CN101749730A - 一种燃煤热载体炉高精度温度调节燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种燃煤热载体炉高精度温度调节燃烧控制方法，涉及DCS工业控制系统技术领域，具体指大型链条煤层燃热载体炉(简称“热媒炉”)高精度温度调节燃烧控制。如所周知，燃煤热媒炉的温度控制取决于燃煤热媒炉的燃烧控制。为此选用合适的传感器和变送器，获取燃烧过程中影响燃烧和热媒出口温度的参数；将影响燃烧和热媒出口温度的各因素区别对待，采用多回路调节，抓住主要问题进行击破，避免各环节的相互影响；在控制算法除在常规的PID基础上，采用分段控制、前馈控制加自适应控制。基于上述方案，克服非线性、干扰多和滞后大等带来的影响，实现升温过程的自动化控制和正常供热时的自动化调节，实际热媒出口温度控制精度已达±0.7℃。

Description

一种燃煤热载体炉高精度温度调节燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及DCS工业控制系统技术领域，具体指大型链条煤层燃热载体炉(简称“热媒炉”)高精度温度调节燃烧控制方法。

背景技术

大型热载体炉(简称“热媒炉”)作为大型的供热设备，广泛应用于化工、石化、冶金、纺织、塑料等许多行业。工业的飞速发展，离不开供热设备。因此，大型热媒炉这种热能转换设备也有着比较大的市场需求。但燃煤热媒炉的燃烧控制比较困难，当用热负荷要求较高的温度精度时，温度控制精度比较难达到；燃烧不充分，燃烧效率低，没有燃尽的煤灰随着烟气排放，会对环境造成严重污染。因此，这些问题不解决，燃煤热媒炉也只能是有限制的使用。

发明内容

本发明的目的为克服上述现有技术存在的燃煤热媒炉的燃烧控制比较困难，当用热负荷要求较高的温度精度时，温度控制精度比较难达到；燃烧不充分，燃烧效率低，没有燃尽的煤灰随着烟气排放，会对环境造成严重污染等缺失，而提出的高精度温度调节燃烧控制系统，以解决燃煤热媒炉的温度控制难题和提高燃烧效率，提高劳动生产率、提高热媒炉安全运行的可靠性。

燃煤热媒炉是一种以煤为燃料(炉排链条煤层燃)，以导热油为热载体(简称热媒)，利用循油泵强制闭路液相循环，将热能输送给用热设备后，继续返回炉内再加热的直流式特种工业炉。热媒炉燃烧控制主要控制的对象是鼓风机、引风机和炉排。鼓风机提供燃烧所需要的风(氧)、引风机是将烟气引出、炉排是将燃料煤输送进炉膛燃烧。采用变频控制技术，调节鼓风机速度、引风机速度和炉排速度，使控制更加灵活，同时节电效果好。

热媒温度的高精度控制

燃煤热媒炉的温度控制取决于燃煤热媒炉的燃烧控制。

燃煤热媒炉温度控制的主要特点：

1)非线性——燃煤热媒炉温度控制系统是一个非线性系统，因此不能用一般的线性控制方法来控制。

2)干扰因素多——用热量的变化、气候对环境的影响、进风温度的变化(如余热锅炉等影响)等都会影响热媒的温度变化。

3)不确定因素多——煤颗粒的大小、煤含水量的不同、煤质的变化等都会影响燃烧。

4)滞后性大——热媒从进入炉体到流出炉体需要一定的时间，从改变燃烧量到燃烧产生的热量，也需要一定的时间过程；因此如果采用常规的控制方式，根据炉体出口的热媒温度来控制进风量(调节鼓风机转速)和进煤量(调节炉排速度)来直接控制燃烧强度会因较大的滞后性而带来问题。

5)人工干预多——该系统的部分控制要靠手动调节，例如点火过程、分室送风门调节、送煤口控制等，无法实现完全的自动控制。

针对以上情况，要控制燃烧，使热媒出口温度精确控制在±1℃范围内，只有采取以下措施，才有可能实现。

1)选用合适的传感器和变送器，获取燃烧过程中影响燃烧和热煤出口温度的参数。如热媒进出口温度、热媒流量、热媒压力、烟气温度、进风热空气温度等；

2)将影响燃烧和热媒出口温度的各因素区别对待，采用多回路调节，抓住主要问题进行击破，避免各环节的相互影响；

3)控制算法除在常规的PID基础上，采用分段控制、前馈控制加自适应控制。分段控制，是根据热媒炉所处的燃烧阶段和热负荷的变化情况，分段采用不同的控制算法和控制参数，达到动态快速响应和稳态稳定的效果；前馈控制是按扰动量设计的控制，来克服扰动对最终结果的影响，由于热媒系统是个大惯量和大滞后的系统，因此特别对那些入口的扰动进行关注并进行超前控制，可以达到减小扰动影响的良好效果；由于燃煤热媒炉系统有许多不确定因素，而有些需要基于人工干预(如给煤层厚度控制)，因此采用基于燃烧热值计算的自适应模糊控制器，克服非线性，能使燃烧控制在比较好的状态下。

