【正文】 . 40 供暖鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仿真 ............................................................................ 40 第 7 章 結論 ..................................................................................................................... 43 設計完成的主要工作 ........................................................................................ 43 尚待完善的工作 ................................................................................................ 43 參考文獻 ........................................................................................................................... 44 謝 辭 ............................................................................................................................... 45 1 第 1 章 緒 論 引言 隨著城市建設的迅速發(fā)展 ， 北方地區(qū)冬季供熱面積的不斷擴大 ， 如何科學有效的控制和管理供熱系統(tǒng) ， 提高供熱的經濟效益和社會效益 ， 成為當前急需解決的重要課題。 據不完全統(tǒng)計 ， 采暖地區(qū)采暖能耗已達 億噸標準煤 ， 占全國總能耗的 %，造成如此大的能耗主要是由于大部分鍋爐自動化程度不高 ， 運行效率低 ， 浪費能源嚴重。 鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個復雜的多輸入多輸出對象 ， 而且各 變 量之間存在著關聯(lián) （見圖 ） 。燃燒調節(jié)主要分為三個回路：燃燒量 (給煤量 )調節(jié)，送風量 (最佳燃燒 )調節(jié)，引風量 (保證爐膛負壓 )調節(jié) [1]。 燃燒量 M 壓力 P 送風量 V 煙氣氧量 O2% 引風量 S 爐膛溫度 PS 圖 燃燒系統(tǒng)輸入輸出關系 2 國內外研究現(xiàn)狀 據資料顯示 ， 在同樣條件下 ， 我國單位面積采暖能耗量是發(fā)達國家的 3— 4 倍 ；1t 蒸汽一般只能供 4000— 6000m2 的采暖面積 ， 僅相當于北歐國家不到一半的采暖面積 ， 差距很大。雖然 ， 國內許多專家學者 發(fā)表了許多關于鍋爐控制的先進方法 (大多都引入了模糊控制技術 )， 但在實際應用中模糊控制技術并沒有得到推廣 ，大多數(shù)鍋爐仍舊沿用傳統(tǒng)的 PID 控制方法 [3]?？刂品椒ㄟh遠落后于國外的控制技術，尤其是北歐國家和德國。 首先應用 Fuzzy 控制方法來控制用于試驗的鍋爐和汽輪機， 在燃油鍋爐上應用最優(yōu)控制，自適應控制等現(xiàn)代控制技術的例子也有多次報道。專家系統(tǒng) PID 自整定調節(jié)器 EXACT 就是其中的一例。美國德克薩斯州的某化工廠工業(yè)鍋爐及所有蒸汽回路都采用了EXACT， 蒸汽消費量減少了 15%。 研究對象及設計內容 鍋 爐燃燒過程是個具有大慣性、純滯后 、變參數(shù)的多輸入多輸出復雜過程。解決這些問題的方法是采用比 PID 更為有效的控制技術。這為鏈條爐的燃燒控制開辟了新的途徑。其組成核心是具有智能性的模糊控制器，這是它與一般 PID 在原理和方法上完全不同之處。因此模糊控制并不是代替 ， 而只是拓展了傳統(tǒng)的控制。 首先詳細了解鏈條鍋爐的結構與運行特點，著重對鍋爐燃燒控制過程進行研究。 給煤系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、引風系統(tǒng)是 鍋爐 燃燒控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，以 MCS— 51系列單片機作為主控設備，通過傳感器采集爐膛溫度、壓力、含氧量和爐膛負壓來調節(jié)鍋爐的給煤量、送風量和引風量從而達到最佳熱效率。 