熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

引言

　　作為熱動力機械的熱風(fēng)爐于20世紀(jì)70年代末在我國開始廣泛應(yīng)用，它在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動力熱源的換代產(chǎn)品。通過長時間的生產(chǎn)實踐，人們已經(jīng)認(rèn)識到，只有利用熱風(fēng)作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。傳統(tǒng)電熱源和蒸汽熱動力在輸送過程中往往配置多臺循環(huán)風(fēng)機，使之最終還是間接形成熱風(fēng)進(jìn)行烘干或供暖操作。這種過程顯然存在大量浪費能源及造成附屬設(shè)備過多、工藝過程復(fù)雜等諸多缺點。而更大的問題是，這種熱源對于那種需要較高溫度干燥或烘烤作業(yè)的要求，則束手無策。針對這些實際問題經(jīng)過多年潛心研究，終于研制出深受國內(nèi)外用戶歡迎的JDC系列螺旋翅片管換熱間接式熱風(fēng)爐和JDC系列高凈化直接式熱風(fēng)爐。

　　目前，我國絕大多數(shù)熱風(fēng)爐的燃燒控制主要還是采用手動控制，煤氣流量和空氣流量的大小由人工憑經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)，因此，供熱溫度波動較大，對熱風(fēng)爐的壽命也有很大影響，并造成煤氣的巨大浪費。傳統(tǒng)控制方法主要有比例極值調(diào)節(jié)法和煙氣氧含量串級比例控制法，但是由于不能及時改變空燃比，不易實現(xiàn)熱風(fēng)爐的最佳燃燒，且測氧儀器成本高、難以維護(hù)，因此，實際使用效果不太理想；數(shù)學(xué)模型法能將換爐、送風(fēng)結(jié)合為一體，但由于檢測點多，在生產(chǎn)條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風(fēng)爐中不易實現(xiàn)；人工智能方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對熱風(fēng)爐燃燒過程有極強的自學(xué)習(xí)能力，但抗干擾能力較弱，而模糊控制不需數(shù)學(xué)模型，有較強的抗干擾能力且易于實現(xiàn)，因此尤其適用于熱風(fēng)爐這類難以確切描述的非線性系統(tǒng)。

　　1 熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)

　　1.1 熱風(fēng)爐的燃燒過程

　　燃燒過程對應(yīng)著蓄熱室的蓄熱過程，它分為加熱期和拱頂溫度管理期。當(dāng)拱頂溫度上升到一定值后，需要保持拱頂溫度維持在這個定值，此時拱頂幾乎不再吸收廢氣的熱量，而廢氣的熱量主要被蓄熱室中下部所吸收。從廢氣管道排出的廢氣，它的溫度比較低時，說明熱風(fēng)爐的熱交換效率比較高，反之，熱交換效率比較低。因此，在拱項溫度達(dá)到一定值后，合理控制廢氣的溫度上升速率對熱風(fēng)爐的燃燒顯得尤其重要。

　　1.2 熱風(fēng)爐燃燒控制的基本思想

　　加熱期拱頂溫度的上升速率和進(jìn)入拱頂溫度管理期廢氣溫度的上升速率，主要取決于燃燒過程的空燃比和煤氣流量，同時還受煤氣、空氣質(zhì)量和壓力波動的影響。實現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒過程自動控制的關(guān)鍵是隨著煤氣、空氣壓力和質(zhì)量的波動及熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)的變化對煤氣

　　流量和空氣流量進(jìn)行實時調(diào)整，空氣流量的調(diào)整可以轉(zhuǎn)化為對空燃比的調(diào)整。故在加熱期，可以最大空氣流量進(jìn)行加熱，據(jù)此來調(diào)整合適的煤氣流量或者以最大煤氣流量進(jìn)行加熱，并調(diào)整合適的空燃比，迅速提高拱頂溫度；到達(dá)拱頂溫度管理期，適當(dāng)減小煤氣流量，并調(diào)整合適的空燃比，保證拱頂溫度不變的情況下，提高廢氣的升溫速率。熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　利用狀態(tài)辨識器可以判斷熱風(fēng)爐是處于加熱期還是拱頂溫度管理期，并且跟蹤判斷廢氣的溫度是否達(dá)到設(shè)定值，以此選擇不同燃燒階段的模糊控制器（FC）。

　　1.3 加熱期最佳空燃比模糊控制器

　　此階段的最佳空燃比模糊控制器采用雙輸入單輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)。選取加熱期拱項溫度的偏差e及其偏差變化率ec作為模糊控制器輸入量，輸出控制量為u,即空燃比調(diào)節(jié)增量。加熱期模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　拱頂溫度的偏差和拱頂溫度的偏差變化率都分為7個等級：正大（PL）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NL）?？杖急日{(diào)節(jié)增量劃分為7級：快速加大（PL）、中速加大（PM）、低速加大（PS）、不變（ZO）、低速減小（NS）、中速減?。∟M）、高速減?。∟L）。

