基于模糊控制策略的鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng) 蕾,何 星,張衛(wèi)東,章立宗

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240;2. 國(guó)網(wǎng)紹興供電公司,浙江 紹興312000）

0 前言

電力企業(yè)的安全在發(fā)展中異常重要，同時(shí)想要保持并提升其競(jìng)爭(zhēng)力，則必須重視鍋爐燃燒運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性。對(duì)于電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到燃料種類、給水流量、溫度、送風(fēng)、引風(fēng)等因素的影響。從當(dāng)前的發(fā)展來(lái)看，常規(guī)PID控制在鍋爐燃燒系統(tǒng)控制中的效果并不理想，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

1 電廠鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

1.1 鍋爐燃燒調(diào)節(jié)的目的以及影響因素

鍋爐經(jīng)濟(jì)性以及生產(chǎn)能力的可靠性取決于鍋爐燃燒過(guò)程的質(zhì)量。鍋爐燃燒調(diào)節(jié)的目的主要是在滿足外界電負(fù)荷需要的蒸汽量和合格的蒸汽品質(zhì)的基礎(chǔ)上，首先，保證穩(wěn)定的汽壓、汽溫和蒸發(fā)量；其次，著火穩(wěn)定、燃燒完全，火焰均勻充滿爐膛，不結(jié)渣，不燒損燃燒器等；最后，使得機(jī)組內(nèi)運(yùn)行保持最高的經(jīng)濟(jì)效益，最大的減少燃燒污染物排放[1]。鍋爐的燃燒系統(tǒng)（如圖1所示）中，煤粉在鍋爐的燃燒過(guò)程中，通過(guò)加熱產(chǎn)生熱蒸汽，之后帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，這一系列運(yùn)行均需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。鍋爐運(yùn)行的可靠性，在很大程度上取決于燃燒的穩(wěn)定性，若燃燒不穩(wěn)定，則會(huì)造成蒸汽參數(shù)出現(xiàn)變化，繼而爐內(nèi)的溫度高低不穩(wěn)定，燃料無(wú)法正常燃燒，還存在爐膛內(nèi)水冷壁和出口受熱面結(jié)渣情況的出現(xiàn)，使得局部管壁超溫。要想實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，則需要風(fēng)煤進(jìn)行有效的配合，提供合適的風(fēng)速，保持最佳的過(guò)量空氣系數(shù)，保持鍋爐噴燃器的火焰溫度，保證鍋爐內(nèi)燃煤能夠持續(xù)燃燒，同時(shí)降低漏風(fēng)以及保證合理的爐膛負(fù)壓；若鍋爐的燃燒運(yùn)行情況出現(xiàn)了變化，則需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。通過(guò)以上對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的合理控制，有效地提高了燃燒效率，對(duì)提高鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性有著極大的推動(dòng)作用[2]。

對(duì)鍋爐燃燒產(chǎn)生影響的因素，主要有以下幾點(diǎn)[3]：其一是煤質(zhì)。煤質(zhì)產(chǎn)生的燃燒影響較大，煤的成分中揮發(fā)分是最大的燃燒影響因素。若煤的揮發(fā)分較高，則燃燒速度和燃盡程度較高，但是在爐膛燃燒器的出口處，會(huì)產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象；反之，煤的揮發(fā)分越低，則穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性越低。另外，在煤質(zhì)中包含的水分，也會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)生影響，水分含量越多，燃燒過(guò)程越慢，排煙量越高，同時(shí)也不利于制粉的安全性。其二是煤粉的細(xì)度和濃度。煤粉越細(xì)，則燃燒中的反應(yīng)速度和升溫時(shí)間越短，燃盡使用的時(shí)間越少，燃燒越安全；濃度越高，則燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量也就越高，煤粉著火具有較高的穩(wěn)定性。其三是鍋爐負(fù)荷。鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，燃燒率降低，爐膛平均溫度及燃燒器區(qū)域的溫度均有所降低，著火困難，容易滅火。而高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于爐膛溫度高，著火與混合條件好，所以燃燒一般比較穩(wěn)定，但是比較容易產(chǎn)生爐膛和燃燒器結(jié)焦，過(guò)熱器、再熱器局部超溫等問(wèn)題。

