燃燒過(guò)程如圖4—1所示：4．1．3工業(yè)鍋爐燃燒控制的任務(wù)工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)控制的基本任務(wù)，是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)負(fù)荷的需要，同時(shí)還要保證經(jīng)濟(jì)燃燒和鍋爐的安全運(yùn)行。具體調(diào)節(jié)任務(wù)可概括為三個(gè)方面：1．維持出水溫度不變維持出水溫度不變，這是燃燒過(guò)程控制的第一項(xiàng)任務(wù)。如果出水溫度變了，就表示鍋爐的生產(chǎn)量與負(fù)荷設(shè)備的消耗量不相一致，因此，必須改變?nèi)剂系墓?yīng)量，以改變鍋爐的燃燒發(fā)熱量，從而改變鍋爐的輸出，恢復(fù)出水溫度為額定值。這項(xiàng)控制任務(wù)就稱為熱負(fù)荷控制。此外，保持出水溫度在一定范圍內(nèi)，也是保證鍋爐和各個(gè)負(fù)荷設(shè)備正常工作的必要條件。2．保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性鍋爐燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性是鍋爐燃燒過(guò)程控制的第二個(gè)任務(wù)。燃燒的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)難于直接測(cè)量，常用煙氣中的合氧量，或者燃料量與給風(fēng)量的比值來(lái)表示。如果能夠恰當(dāng)?shù)乇３秩剂狭颗c空氣量的正確比值，就能達(dá)到最小的熱量損失和最大的燃燒效率。反之，如果比值不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料不能完全燃燒時(shí)，熱量損失直線上升；如果空氣過(guò)多，就會(huì)使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。一般說(shuō)來(lái)，保持2％的氧或10％的過(guò)?？諝馐亲钸m宜的。這樣的熱量損失最小。3．維持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)爐膛負(fù)壓的變化，反映了引風(fēng)量與給風(fēng)量的不相適應(yīng)。通常要求爐膛負(fù)壓保持在20一40 Pa的范圍內(nèi)，這時(shí)燃燒工況，鍋爐房工作條件，爐子的維護(hù)及安全運(yùn)行都最有利。如果爐膛負(fù)壓太小。爐膛容易向外噴火，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設(shè)備與操作人員的安全。爐膛負(fù)壓太大，爐膛漏風(fēng)量增大，增加引風(fēng)機(jī)的電耗和煙氣帶走的熱量損失。因此，需要維持爐膛負(fù)壓在一定范圍之內(nèi)。這三項(xiàng)調(diào)節(jié)任務(wù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量、給風(fēng)量和引風(fēng)量來(lái)完成。對(duì)于燃燒過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求是：在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)使燃料量、給風(fēng)量和引風(fēng)量各自保持不變，及時(shí)地補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)。這些內(nèi)部擾動(dòng)包括燃料的質(zhì)量變化，給風(fēng)量和引風(fēng)量的變化等。在負(fù)荷變化的外擾作用時(shí)，則應(yīng)使燃料量、給風(fēng)量和引風(fēng)量成比例地改變，既要適應(yīng)負(fù)荷要求，又要使三個(gè)被調(diào)量出水溫度、爐膛負(fù)壓和燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)保持在允許的范圍內(nèi)。4．