基于風油比系數調節和內模控制的鍋爐送風控制研究

邵 慶,湯旭晶，汪 恬

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

艦船燃油鍋爐的高效燃燒，是降低油耗提升經濟性的關鍵。傳統的定風油比系數僅依靠鍋爐管理人員的操作經驗，使用供油量和送風量間的固定比例控制送風，且由于送風執行機構調節的滯后，系統魯棒性及抗干擾性不高，難以實現最高效率點跟蹤[1]。

本文提出利用質能守恒定律和熱力學公式分析某船舶燃油主鍋爐實驗數據，基于Matlab擬合供油量與最佳風油比系數和排煙含氧量之間的函數關系[2]，并將風油比系數調節和內模控制結合，依實時油量調整風油比系數，結合含氧量反饋調節修正靜態誤差，采用內模控制減小送風執行機構的調節滯后，控制送風量實現對最高效率點的跟蹤。風油比系數調節，使送風信號跟蹤最佳送風量，同時在以ABB AC800M為核心的DCS平臺完成控制器設計的基礎上，基于Simulink搭建鍋爐仿真模型，與DCS構成HIL仿真系統[3]，開展鍋爐在變負荷和環境擾動下的燃燒效率動態響應驗證。

1 送風系統控制原理

基于風油比系數調節和內模控制的送風控制原理如圖1所示。DCS采集鍋爐實時供油量，調節風油比系數，使送風信號跟蹤理論最佳值，并利用煙氣含氧量反饋調節修正靜態誤差，同時采取內模控制減小送風調節機構滯后，實現最高效率點的實時跟蹤。

圖1 實時風油比系數調節控制原理框圖

2 送風控制策略及控制器設計

2.1 風油比系數調節及靜態誤差補償

不同鍋爐負荷下，最高燃燒效率點所對應的風油比系數不同[4]。利用鍋爐實驗數據，推導供油量與最高燃燒效率點對應風油比系數的函數關系，由實際供油量調節風油比系數，跟蹤最佳送風量。送風量易受大氣壓力和風道溫度干擾，直接測量相對困難；而監測煙氣含氧量相對容易，因此利用煙氣含氧量反饋調節送風信號，消除靜態誤差[5]。

公式(1)～公式(2)利用最大送風量下的實驗數據計算出風油比系數，公式(3)～公式(4)根據質量守恒和熱力學公式推導出實際燃燒率和排煙焓值，計算鍋爐燃燒效率的公式(5)引自文獻[6]。

(1)

式中：γ0為理論送風比；Wamax為最大供風量；α0為空氣含氧量；Ws為排煙量；α為排煙含氧量。

(2)

式中：γ為風油比系數；Wa為供風量；Wo為供油量。

(3)

式中：β為燃油實際燃燒率。

(4)

式中：Hs為煙氣焓值；ty為排煙溫度；t0為溫度常數；HN2為氮氣焓值；HO2為氧氣焓值；HCO2為二氧化碳焓值；HH2O為水蒸氣焓值。

(5)

式中：η為燃燒效率；Ho為油焓值；Ha為空氣焓值。

結合公式(1)～公式(5)，根據送風量、排煙溫度和煙氣含氧量的歷史實驗數據，分別計算不同供油量下風油比、燃油實際燃燒率和實際燃燒效率，選取最高燃燒效率點對應的實驗數據，結果如表1所示。

表1 不同供油量對應的最佳風油比和煙氣氧含量

根據表1，利用Matlab擬合供油量與最佳風油比和對應的煙氣含氧量的函數關系：

f(x)=1.722×exp{-[(x+1.483)/

2.51]2}+0.21×exp{-[(x-0.528)/

0.355]2]+0.008×exp[-[(x-0.293)/

0.162]2}，

(6)

f(x)=0.061×exp{-[(x-0.066)/

0.374]2}+0.007×exp{-[(x-0.205)/

0.091]2}+0.024×exp{-[(x-0.345)/

0.113]2}。

(7)

根據供油量，根據擬合公式(6)調節風油比系數，輸出送風信號；由擬合公式(7)，計算排煙氧含量反饋調節設定值，對控制信號進行反饋調節，實現對最高燃燒效率點的跟蹤[6]。

2.2 內模控制

內模控制由Smith預估補償算法發展而來，可以改善純時延系統的滯后。內模控制通過搭建調節機構系統模型，推算可能產生的誤差，加權處理后對輸出信號進行預估補償，以減小輸出值與給定值之間的誤差[7]。

送風調節機構中，汽輪風機和送風管路近似兩個慣性環節，需要將內模控制與PI反饋調節結合起來使用[8]。先將汽輪風機作為一個獨立的控制回路，采用PI控制調節，實現汽輪風機轉速的穩定控制，然后將汽輪風機等效為一個穩定環節，與送風管路一起使用一階慣性環節近似描述，建立廣義送風管路模型，最后將內部模型的輸出值和控制系統設定值進行加權處理后，輸出汽輪風機調節信號。內模控制原理框圖如圖2所示。