1.2 本文關(guān)注的鍋爐燃燒存在的問(wèn)題

當(dāng)前鍋爐燃燒中經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是燃燒器的煤粉分配不合理，導(dǎo)致分配不合理出現(xiàn)的原因主要是由于風(fēng)量的分布不勻。鍋爐燃燒過(guò)程中風(fēng)速具有偏差，煤粉濃度同樣具有一定的偏差。其次則是在測(cè)量風(fēng)、粉、灰時(shí)缺少有效的方法。運(yùn)行人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)整時(shí)，大多均利用積累的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，在此過(guò)程同樣會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏差，對(duì)燃燒效率產(chǎn)生影響。本文將從優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的組成以及特點(diǎn)

鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主要由燃料量控制系統(tǒng)、送風(fēng)量控制系統(tǒng)、引風(fēng)量控制系統(tǒng)組成。

首先，燃料量控制系統(tǒng)是對(duì)進(jìn)入爐膛內(nèi)的煤粉量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主蒸汽壓力的穩(wěn)定控制，因此以燃料量為調(diào)節(jié)變量，主蒸汽壓力為被調(diào)量。其次，送風(fēng)量控制系統(tǒng)中，送風(fēng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，因此以送風(fēng)量為調(diào)節(jié)變量，煙氣含氧量為被調(diào)量，保證煙氣含氧量與設(shè)定的規(guī)定值相符。最后則是引風(fēng)控制系統(tǒng)，如果爐膛壓力接近于大氣壓力，則爐煙外冒，影響設(shè)備與工作人員的安全，如果爐壓太低，又會(huì)造成大量冷空氣漏入爐膛，降低了爐膛溫度，增大了引風(fēng)機(jī)負(fù)荷，并且增大了排煙帶走的熱量損失，因此以引風(fēng)量為調(diào)節(jié)變量，爐膛壓力為被調(diào)量。

但是各控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)變量與被調(diào)量不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，他們之間存在著耦合關(guān)系，例如：外界負(fù)荷需求變化，燃料量變化的同時(shí)，必須同時(shí)改變送風(fēng)量使燃料量與空氣量相適應(yīng)。當(dāng)燃料量和送風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，又需要氧量校正來(lái)控制最佳的風(fēng)煤比。當(dāng)送風(fēng)量發(fā)生改變時(shí)，為了保證爐膛壓力，引風(fēng)量也必須隨之改變才能保證爐膛壓力的穩(wěn)定。所以電站鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的非線性多變量強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)。

3 電廠鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于電站鍋爐的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，并且在對(duì)象動(dòng)態(tài)特性不斷變化的情況下，控制器的參數(shù)難以整定，即使整定好，隨著工況的不斷變化，控制參數(shù)也會(huì)偏離最優(yōu)點(diǎn)，而模糊控制具有控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求知道被控對(duì)象的精確模型；控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)；利用語(yǔ)言變量代替常規(guī)數(shù)學(xué)模型，易于構(gòu)造形成專家的“知識(shí)”等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用模糊PID控制理論進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 模糊控制基本原理

模糊控制是以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言邏輯和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制基本原理圖如圖2所示，圖2中：R為系統(tǒng)設(shè)定值；e，ec分別為系統(tǒng)誤差和誤差變化率；u為控制量；E、EC、U分別為在e的論域上定義的語(yǔ)言變量“誤差E”，在ec的論域上定義的語(yǔ)言變量“誤差變化率EC”，在u的論域上定義的語(yǔ)言變量“控制量U”；y為系統(tǒng)的輸出。

模糊控制器主要解決以下3個(gè)問(wèn)題：其一，精確量的模糊化。把語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值轉(zhuǎn)換為某個(gè)適當(dāng)論域上的模糊子集；其二，模糊控制算法的設(shè)計(jì)。通過(guò)一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計(jì)算模糊控制規(guī)則所確定的模糊關(guān)系；其三，去模糊化。將推理獲得的模糊結(jié)論轉(zhuǎn)化為確切的響應(yīng)。