2鍋爐優(yōu)化控制的理論基礎(chǔ)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4．2．1鍋爐優(yōu)化控制的理論基礎(chǔ)根據(jù)燃燒理論，燃料在爐膛內(nèi)燃燒和熱空氣帶入的熱量大體上可分為6部分，即 式中—入爐熱量總和；——工質(zhì)吸收的熱量；——排煙熱損失；——?dú)怏w未完全燃燒熱損失；——固體未完全燃燒熱損失；——爐體散熱損失；——灰渣物理熱損失。各種熱損失中，和占主要部分，而且它們是隨空氣過(guò)剩系數(shù)的變化而變化。其關(guān)系如圖42所示。由圖可知，有一個(gè)最低點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)值就是最佳空氣過(guò)剩系數(shù)，此時(shí)鍋爐的熱損失最少，熱效率最高。由圖4—2可以得到鍋爐熱效率？和空氣過(guò)剩系數(shù)的關(guān)系，如圖4—3所示。存在一個(gè)最佳的，在這一值附近燃料既可以充分燃燒，各項(xiàng)熱損失又最小，稱為最佳燃燒區(qū)；小于這一值，化學(xué)不完全燃燒和機(jī)械不完全燃燒損失開(kāi)始增加，稱為空氣不足區(qū)；大于這一值時(shí)，雖然燃料燃燒完全，但是由于風(fēng)量太多，導(dǎo)致?tīng)t溫降低，排煙損失增加，效率降低，稱為空氣高過(guò)剩區(qū)。圖4．3熱效率與Ⅱ的關(guān)系從煙氣化學(xué)成分分析可知，空氣過(guò)剩系數(shù)和煙氣中的殘氧的含量有近似對(duì)應(yīng)關(guān)系：通過(guò)測(cè)量煙氣中的氧含量就可近似獲得空氣過(guò)剩系數(shù)，所以現(xiàn)在的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，普遍采用測(cè)量煙氣中過(guò)剩氧含量來(lái)控制風(fēng)量，保證空氣量和燃料量保持一定的比值關(guān)系。但是，很多鍋爐的負(fù)荷經(jīng)常有大范圍的變化，最佳的空氣過(guò)剩系數(shù)在不同的工況下也有較大的變化，如圖44所示，低負(fù)荷時(shí)，燃料量和空氣量都變得很小，流動(dòng)動(dòng)量降低(對(duì)燃油鍋爐，油的霧化也變差)，使燃料和空氣混合得不好，引起不完全燃燒，所以低負(fù)荷是要提高空氣過(guò)剩率。因此單純的比值控制并不能保證任何情況下的最佳燃燒狀態(tài)。為此，要真正實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制還必須加入“空燃比”修難功能。4．2．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀針對(duì)最佳空氣過(guò)剩率隨負(fù)荷變化的情況，很多學(xué)者展開(kāi)了研究，并產(chǎn)生了很多的處理方法。(1)模型優(yōu)化最佳空氣過(guò)剩率隨負(fù)荷是變化的，但是不同的鍋爐其變化關(guān)系是不同的，而多數(shù)鍋爐生產(chǎn)廠家沒(méi)有提供這樣的關(guān)系曲線。有人根據(jù)司爐的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察，記錄積累了不同負(fù)荷下認(rèn)為是燃燒工況最佳的煙氣氧含量數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)通過(guò)線性回歸的方法，建立了最佳氧含量隨負(fù)荷變化的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，根據(jù)這一模型自動(dòng)修幣氧含量的設(shè)定值，從而達(dá)到最佳燃燒的目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，模型是離線計(jì)算好的，所以尋找最優(yōu)值速度快，而且對(duì)工況沒(méi)有干擾；缺點(diǎn)是所采集的數(shù)據(jù)量有限，還摻雜人的經(jīng)驗(yàn)，模型精度難免受影響。(2)熱效率在線自尋優(yōu)另外一種優(yōu)化方法，也是應(yīng)用最多的方法是熱效率的在線自尋優(yōu)。根據(jù)圖？