CN102829226B

CN102829226B - 一种余热回收三通阀开度模糊专家控制方法

Info

Publication number: CN102829226B
Application number: CN2012103268179A
Authority: CN
Inventors: 熊永华; 吴敏; 曹卫华; 王春生; 蔡伊青; 安剑奇
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: CN102829226A

Abstract

本发明公开了一种余热回收三通阀开度模糊专家控制方法，采集三通阀前检测温度、三通阀后检测温度并计算三通阀后温度变化率；根据采集到的三通阀前检测温度、三通阀后检测温度，基于工况判断规则得到当前烟气温度处于何种工况；对应两条专家规则选择不同的温度控制策略；根据选择的温度控制策略，在线调整三通阀开度，实现三通阀的自动控制并有效稳定三通阀后的烟气温度；本发明的方法能有效地降低烟气波动幅度大对蒸汽温度产生的影响，保证蒸汽温度的稳定，在烧结烟气温度波动的情况下使余热锅炉内部的热量保持稳定，提高余热回收的热效率。

Description

一种余热回收三通阀开度模糊专家控制方法

技术领域

本发明涉及烧结余热回收过程控制技术领域,特别是一种余热回收三通阀开度模糊专家控制方法。

背景技术

钢铁烧结工序能耗很高，研究节能技术和开发余热利用技术是目前烧结研究的重点。目前余热回收广泛采用的是通过环冷机将烧结矿余热收集起来，传送给余热锅炉，在余热锅炉中将烟气转化为蒸汽再进行长距离的输送，用于供热、供暖、发电等的方法。

然而在烧结过程中，随着烧结矿在烧结机上的烧结情况不同，其冷却过程产生的烟气温度也有很大不同。生产过程中烟气温度的不稳定造成余热锅炉产生蒸汽的温度波动幅度很大，对后续的设备运行效率及安全，蒸汽并网或发电都构成了严重影响。

三通阀位于环冷机之后，决定烟气是排向大气还是进入余热锅炉。调节三通阀的开度可以调节三通阀前烟气进入三通阀后管道的流量，从而调节进入余热锅炉的烟气热量。目前，在烧结余热回收控制与优化方面国内外所做的研究较少，烧结烟气温度一直没有有效的方法控制，国内大部分烧结厂依然采用人工控制或简单的查表控制，或是采取废气回收系统管路改进，改善带冷机台车密封,降低漏风率，优化烧结生产操作新模式等方法进行改进，并没有考虑到从控制方面解决余热回收热效率低且运行不稳定的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种余热回收三通阀开度模糊专家控制方法，有效降低烟气波动幅度大对蒸汽温度产生的影响，保证蒸汽温度的稳定，在烧结烟气温度波动的情况下使余热锅炉内部的热量保持稳定，提高余热回收的热效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种余热回收三通阀开度模糊专家控制方法，该方法包括以下步骤：

1）设定控制周期T，每隔时间T采集三通阀前检测温度、三通阀后检测温度，并计算三通阀后温度变化率；

2）根据采集到的三通阀前检测温度、三通阀后检测温度，将三通阀前烟气温度的波动范围划分为3个阶段对应3种烟气工况，将三通阀后烟气温度划分成3种工况，三通阀前烟气温度和三通阀后烟气温度划分如下：

三通阀前烟气温度 = {200-360，360-460，460-500}；

三通阀后烟气温度 = {200-340，340-440，440-500}；

三通阀前烟气温度和三通阀后烟气温度的工况如下：

三通阀前烟气温度 = {低，正常，高}；

三通阀后烟气温度 = {低，正常，高}；

3）如果三通阀前烟气温度和三通阀后烟气温度都正常，那么使用温度模糊控制方法控制三通阀开度；如果三通阀前烟气温度和三通阀后烟气温度有一个不正常，那么使用温度专家控制方法控制三通阀开度；

