基于模糊控制策略的鍋爐燃燒優化控制系統設計

應 蕾,何 星,張衛東,章立宗

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院,上海 200240;2. 國網紹興供電公司,浙江 紹興312000）

0 前言

電力企業的安全在發展中異常重要，同時想要保持并提升其競爭力，則必須重視鍋爐燃燒運行的經濟性以及穩定性。對于電廠鍋爐燃燒系統來說，在實際運行中會受到燃料種類、給水流量、溫度、送風、引風等因素的影響。從當前的發展來看，常規PID控制在鍋爐燃燒系統控制中的效果并不理想，需要對其進行優化。

1 電廠鍋爐燃燒控制系統的設計需求

1.1 鍋爐燃燒調節的目的以及影響因素

鍋爐經濟性以及生產能力的可靠性取決于鍋爐燃燒過程的質量。鍋爐燃燒調節的目的主要是在滿足外界電負荷需要的蒸汽量和合格的蒸汽品質的基礎上，首先，保證穩定的汽壓、汽溫和蒸發量；其次，著火穩定、燃燒完全，火焰均勻充滿爐膛，不結渣，不燒損燃燒器等；最后，使得機組內運行保持最高的經濟效益，最大的減少燃燒污染物排放[1]。鍋爐的燃燒系統（如圖1所示）中，煤粉在鍋爐的燃燒過程中，通過加熱產生熱蒸汽，之后帶動汽輪機發電，這一系列運行均需要進行調節。鍋爐運行的可靠性，在很大程度上取決于燃燒的穩定性，若燃燒不穩定，則會造成蒸汽參數出現變化，繼而爐內的溫度高低不穩定，燃料無法正常燃燒，還存在爐膛內水冷壁和出口受熱面結渣情況的出現，使得局部管壁超溫。要想實現鍋爐燃燒的經濟性，則需要風煤進行有效的配合，提供合適的風速，保持最佳的過量空氣系數，保持鍋爐噴燃器的火焰溫度，保證鍋爐內燃煤能夠持續燃燒，同時降低漏風以及保證合理的爐膛負壓；若鍋爐的燃燒運行情況出現了變化，則需要進行適當的調節。通過以上對鍋爐燃燒系統的合理控制，有效地提高了燃燒效率，對提高鍋爐燃燒的經濟性有著極大的推動作用[2]。

對鍋爐燃燒產生影響的因素，主要有以下幾點[3]：其一是煤質。煤質產生的燃燒影響較大，煤的成分中揮發分是最大的燃燒影響因素。若煤的揮發分較高，則燃燒速度和燃盡程度較高，但是在爐膛燃燒器的出口處，會產生結焦現象；反之，煤的揮發分越低，則穩定性、經濟性越低。另外，在煤質中包含的水分，也會對燃燒產生影響，水分含量越多，燃燒過程越慢，排煙量越高，同時也不利于制粉的安全性。其二是煤粉的細度和濃度。煤粉越細，則燃燒中的反應速度和升溫時間越短，燃盡使用的時間越少，燃燒越安全；濃度越高，則燃燒過程中產生的熱量也就越高，煤粉著火具有較高的穩定性。其三是鍋爐負荷。鍋爐負荷降低時，燃燒率降低，爐膛平均溫度及燃燒器區域的溫度均有所降低，著火困難，容易滅火。而高負荷運行時，由于爐膛溫度高，著火與混合條件好，所以燃燒一般比較穩定，但是比較容易產生爐膛和燃燒器結焦，過熱器、再熱器局部超溫等問題。

1.2 本文關注的鍋爐燃燒存在的問題

當前鍋爐燃燒中經常出現的一個問題是燃燒器的煤粉分配不合理，導致分配不合理出現的原因主要是由于風量的分布不勻。鍋爐燃燒過程中風速具有偏差，煤粉濃度同樣具有一定的偏差。其次則是在測量風、粉、灰時缺少有效的方法。運行人員在進行數據的調整時，大多均利用積累的工作經驗進行，在此過程同樣會產生一定程度的偏差，對燃燒效率產生影響。本文將從優化控制系統設計的角度對此問題進行研究。

2 鍋爐燃燒控制系統的組成以及特點

鍋爐燃燒控制系統主要由燃料量控制系統、送風量控制系統、引風量控制系統組成。

首先，燃料量控制系統是對進入爐膛內的煤粉量進行調節，從而實現對主蒸汽壓力的穩定控制，因此以燃料量為調節變量，主蒸汽壓力為被調量。其次，送風量控制系統中，送風調節的主要任務是保證鍋爐燃燒的經濟性，因此以送風量為調節變量，煙氣含氧量為被調量，保證煙氣含氧量與設定的規定值相符。最后則是引風控制系統，如果爐膛壓力接近于大氣壓力，則爐煙外冒，影響設備與工作人員的安全，如果爐壓太低，又會造成大量冷空氣漏入爐膛，降低了爐膛溫度，增大了引風機負荷，并且增大了排煙帶走的熱量損失，因此以引風量為調節變量，爐膛壓力為被調量。

