热电厂燃烧配比系统模糊控制的动态分析

高　昕

摘 要：热电厂燃烧控制是一个多输入、多输出、不确定的复杂系统，要安全经济控制燃烧，掌握系统的特性是十分重要的;而分析空煤比的动态特性实施燃烧稳定性是锅炉燃烧最有效的方法之一。用模糊推理机理在锅炉运行时，基于模糊规则和测量值来评估燃料供给状态，并通过工程技术人员经验摸索，空煤比在为5倍时锅炉燃烧最为经济安全，运行实例说明此方法的有效性和稳定性。

关键词：热电厂；空煤比；燃烧控制；模糊化

中图分类号：TB493文献标识码：A文章编号：1672-1098(2008)01-0045-04

收稿日期：2007-05-19

作者简介：高昕(1965-)，女，安徽淮南人，副教授，在读博士，主要从事煤矿电力电子传动与控制技术的研究。

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，随着工业的快速发展，人们除了开发新能源及替代品外，还积极开发能源的二次利用。而以焦炉煤气为主要燃料的热电联产环保热电厂，即利用了大量剩余煤气改善周围空气环境质量，又可满足焦化厂生产用气及用电的需要，同时还在冬季通过汽轮机低真空运行来满足居民采暖用热，做到能源的二次利用，并极大地降低企业生产成本，提高企业经济效益，为企业可持续发展提供动力。

某热电联产热电厂有些机组自动化程度低，整个控制系统不能有机地结合起来，运行的经济性和安全性较差。如锅炉燃烧系统,从现有运行情况来看，存在配风、燃烧状况不理想、热效率偏低的现象，主要原因是锅炉运行工况变动后，手动调整不能随工况的变化保持最佳的风煤比，运行过程中，当入炉煤气质量发生变化时，一、二次风的配比也不能随之变化而保持最佳配比，因而造成不完全燃烧，使燃烧经济性和安全性都较差。

针对这种情况，在生产上需要对燃烧参数值进行修正，有时需重新设置新的比值系数，这样燃料量和空气量两个参数之间的比值就不一定是常数，而是根据另一个参数的变化而不断变化地修正，保证系统优化经济安全运行，所以燃烧控制系统的结构一般比较复杂。

1 燃烧过程控制

热电厂采用燃气锅炉，利用焦化厂剩余焦炉煤气作为燃料，按照规定，煤气燃烧时必须充分，热效率必须达到90％以上［1-2］，否则，残余煤气排入大气就将造成严重的环境污染。燃汽锅炉的主要热工参数是炉温和压力，炉膛温度和压力控制的最终目的是使燃烧锅炉获得最佳热力学性能。燃烧控制的任务在于进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应。因为汽压是锅炉燃料热量与汽轮机需要能量的平衡标志，并且在负荷扰动下汽压具有近似比例的响应特性，因此汽压可以作为燃料控制系统的被调量。

燃料控制系统由炉膛、过热器和汽轮机等组成(见图1)。

图1 燃烧流程图

燃烧过程，主要是指燃料在炉内燃烧产生热量，并保持炉内温度分布符合热工要求。根据燃烧学理论，为保证燃料充分燃烧，须有合理的燃料与助燃空气配比。当助燃空气量不足则形成不完全燃烧，燃烧过程产生黑烟，浪费能源，污染环境；当助燃空气量过多，则燃烧过程废气量增加，导致烟气带走的热量损失增大，锅炉热效率同样降低。

2 燃烧处理的模式

热电厂燃烧处理是一个复杂的、不确定的、时变的多输入、多输出系统，尽管如此，设计一个简单且综合的控制模型仍是能实现的［3-4］。

用两输入（煤气流量和空气流量）和两输出（烟道含氧量和微量元素）描述的燃烧处理模型(见图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为烟道含氧气的体积分数；玿璽为烟道含微量元素的质量分数；玍璳为燃烧室的体积，m3；Φ璯为焦炉煤气正常总流量，kg•s-1；Φ瓃为空气正常总流量，Nm3•kg-1；玍璒为理论上每单位燃料所要求的燃烧空气体积，Nm3•kg-1；玍璬是理论上每单位燃料获得的燃烧焦炉煤气体积，Nm3•kg-1；(1-α)为CO转化CO2的相对分量；獵为燃料中甲烷的相对分量。

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：玊璬为传输延时的死区时间。

图2 燃烧处理模型的模拟示意图

式（3）表明该模式是一种非线性模式，有时这个非线性模式被描述成时变常数的线性系统性能，而时变常数的值取决于输入信号的幅值。通过调节风门挡板来控制空气流量，因为它是闭环的一部分，它必需是模块化的且加入燃烧模块里。调节风门挡板是一个非线性动态系统，它的增益可由下式表达

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：獽瓃为调节风门挡板的增益；Φ为调节挡板的角度；Φ﹝玬ax为空气流量的最大值。

调节风门挡板动态性可由一阶传递函数表示：

G(s)=K瓃0.5s+0.5（7）

3 控制目的和动态特点分析

模型中的变量说明焦炉煤气和空气流量之间强烈地相互影响， 因此， 对独立的设置点和严格的控制变量是必需的。 对烟道中氧气和微量元素的数量剩余量描述很重要， 这不仅是因锅炉的燃烧效率且有燃烧经济性［5］。 为此， 燃烧控制必需妥善处理干扰的介入（如煤气质量变化，空气压力变化等）。另外，煤气流量还受负载率（输出功率）的约束，而这些约束不影响运行条件选择和合理选择的设置点。