MCS— 51 系列單片機可擴展外部接口，與其它自動控制系統(tǒng) (汽包水位、過熱蒸汽氣溫調節(jié)系統(tǒng) )相連結 ， 實現(xiàn)鍋爐整體的監(jiān)控，有效提高了系統(tǒng)的快速響應性，達到穩(wěn)態(tài)控制的要求。 圖 燃煤鏈條鍋爐結構簡圖 鍋爐結構主要由以下幾部分組成 ： 1. 汽鍋 ： 由上下鍋筒和三簇沸水管組成。 3. 過熱器 ： 是將鍋爐所產生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。 5. 空氣預熱器 ： 是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱 ， 加熱燃料燃燒所需要的空氣的換熱器。 為保證正常工作 ， 鍋爐還必須有一些輔助設備 ， 包括以下幾個部分 ： 1. 引風設備 ： 包括引風機、煙囪、煙道口幾部分 2. 送風設備 ： 由送風機和風道所組成 5 3. 給水設備 ： 由給水泵和給水管組成 4. 水處理設備 ： 其作用為清除水中雜質和降低給水硬度 5. 燃料供給設備 ： 由運煤設備、原煤倉和儲煤斗等設備組成 6. 除灰除塵設備 ： 除灰設備是收集鍋爐灰渣并運往儲灰場地的設備 鍋爐工作過程 鍋爐的工作過程概括起來包括三個同時進行著的過程 ： 燃料的燃燒過程，煙氣向水的傳熱過程和水的汽化過程。煤邊燃燒邊向后移動，引風機將燃燒所需的空氣送入風箱，向上通過爐排到達燃燒層。燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端返過除渣板后排入灰斗。 煙氣向水的傳熱過程 ： 由于燃料的燃燒放熱， 爐膛內溫度很高。 煙氣受引風機、煙囪的引力向爐膛上方流動。煙氣流經過熱器后又經過脹接在上、下爐筒間的對流管束，使煙氣沖刷管束，再次以對流換熱方式將熱量傳遞給管束內的水。省煤器實際上就是給水預熱器，它和空氣預熱器一樣，都設置在鍋爐尾部煙道中，以降低排煙溫度，提高鍋爐效率，從而節(jié)省燃料。 經過處理的水由泵加壓 ， 先流經 省煤器而得到預熱 ， 然后進入汽鍋。位于煙溫較低區(qū)段的對流 6 管束 ， 因受熱較弱 ， 汽水的容重較大 。蒸汽產生的過程是借助上爐筒內裝設的汽水分離設備 ， 以及在鍋筒本身空間中的重力分離作用 ， 使汽水混合物得到分離。 鍋爐的主要控制系統(tǒng) 供熱鍋爐設備的控制任務是根據熱負荷的需要 ， 供應一定溫度的蒸汽 ， 同時使鍋爐在經濟的條件下運行。 1 鍋爐汽包水位控制 2 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：燃燒控制中三個被控變量是蒸汽壓力 (或負壓 )、煙氣分(經濟燃燒指標 )和爐膛負壓。 組成的燃燒系統(tǒng)控制方案要滿足燃燒所產生的熱量 。要使引風量與送風量相適應 ，保證爐膛負壓在一定的范圍內。而對其控制系統(tǒng)的控制不作詳細描述。給煤機在動態(tài)特性上是一個一階滯后環(huán)節(jié)。所以 ，煤粉傳送過程的傳遞函數(shù)為 下式 ()： ??1(s)= K1??1??+1??????? () 其中， K1 為放大系數(shù)， T1 時間常數(shù)，單位 s， τ 為煤傳送滯后時間，單位 s。 蒸汽形成過程 蒸汽形成過程包括汽水蓄熱和蒸汽析出兩個過程 ， 它的輸入參數(shù)為導管傳遞給省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)中汽水混合物的熱量 ， 輸出參數(shù)按理應當是鍋爐水所含有的熱量 ， 在一定的壓力下 ， 蒸發(fā)強度與受熱強度成正比 ， 因此可以用受熱過程中析出的蒸汽量 Ds 來衡量鍋爐水含熱量的變化。 對于循環(huán)系統(tǒng)蒸汽段 ， 其傳遞函數(shù)可表示為 下式 ()： G31 (s)= K31? 1?e?T31sT31 s () 省煤器省煤段的傳遞函數(shù)可表示為 下式 ()： G32 (s)= K32 ? 1?e?T32sT32 s () T31 循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的時間常數(shù) ， 單位 s； K31 循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的放大系數(shù) ；T31 省煤器省煤段的停留時間 ， 單位 s； K31 省煤器省煤段的放大系數(shù)。 另外還有過熱蒸汽系統(tǒng)的控制和鍋爐水處理過程的控制等。燃燒控制的基本任務既要供熱量適應負荷的需要 ， 還要保證燃燒的經濟性和鍋爐運行的安全性。調節(jié)送風量使之隨時與給煤保持恰當?shù)谋壤?