基于上述解决方案，本系统采用了三个控制调节环节和智能控制算法，克服非线性、干扰多和滞后大等带来的影响，实现升温过程的自动化控制和正常供热时的自动化调节，达到了满意的控制效果，实际热媒出口温度控制精度已达±0.7℃。

所述的三个控制调节环节包括：

1)控制燃料量的炉排速度调节环节；

2)控制燃烧风量的鼓风机速度调节环节；

3)控制炉膛负压(微负压炉)的引风机调节环节；

专家系统

故障分析和燃烧分析的专家诊断系统实现，有助于故障排除和提高燃烧效率。

热媒炉控制系统的专家诊断系统，方便操作员、管理员了解当前热煤炉的运行状态，及时排除故障或调整人工操作的给定(如给煤层厚度的调整等)。

专家诊断系统是基于控制对象和控制规律的各种经验和知识集合的推理和推测在操作员屏幕上的显示。热媒炉控制系统的专家系统，包括故障分析诊断和燃烧状态分析两部分。

故障分析诊断系统，是当故障出现时，操作员站屏幕上立即出现醒目的报警信息，在进入报警查询画面后，可以看到故障发生的可能原因分析，以帮助操作员了解情况，采取相应的措施。

燃烧状态分析，是在操作员站的每台热媒炉操作屏幕上实现。基于燃烧量的计算，当实际燃烧量与理论计算发生较大偏差或炉排(燃料量)与鼓风机调速(燃烧氧量)发生较大偏离时，提示操作人员当前燃烧情况不好，要增加或减少煤层厚度，来提高燃烧效率。

附图说明

图1为本发明燃煤热载体炉高精度温度调节燃烧控制方法回路调节图；

图2为本发明的一个实施例的分段控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

下面给出的是燃烧控制调节回路示意图(如图1所示)。本发明的一种燃煤热载体炉高精度温度调节燃烧控制方法，包括热媒温度调节和炉膛负压调节。调节燃烧的主要对象是鼓风机、引风机和炉排，鼓风和引风是提供燃烧所需要的氧量；炉排是提供燃烧用的燃料。

燃煤热媒炉的温度控制取决于燃煤热媒炉的燃烧控制。本发明热媒温度的高精度控制：选择包括热煤进出口温度、热煤流量、热煤压力、烟气温度、进风热空气温度，作为燃烧过程燃烧和热煤出口温度的参数。

采用多回路调节，以减少燃烧和热煤出口温度各环节的相互影响。

所述的控制算法，在常规的PID基础上，采用分段控制、前馈控制加自适应控制。

其中，自适应智能计算，其包括：

分别设定：ΔF_B为鼓风机转速调节；ΔF_C为炉排速度调节；ΔF_S为引风机速度调节；T_PV为热媒出口温度实测值；T_IN为热媒进炉温度；T_SP为热媒出口温度设定；V为热媒流量；T_F为出口烟气温度；T_A为进炉热风温度；F_S为引风机速度；F_B为鼓风机速度；

按下列公式运算：

ΔF_B＝f₁{(T_PV-T_IN)*V}+f₂{(T_SP-T_PV)*V}+f₃(T_F)+f₄(T_A)+f₅(F_S)

ΔF_C＝f₁{(T_PV-T_IN)*V}+f₂{(T_SP-T_PV)*V}+f₆(F_B)

ΔF_S＝f₇(P_PV-P_SP)+f₈(F_B)。

所述的分段控制，根据热媒炉所处的燃烧阶段：可分为升温阶段Δt≥T₃、偏离阶段T₃≥Δt≥T₂、偏差阶段T₂≥Δt≥T₁、平衡阶段Δt≤T₁、超调阶段Δt≤T₀)；和热负荷的变化情况，分段采用不同的控制算法和控制参数，达到动态快速响应和稳态稳定的效果；

升温阶段各温度段需要控制的温升速度是不同的，为了使温度上升平稳，采用变给定的PID算法(附图2中控制算法1)；

偏离阶段，分为正偏离与负偏离，这时出口温度离设置值偏离较 大，采用快速纠正算法(附图2中控制算法4)；

偏差阶段，分为正偏差与负偏差，这时温度有小的偏差，采用标准的算法(附图2中控制算法3)；

平衡阶段，这时温度基本在设置值附近，采用小参数调节，维持平稳(附图2中控制算法2)；

超调阶段，这时温度超过了设定的值，必须快速降温，同时要防止控制系统震荡，采用快速趋势调节算法(附图2中控制算法5)；

同时考虑进口温度、热媒流量、进炉空气、出口烟气等的变化情况综合作为扰动。

所述的前馈控制是按扰动量设计的控制，由于热媒炉系统是个大惯量和大滞后的系统，为克服扰动对最终结果的影响，因此特别对那些入口的扰动进行关注并进行超前控制，以达到减小扰动的影响。