焦炉煤气的特点是物理和化学特性的不均匀性都能引起波动：① 当热值低的焦炉煤气进入炉膛后，燃烧时产生的热值也是波动的；② 焦炉煤气完全蒸发、充分分解和燃烧的变化都取决于进入炉膛的湿度变化；③ 既使焦炉煤气速度供给保持常量，供给锅炉的煤气质量和流量都将变化（焦化厂的输出尾气不确定性）；这些变化构成了影响焦炉煤气稳定燃烧的因素。对燃烧数量（如煤气供给速度、给水量和速度、一次和二次风量等）和具体状态的量化（如蒸汽流量、燃烧气体温度、烟道含氧量、燃烧速度等）都是相互影响的。

为保证燃烧完全，应先加大空气流量后加大煤气流量。在减负荷时，应先减煤气流量后在减空气流量，以保证燃料的安全性和经济性。该模型采用如下策略:当锅炉处于动态时(升降负荷),采用定风煤比比值加氧量校正的方法控制送风系统,保证锅炉对负荷变化的快速响应;当系统稳态时,燃料量一定并调节送风则进行模糊控制。为此，燃烧控制的目的就是通过监测处理条件来控制空气和燃料的供给，配置合理的空煤比［6］。空煤比优化条件的设置(见表1)基于锅炉燃烧优化控制，空煤比设置为4～8倍，经现场工程技术人员长期摸索，空煤比在为5倍（偏差±15％）时锅炉燃烧最为经济安全。为此，对燃烧控制空煤比的要求，下面用模糊逻辑控制器说明燃烧的鲁棒性和稳定性。

表1 空煤比优化条件

变化量过(欠)空气/%过(欠)煤气/%动量比例Φ瓃－30.24Φ璯1500.24Φ瓃/Φ璯1530

4 控制器实施及性能评价

由于燃烧系统是有一般运行特点和黑匣相结合的复杂系统，因而运用模糊控制器；它的主要部分是语言控制规则和模糊蕴涵的概念及推理分解规则相关联的。即模糊控制器提供了基于专家知识把语言控制策略转化为自动控制策略。

一般来说，模糊控制器的基本结构有下列五个主要模块组成：①确定模糊控制器的结构,即确定关键的输入、输出量；②输入、输出变量的模糊化,即把输入、输出的精确量转化为对应的语言变量的模糊集。模糊集通常可按“负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大”的方式划分； ③模糊推理、决策算法的设计, 即根据模糊控制规则进行模糊推理, 并决策出输出模糊量； ④对输出模糊量进行模糊判决,完成其模糊量到精确量的转化。判决的方法主要有:最大隶属度法、取中位数法、加权平均法等； ⑤对于多参数的非线性系统,基于人脑和经验的模糊逻辑的控制语言,才能真正实现智能和精确控制。

通过对锅炉应用系统运行的充分研究分析,对象系统具有多输入、多输出的大时滞、鲁棒性强、多参数的复杂过程模糊特征。焦炉煤气的特点及流量受排放（焦化厂尾气）影响等不确定性，空气、煤气流速及质量作为控制量，而烟道含氧量、烟道其它成分等可作为被控量，在燃烧处理模式中进行基本估算；当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，这时，对误差在控制规则中的加权该大些，相反，当误差较小时，此时系统已接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，为此必须减小超调，这样就让误差变化加权大些，于是在不同的误差等级引入不同的加权因子，以实现对模糊控制的自调整。而焦炉煤气热值的变化假定是和相对应的焦炉煤气流量变化相平衡(见表2，图3)。表2 燃烧控制中风煤量模糊控制变化

不完全燃烧完全燃烧过完全燃烧一次风流量Φ㈱1玃BPSNS二次风流量Φ㈱2玃SZPS煤气流量Φゞ玃BNSNS烟道含氧量ΦX┆玂2玁SZPB

图3 隶属度函数

该系统模糊控制算法包括两个部分,首先计算离线查询，然后在控制过程中在线计算输入变量，先将他们作模糊化处理,从而得出控制决策。并采用模块化结构和抗干扰措施，系统设计以经济运行为基础。在实际应用时对输入焦炉煤气的供给量和空气量进行模糊推论进行分析，并通过此供给量来进行试验模拟，而在某热电厂锅炉技改过程中运用上述模式，并由实际对象模拟了结果(见图4)。

5 结论

通过利用模糊推理及燃烧动态分析相结合，采用模糊自寻优原理模式,能够有效地寻找最佳合理配置的空煤比使锅炉燃烧安全经济。在实际应用中收到了良好的效果,为热电厂燃烧控

制节能降耗提供了一条新途径。图4 优化燃烧系统投入后的锅炉变化情况

参考文献：

［1］ 国家环境保护总局科技标准司.GB13223-2003 火电厂大气污染物排放标准［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［2］ 中国环境监测总站，中华人民共和国国家质量技术监督局.GB3096-1996 环境空气质量标准［S］.北京：中国标准出版社，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.

(责任编辑：何学华)