锅炉燃烧系统优化控制及实现方法周以琳 戚淑芬 青岛化工学院 青岛:266042高 蒙 石家庄铁道学院 石家庄:050043 摘 要 本文针对锅炉燃烧系统普遍存在的控制问题,提出了一套抑制大纯滞后的有效控制方案,并采用了一种新的自寻优化控制技术提高锅炉燃烧热效率。
关键词 锅炉系统 优化控制1 引 言 燃烧系统是工业锅炉的重要环节,它不仅直接影响锅炉供气工况的稳定,而且对节能降耗,提高锅炉的热效率有着重要意义。
目前,对工业锅炉燃烧系统的控制,以串级—比值方案据多,这种方案以蒸汽压力的变化来控制供风和给煤流量、其控制流程如图1—1所示。
图1—1 常规串级—比值控制方案 图中:P T —压力检测 F T —流量检测PC —压力控制 FC—流量控制K —比值系数 上述方案可以通过合理地调整燃料量和送风量来抑制蒸汽压力因负荷变化所带来的扰动,进而保证供汽系统的稳定,但在实际运行中,由于供风和给煤调节对抑制蒸汽压力的波动存在着一定的纯滞后时间,加之过程对象本身的时间常数又较大,故现场实施中往往表现出严重的调节滞后,控制效果并不理想。
2 改进的燃烧控制系统方案 为了较好地解决锅炉燃烧系统的控制问题,设法减小调节通道的大纯滞后是至关重要的。
由热力学理论中的斯蒂芬—波兹曼定律可知,在锅炉燃烧系统中,燃料燃烧释放出的全部能量与炉膛温度有单值对应的数量关系。
若选取炉膛温度T 作为被调参数,则该单值关系为超前预测由炉温引起的蒸汽压力变化提供了理论依据。
按照这种设想,本方案设计了以蒸汽压力为主调,以炉膛温度为副调的串级控制系统,其框图如图2—1所示。
·50·工业仪表与自动化装置 1998年第4期图2—1 以炉膛温度为副参数的串级—比值控制方案 由框图可以看到,该方案依据炉温变化来调节燃料流量及供风流量,可以明显减少调节通道的时间滞后,从而大大提高系统的响应速度,改善了调节品质。
实际的运行结果表明,由于这种方案建立了以炉膛温度为被调参数的副环回路,故对于进入炉膛回路的各种干扰量如供风、炉膛压力、给煤量等有较强的抑制作用,从而可保证炉温在一定程度上的稳定,并可进一步保证负荷变化情况下蒸汽压力的稳定。
考虑到现场中煤料品种、燃料温度等工况条件经常变化,副环回路PID 调节器的参数整定有时不能满足大范围内对象特性的变化要求,为进一步改善调节效果,本方案在上述方案的副环回路中采用了一种带死区的非线性微分控制算式,该算式对解决长滞后大惯性对象的控制问题有明显效果,它可用如下的分段函数表示:ΔD =-ζd T 1dt |ΔF |>X0 |ΔF |<X式中ΔF =Ts -T i ,Ts 为炉膛温度给定值,T i为测量值,ΔF 为两者之差,X 为死区参数,该参数可根据不同的炉型和吨位随时调整,Y 为阀门系数,ΔD 为供风阀门的变化量。
可以用如图2—2图形表示该函数的运作规则。
图2—2 带死区微分控制作用原理图·51·1998年第4期 工业仪表与自动化装置 由图可知,当T i >T s +X 或T i <T s+X 时,若炉温T i 为上升状态,即d T idt >0,则控制器输出使阀门以正比于d T idt的速度向关的方向运动;若炉温T i 为下降状态,即d T idt<0,则控制器输出使阀门以正比于d T idt的速度向开的方向运动,而当炉温T i 在所设死区范围内时,控制器输出不变。
显然,这种控制模式是断续的,只有在炉膛温度超过设定的死区范围后,系统才以微分形式迅速克服被调参数的波动。
另外,为了跟据负荷的变化合理控制给煤量,本方案在采取上述措施的同时,又以相应的空/燃比对供煤炉排的转速提供了一个跟踪信号,其目的是保持一定的火床长度,这在链条炉排式工业锅炉上尤为实际,可以取得令人满意的效果。
3 锅炉燃烧热效率的优化控制 燃烧效率是锅炉自动控制中的一个重要经济指标,提高这一指标的有效手段是保持最佳的空/燃比K ,而目前确定空/燃比K 的常用方法大都是通过对烟道中O 2或CO 含量的测定来不断修正K 值,以保证过剩空气系数α达到最佳值,从而使燃料既能充分燃烧,又不至因风量过大而流失过多的热量。
但实际应用中上述方法有明显缺陷,其主要原因在于检测O 2或CO 含量的仪表价格偏高、且使用寿命短暂,由于频繁更换此类仪表的投资过大,致使许多用户失去了对燃烧效率实现最佳控制的兴趣。
通过对数十家实施锅炉自动控制厂家的现场调查表明,虽然系统控制方案中大都有依据O 2或CO 含量修正空燃比的相应措施,但真正实施的却寥寥无几,这已足可说明该种方案设计中存在的问题。
鉴于此,我们尝试设计了一种基于热平衡原理,采用自寻优控制提高燃烧效率的新方法,此举不仅节省了设备投资,并且取得了好的效果。
图3—1 燃烧控制系统流程图 图中:P T —压力检测 P IC —压力、显示、控制 D —蒸汽压力变化率F T —流量检测 P IC —流量、显示、控制T T —温度检测 T IC —温度、显示、控制·52·工业仪表与自动化装置 1998年第4期 对于一般链条式锅炉,其进煤量的多少是可知的(一般用专用煤量计测量),设在充分燃烧的前提下,其释放的热量Q 可视为定值。
