【文章內容簡介】 設所選的風道區(qū)域是紊流段?？纱致缘孛枋龇e灰等原因造成的風道氣阻變化，對于一個非線性氣阻的流量可用下式表示 （417）其中為質量流量；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不確定的時變因素，這個因素將嚴重影響風量控制，使燃燒較難工作在最佳區(qū)。4．1．2鍋爐燃燒過程的動態(tài)特性1．燃料傳送過程燃料煤傳送過程的輸入?yún)?shù)是給煤機的轉速，輸出參數(shù)是給煤量的多少。當給煤機從中間儲倉供應爐膛燃料時，給煤機在動態(tài)特性上是一個一階滯后環(huán)節(jié)。同時，給煤機傳送具有純滯后時間。所以，煤粉傳送過程的傳遞函數(shù)為 （419）其中為放大系數(shù)：為時間常數(shù)，S；為煤傳送滯后時間，s；2．燃料燃燒過程燃料燃燒過程的輸入?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)來近似描述其動態(tài)特性： （420）其中為燃燒過程的放大系數(shù)；為燃燒過程的時間常數(shù)。3．工質形成過程工質形成過程主要是熱水蓄能的過程，它的輸入?yún)?shù)為鍋爐進水所含有的熱量。輸出參數(shù)為管道出口的能量。在研究形成過程的動態(tài)特性時，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)蓄熱過程的時間常數(shù)，；為循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的放大系數(shù)；為省煤器省煤段的停留時間，；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程的傳遞函數(shù)： （421）鍋爐燃燒過程如圖4—1所示：4．1．3工業(yè)鍋爐燃燒控制的任務工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)控制的基本任務，是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應負荷的需要，同時還要保證經(jīng)濟燃燒和鍋爐的安全運行。具體調節(jié)任務可概括為三個方面：1．維持出水溫度不變維持出水溫度不變，這是燃燒過程控制的第一項任務。如果出水溫度變了，就表示鍋爐的生產(chǎn)量與負荷設備的消耗量不相一致，因此，必須改變燃料的供應量，以改變鍋爐的燃燒發(fā)熱量，從而改變鍋爐的輸出，恢復出水溫度為額定值。這項控制任務就稱為熱負荷控制。此外，保持出水溫度在一定范圍內，也是保證鍋爐和各個負荷設備正常工作的必要條件。2．保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性鍋爐燃燒過程的經(jīng)濟性是鍋爐燃燒過程控制的第二個任務。燃燒的經(jīng)濟性指標難于直接測量，常用煙氣中的合氧量，或者燃料量與給風量的比值來表示。如果能夠恰當?shù)乇３秩剂狭颗c空氣量的正確比值，就能達到最小的熱量損失和最大的燃燒效率。反之，如果比值不當，空氣不足，結果導致燃料的不完全燃燒，當大部分燃料不能完全燃燒時，熱量損失直線上升；如果空氣過多，就會使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。一般說來，保持2％的氧或10％的過剩空氣是最適宜的。這樣的熱量損失最小。3．維持爐膛負壓在一定范圍內爐膛負壓的變化，反映了引風量與給風量的不相適應。通常要求爐膛負壓保持在20一40 Pa的范圍內，這時燃燒工況，鍋爐房工作條件，爐子的維護及安全運行都最有利。如果爐膛負壓太小。爐膛容易向外噴火，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設備與操作人員的安全。爐膛負壓太大，爐膛漏風量增大，增加引風機的電耗和煙氣帶走的熱量損失。因此，需要維持爐膛負壓在一定范圍之內。這三項調節(jié)任務是相互關聯(lián)的，它們可以通過調節(jié)燃料量、給風量和引風量來完成。對于燃燒過程自動控制系統(tǒng)的要求是：在負荷穩(wěn)定時，應使燃料量、給風量和引風量各自保持不變，及時地補償系統(tǒng)的內部擾動。這些內部擾動包括燃料的質量變化，給風量和引風量的變化等。在負荷變化的外擾作用時，則應使燃料量、給風量和引風量成比例地改變，既要適應負荷要求，又要使三個被調量出水溫度、爐膛負壓和燃燒經(jīng)濟性指標保持在允許的范圍內。4．2鍋爐優(yōu)化控制的理論基礎及國內外研究現(xiàn)狀4．2．1鍋爐優(yōu)化控制的理論基礎根據(jù)燃燒理論，燃料在爐膛內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；——工質吸收的熱量；——排煙熱損失；——氣體未完全燃燒熱損失；——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剩系數(shù)的變化而變化。其關系如圖42所示。由圖可知，有一個最低點，對應于該點值就是最佳空氣過剩系數(shù)，此時鍋爐的熱損失最少，熱效率最高。由圖4—2可以得到鍋爐熱效率？和空氣過剩系數(shù)的關系，如圖4—3所示。