　　1.4 拱頂溫度管理期最佳空燃比模糊控制器

　　此階段模糊控制器的控制目的是使管理期拱頂溫度達(dá)到拱頂目標(biāo)溫度，模糊控制器采用雙輸入單輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)。將拱頂溫度偏差和溫升速率作為控制輸入，拱頂溫度偏差劃分為7個等級，溫度上升速率劃分為7個等級，空燃比調(diào)節(jié)增量

　　分為7個等級?？刂埔?guī)則與加熱期最佳空燃比模糊控制器的控制規(guī)則相同。當(dāng)拱頂溫度達(dá)到拱頂目標(biāo)溫度，轉(zhuǎn)入到管理期最佳煤氣流量模糊控制器。

　　1.5 拱頂溫度管理期最佳煤氣流量模糊控制器

　　在保證拱頂溫度不變的情況下，管理期應(yīng)盡量選擇空氣過剩系數(shù)大的條件進(jìn)行燃燒，從而獲得較多的煙氣量，增加熱風(fēng)爐的蓄熱量。以最快的時間達(dá)到拱頂管理溫度，進(jìn)入溫度管理期，在達(dá)到廢氣管理溫度之前，都采用溫度管理期最佳空燃比模糊控制器，在達(dá)到廢氣管理溫度之后，以廢氣溫升速率作為控制量，最高廢氣溫度作為限制終點。模糊控制器以廢氣升溫速率偏差和偏差變化率作為控制輸入，煤氣流量調(diào)節(jié)增量作為控制輸出量。

　　2 模糊控制器的熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用

　　模糊控制技術(shù)是近代控制理論中的一種高級策略和新穎技術(shù)。模糊控制技術(shù)基于模糊數(shù)學(xué)理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應(yīng)性和合理性提高，成為智能控制技術(shù)的一個重要分支。

　　模糊控制器實際應(yīng)用于熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)中，還需要確定模糊控制器輸入輸出量的論域范圍，隸屬函數(shù)的選取，模糊控制器參數(shù)的確定，解模糊化方法及在燃燒初期何時啟動和停止模糊控制器的空燃比調(diào)節(jié)，即是拱頂溫度發(fā)生變化到什么程度才啟動模糊控制器的空燃比調(diào)節(jié)。故可以取0.6%作為控制目標(biāo)，并把0.4%~0.8%作為穩(wěn)態(tài)控制區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)不進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)煙氣殘氧的體積分?jǐn)?shù)低于0.4%或大于0.8%時啟動空燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

　　本模型嵌入到某鋼廠的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)平臺的運行環(huán)境和操作平臺，利用可與之相兼容的Visual C++語言進(jìn)行參數(shù)檢測和燃燒模型程序的編寫，從模型得到空燃比、煤氣流量增量轉(zhuǎn)化為對空氣調(diào)節(jié)閥和煤氣調(diào)節(jié)閥的控制，并下發(fā)到PLC,從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制，完成集散系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的無縫連接。

　　3 仿真結(jié)果

　　用滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的拉氏變換近似模擬熱風(fēng)爐的數(shù)學(xué)模型。確定k及T的值。如圖3所示，圖3中實線為模糊控制的仿真曲線，虛線為PID控制的仿真曲線。模糊控制算法作用時，其超調(diào)量為σp=1.5%,調(diào)節(jié)時間為ts=550s,PID控制算法作用時，其超調(diào)量為σp=4.1%,調(diào)節(jié)時間為900s.由圖形曲線可以看出，模糊控制優(yōu)于PID控制，模糊控制的響應(yīng)速度比較快，超調(diào)現(xiàn)象明顯減小。

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　　4 結(jié)論

　　模糊控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用電器等各個方面已經(jīng)獲得許多成功的應(yīng)用，本文將其運用于熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)。根據(jù)熱風(fēng)爐自動化控制的要求及熱風(fēng)爐燃燒控制的特性，考慮了國內(nèi)熱風(fēng)爐基礎(chǔ)自動化的現(xiàn)狀對熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。在系統(tǒng)中應(yīng)用了模糊控制理論，并應(yīng)

　　用模糊控制技術(shù)設(shè)定最佳空燃比和煤氣流量，以達(dá)到最佳燃燒控制的目的。

　　本文設(shè)計的最佳空燃比模糊控制器，涉及熱工參量少，對煤氣熱值、殘氧量的檢測不作要求，繞開了控制中的建模困難的問題，通過仿真結(jié)果與現(xiàn)場實際比較，提高了燃料的利用率，節(jié)約能源，而且比采用傳統(tǒng)控制方法的燃燒過程更加穩(wěn)定，能安全平穩(wěn)地給高爐提供盡可能高溫的熱風(fēng)，不像基于熱風(fēng)爐數(shù)學(xué)模型的一些控制方法對軟、硬件要求那樣高，投入成本較低，適合熱風(fēng)爐自動控制的要求。

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