而锅炉对此热值的有效利用量为:Q 有效=C 1D +C 2d Pdt 式中D 为锅炉蒸发量,dP dt为锅炉汽包压力的变化率,均为可测参数,而热效率Z =Q 有效Q,显然,Z 在最佳燃烧时应有最大值。
因此,在燃烧控制中定时调整空/燃比K,使η最大,即可认为燃烧效率最佳。
具体作法是:首行根据经验设定一个较好的K 值,在锅炉运行工况达到平稳后,通过改变风/煤比K 搜索η的最优值。
考虑到燃烧系统的滞后特性。
一般在改变K 后需延迟一定时间(可现场调整)再测算η,直至求得最佳η值。
此时,控制仪表自动停止寻优,默认当前K 值为最佳风/煤比,并再启动自寻优定时器,为下次寻优做好准备。
一般寻优间隔不宜太短,用户可根据实际工况自行设定,在下次自寻优时间到后,控制仪表会首先判断系统是否进入稳定状态,待进入稳定状态后再开始新一次寻优。
图3—1给出了实现锅炉燃烧系统自动控制的总体流程框图。
图4—1 应用M FC 仪表实现燃烧系统优化控制的模块组态图4 控制方案的实现及控制效果 上述控制方案用常规仪表是很难实现的,为此我们为青岛富斯特自动化仪表厂设计并组织生产了M FC 四回路可编程数字调节器。
该仪表以16位单片机为核心,可同时实现4路过程控制,12路数据采集和14点开关量控制。
仪表内存储了近70种控制、运算模块,用户可通过填写组态代码的软接线方法,根据实际需要灵活组态,生成多种控制方案,特别是由于该仪表配置了自寻优模块,故将其用于被控参数相对集中的锅炉控制尤为方便。
图4—1 给出了应用M FC 仪表实现(下转第37页)D/A输出值,使其相等。
2 软件设计要点 软件设计的重要工作之一是根据常用热电偶热电势与温度关系逐段线性化。
如分度号K 热电偶可将线性化方程T=aX E+b分段写成:温度范围(℃) 线性化方程 输入信号方程(mV) 40-140T=24.2601*E+0.917 1.611-5.733140-260T=24.8602*E-26523 5.733-10.56260-380T=24.0385*E+ 6.15410.56-15.552380-720T=23.5898*E+13.13115.552-29.965 720-820T=24.2131*E-5.54529.965-34.095 820-940T=24.8962*E-28.83834.095-38.195 940-1100T=25.8365*E-65.39338.915-45.108 1100-1220T=26.9845*E-117.21645.108-49.555 1220-1330T=28.3213*E-183.46349.555-53.439其线性化误差不大于0.5%。
其他分度号热电偶线性化方程在此不一一列举。
将a,b系数与分段输入范围列成表以便根据测量值查询计算。
3 结束语 仪表实际制作中,由于仪表工作在小信号状态,抗干扰措施和合理电路工艺设计对整个仪表精度影响较大。
应该严格将数字地与模拟地分开连接,再选一点共地。
适当增加数字滤波功能是有益的。
因单电源供电,必须合理电平移动,促证运放合适的共模电压和信号的动态范围。
接线端钮选择接触电势与热电势尽可能小的产品。
参考文献1 李华.M CS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社,19932 常玉燕等.日本电子电路精选.电子工业出版社, 1989(上接第53页)燃煤锅炉燃烧系统优化控制的模块组态图。
图中模块1用于确定每次自寻优的时间间隔。
模块2则根据锅炉蒸发量D(仪表组态代码为5c)和锅炉汽包压力变化率dP/dt(代码为58)计算热值的有效利用量Q有效,进而求出当前K值的热效率η提供给后续模块。
在自寻优时间到后,模块3会根据当前K值的热效率及过去K值的热效率选择适当的空燃比K作为当前最佳比值系数。
模块4用于实现对蒸汽压力的低通滤波和超限报警。
模块5和模块7用于完成由蒸汽压力和炉膛温度构成的串级调节。
模块6用于实现蒸汽流量的前馈输入,模块8完成风量控制输出,模块9则会根据风/煤比求出相应的炉排转速以控制燃煤量的加入。
有关M FC 仪表模块组态的具体规则可参阅参考文献[5]。
该系统自93年6月投运以来,工况一直稳定可靠,控制效果很好,锅炉水位反应灵敏,波动小、稳定性高,供汽压力稳压,减少了排烟热损失,提高了锅炉热效率。
仅初步核算每年可节煤近800吨,直接经济效益达16万元。
参考文献1 F.G.Shinskey:"Pr ocess Contr ol System s”,Seco nd Edition,M cGr aw-H ill Boo k Co mpa ny,1979.2 戚淑芬,周以琳,王东雪等.ST DC小型集散锅炉控制系统.青岛化工学院学报,第16卷.3 蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程.烃加工出版社, 1988年.4 庞丽君,孙思昭.锅炉燃烧技术及设备.哈尔滨工业大学出版社,1987年.。