4）根据选择的温度控制方法，在线调整三通阀开度，实现三通阀的自动控制并有效稳定三通阀后的烟气温度。

作为优选方案，温度模糊控制方法的步骤为：

1）确定温度模糊控制方法为双输入单输出的结构，输入为三通阀后烟气温度的偏差及其偏差的变化率

Figure 2012103268179100002DEST_PATH_IMAGE002

，输出为三通阀开度的修正量

；

2）确定模糊变量、模糊状态及其论域：对应

、

、

的模糊变量分别为E、Ec、U，3个过程变量E、Ec、U的模糊化过程为：模糊化采用的量化因子均为1，隶属度函数均采用三角形隶属函数；

3个过程变量选取的论域如下：

E= {>-80，>-50>，-20，>0，>10 }；

Ec = {-7，-5，-2，0，2，5，7}；

U = {-15%，-10%，-5%，0%，+5%，+10%，+15%}

3个过程变量的模糊语言变量如下：

E的模糊变量为{ NB，NM，NS，ZO，PS}；

Ec的模糊变量为，{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；

U的模糊变量为{ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB }；

3)总结以下控制规则表：

表1 模糊控制规则表

	NS	NM	NS	ZO	PS
						NB	PB	PB	PB	NM	NB
NM	PB	PB	PM	NM	NB
						NS	PS	PS	PS	NS	NB
ZO	NB	NM	ZO	ZO	NB
						PS	NB	NB	NM	PS	PS
PM	NB	NB	NB	PB	PB
						PB	NB	NB	NB	PB	PB

4）总结以下控制查询表：

表2 模糊控制查询表

	>-80	>-50	>-20	>0	>10
						-7	+15%	+15%	+15%	-10%	-15%
-5	+15%	+15%	+10%	-10%	-15%
						-2	+5%	+5%	+5%	-5%	-15%
0	-15%	-15%	0	0	-15%
						2	-15%	-15%	+10%	+5%	+5%
5	-15%	-15%	-15%	+15%	+15%
						7	-15%	-15%	-15%	+15%	+15%

将三通阀后温度的设定值与实测值的偏差

和温度偏差变化率

模糊化后求得E和Ec，通过查询表得到控制输出U，并将此值经过清晰化接口，求得三通阀开度的调节量，加上三通阀原来的开度值，即得到此温度下三通阀开度的设定值。

作为优选方案，所述温度专家控制方法的专家控制规则如下：

如果三通阀前检测温度高且三通阀后检测温度高，那么三通阀全关；

如果三通阀前检测温度高且三通阀后检测温度正常，那么三通阀开度为70%；

如果三通阀前检测温度高且三通阀后检测温度低，那么三通阀全开；

如果三通阀前检测温度正常且三通阀后检测温度高，那么三通阀全开；

如果三通阀前检测温度正常且三通阀后检测温度低，那么三通阀全开；

如果三通阀前检测温度低且三通阀后检测温度高，那么三通阀全开；

如果三通阀前检测温度低且三通阀后检测温度正常，那么三通阀全关；

如果三通阀前检测温度低且三通阀后检测温度低，那么三通阀全关。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的方法可以根据实时的三通阀前检测温度和三通阀后检测温度自动调节三通阀开度，有效地降低烟气波动幅度大对蒸汽温度产生的影响，在烧结烟气温度波动的情况下使余热锅炉内部的热量保持稳定，提高了余热回收的热效率，稳定了蒸汽温度。

附图说明

图1为本发明一实施例余热回收系统结构示意图；

图2为本发明一实施例三通阀开度控制系统原理框图；

图3为本发明一实施例E的隶属度函数曲线图；

图4为本发明一实施例E_C的隶属度函数曲线图；

图5为手动控制三通阀开度效果图；

图6为自动控制三通阀开度效果图；

其中：

Figure 2012103268179100002DEST_PATH_IMAGE006

：烧结矿；：1#三通阀；：2#三通阀；

：1#三通阀前温度检测仪；

Figure 2012103268179100002DEST_PATH_IMAGE010

：1#三通阀后温度检测仪；：1#环冷机；

Figure 2012103268179100002DEST_PATH_IMAGE012

：2#环冷机；⑧：余热锅炉；⑨汽轮机。

具体实施方式

图1为烧结余热回收系统结构示意图，该余热回收系统采用的双压式余热锅炉，本文针对的是烧结矿经过环冷机1段产生高温烟气，进入余热锅炉中的中压锅炉并产生蒸汽供汽轮机发电这一过程。

在环冷机1段前端安装温度检测仪，该检测温度称为三通阀前烟气检测温度，该温度检测点检测的是烧结矿刚进入环冷机时的温度，环冷机1段长度为150米，烧结矿在环冷机中向前运行则温度越来越低，其中的热量被环冷机中鼓进来的空气带走产生烟气。即环冷机前端产生的烟气温度高而越到后越低，在环冷机中各种不同温度的烟气存在热交换的问题，在三通阀后50米处的烟气管道上安装温度检测仪，该检测温度称为三通阀后烟气检测温度。三通阀控制三通阀前烟气进入三通阀后管道的流量从而影响进入管道中的烟气热量。三通阀后烟气温度检测点和三通阀之间存在50米的距离，三通阀前烟气与三通阀后烟气在这段管道中产生热交换，即调节三通阀开度对三通阀后烟气检测温度有影响，而在三通阀后温度检测点到余热锅炉之间只存在运输管道，烟气在传输过程中有降温过程。因此，稳定余热锅炉内部的热量问题转化为稳定三通阀后烟气温度的问题。温度检测仪的响应时间为<60秒，三通阀为电动调节阀。

