神马文学网风/煤比
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/25 01:00:47
摘 要：国产中小型电站锅炉具有时变、多干扰、强耦合、非线性、大滞后等特点，在线修改风/煤的合理配比是优化燃烧的关键。本文应用先进的智能控制理论—模糊控制，结合自寻最优控制思想，提出了一种以炉膛热量为被控量的风/煤比动态模糊自寻优控制算法，应用在电站锅炉送风系统中，具有较好的鲁棒性和快速性，提高了锅炉的燃烧效率，成功地解决了电厂节能增效的关键问题。
关键词：电站锅炉 效率 风/煤比 模糊 自寻最优
1 引言
锅炉送风调节系统中的送风调节器通过调节风/煤配比来控制锅炉运行的经济性。传统的送风调节系统采用直接保持燃料量与送风量成比例关系的比值调节方式，简单易行，但不具备判断实际风/煤比是否合理的能力，更不能对其进行动态修正，加之国产中小型电站锅炉煤种多样，成分不稳定，直接影响锅炉燃烧状况，所以保持燃料量与送风量为固定比例的送风调节方式并不能始终确保锅炉燃烧过程的最佳经济性。利用锅炉的燃烧效率与烟气含氧量或过量空气系数的关系，在传统比值控制方式下对送风调节回路增加氧量反馈校正环节是实现锅炉高效燃烧的一种重要方法。然而，当负荷大幅变化或煤种改变或对于不同炉型，合适的过剩空气率有很大变化；同时由于氧气测量波动特性大，不利于反馈控制，且非配比空气漏入烟道引起误差，故很难获得较为精确的实际过剩空气率，可见基于烟气氧量较正的控制方法也不能从根本上解决提高燃烧效率的问题。所以风/煤比在线自寻优控制就显得更加必要。
2 风/煤比与锅炉效率
在锅炉的实际运行中，现有的燃烧设备难以保证燃料和空气的彻底混合，为保证完全燃烧必须提供过量空气量。实际空气量(V)与理论空气量(V0)的比值称为过量空气系数(用α表示)即： α实质上是反映燃料和空气配比的一项指标。α过大，一方面锅炉排烟热损失增加，送引风机电耗增大，另一方面造成炉内燃烧不稳，有灭火危险；反之，α太小法则无法保证燃料完全燃烧。选择合适的α是降低锅炉热损失，提高热效率的重要手段。锅炉效率的计算方法有两种：一种是正平衡法：此法必须直接测定燃料消耗量及总有效利用热量公式为：
式中Q1——总有效利用热量/每小时；
Q——进入锅炉的总热量/每小时。
由于煤粉量无法在线准确测量，故直接通过2-1式无法得到效率η，通常利用反平衡法来计算锅炉热效率，公式为：
式中q2——排烟热损失；
q3——气体不完全燃烧损失；
q4——固体不完全燃烧热损失；
q5——散热损失；
q6——灰渣物理热损失。
即通过测定锅炉各项热损失来计算效率η。在一般锅炉控制中，均取送风量与给煤量的比值β来代替过量空气系数α。因此风/煤比与α等价。
图1表示风/煤比与锅炉热损失及热效率间的关系。
热效率曲线为单峰向上凸的极值曲线，在煤质、炉体等工况发生改变时，热效率曲线的极值点在α。(标准煤料、标准炉)附近——最佳燃烧区漂移，为实时保证锅炉的最佳燃烧效率，需要不断寻找这个最佳工作点。
3 锅炉效率寻优指标
由于锅炉每小时的总有效利用热量Q1越高其效率η也越高，而Q1可以在线计算，故实际控制中采用Q1来代替η作为经济指标。Q1的计算公式如下：
通过对过热蒸汽、排污水等焓值随温度变化规律的分析，可得锅炉热效率寻优指标表达式如
下：
4 模糊自寻优控制器设计
模糊自寻优控制程序框图如(图2)
选Fuzzy控制器输入语言变量为：热量信号改变量E1和风机档板上步开度改变量E2；输出语言变量为：送风机档板开度U。