圖2 內模控制原理框圖

2.3 DCS設計

DCS核心控制器選用ABB AC800M，在其軟件平臺Compact Control Bulider編寫送風控制程序[9]。

1)采集供油量信號(gyl)，通過風油比函數模塊(FYB)推算最佳風油比系數，輸出送風量信號(gfkz)；氧含量函數模塊(YHL)根據供油量(gyl)計算最佳煙氣含氧量，與實際煙氣含氧量(hyl)比較，使用PI調節模塊(YHLPID)對送風控制信號進行反饋補償，見圖3。

2)接受送風量信號(gfkz)，利用積分模塊(GFTD)搭建送風管路模型，推算送風量預估信號(gfl)，并與送風量信號(gfkz)進行加權計算后，調節汽輪泵調節模塊(QLBPID)的設定信號，采集汽輪泵實際轉速信號，使用PI控制策略調整后輸出風門控制信號(fmkz)到汽輪機風門調節閥，實現送風量控制，見圖4。

圖3 風油比系數調節程序示意圖

圖4 內模控制程序示意圖

3 仿真驗證及分析

搭建鍋爐仿真模型，建立HIL仿真平臺，可以對控制器的性能進行定性分析，并對控制參數的調節提供一定的參考。

3.1 鍋爐仿真模型

鍋爐仿真模型分為鍋爐爐膛模型和送風機構模型：爐膛模型主要負責鍋爐的燃燒，輸入為供油量和送風量，輸出為排煙量，排煙溫度和煙氣含氧量[10]；送風調節機構由汽輪風機和送風管路組成，其動態過程近似為兩個慣性環節。

公式(8)根據質量守恒計算出煙氣質量，公式(9)～公式(10)由熱力學公式和經驗系數計算出排煙溫度，公式(11)根據公式(3)反推出煙氣含氧量[11]，公式(12)為汽輪風機傳遞函數，公式(13)為送風管路傳遞函數。

Ws=Wa+Wo，

(8)

(9)

式中：tlp為爐膛溫度；k為輻射換熱系數；d為灰污系數。

(10)

式中：a為排溫系數。

(11)

(12)

(13)

式中：Ws為排煙量；tlp為爐膛燃燒溫度；ty為排煙溫度；α為煙氣含量。

根據公式(8)～公式(13)，基于Simulink仿真平臺搭建爐膛燃燒仿真模型，結果如圖5所示。

圖5 爐膛燃燒仿真模型

3.2 HIL仿真試驗及分析

在完成鍋爐模型搭建以及送風控制器設計的基礎上，利用AC800M的OPC通訊功能與仿真模型建立實時通訊，搭建半實物仿真平臺[12]。控制系統的主要作用是調整送風量，使鍋爐跟蹤最高燃燒效率。針對控制需求，在負荷劇烈變化和送風環境變化兩種擾動進行仿真運行，分析仿真實驗結果中燃燒效率的變化，與定風油比系數控制比較，判斷控制器的有效性。

1)負荷劇烈變化。鍋爐穩定運行后，在1 000 s時，供油量在10 s內由0.24 kg/s上升到0.28 kg/s，模擬負荷劇烈上升，觀察各參數變化。

由圖6可知，送風調節機構具有滯后，控制信號與實際輸出值存在誤差。在送風控制信號相同時，比較在內模控制和直接輸出兩種模式下，送風控制信號和實際輸出值之間的誤差，如圖7所示。結果表明：內模控制使最大誤差值和誤差平均值都明顯下降，可以明顯降低送風調節機構的滯后，保證鍋爐爐膛送風量的實時控制。

圖6 負荷變化時控制信號與實際送風量

圖7 控制信號與實際送風量誤差變化

由圖8可知，定風油比系數控制的鍋爐實際燃燒效率波動較大，總體值較低；風油比系數調節控制采用內模控制算法減小送風調節機構的滯后，并使用風油比系數調節和含氧量反饋環節優化送風控制信號，燃燒效率波動較小，穩定后的實際燃燒效率高于定風油比系數。仿真結果如表2所示。

2)送風環境變化。鍋爐穩定運行后，在2 000 s時添加送風環境擾動信號，假定送風溫度上升，空氣實際密度下降5%，觀察仿真模型各參數變化。

圖8 負荷劇烈變化時鍋爐實際燃燒效率

表2 負荷變化下仿真結果

從圖9～圖11中可知，由于送風環境變化，空氣密度下降，送風流量一定時，送風質量下降，引起鍋爐燃燒效率降低。定風油比系數控制系統中，送風質量下降，鍋爐實際燃燒效率下降，只能增大供油量保證鍋爐供熱，且無法恢復到初始值；風油比系數調節控制系統通過監測排煙氧含量的變化，及時調節送風量，送風質量逐步恢復，燃油消耗量降低，燃燒效率恢復到最佳狀態。仿真結果如表3所示。

圖9 實際送風量變化

圖10 爐膛供油量變化

圖11 實際燃燒效率變化

表3 送風環境變化下仿真結果

4 結束語

艦船鍋爐燃燒效率容易受到鍋爐負荷和送風環境的干擾，本文針對這一問題，采用風油比系數調節控制跟蹤最佳送風量，內模控制降低送風調節機構的滯后，利用HIL系統仿真驗證，并與定風油比系數比較，結果表明風油比系數調節和內模控制在負荷變化和環境變化兩種擾動下，能有效降低鍋爐燃燒效率的動態誤差，縮短燃燒效率調節時間，穩定后更接近最高燃燒效率，經濟性提升。