但是各控制系統中的調節變量與被調量不是一一對應的關系，他們之間存在著耦合關系，例如：外界負荷需求變化，燃料量變化的同時，必須同時改變送風量使燃料量與空氣量相適應。當燃料量和送風量發生變化時，又需要氧量校正來控制最佳的風煤比。當送風量發生改變時，為了保證爐膛壓力，引風量也必須隨之改變才能保證爐膛壓力的穩定。所以電站鍋爐燃燒控制系統是一個多輸入多輸出的非線性多變量強耦合的控制系統。

3 電廠鍋爐燃燒優化控制系統設計

由于電站鍋爐的精確數學模型難以建立，并且在對象動態特性不斷變化的情況下，控制器的參數難以整定，即使整定好，隨著工況的不斷變化，控制參數也會偏離最優點，而模糊控制具有控制系統的設計不要求知道被控對象的精確模型；控制系統的魯棒性強；利用語言變量代替常規數學模型，易于構造形成專家的“知識”等優點，因此本文采用模糊PID控制理論進行相關的優化設計。

3.1 模糊控制基本原理

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

模糊控制器主要解決以下3個問題：其一，精確量的模糊化。把語言變量的語言值轉換為某個適當論域上的模糊子集；其二，模糊控制算法的設計。通過一組模糊條件語句構成模糊控制規則，并計算模糊控制規則所確定的模糊關系；其三，去模糊化。將推理獲得的模糊結論轉化為確切的響應。

3.2 模糊控制器的設計

以爐膛負壓為例，模糊控制器設計的詳細說明如下。

爐膛壓力是鍋爐安全運行的一個重要指標。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。爐膛負壓控制系統中主要通過對引風機的控制，來使其壓力在一個合理的范圍內變動，由于送風量的增加與減少會直接影響爐膛負壓，所以為了使引風量調節能夠快速跟蹤送風量，在控制系統中將送風量作為前饋環節，使得引風控制環節變得更加的穩定，負壓的波動也會變得很小[4]。

爐膛負壓模糊控制器可以設計為二維模糊控制器，輸入量為爐膛負壓偏差e和爐膛負壓偏差變化率ec，輸出是引風量u。爐膛負壓偏差e的基本論域為[-e，e]，爐膛負壓偏差E的量化論域為{-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}；爐膛負壓偏差變化率ec的基本論域為[-ec，ec]，爐膛負壓偏差率EC的量化論域為{-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的基本論域為[-u，u]，輸出量U的量化論域為{-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} 。

其中爐膛負壓偏差e的基本論域可取值為[-12,12]Pa,則量化因子爐膛負壓偏差變化率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，考慮對論域覆蓋程度、靈敏度、穩定性的影響，選擇經典三角隸屬函數作為輸入輸出的隸屬函數并確定相關參數。 在Matlab中打開fuzzy工具箱，建立一個兩輸入一輸出的系統。

表1 模糊控制規則表

4 結語

本文運用模糊控制方法控制鍋爐燃燒系統，在整個模糊PID控制過程中，模糊控制規則是關鍵，想要得到可信度高的控制規則，需要對系統進行大量的測試實驗，根據操作人員或專家對系統進行控制的實際操作經驗和知識，歸納總結得出。與傳統控制理論和方法相比，模糊控制不要求精確的數學模型，有利于模擬人工控制的過程和方法，較好的適應過程參數的不斷變化，并且對非線性和滯后系統有較強的抑制能力，具有一定的智能水平，保證了燃燒質量。在未來的探索過程中，仍然需要對燃煤鍋爐的燃燒過程優化理論進行研究，進一步促進我國整個電力工業自動化水平的提高。

[1]唐鋒.淺談發電廠鍋爐燃燒調節的目的及其措施[J].建筑工程技術與設計,2015.

[2]張永紅.鍋爐燃燒經濟性分析與改進措施[J].山東工業技術,2015.

[3]王一琮,高峰.影響鍋爐燃燒的因素和強化燃燒的措施[J].產業與科技論壇,2011.

[4]楊常偉.鍋爐爐膛負壓的智能優化控制研究[D].哈爾濱理工大學,2015.