的極值關(guān)系，以為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)調(diào)整，在線計(jì)算鍋爐的熱效率，逐步尋找到熱效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，只需知道它有極值關(guān)系存在，就可以在線尋找到最優(yōu)點(diǎn)，方法簡(jiǎn)便易行。但是，對(duì)于滯后大的對(duì)象如燃煤鍋爐，或由于算法本身收斂速度慢使尋優(yōu)步數(shù)增加，會(huì)導(dǎo)致尋優(yōu)周期長(zhǎng)。如果在尋優(yōu)過(guò)程中，負(fù)荷又發(fā)生了大的變化，則尋優(yōu)又要重新進(jìn)行。同時(shí)，由于測(cè)量?jī)x表的精度等原因，使尋優(yōu)的靈敏度不高，很難真正找到最優(yōu)點(diǎn)，只能找到近似的最優(yōu)點(diǎn)。4．3控制方案設(shè)計(jì)與研究要滿足供暖的需要，首先必須保證鍋爐的出口水溫和出口流量的穩(wěn)定；其次要保證煙氣氧含量和爐膛負(fù)壓維持在一定的范圍內(nèi)，以保證生產(chǎn)的安全性和燃燒的經(jīng)濟(jì)性。因此，鍋爐的被控變量可以確定為：鍋爐水流量、省煤器水流量、出口水溫、爐膛負(fù)壓和煙氣氧含量。鍋爐控制系統(tǒng)可以分為流量控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)單控制系統(tǒng))、燃燒控制系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)。4．3．1 燃煤熱水鍋爐燃燒過(guò)程對(duì)象的實(shí)測(cè)特性從控制理論的角度分析熱水鍋爐，它是一個(gè)多變量、非線性、分布參數(shù)的和帶時(shí)延的復(fù)雜對(duì)象，它有多個(gè)被控變量(溫度，氧含量和爐膛負(fù)壓等)和調(diào)節(jié)變量(煤量，鼓風(fēng)量和引風(fēng)量等)，相互之間存在著交叉影響，還有煤質(zhì)、環(huán)境溫度和水流量等諸多干擾因素。為了對(duì)鍋爐燃燒對(duì)象有更深入的了解，以便采取更加合理的控制方案，我們采用階躍響應(yīng)法，集中對(duì)煤量—出口溫度、鼓風(fēng)量—煙氣合氧量、煤量—氧含量、引風(fēng)量—爐膛負(fù)壓和鼓風(fēng)量與負(fù)壓特性曲線進(jìn)行了測(cè)試。其輸入輸出變量之間的關(guān)系可近似用(4．28)式表示。其中，分別為溫度、氧含量和爐膛負(fù)壓；分別為煤量、鼓風(fēng)量和引風(fēng)量。從燃燒對(duì)象實(shí)測(cè)特性來(lái)看，燃燒對(duì)象具有大的純滯后和時(shí)間常數(shù)，特別是出口溫度和氧含量回路，其純滯后和過(guò)程時(shí)間常數(shù)相比一般比較大，有的甚至接近1。這是因?yàn)槿济哄仩t的燃燒過(guò)程具有較大的熱慣性，且受煤質(zhì)、煤種、爐排配風(fēng)是否合理及爐膛漏風(fēng)等因素影響，這是燃煤鍋爐和燃油或燃?xì)忮仩t的最大差別，也使燃煤鍋爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)調(diào)節(jié)更困難，許多在燃油或燃?xì)忮仩t上運(yùn)用十分成功的控制方案，照搬到燃煤鍋爐上往往是失敗的。另外，各輸入輸出變量間存在強(qiáng)耦合。4．3．2控制方案的選取由于出口溫度和氧含量調(diào)節(jié)通道的滯后時(shí)問(wèn)與時(shí)間常數(shù)相比都比較大，尤其是出口溫度廣義對(duì)象傳遞函數(shù)中已接近1：1，如果再采用常規(guī)的PID控制算法，由于PID調(diào)節(jié)屬于“事后調(diào)節(jié)”，它本身不具備克服純滯后的能力，用于大純滯后對(duì)象，無(wú)論在穩(wěn)定性和響應(yīng)速度上都難以達(dá)到較好的指標(biāo)。針對(duì)燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)的純滯后問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了廣泛的研究并提出了許多新的控制策略如廣義預(yù)估控制、模糊控制等，引入燃煤鍋爐的控制中，這些先進(jìn)的控制算法有的在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的控制效果。