熱電廠燃燒配比系統(tǒng)模糊控制的動態(tài)分析

高　昕

摘 要：熱電廠燃燒控制是一個多輸入、多輸出、不確定的復雜系統(tǒng)，要安全經(jīng)濟控制燃燒，掌握系統(tǒng)的特性是十分重要的;而分析空煤比的動態(tài)特性實施燃燒穩(wěn)定性是鍋爐燃燒最有效的方法之一。用模糊推理機理在鍋爐運行時，基于模糊規(guī)則和測量值來評估燃料供給狀態(tài)，并通過工程技術(shù)人員經(jīng)驗摸索，空煤比在為5倍時鍋爐燃燒最為經(jīng)濟安全，運行實例說明此方法的有效性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：熱電廠；空煤比；燃燒控制；模糊化

中圖分類號：TB493文獻標識碼：A文章編號：1672-1098(2008)01-0045-04

收稿日期：2007-05-19

作者簡介：高昕(1965-)，女，安徽淮南人，副教授，在讀博士，主要從事煤礦電力電子傳動與控制技術(shù)的研究。

Dynamic Characteristic Analysis of Combustion Match System

Based on Fuzzy Controller for Thermal Power Plants

GAO Xin

(School of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:Combustion control of thermal power plants is a multi-input, multi-output and uncertain complex system. It is important to understand characteristics of the system, in order to realize combustion reliably and economically. One of the effective means of combustion control in boilers is to realize stable combustion on the basis of analysis of dynamic characteristic of air/fuel ratio. In the paper fuel feed was estimated based on fuzzy rule and measurement. Based on results of fuzzy inferring and experience of technicians, combustion in boiler is most economical and safe, when air/coal ratio is 5. The case studied shows that the method is valid and reliable.

Key words:thermal power plants;air/fuel ratio;combustion control;Fuzzification

目前，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人們除了開發(fā)新能源及替代品外，還積極開發(fā)能源的二次利用。而以焦爐煤氣為主要燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)環(huán)保熱電廠，即利用了大量剩余煤氣改善周圍空氣環(huán)境質(zhì)量，又可滿足焦化廠生產(chǎn)用氣及用電的需要，同時還在冬季通過汽輪機低真空運行來滿足居民采暖用熱，做到能源的二次利用，并極大地降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供動力。

某熱電聯(lián)產(chǎn)熱電廠有些機組自動化程度低，整個控制系統(tǒng)不能有機地結(jié)合起來，運行的經(jīng)濟性和安全性較差。如鍋爐燃燒系統(tǒng),從現(xiàn)有運行情況來看，存在配風、燃燒狀況不理想、熱效率偏低的現(xiàn)象，主要原因是鍋爐運行工況變動后，手動調(diào)整不能隨工況的變化保持最佳的風煤比，運行過程中，當入爐煤氣質(zhì)量發(fā)生變化時，一、二次風的配比也不能隨之變化而保持最佳配比，因而造成不完全燃燒，使燃燒經(jīng)濟性和安全性都較差。

針對這種情況，在生產(chǎn)上需要對燃燒參數(shù)值進行修正，有時需重新設(shè)置新的比值系數(shù)，這樣燃料量和空氣量兩個參數(shù)之間的比值就不一定是常數(shù)，而是根據(jù)另一個參數(shù)的變化而不斷變化地修正，保證系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟安全運行，所以燃燒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般比較復雜。

1 燃燒過程控制

熱電廠采用燃氣鍋爐，利用焦化廠剩余焦爐煤氣作為燃料，按照規(guī)定，煤氣燃燒時必須充分，熱效率必須達到90％以上［1-2］，否則，殘余煤氣排入大氣就將造成嚴重的環(huán)境污染。燃汽鍋爐的主要熱工參數(shù)是爐溫和壓力，爐膛溫度和壓力控制的最終目的是使燃燒鍋爐獲得最佳熱力學性能。燃燒控制的任務(wù)在于進入鍋爐的燃料量隨時與外界負荷要求相適應(yīng)。因為汽壓是鍋爐燃料熱量與汽輪機需要能量的平衡標志，并且在負荷擾動下汽壓具有近似比例的響應(yīng)特性，因此汽壓可以作為燃料控制系統(tǒng)的被調(diào)量。