存在一個最佳的，在這一值附近燃料既可以充分燃燒，各項熱損失又最小，稱為最佳燃燒區(qū)；小于這一值，化學不完全燃燒和機械不完全燃燒損失開始增加，稱為空氣不足區(qū)；大于這一值時，雖然燃料燃燒完全，但是由于風量太多，導致爐溫降低，排煙損失增加，效率降低，稱為空氣高過剩區(qū)。圖4．3熱效率與Ⅱ的關系從煙氣化學成分分析可知，空氣過剩系數(shù)和煙氣中的殘氧的含量有近似對應關系：通過測量煙氣中的氧含量就可近似獲得空氣過剩系數(shù)，所以現(xiàn)在的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，普遍采用測量煙氣中過剩氧含量來控制風量，保證空氣量和燃料量保持一定的比值關系。但是，很多鍋爐的負荷經(jīng)常有大范圍的變化，最佳的空氣過剩系數(shù)在不同的工況下也有較大的變化，如圖44所示，低負荷時，燃料量和空氣量都變得很小，流動動量降低(對燃油鍋爐，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，所以低負荷是要提高空氣過剩率。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，要真正實現(xiàn)最優(yōu)控制還必須加入“空燃比”修難功能。4．2．2國內外研究現(xiàn)狀針對最佳空氣過剩率隨負荷變化的情況，很多學者展開了研究，并產(chǎn)生了很多的處理方法。(1)模型優(yōu)化最佳空氣過剩率隨負荷是變化的，但是不同的鍋爐其變化關系是不同的，而多數(shù)鍋爐生產(chǎn)廠家沒有提供這樣的關系曲線。有人根據(jù)司爐的經(jīng)驗，經(jīng)過長時間的觀察，記錄積累了不同負荷下認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)通過線性回歸的方法，建立了最佳氧含量隨負荷變化的數(shù)學模型。當負荷變化時，根據(jù)這一模型自動修幣氧含量的設定值，從而達到最佳燃燒的目的。這種方法的優(yōu)點是，模型是離線計算好的，所以尋找最優(yōu)值速度快，而且對工況沒有干擾；缺點是所采集的數(shù)據(jù)量有限，還摻雜人的經(jīng)驗，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？的極值關系，以為目標函數(shù)，通過調整，在線計算鍋爐的熱效率，逐步尋找到熱效率最高時對應的。這種做法的優(yōu)點是不需要對象準確的數(shù)學模型，只需知道它有極值關系存在，就可以在線尋找到最優(yōu)點，方法簡便易行。但是，對于滯后大的對象如燃煤鍋爐，或由于算法本身收斂速度慢使尋優(yōu)步數(shù)增加，會導致尋優(yōu)周期長。如果在尋優(yōu)過程中，負荷又發(fā)生了大的變化，則尋優(yōu)又要重新進行。同時，由于測量儀表的精度等原因，使尋優(yōu)的靈敏度不高，很難真正找到最優(yōu)點，只能找到近似的最優(yōu)點。4．3控制方案設計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壓維持在一定的范圍內，以保證生產(chǎn)的安全性和燃燒的經(jīng)濟性。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程對象的實測特性從控制理論的角度分析熱水鍋爐，它是一個多變量、非線性、分布參數(shù)的和帶時延的復雜對象，它有多個被控變量(溫度，氧含量和爐膛負壓等)和調節(jié)變量(煤量，鼓風量和引風量等)，相互之間存在著交叉影響，還有煤質、環(huán)境溫度和水流量等諸多干擾因素。為了對鍋爐燃燒對象有更深入的了解，以便采取更加合理的控制方案，我們采用階躍響應法，集中對煤量—出口溫度、鼓風量—煙氣合氧量、煤量—氧含量、引風量—爐膛負壓和鼓風量與負壓特性曲線進行了測試。其輸入輸出變量之間的關系可近似用(4．28)式表示。其中，分別為溫度、氧含量和爐膛負壓；分別為煤量、鼓風量和引風量。從燃燒對象實測特性來看，燃燒對象具有大的純滯后和時間常數(shù)，特別是出口溫度和氧含量回路，其純滯后和過程時間常數(shù)相比一般比較大，有的甚至接近1。這是因為燃煤鍋爐的燃燒過程具有較大的熱慣性，且受煤質、煤種、爐排配風是否合理及爐膛漏風等因素影響，這是燃煤鍋爐和燃油或燃氣鍋爐的最大差別，也使燃煤鍋爐燃燒過程的自動調節(jié)更困難，許多在燃油或燃氣鍋爐上運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耦合。4．3．2控制方案的選取由于出口溫度和氧含量調節(jié)通道的滯后時問與時間常數(shù)相比都比較大，尤其是出口溫度廣義對象傳遞函數(shù)中已接近1：1，如果再采用常規(guī)的PID控制算法，由于PID調節(jié)屬于“事后調節(jié)”，它本身不具備克服純滯后的能力，用于大純滯后對象，無論在穩(wěn)定性和響應速度上都難以達到較好的指標。針對燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)的純滯后問題，國內外展開了廣泛的研究并提出了許多新的控制策略如廣義預估控制、模糊控制等，引入燃煤鍋爐的控制中，這些先進的控制算法有的在實際應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，下位機運算速度和內存容量的限制，有些控制算法雖然比較好，但運算量大、占機時多；有些算法需要對象有精確的數(shù)學模型，我們實測得到的模型是在某一工作點附近測得的，由于對象的非線性，模型不可能很準確。