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

以爐膛負(fù)壓為例，模糊控制器設(shè)計(jì)的詳細(xì)說(shuō)明如下。

爐膛壓力是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。通常情況下爐膛壓力需要保證在較外界大氣壓力低10～20Pa左右。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中主要通過(guò)對(duì)引風(fēng)機(jī)的控制，來(lái)使其壓力在一個(gè)合理的范圍內(nèi)變動(dòng)，由于送風(fēng)量的增加與減少會(huì)直接影響爐膛負(fù)壓，所以為了使引風(fēng)量調(diào)節(jié)能夠快速跟蹤送風(fēng)量，在控制系統(tǒng)中將送風(fēng)量作為前饋環(huán)節(jié)，使得引風(fēng)控制環(huán)節(jié)變得更加的穩(wěn)定，負(fù)壓的波動(dòng)也會(huì)變得很小[4]。

爐膛負(fù)壓模糊控制器可以設(shè)計(jì)為二維模糊控制器，輸入量為爐膛負(fù)壓偏差e和爐膛負(fù)壓偏差變化率ec，輸出是引風(fēng)量u。爐膛負(fù)壓偏差e的基本論域?yàn)閇-e，e]，爐膛負(fù)壓偏差E的量化論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,+1，+2，+3，+4，+5，+6}，量化因子模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；爐膛負(fù)壓偏差變化率ec的基本論域?yàn)閇-ec，ec]，爐膛負(fù)壓偏差率EC的量化論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,+1，+2，+3，+4，+5，+6}， 量 化 因 子模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} ；輸出量u的基本論域?yàn)閇-u，u]，輸出量U的量化論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,+1，+2，+3，+4，+5，+6}，比例因子模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} 。

其中爐膛負(fù)壓偏差e的基本論域可取值為[-12,12]Pa,則量化因子爐膛負(fù)壓偏差變化率ec的基本論域可取值為[-1,1]，則量化因子Kec=6；輸出量u的基本論域可取值為[-0.1,0.1]，則比例因子。確定輸入輸出模糊集后，定義隸屬函數(shù)，考慮對(duì)論域覆蓋程度、靈敏度、穩(wěn)定性的影響，選擇經(jīng)典三角隸屬函數(shù)作為輸入輸出的隸屬函數(shù)并確定相關(guān)參數(shù)。 在Matlab中打開fuzzy工具箱，建立一個(gè)兩輸入一輸出的系統(tǒng)。

表1 模糊控制規(guī)則表

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用模糊控制方法控制鍋爐燃燒系統(tǒng)，在整個(gè)模糊PID控制過(guò)程中，模糊控制規(guī)則是關(guān)鍵，想要得到可信度高的控制規(guī)則，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)操作人員或?qū)＜覍?duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，歸納總結(jié)得出。與傳統(tǒng)控制理論和方法相比，模糊控制不要求精確的數(shù)學(xué)模型，有利于模擬人工控制的過(guò)程和方法，較好的適應(yīng)過(guò)程參數(shù)的不斷變化，并且對(duì)非線性和滯后系統(tǒng)有較強(qiáng)的抑制能力，具有一定的智能水平，保證了燃燒質(zhì)量。在未來(lái)的探索過(guò)程中，仍然需要對(duì)燃煤鍋爐的燃燒過(guò)程優(yōu)化理論進(jìn)行研究，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)整個(gè)電力工業(yè)自動(dòng)化水平的提高。

[1]唐鋒.淺談發(fā)電廠鍋爐燃燒調(diào)節(jié)的目的及其措施[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015.

[2]張永紅.鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性分析與改進(jìn)措施[J].山東工業(yè)技術(shù),2015.

[3]王一琮,高峰.影響鍋爐燃燒的因素和強(qiáng)化燃燒的措施[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2011.

[4]楊常偉.鍋爐爐膛負(fù)壓的智能優(yōu)化控制研究[D].哈爾濱理工大學(xué),2015.