针对以上情况，要控制燃烧，使热媒出口温度精确控制在±1℃范围内，只有采取以下措施，才有可能实现。

1)选用合适的传感器和变送器，获取燃烧过程中影响燃烧和热煤出口温度的参数。如热媒进出口温度、热媒流量、热媒压力、烟气温度、进风热空气温度等；

2)将影响燃烧和热媒出口温度的各因素区别对待，采用多回路调节，抓住主要问题进行击破，避免各环节的相互影响；

3)控制算法除在常规的PID基础上，采用分段控制、前馈控制加自适应控制。分段控制，是根据热煤炉所处的燃烧阶段和热负荷的变化情况，分段采用不同的控制算法和控制参数，达到动态快速响应和稳态稳定的效果；前馈控制是按扰动量设计的控制，来克服扰动对最终结果的影响，由于热媒系统是个大惯量和大滞后的系统，因此特别对那些入口的扰动进行关注并进行超前控制，可以达到减小扰动影响的良好效果；由于燃煤热媒炉系统有许多不确定因素，而有些需要基于人工干预(如给煤层厚度控制)，因此采用基于燃烧热值计算的自适应模糊控制器，克服非线性，能使燃烧控制在比较好的状态下。

基于上述解决方案，本系统采用了三个控制调节环节和智能控制算法，克服非线性、干扰多和滞后大等带来的影响，实现升温过程的自动化控制和正常供热时的自动化调节，达到了满意的控制效果，实际热媒出口温度控制精度已达±0.7℃。

专家系统

故障分析和燃烧分析的专家诊断系统实现，有助于故障排除和提高燃烧效率。

热媒炉控制系统的专家诊断系统，方便操作员、管理员了解当前热煤炉的运行状态，及时排除故障或调整人工操作的给定(如给煤层厚度的调整等)。

专家诊断系统是基于控制对象和控制规律的各种经验和知识集合的推理和推测在操作员屏幕上的显示。热煤炉控制系统的专家系统，包括故障分析诊断和燃烧状态分析两部分。

故障分析诊断系统，是当故障出现时，操作员站屏幕上立即出现醒目的报警信息，在进入报警查询画面后，可以看到故障发生的可能原因分析，以帮助操作员了解情况，采取相应的措施。

燃烧状态分析，是在操作员站的每台热煤炉操作屏幕上实现。当基于燃烧量的计算，实际燃烧量与理论计算发生较大偏差或炉排(燃料量)与鼓风机调速(燃烧氧量)发生较大偏离时，提示操作人员当前燃烧情况不好，要增加或减少煤层厚度，来提高燃烧效率。

控制精度

通过对炉排的变频调节、鼓风机的变频调节和引风机的变频调节或风门开度调节，使热媒炉稳态时：

1)设定温度-1℃≤热媒出口温度≤设定温度+1℃

2)设定压力-5Pa≤炉膛压力≤设定压力+5Pa

创新性

1)首次解决了燃煤热媒炉温度高精度控制的难题，使热媒出口温度长期稳定控制在±1℃范围内。

2)提供的燃烧状态分析的专家系统，可以帮助操作员调节热煤炉的人工调节环节，提高了燃烧效率。

节能情况

燃煤热媒炉控制系统第一套供热循环系统投入运行，到目前为止已有多套供热系统、数十台热煤媒炉投入运行，系统运行可靠稳定，燃烧状态良好，满足了用户的要求，获得了用户的好评。

以一台700万大卡的热媒炉需要消耗的燃料(燃油和燃煤)比较如下表，来进行热煤炉运行成本比较：

项目	燃油	燃煤
			热煤炉功率(单位大卡/小时)	700万	700万
效率％	90	80
			燃料	原油	AII
燃料低位发热值(MJ/kg)	41.3	17.693
			燃料消耗量kg/h	788.5	2070
燃料价格元/kg	1.2	0.3
			燃料费万元/年	829	544

(以上的燃料价格为2004年情况。)

由上表可知，一台700万大卡的燃煤热媒炉比同样功率的燃油热媒炉消耗的燃料价格一年节省接近300万人民币，九台700万大卡的燃煤热媒炉一年就节省了2565万人民币。这还是以80％效率计算的结果，如果提高燃烧效率到90％，运行成本更可降低。因此，九台700万大卡的燃煤热媒炉的控制系统不需要2个月就可以从燃料上收回投资成本。