设偏差e1基本论域为：［-Xe，Xe］，偏差语言变量E1的论域为｛-n,-n+1,Λ,Λ,n}
基于运行人员的经验，加上正态分布符合人们对事物判断沿用的思维特点，本文采用正态分布函数：
来确定输入语言变量K1模糊子集的隶属函数曲线如(图3)；输入偏差E2的隶属函数曲线见(图4)；送风门挡板开度变化的模糊子集则采用(图5)所示的正态分布隶属函数。
风/煤比模糊自寻优控制实现方向改变的设计思想是：如果上步风机挡板开度变化与本步热量信号的符号同为正向，则下步风机档板开度变化为正；如果上步风机挡板开度与本步热量信号的符合同为反向，则下步风机挡板开度变化取为原来的反向，即取正；如果上步风机挡板开度变化为反向，而本步热量信号为正向，说明此时锅炉效率处于反向增大阶段，则下步风机挡板开度变化继续取为反向；如果上步风机挡板开度变化为正向，而本步热量信号为反向，即锅炉效率正在下降，则下步风机挡板开度变化应取反向。这样将模糊控制表分成四部分，每个区域内具体控制规则的选取可按常规控制设计思想进行。综合上述思想可得到以下两条设计原则：
(1)如果本步热量信号为正，则保持原来风机挡板变化方向不变。
(2)如果本步热量信号为负，则改变原来风机挡板变化的方向。
这样设计出的模糊自寻优控制规则同时具有自动寻找控制方向的能力。
表1为风/煤比模糊自寻优控制规则表，表2为风/煤比模糊自寻优控制表。
程序中模糊自寻优的启动条件为：｜Qi－Qi｜＜β当负荷作微小扰动时，β保证不频繁改变送风量，当满足以下条件时：Qi-Qi-1＞0，Qi+1－Qi＜0则表示已搜索到最佳工作点，停止寻优，上时的送风量可使锅炉运行在最佳燃烧状态。
设系统输入变量偏差K1的论域值为5，偏差E2的论域值为-5，对于输入的偏差量E1、E2分别有：
对应查询模糊控制规则表可查得结果见表3。
即此时只有以下四条控制规则有效：
最后对输出模糊量进行模糊判决，求得UC即Z0
在上述离线计算基础上便可建立起如表2所示的模糊控制查询表，并把它存放在计算机存贮器中。在实际控制过程中，只要在每一个控制周期中，对从现场采集到的各种信号进行运算处理，计算出程序中所需的偏差e1(k),e2(k),(k=0,1,2Λ），再分别乘以量化因子Ke1和Ke2，取得相应论域元素表征的查询表所需的e1i和e2i；通过查表立即可输出控制量变化UCij，再乘以比例因子KΔu，便是加到被控过程的实际控制变量的变化值。
5 仿真
根据上述设计原则，对锅炉汽压回路进行了数字仿真，仿真框图见(图6)。
图7给出了模糊串级控制仿真曲线，并在第400步(800S)时加入f(t)=05R的阶跃干扰，从仿真结果可见模糊串级控制具有较强的抗干扰性。
6 结论
锅炉的运行效率是一定统计周期内的平均值，在某个统计期内的平均效率按下式计算。
式中∑DＮ——统计期内标准汽的产量(单位：吨)；
∑BN——统计期内标准煤耗量(单位：吨)。
现场运行曲线结果如(图8)。
曲线1为现场投入模糊自寻优控制后，所获得的锅炉效率曲线；曲线2为采用手动方式时的锅炉热效率曲线。可见投入风/煤比模糊自寻优控制后，电厂锅炉热效率有很大提高，尤其在锅炉低负荷运行时，效率提高显著。
参考文献
［1］Shihuang Shao.Fuzzy Self_Organizing Controller and Its Application for Dymanic Process［R］.Fuzzy Sets and Systems,1998 26:151-164