但是，考慮到本鍋爐控制系統(tǒng)中，下位機(jī)運(yùn)算速度和內(nèi)存容量的限制，有些控制算法雖然比較好，但運(yùn)算量大、占機(jī)時(shí)多；有些算法需要對(duì)象有精確的數(shù)學(xué)模型，我們實(shí)測(cè)得到的模型是在某一工作點(diǎn)附近測(cè)得的，由于對(duì)象的非線性，模型不可能很準(zhǔn)確。所以，這些先進(jìn)的控制算法對(duì)本系統(tǒng)的小型下位機(jī)未必適用。在測(cè)試分析該燃煤熱水鍋爐燃燒對(duì)象特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)鍋爐控制方案和本鍋爐的實(shí)際，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定的控制方案如圖4—5所示。出口溫度的控制采用算法簡(jiǎn)單、易于掌握、對(duì)大滯后有較強(qiáng)克服能力的“等等看”控制算法；氧含量控制網(wǎng)路采用前饋—反饋控制，控制算法采用變形的PID算法—積分分離式PID算法；負(fù)壓回路，由于滯后相對(duì)比較小，采用一般PID算法加引風(fēng)前饋的控制策略.(1)出口溫度的“等等看”控制算法：“等等看”控制算法就是仿人工操作而設(shè)計(jì)的一種非連續(xù)的自動(dòng)控制方式，其主要思想是：偏差e的校正是不連續(xù)的，只有偏差大到必須改變控制量時(shí)，才使控制量發(fā)生相應(yīng)的變化；在施加控制之后，等一段時(shí)間看看控制效果，以決定是否進(jìn)一步施加控制?！暗鹊瓤础笨刂扑惴ㄓ腥缦聝?yōu)點(diǎn)：1)我們研究的對(duì)象是供暖用燃煤低壓熱水鍋爐，出口溫度有177。1℃左右的偏差是允許的；而且，主要的干擾如入口溫度的變化是緩慢進(jìn)行的，沒(méi)有大的頻繁的干擾，所以“等等看”控制算法是適用的。2)算法簡(jiǎn)單，在計(jì)算機(jī)內(nèi)較短的程序就可以實(shí)現(xiàn)，減少了計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)；需整定的參數(shù)少，易于被現(xiàn)場(chǎng)工作人員掌握。3)對(duì)于純滯后大的對(duì)象，對(duì)控制中由純滯后引起的系統(tǒng)振蕩有很好的克服作用。4)避免了煤量的頻繁調(diào)節(jié)。如果入口溫度沒(méi)有大的變化，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)須改變煤量，從而保證爐排上煤層厚度均勻。所以，“等等看”控制算法對(duì)層燃爐是非常適用的。(2)鼓風(fēng)量的控制從實(shí)測(cè)的特性可知，鼓風(fēng)量控制回路對(duì)象純滯后和時(shí)間常數(shù)之比接近1／2，所以采用常規(guī)PID也容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩。這里采用了積分分離的PID算法，即在偏差大的時(shí)候取消積分作用。控制算式可寫為：1)偏差時(shí)，實(shí)現(xiàn)PD控制；2)偏差時(shí)，實(shí)現(xiàn)PID控制。采用積分分離PID算法后，顯著降低了被控變量的超調(diào)，縮短了過(guò)程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。另外，煤量的變化是本控制回路最大的干擾，如果煤量變化后等到煙氣中的氧含量有變化后再去調(diào)節(jié)風(fēng)量，顯然是來(lái)不及的。如果煤量變化大，還會(huì)冒黑煙嚴(yán)重污染環(huán)境。所以，把煤量信號(hào)作為前饋引入到風(fēng)量調(diào)節(jié)回路中，當(dāng)煤量發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)改變風(fēng)量進(jìn)行粗調(diào)，然后再由PID進(jìn)行細(xì)調(diào)來(lái)消除余差。另外，用煤量作為鼓風(fēng)量控制的前饋時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在煤量增加時(shí)及時(shí)增加風(fēng)量，但是在煤量減少時(shí)立即減風(fēng)卻不合適。