一种燃煤热媒炉高精度燃烧控制方法的实现，从控制上确保了热媒温度的控制精度和提高燃煤燃烧效率的可能。由于其良好的控制效果，较低的运行成本，使燃煤热媒炉替代燃油热媒炉成为可能，并具有广阔的市场前景。

Claims (3)

1.一种燃煤热载体炉高精度燃烧控制方法，包括PLC控制器，控制算法及变频控制技术系统，其特征是，

所述的变频控制技术系统，包括鼓风机速度、引风机速度和炉排速度的调节；

为解决燃煤热媒炉温度调节中非线性、扰动多、滞后大、惯性大，采用智能PID技术及自适应和前馈控制技术的控制算法。

2.如权利要求1所述的燃煤热载体炉高精度燃烧控制方法，其特征是，所述的控制算法，在常规的PID基础上，采用分段控制、前馈控制加自适应控制；

所述的自适应智能计算，其包括：

分别设定：ΔF_B为鼓风机转速调节；ΔF_C为炉排速度调节；ΔF_S为引风机速度调节；T_PV为热媒出口温度实测值；T_IN为热媒进炉温度；T_SP为热媒出口温度设定；V为热媒流量；T_F为出口烟气温度；T_A为进炉热风温度；F_S为引风机速度；F_B为鼓风机速度；

按下列公式运算：

ΔF_B＝f₁{(T_PV-T_IN)*V}+f₂{(T_SP-T_PV)*V}+f₃(T_F)+f₄(T_A)+f₅(F_S)

ΔF_C＝f₁{(T_PV-T_IN)*V}+f₂{(T_SP-T_PV)*V}+f₆(F_B)

ΔF_S＝f₇(P_PV-P_SP)+f₈(F_B)；

所述的分段控制，根据热煤炉所处的燃烧阶段：可分为升温阶段Δt≥T₃、偏离阶段T₃≥Δt≥T₂、偏差阶段T₂≥Δt≥T₁、平衡阶段Δt≤T₁、超调阶段Δt≤T₀)和热负荷的变化情况，分段采用不同的控制算法和控制参数，达到动态快速响应和稳态稳定的效果；

升温阶段各温度段需要控制的温升速度是不同的，为了使温度上升平稳，采用变给定的PID算法；

偏离阶段，分为正偏离与负偏离，这时出口温度离设置值偏离较大，采用快速纠正算法；

偏差阶段，分为正偏差与负偏差，这时温度有小的偏差，采用标准的算法；

平衡阶段，这时温度基本在设置值附近，采用小参数调节，维持平稳；

超调阶段，这时温度超过了设定的值，必须快速降温，同时要防止控制系统震荡，采用快速趋势调节算法；

同时考虑进口温度、热媒流量、进炉空气、出口烟气等的变化情况综合作为扰动；

所述的前馈控制是按扰动量设计的控制，由于热煤系统是个大惯量和大滞后的系统，为克服扰动对最终结果的影响，因此特别对那些入口的扰动进行关注并进行超前控制，以达到减小扰动的影响；

由于燃煤热媒炉系统有许多不确定因素，而有些需要基于人工干预的给煤层厚度控制，因此采用基于燃烧热值计算的自适应模糊控制器，以克服非线性，使燃烧控制在比较好的状态；

为克服非线性、干扰多和滞后大带来的影响，本系统采用了控制燃料量的炉排速度调节环节和控制燃烧风量的鼓风机速度调节环节及控制炉膛负压即微负压炉的引风机调节环节三个控制调节环节和智能控制算法。

3.如权利要求1或2所述的燃煤热载体炉燃烧控制系统方法，其特征是，选择包括热媒进出口温度、热媒流量、热媒压力、烟气温度、进风热空气温度，作为燃烧过程燃烧和热媒出口温度的参数；

采用多回路调节，以减少燃烧和热媒出口温度各环节的相互影响；

为有助于故障排除和提高燃烧效率，设置有专家系统，其包括：故障分析诊断和燃烧状态分析两部分；

故障分析诊断系统，是当故障出现时，操作员站屏幕上立即出现醒目的报警信息，在进入报警查询画面后，可以看到故障发生的可能原因分析，以帮助操作员了解情况，采取相应的措施；

燃烧状态分析，是在操作员站的每台热煤炉操作屏幕上实现，当基于燃烧量的计算，实际燃烧量与理论计算发生较大偏差，或炉排即燃料量与鼓风机调速即燃烧氧量发生较大偏离时，提示操作人员当前燃烧情况不好，要增加或减少煤层厚度，来提高燃烧效率。

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