燃料控制系統(tǒng)由爐膛、過熱器和汽輪機等組成(見圖1)。

圖1 燃燒流程圖

燃燒過程，主要是指燃料在爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱量，并保持爐內(nèi)溫度分布符合熱工要求。根據(jù)燃燒學理論，為保證燃料充分燃燒，須有合理的燃料與助燃空氣配比。當助燃空氣量不足則形成不完全燃燒，燃燒過程產(chǎn)生黑煙，浪費能源，污染環(huán)境；當助燃空氣量過多，則燃燒過程廢氣量增加，導致煙氣帶走的熱量損失增大，鍋爐熱效率同樣降低。

2 燃燒處理的模式

熱電廠燃燒處理是一個復雜的、不確定的、時變的多輸入、多輸出系統(tǒng)，盡管如此，設(shè)計一個簡單且綜合的控制模型仍是能實現(xiàn)的［3-4］。

用兩輸入（煤氣流量和空氣流量）和兩輸出（煙道含氧量和微量元素）描述的燃燒處理模型(見圖2)。 由下列方程表示：

玠玿┆玂2玠玹=1V璳｛-x┆玂2［Φ瓃+Φ(V璬-V璒)］+

21Φ瓃-100V璒Φ璯｝(1)

玠玿璽玠玹=1V璳｛-x璽［Φ瓃+Φ(V璬-V璒)］+

(1-α)1.866CΦ璯｝(2)

式中：玿┆玂2為煙道含氧氣的體積分數(shù)；玿璽為煙道含微量元素的質(zhì)量分數(shù)；玍璳為燃燒室的體積，m3；Φ璯為焦爐煤氣正?？偭髁浚琸g?s-1；Φ瓃為空氣正?？偭髁?，Nm3?kg-1；玍璒為理論上每單位燃料所要求的燃燒空氣體積，Nm3?kg-1；玍璬是理論上每單位燃料獲得的燃燒焦爐煤氣體積，Nm3?kg-1；(1-α)為CO轉(zhuǎn)化CO2的相對分量；獵為燃料中甲烷的相對分量。

式(1)和式(2)也能由下式表示

x?(t)=A1u(t)+A2v(t)x(t)+B′1u(t)+B′2v(t)（3）

y(t)=x(t-T璬)（4）

式中：xT=［x┆玂2獂璽］u=Φ瓃 v=Φ璯

A1=1V璳A2=V0-V璬V璳

B′T1=［B1 0］=［21V璳0］

B′T2=［B2B4］=［-100V0V璳1.866CV璳］

式中：玊璬為傳輸延時的死區(qū)時間。

圖2 燃燒處理模型的模擬示意圖

式（3）表明該模式是一種非線性模式，有時這個非線性模式被描述成時變常數(shù)的線性系統(tǒng)性能，而時變常數(shù)的值取決于輸入信號的幅值。通過調(diào)節(jié)風門擋板來控制空氣流量，因為它是閉環(huán)的一部分，它必需是模塊化的且加入燃燒模塊里。調(diào)節(jié)風門擋板是一個非線性動態(tài)系統(tǒng)，它的增益可由下式表達

K瓃=Φ﹝玬ax2玡xp(3(Φ-45)45)

0°≤Φ≤45°(5)

K瓃=Φ﹝玬ax2(2-玡xp(-3(Φ-45)45))

45°≤Φ≤90°(6)

