锅炉燃烧系统自动控制设计

一． 锅炉燃烧系统的控制目标 锅炉燃烧系统主要有三大控制目标： 1． 控制主蒸汽的压力恒定，以便满足“负荷流量”所需的压力。例如：负荷流量为35吨/小时的供热锅炉，需要把压力控制在3.3兆帕左右。 2． 控制炉膛内氧的含量。一要保证有足够的氧供燃料充分燃烧，不使烟气中有过量的CO，避免浪费燃料和造成环境污染；二是要满足经济燃烧的要求，保证氧量不能过多，以避免尾气带走过多热量形成浪费。例如：一般燃气锅炉需要将含氧量控制在3%~6%之间比较好。 3． 控制炉膛负压在一定范围，保证安全生产。例如：炉膛负压一般要求在-20 ~ -40帕之间比较合适，保证炉膛不往外喷火。 二． 锅炉燃烧系统的控制手段 根据上述控制目标，锅炉燃烧系统需要相应的控制手段： 1． 主蒸汽压力的控制：主要通过调节输入的燃料量和送风量的多少来实现。当“负荷流量”增加时，压力会下降，为了保证流量的供应，必须提高压力使其返回到额定值，因此调节手段主要是增加燃料输入量和送风量；当“负荷流量”下降时，压力会上升，为了保证流量供应，须降低压力使其返回额定值，这时的调节手段主要是减少燃料输入量和送风量；当“负荷流量”恒定时，保持压力为额定值不变。 2． 炉膛内含氧量的控制：主要通过调节空气（即送风量）和燃料的输入成一定的比例来实现。一般情况下，燃料增加时，燃料耗氧量要增加，为了保证含氧量不致于过低，调节手段是必须相应地增加一定比例的空气量（送风量）；燃料减少时，燃料耗氧量会减少，为了保证含氧量不致于过高，这时的调节手段应该是成比例地减少一定的空气量（送风量）。 3． 炉膛负压的控制：主要通过调节引风机的引风量来实现。当燃料和送风需要增加时，炉膛负压势必会向正压的方向减小，为了保证负压，调节手段应该是先增加引风量；当燃料和送风需要减少时，炉膛负压势必会向负的方向增大，这时的调节手段应该是先减少引风量。 三． 锅炉燃烧系统的对象复杂性 锅炉燃烧系统的三个控制目标是相辅相成的，蒸汽压力变化，需要调节燃料和送风，这势必会引起炉膛含氧量和负压的变化；炉膛含氧量变化，需要调节送风和燃料，同样也要引起蒸汽压力和炉膛负压的变化；炉膛负压变化，需要调节引风，反过来也要引起含氧量的变化。因此是一个强相关、强耦合的系统。同时，由于实际过程中燃料的配比极其不稳定、燃料的热值时好时坏，“负荷流量”的需要量有时高有时低，致使被控对象极其不稳定，所以锅炉燃烧对象存在强烈的外部干扰。另外，燃烧系统需要经过汽包汽水分离系统才能形成蒸汽，这又使得主蒸汽的压力变化具有一定的滞后性。总之，锅炉燃烧对象是一个具有多变量、强耦合、强干扰、大滞后的复杂过程系统。 四．锅炉燃烧系统的控制方案 由于锅炉燃烧对象是一个具有多变量、强耦合、强干扰、大滞后的复杂过程系统，常规的PID控制很难相互兼顾使三个控制目标达到相对稳定，因此需要考虑更加复杂的、先进的、智能化的控制方案才能实现。例如：可以采用多变量的模糊控制、预测控制、鲁棒控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统控制等；也可多种智能控制融合使用，如多变量模糊预测控制、模糊自适应控制、鲁棒PID控制、模型参考自适应控制、模糊神经网络控制等。 五．锅炉燃烧系统的智能控制应用实例 在河南安阳钢铁公司的锅炉燃烧系统中，针对实际情况，我们采用了一种多输入多输出的专家预测控制系统方案。这种多变量专家预测控制方案，把蒸汽压力、炉膛氧含量、炉膛负压作为被控变量，把煤气支管调节阀开度、送风机频率、引风机频率作为控制变量，考虑被控变量的历史变化趋势，采用向后预测、多步局部优化的方式，使三个被控变量逐步趋近于目标值。下面是控制系统的主画面： 由于直接采用多变量控制，所以就避免的复杂的解耦运算；由于预测算法考虑了被控量的历史变化趋势，并在每个控制周期进行局部优化，所以系统能够有效的抗击外部干扰，并且能够较好地消除滞后带来的影响。经过实际投运，算法的优越性得到了验证，系统运行稳定，控制效果良好。