所以，這些先進的控制算法對本系統(tǒng)的小型下位機未必適用。在測試分析該燃煤熱水鍋爐燃燒對象特性的基礎上，結合國內外有關鍋爐控制方案和本鍋爐的實際，經(jīng)過現(xiàn)場試驗，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單、易于掌握、對大滯后有較強克服能力的“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；負壓回路，由于滯后相對比較小，采用一般PID算法加引風前饋的控制策略.(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計的一種非連續(xù)的自動控制方式，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，才使控制量發(fā)生相應的變化；在施加控制之后，等一段時間看看控制效果，以決定是否進一步施加控制。“等等看”控制算法有如下優(yōu)點：1)我們研究的對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行的，沒有大的頻繁的干擾，所以“等等看”控制算法是適用的。2)算法簡單，在計算機內較短的程序就可以實現(xiàn)，減少了計算機的負擔；需整定的參數(shù)少，易于被現(xiàn)場工作人員掌握。3)對于純滯后大的對象，對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節(jié)。如果入口溫度沒有大的變化，長時間內無須改變煤量，從而保證爐排上煤層厚度均勻。所以，“等等看”控制算法對層燃爐是非常適用的。(2)鼓風量的控制從實測的特性可知，鼓風量控制回路對象純滯后和時間常數(shù)之比接近1／2，所以采用常規(guī)PID也容易產(chǎn)生超調和振蕩。這里采用了積分分離的PID算法，即在偏差大的時候取消積分作用?？刂扑闶娇蓪憺椋?)偏差時，實現(xiàn)PD控制；2)偏差時，實現(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，縮短了過程達到新的穩(wěn)態(tài)的時間。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節(jié)風量，顯然是來不及的。如果煤量變化大，還會冒黑煙嚴重污染環(huán)境。所以，把煤量信號作為前饋引入到風量調節(jié)回路中，當煤量發(fā)生變化時，及時改變風量進行粗調，然后再由PID進行細調來消除余差。另外，用煤量作為鼓風量控制的前饋時，可實現(xiàn)在煤量增加時及時增加風量，但是在煤量減少時立即減風卻不合適。因為煤進入爐膛后并不象燃油或氣那樣立即完全燃燒，如果立即減少風量，會導致助燃風量不足。所以必須加一個判斷，看煤量是增加還是減少，增加時，立即增加鼓風量；煤量減少時，可等待一段時間，等煤量改變前拋入的煤(尤其是粉狀煤)燃燒一段時間后再減小風量。(3)爐膛負壓控制方案設計由于燃燒狀態(tài)的不穩(wěn)定，爐膛負壓大范圍、無規(guī)律地波動，波動范圍約是O～100Pa，有時還瞬時出現(xiàn)微正壓，如果我們拿測量的信號直接用于控制，會造成閥門頻繁動作，有時可能是誤動作。而爐膛負壓是一個重要的生產(chǎn)變量，必須對它進行控制。模仿操作工的操作方法，我們對負壓的測量值加了一個長時間的滑動濾波，濾波后的值反映了爐膛負壓變化的總體趨勢，參與控制，取得很好的效果。另外，在調節(jié)器算法中規(guī)定一個死區(qū)，只要負壓不超過這個值，使調節(jié)器輸出不變來防止閥位的誤動作。從投運效果來看，在鼓風量或煤量變化后，能通過調節(jié)引風閥，將負壓的均值控制在給定值的177。5Pa以內。鼓風量的變化是本調節(jié)回路最大的干擾，而鼓風量沒有準確計量，所以將鼓風閥門開度近似為風量大小，作為前饋信號引入。4．4“爐溫尋優(yōu)”思想的提出及實驗驗證無論是“模型優(yōu)化”還是“熱效率在線自尋優(yōu)”都存在一定的缺陷，尤其是對本文所研究的拋煤機鏈條爐，一方面由于是新建的鍋爐房，司爐對它的特性還不太熟悉，很難準確建立最佳空燃比a與負荷的關系模型；另外由于燃料煤的煤質、顆粒度、含水情況和煤量大小難以準確計量等原因，使鍋爐的熱效率難以準確計算，在線自尋優(yōu)也難以達到優(yōu)化的目的。4．4 .1“爐溫尋優(yōu)”思想的提出拋煤機鏈條爐和燃氣、燃油鍋爐的主要區(qū)別在于：拋煤機鏈條爐中，煤在爐排上的燃燒是以層燃方式進行的，當煤進入爐膛時，它不像燃氣、燃油鍋爐那樣燃料立刻燃燒生熱，而是分區(qū)、分段緩慢進行的，所以燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)的燃燒過程長，具有較大滯后。通過改變風量改善爐內的燃燒狀態(tài)，影響到出口溫度也需要經(jīng)過比較長的時間。所以采用熱效率為目標函數(shù)的尋優(yōu)方法尋優(yōu)周期比較長，而且在尋優(yōu)過程中入爐水溫有變化時，由于效率的滯后現(xiàn)象，對效率的計算會產(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應關系。根據(jù)燃煤熱水鍋爐的實際情況，打算以鍋爐