式中：獽瓃為調(diào)節(jié)風門擋板的增益；Φ為調(diào)節(jié)擋板的角度；Φ﹝玬ax為空氣流量的最大值。

調(diào)節(jié)風門擋板動態(tài)性可由一階傳遞函數(shù)表示：

G(s)=K瓃0.5s+0.5（7）

3 控制目的和動態(tài)特點分析

模型中的變量說明焦爐煤氣和空氣流量之間強烈地相互影響， 因此， 對獨立的設(shè)置點和嚴格的控制變量是必需的。 對煙道中氧氣和微量元素的數(shù)量剩余量描述很重要， 這不僅是因鍋爐的燃燒效率且有燃燒經(jīng)濟性［5］。 為此， 燃燒控制必需妥善處理干擾的介入（如煤氣質(zhì)量變化，空氣壓力變化等）。另外，煤氣流量還受負載率（輸出功率）的約束，而這些約束不影響運行條件選擇和合理選擇的設(shè)置點。

焦爐煤氣的特點是物理和化學特性的不均勻性都能引起波動：① 當熱值低的焦爐煤氣進入爐膛后，燃燒時產(chǎn)生的熱值也是波動的；② 焦爐煤氣完全蒸發(fā)、充分分解和燃燒的變化都取決于進入爐膛的濕度變化；③ 既使焦爐煤氣速度供給保持常量，供給鍋爐的煤氣質(zhì)量和流量都將變化（焦化廠的輸出尾氣不確定性）；這些變化構(gòu)成了影響焦爐煤氣穩(wěn)定燃燒的因素。對燃燒數(shù)量（如煤氣供給速度、給水量和速度、一次和二次風量等）和具體狀態(tài)的量化（如蒸汽流量、燃燒氣體溫度、煙道含氧量、燃燒速度等）都是相互影響的。

為保證燃燒完全，應(yīng)先加大空氣流量后加大煤氣流量。在減負荷時，應(yīng)先減煤氣流量后在減空氣流量，以保證燃料的安全性和經(jīng)濟性。該模型采用如下策略:當鍋爐處于動態(tài)時(升降負荷),采用定風煤比比值加氧量校正的方法控制送風系統(tǒng),保證鍋爐對負荷變化的快速響應(yīng);當系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時,燃料量一定并調(diào)節(jié)送風則進行模糊控制。為此，燃燒控制的目的就是通過監(jiān)測處理條件來控制空氣和燃料的供給，配置合理的空煤比［6］?？彰罕葍?yōu)化條件的設(shè)置(見表1)基于鍋爐燃燒優(yōu)化控制，空煤比設(shè)置為4～8倍，經(jīng)現(xiàn)場工程技術(shù)人員長期摸索，空煤比在為5倍（偏差±15％）時鍋爐燃燒最為經(jīng)濟安全。為此，對燃燒控制空煤比的要求，下面用模糊邏輯控制器說明燃燒的魯棒性和穩(wěn)定性。

表1 空煤比優(yōu)化條件

變化量過(欠)空氣/%過(欠)煤氣/%動量比例Φ瓃－30.24Φ璯1500.24Φ瓃/Φ璯1530

4 控制器實施及性能評價

由于燃燒系統(tǒng)是有一般運行特點和黑匣相結(jié)合的復雜系統(tǒng)，因而運用模糊控制器；它的主要部分是語言控制規(guī)則和模糊蘊涵的概念及推理分解規(guī)則相關(guān)聯(lián)的。即模糊控制器提供了基于專家知識把語言控制策略轉(zhuǎn)化為自動控制策略。

一般來說，模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)有下列五個主要模塊組成：①確定模糊控制器的結(jié)構(gòu),即確定關(guān)鍵的輸入、輸出量；②輸入、輸出變量的模糊化,即把輸入、輸出的精確量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的語言變量的模糊集。模糊集通?？砂础柏摯? 負中, 負小, 零, 正小, 正中, 正大”的方式劃分； ③模糊推理、決策算法的設(shè)計, 即根據(jù)模糊控制規(guī)則進行模糊推理, 并決策出輸出模糊量； ④對輸出模糊量進行模糊判決,完成其模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。判決的方法主要有:最大隸屬度法、取中位數(shù)法、加權(quán)平均法等； ⑤對于多參數(shù)的非線性系統(tǒng),基于人腦和經(jīng)驗的模糊邏輯的控制語言,才能真正實現(xiàn)智能和精確控制。