因?yàn)槊哼M(jìn)入爐膛后并不象燃油或氣那樣立即完全燃燒，如果立即減少風(fēng)量，會(huì)導(dǎo)致助燃風(fēng)量不足。所以必須加一個(gè)判斷，看煤量是增加還是減少，增加時(shí)，立即增加鼓風(fēng)量；煤量減少時(shí)，可等待一段時(shí)間，等煤量改變前拋入的煤(尤其是粉狀煤)燃燒一段時(shí)間后再減小風(fēng)量。(3)爐膛負(fù)壓控制方案設(shè)計(jì)由于燃燒狀態(tài)的不穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓大范圍、無(wú)規(guī)律地波動(dòng)，波動(dòng)范圍約是O～100Pa，有時(shí)還瞬時(shí)出現(xiàn)微正壓，如果我們拿測(cè)量的信號(hào)直接用于控制，會(huì)造成閥門頻繁動(dòng)作，有時(shí)可能是誤動(dòng)作。而爐膛負(fù)壓是一個(gè)重要的生產(chǎn)變量，必須對(duì)它進(jìn)行控制。模仿操作工的操作方法，我們對(duì)負(fù)壓的測(cè)量值加了一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的滑動(dòng)濾波，濾波后的值反映了爐膛負(fù)壓變化的總體趨勢(shì)，參與控制，取得很好的效果。另外，在調(diào)節(jié)器算法中規(guī)定一個(gè)死區(qū)，只要負(fù)壓不超過(guò)這個(gè)值，使調(diào)節(jié)器輸出不變來(lái)防止閥位的誤動(dòng)作。從投運(yùn)效果來(lái)看，在鼓風(fēng)量或煤量變化后，能通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)閥，將負(fù)壓的均值控制在給定值的177。5Pa以內(nèi)。鼓風(fēng)量的變化是本調(diào)節(jié)回路最大的干擾，而鼓風(fēng)量沒(méi)有準(zhǔn)確計(jì)量，所以將鼓風(fēng)閥門開(kāi)度近似為風(fēng)量大小，作為前饋信號(hào)引入。4．4“爐溫尋優(yōu)”思想的提出及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)論是“模型優(yōu)化”還是“熱效率在線自尋優(yōu)”都存在一定的缺陷，尤其是對(duì)本文所研究的拋煤機(jī)鏈條爐，一方面由于是新建的鍋爐房，司爐對(duì)它的特性還不太熟悉，很難準(zhǔn)確建立最佳空燃比a與負(fù)荷的關(guān)系模型；另外由于燃料煤的煤質(zhì)、顆粒度、含水情況和煤量大小難以準(zhǔn)確計(jì)量等原因，使鍋爐的熱效率難以準(zhǔn)確計(jì)算，在線自尋優(yōu)也難以達(dá)到優(yōu)化的目的。4．4 .1“爐溫尋優(yōu)”思想的提出拋煤機(jī)鏈條爐和燃?xì)?、燃油鍋爐的主要區(qū)別在于：拋煤機(jī)鏈條爐中，煤在爐排上的燃燒是以層燃方式進(jìn)行的，當(dāng)煤進(jìn)入爐膛時(shí)，它不像燃?xì)?、燃油鍋爐那樣燃料立刻燃燒生熱，而是分區(qū)、分段緩慢進(jìn)行的，所以燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)的燃燒過(guò)程長(zhǎng)，具有較大滯后。通過(guò)改變風(fēng)量改善爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)，影響到出口溫度也需要經(jīng)過(guò)比較長(zhǎng)的時(shí)間。所以采用熱效率為目標(biāo)函數(shù)的尋優(yōu)方法尋優(yōu)周期比較長(zhǎng)，而且在尋優(yōu)過(guò)程中入爐水溫有變化時(shí)，由于效率的滯后現(xiàn)象，對(duì)效率的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生影響。而爐膛溫度比出口溫度要超前的多，在燃料量一定的情況下，爐膛溫度和鍋爐熱效率有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)燃煤熱水鍋爐的實(shí)際情況，打算以鍋爐