， 以保證完全的燃燒和最小的熱損失 。多臺鍋爐并列運行的母管制方式 ， 還要實現(xiàn)按預定比例向各臺鍋爐分配負荷 ， 使各臺鍋爐負荷均衡 ， 共同維持供熱母管的正常運行。 燃燒自動控制的任務是 :使燃燒燃料產生的熱量適應需求量 ， 使燃料量與送風量隨時保持適當?shù)呐浔?， 以保證煙氣中含氧的最佳值 ， 即最佳過剩空氣系數(shù) ， 達到經濟燃燒 。根據鍋爐燃燒過程的特點 ， 燃燒自動控制是這樣來實現(xiàn)的 ， 即 :通過調節(jié)給煤、送風和引風來保證蒸汽壓力、煙氣含量和爐膛負壓為一定值。 燃燒良好 ， 供氣適宜。 保證鍋爐安全運行。 9 1 號 + + 給煤量 + _ 1 號 + + + + 送風 引風 2 號 …… . …… . …… . 2 號 圖 鍋爐燃燒系統(tǒng)控制圖 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖 根據母管制并行運行 ， 鍋爐燃燒過程調節(jié)所要完成的任務 ， 將整個系統(tǒng)分成四個相互聯(lián)系的子系統(tǒng) ， 即壓力調節(jié)系統(tǒng) (調節(jié)與并列運行的所有鍋爐均有關的母管壓力 )、每臺 鍋爐 給煤調節(jié)系統(tǒng)、送風調節(jié)系統(tǒng)和引風調節(jié)系統(tǒng)。為了使給煤機、送風機、引風機協(xié)調工作 ， 以克服耦合 的影響 ， 必須采用多變量輸入多變量輸出的協(xié)調控制方式控制鍋爐的燃燒過程。燃料在鍋爐中燃燒形成煙氣 ， 煙氣中的含氧量由氧化鋯分析儀來檢測 ， 并轉換為標準的電壓信號 ， 伏值 0— 5V， 送給單片機的模擬輸入通道 ， 單片機接受到信號后進行判斷后 ， 將信號送出 ， 對變頻器進行相應的控制 ， 以此來控制電動機的轉速 ， 從而控制送入鍋爐的給煤量 ， 使 燃燒達到最佳設定負荷 母管壓力調節(jié)器 最佳O2% 增量前饋 負荷調節(jié)器 溫度調節(jié)器 氧量調節(jié)器 測量 O2% 送風門擋板 一號鍋爐 設定爐膛負壓 送風前饋 母管壓力反饋及負荷量計算 引風調節(jié)器 引風閥 母 管 爐膛負壓反饋 10 熱效率。主副調節(jié)器都采用模糊自整定控制器。在實時控制過程中 ， 為了減少運算量 ， 將模糊控制規(guī)律制成模糊控制表。根據現(xiàn)場的控制要求和模糊推理求出模糊控制規(guī)則表 (見表 )。對于爐膛溫度修正副調節(jié)回路 ， 取爐膛溫度的偏差及偏差變化為模糊控制器的輸入變量 ， 修正給煤量為控制器的輸出變量 ， 求出模糊控制規(guī)律 (見表 )。實時控制時 ， 模糊控制器只需要進行以下的工作 :在每個控制周期中采樣給定負荷值 ， 爐膛溫 11 度值 ， 并計算出相應的負荷偏差、溫度偏差及偏差的變化量 ， 再將各變量分別進行模糊量化 ， 取得以相應論域元素表征的查找模糊控制表所需的模糊量的論域值 ， 然后根 據論域元素的值查找模糊控制表可以得出輸出論域值元素。 表 爐膛溫度修正量調節(jié)模糊控制表 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 5 4 3 2 5 6 6 6 5 5 5 5 4 3 3 2 2 1 4 6 6 6 5 4 4 4 3 2 1 0 0 0 3 5 5 5 4 3 3 3 2 1 1 0 0 0 2 4 4 4 3 2 2 2 1 0 0 0 0 0 1 3 3 3 2 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 2 2 2 1 0 0 0 0 0 1 2 2 2 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 2 3 3 3 2 0 0 0 0 0 1 2 2 2 3 4 4 4 3 0 0 0 1 1 2 3 3 3 4 5 5 5 4 0 0 0 1 2 3 4 4 4 5 6 6 6 5 1 2 2 3 3 4 5 5 5 5 6 6 6 6 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 主副調節(jié)器的給煤量信號按以下公式 ()合成 : Bw = KbB+ KcTck△b △B () Bw為 總 給煤量的輸出 ， B 為主調節(jié)器的給煤量， Kb 為主 調節(jié)器給煤量比例因子 ，為修正給煤量， K△ b 為 修正項比例因子 ， TC 為控制時間常數(shù)， KC 為修正項系數(shù)。由于到目前為止 ， 還沒有找到一種有效的方法能夠準確地測量給煤量信號 ，