通過對鍋爐應(yīng)用系統(tǒng)運行的充分研究分析,對象系統(tǒng)具有多輸入、多輸出的大時滯、魯棒性強、多參數(shù)的復雜過程模糊特征。焦爐煤氣的特點及流量受排放（焦化廠尾氣）影響等不確定性，空氣、煤氣流速及質(zhì)量作為控制量，而煙道含氧量、煙道其它成分等可作為被控量，在燃燒處理模式中進行基本估算；當誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，這時，對誤差在控制規(guī)則中的加權(quán)該大些，相反，當誤差較小時，此時系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，為此必須減小超調(diào)，這樣就讓誤差變化加權(quán)大些，于是在不同的誤差等級引入不同的加權(quán)因子，以實現(xiàn)對模糊控制的自調(diào)整。而焦爐煤氣熱值的變化假定是和相對應(yīng)的焦爐煤氣流量變化相平衡(見表2，圖3)。表2 燃燒控制中風煤量模糊控制變化

不完全燃燒完全燃燒過完全燃燒一次風流量Φ㈱1玃BPSNS二次風流量Φ㈱2玃SZPS煤氣流量Φゞ玃BNSNS煙道含氧量ΦX┆玂2玁SZPB

圖3 隸屬度函數(shù)

該系統(tǒng)模糊控制算法包括兩個部分,首先計算離線查詢，然后在控制過程中在線計算輸入變量，先將他們作模糊化處理,從而得出控制決策。并采用模塊化結(jié)構(gòu)和抗干擾措施，系統(tǒng)設(shè)計以經(jīng)濟運行為基礎(chǔ)。在實際應(yīng)用時對輸入焦爐煤氣的供給量和空氣量進行模糊推論進行分析，并通過此供給量來進行試驗模擬，而在某熱電廠鍋爐技改過程中運用上述模式，并由實際對象模擬了結(jié)果(見圖4)。

5 結(jié)論

通過利用模糊推理及燃燒動態(tài)分析相結(jié)合，采用模糊自尋優(yōu)原理模式,能夠有效地尋找最佳合理配置的空煤比使鍋爐燃燒安全經(jīng)濟。在實際應(yīng)用中收到了良好的效果,為熱電廠燃燒控

制節(jié)能降耗提供了一條新途徑。圖4 優(yōu)化燃燒系統(tǒng)投入后的鍋爐變化情況

參考文獻：

［1］ 國家環(huán)境保護總局科技標準司.GB13223-2003 火電廠大氣污染物排放標準［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［2］ 中國環(huán)境監(jiān)測總站，中華人民共和國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB3096-1996 環(huán)境空氣質(zhì)量標準［S］.北京：中國標準出版社，1996.

［3］ BANASZUK A, JACOBSON C A, KHIBNIK A I, et al.(1999a).Linear and nonlinear analysis of controlled combustionprocesses. PartI: linear analysis［C］//Proceedings of the IEEE conference on control applications, Kohala-Coast, Hawai, pt.1 ,1999(1)：199-205.

［4］ BANASZUK A,JACOBSON C A,KHIBNIK A I,et al.Linear and nonlinear analysis of controlled combustion processes. Part II: nonlinear analysis［C］//Proceedings of the IEEE conference on control applications, Kohala-Coast, Hawai,pt.1,1999(1)：206-212.

［5］ YUICHI MIYAMOTO,YOSHIMITSU KUROSAKI,HITOSHI FUJIYAMA，et al.Dynamic characteristic analysis and combustion control for a fluidized bed incinerator［J］. Control Engineering Practice, 1998， 6：1 159-1 168.

［6］ ANDRZEJ BANASZUK, KARTIK B ARIYUR，

MIROSLAV KRSTIC，et al. An adaptive algorithm for control of combustion instability［J］. Automatica， 2004， 40： 1 965-1 972.

(責任編輯：何學華)