［2］刘向杰，柴天佑，刘红波.动力锅炉燃烧系统的模糊控制策略［J］.自动化学报，1998，VOL24，NO4：534-538
［3］韩树龙.工业锅炉燃烧过程自寻优控制［J］.基础自动化，1998年第5期 14-17
关键词：电站锅炉 效率 风/煤比 模糊 自寻最优
1 引言
锅炉送风调节系统中的送风调节器通过调节风/煤配比来控制锅炉运行的经济性。传统的送风调节系统采用直接保持燃料量与送风量成比例关系的比值调节方式，简单易行，但不具备判断实际风/煤比是否合理的能力，更不能对其进行动态修正，加之国产中小型电站锅炉煤种多样，成分不稳定，直接影响锅炉燃烧状况，所以保持燃料量与送风量为固定比例的送风调节方式并不能始终确保锅炉燃烧过程的最佳经济性。利用锅炉的燃烧效率与烟气含氧量或过量空气系数的关系，在传统比值控制方式下对送风调节回路增加氧量反馈校正环节是实现锅炉高效燃烧的一种重要方法。然而，当负荷大幅变化或煤种改变或对于不同炉型，合适的过剩空气率有很大变化；同时由于氧气测量波动特性大，不利于反馈控制，且非配比空气漏入烟道引起误差，故很难获得较为精确的实际过剩空气率，可见基于烟气氧量较正的控制方法也不能从根本上解决提高燃烧效率的问题。所以风/煤比在线自寻优控制就显得更加必要。
2 风/煤比与锅炉效率
在锅炉的实际运行中，现有的燃烧设备难以保证燃料和空气的彻底混合，为保证完全燃烧必须提供过量空气量。实际空气量(V)与理论空气量(V0)的比值称为过量空气系数(用α表示)即： α实质上是反映燃料和空气配比的一项指标。α过大，一方面锅炉排烟热损失增加，送引风机电耗增大，另一方面造成炉内燃烧不稳，有灭火危险；反之，α太小法则无法保证燃料完全燃烧。选择合适的α是降低锅炉热损失，提高热效率的重要手段。锅炉效率的计算方法有两种：一种是正平衡法：此法必须直接测定燃料消耗量及总有效利用热量公式为：
式中Q1——总有效利用热量/每小时；
Q——进入锅炉的总热量/每小时。
由于煤粉量无法在线准确测量，故直接通过2-1式无法得到效率η，通常利用反平衡法来计算锅炉热效率，公式为：
式中q2——排烟热损失；
q3——气体不完全燃烧损失；
q4——固体不完全燃烧热损失；
q5——散热损失；
q6——灰渣物理热损失。
即通过测定锅炉各项热损失来计算效率η。在一般锅炉控制中，均取送风量与给煤量的比值β来代替过量空气系数α。因此风/煤比与α等价。
图1表示风/煤比与锅炉热损失及热效率间的关系。
热效率曲线为单峰向上凸的极值曲线，在煤质、炉体等工况发生改变时，热效率曲线的极值点在α。(标准煤料、标准炉)附近——最佳燃烧区漂移，为实时保证锅炉的最佳燃烧效率，需要不断寻找这个最佳工作点。
3 锅炉效率寻优指标
由于锅炉每小时的总有效利用热量Q1越高其效率η也越高，而Q1可以在线计算，故实际控制中采用Q1来代替η作为经济指标。Q1的计算公式如下：
通过对过热蒸汽、排污水等焓值随温度变化规律的分析，可得锅炉热效率寻优指标表达式如
下：
4 模糊自寻优控制器设计
模糊自寻优控制程序框图如(图2)
选Fuzzy控制器输入语言变量为：热量信号改变量E1和风机档板上步开度改变量E2；输出语言变量为：送风机档板开度U。
设偏差e1基本论域为：［-Xe，Xe］，偏差语言变量E1的论域为｛-n,-n+1,Λ,Λ,n}
基于运行人员的经验，加上正态分布符合人们对事物判断沿用的思维特点，本文采用正态分布函数：
来确定输入语言变量K1模糊子集的隶属函数曲线如(图3)；输入偏差E2的隶属函数曲线见(图4)；送风门挡板开度变化的模糊子集则采用(图5)所示的正态分布隶属函数。
风/煤比模糊自寻优控制实现方向改变的设计思想是：如果上步风机挡板开度变化与本步热量信号的符号同为正向，则下步风机档板开度变化为正；如果上步风机挡板开度与本步热量信号的符合同为反向，则下步风机挡板开度变化取为原来的反向，即取正；如果上步风机挡板开度变化为反向，而本步热量信号为正向，说明此时锅炉效率处于反向增大阶段，则下步风机挡板开度变化继续取为反向；如果上步风机挡板开度变化为正向，而本步热量信号为反向，即锅炉效率正在下降，则下步风机挡板开度变化应取反向。这样将模糊控制表分成四部分，每个区域内具体控制规则的选取可按常规控制设计思想进行。综合上述思想可得到以下两条设计原则：
(1)如果本步热量信号为正，则保持原来风机挡板变化方向不变。
(2)如果本步热量信号为负，则改变原来风机挡板变化的方向。
这样设计出的模糊自寻优控制规则同时具有自动寻找控制方向的能力。
表1为风/煤比模糊自寻优控制规则表，表2为风/煤比模糊自寻优控制表。
程序中模糊自寻优的启动条件为：｜Qi－Qi｜＜β当负荷作微小扰动时，β保证不频繁改变送风量，当满足以下条件时：Qi-Qi-1＞0，Qi+1－Qi＜0则表示已搜索到最佳工作点，停止寻优，上时的送风量可使锅炉运行在最佳燃烧状态。
设系统输入变量偏差K1的论域值为5，偏差E2的论域值为-5，对于输入的偏差量E1、E2分别有：
对应查询模糊控制规则表可查得结果见表3。
即此时只有以下四条控制规则有效：
最后对输出模糊量进行模糊判决，求得UC即Z0
在上述离线计算基础上便可建立起如表2所示的模糊控制查询表，并把它存放在计算机存贮器中。在实际控制过程中，只要在每一个控制周期中，对从现场采集到的各种信号进行运算处理，计算出程序中所需的偏差e1(k),e2(k),(k=0,1,2Λ），再分别乘以量化因子Ke1和Ke2，取得相应论域元素表征的查询表所需的e1i和e2i；通过查表立即可输出控制量变化UCij，再乘以比例因子KΔu，便是加到被控过程的实际控制变量的变化值。
5 仿真
根据上述设计原则，对锅炉汽压回路进行了数字仿真，仿真框图见(图6)。
图7给出了模糊串级控制仿真曲线，并在第400步(800S)时加入f(t)=05R的阶跃干扰，从仿真结果可见模糊串级控制具有较强的抗干扰性。
6 结论
锅炉的运行效率是一定统计周期内的平均值，在某个统计期内的平均效率按下式计算。
式中∑DＮ——统计期内标准汽的产量(单位：吨)；
∑BN——统计期内标准煤耗量(单位：吨)。
现场运行曲线结果如(图8)。
曲线1为现场投入模糊自寻优控制后，所获得的锅炉效率曲线；曲线2为采用手动方式时的锅炉热效率曲线。可见投入风/煤比模糊自寻优控制后，电厂锅炉热效率有很大提高，尤其在锅炉低负荷运行时，效率提高显著。
参考文献
［1］Shihuang Shao.Fuzzy Self_Organizing Controller and Its Application for Dymanic Process［R］.Fuzzy Sets and Systems,1998 26:151-164
［2］刘向杰，柴天佑，刘红波.动力锅炉燃烧系统的模糊控制策略［J］.自动化学报，1998，VOL24，NO4：534-538
［3］韩树龙.工业锅炉燃烧过程自寻优控制［J］.基础自动化，1998年第5期 14-17