图2所示为三通阀开度控制系统结构框图，每隔3分钟将检测到的三通阀前烟气温度和三通阀后烟气温度进行工况判断，再根据专家规则选择当前工况应选择的温度控制策略。当三通阀前后烟气温度都正常时使用双输入单输出温度模糊控制方法，尽量提高烟气温度；当三通阀前后温度有一个不正常时使用温度专家控制方法，迅速保温或降温，将烟气温度调整到正常温度。

烟气温度受烧结工况的影响，波动范围为200℃到500℃，并且由于环冷机自身长度及检测的延时性，三通阀后检测温度比三通阀前检测温度低30℃至40℃，控制要求为将三通阀后的烟气温度控制在正常范围（350℃-420℃），并且在正常范围内温度越高越有利于发电。将三通阀前烟气温度的波动范围划分为3个阶段对应3种烟气工况，同理，也将三通阀后烟气温度划分成3种工况。三通阀前烟气温度和三通阀烟气温度划分如下：

三通阀前烟气温度 = {200-360，360-460，460-500}；

三通阀后烟气温度 = {200-340，340-440，440-500}；

2个过程变量的工况如下：

三通阀前烟气温度 = {低，正常，高}；

三通阀后烟气温度 = {低，正常，高}；

专家规则采用的形式为：IF 条件THEN 结论，两条专家规则如下：

IF 三通阀前烟气温度和三通阀后烟气温度都正常 THEN 使用温度模糊控制方法控制三通阀开度；

IF 三通阀前烟气温度和三通阀后烟气温度有一个不正常 THEN 使用温度专家控制方法控制三通阀开度；

由于烟气温度波动是一个连续过程，且烟气从三通阀前检测到三通阀后检测有6到8分钟的延时，因此，将控制周期设定为3分钟。

1、温度模糊控制方法

（1）确定模糊控制策略的结构及其输入和输出

在对系统以及数据的相关性进行了分析之后，确定温度模糊控制方法为双输入单输出的结构。输入为三通阀后烟气温度的偏差

及其偏差的变化率

，输出为三通阀开度的修正量

。

（2）确定模糊变量、模糊状态及其论域

对应、

、

的模糊变量分别为E、Ec、U。3个过程变量的模糊化过程为：模糊化采用的量化因子均为1，隶属度函数均采用三角形隶属函数，如图3和图4 所示，3个过程变量选取的论域如下：

E= {>-80，>-50>，-20，>0，>10 }；

Ec = {-7，-5，-2，0，2，5，7}；

U = {-15%，-10%，-5%，0%，+5%，+10%，+15%}

3个过程变量的模糊语言变量如下：

E的模糊变量为{ NB，NM，NS，ZO，PS}；

Ec的模糊变量为，{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；

U的模糊变量为{ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB }；

（3）模糊控制规则的确定

由控制经验可总结出模糊控制规则，如表1所示。

表1 模糊控制规则表

（4）模糊推理、解模糊并计算模糊控制查询表

三通阀后烟气温度的设定值为420℃，将温度的设定值与实测值的偏差

和温度偏差变化率

模糊化后求得E和Ec，通过查询表得到控制输出U，并将此值经过清晰化接口，求得三通阀开度的调节量

，在加上三通阀原来的开度值，即可得到此温度下三通阀开度的设定值。

表2 模糊控制查询表

2、温度专家控制方法

当三通阀后的检测温度与正常烟气温度偏差不是很大的时候，采用温度模糊控制方法进行控制，但是当三通阀后检测温度过低或过高时时，温度控制的目标不再是使烟气温度尽量高，而是保护生产设备，减少汽轮机的损害。这时温度模糊控制方法不再适用，应选取温度专家控制方法进行控制，其控制周期为1分钟。

专家规则由多条经验规则组成，采用的形式为：IF 条件1 AND 条件2 THEN 结论，每条规则的输入条件由三通阀前检测温度、三通阀后检测温度的工况构成，结论是三通阀的开度，总共建立8条规则。

8条专家控制规则如下所示：

IF 三通阀前检测温度高 AND 三通阀后检测温度高 THEN 三通阀全关；

IF 三通阀前检测温度高 AND 三通阀后检测温度正常 THEN 三通阀开度为70%；

IF 三通阀前检测温度高 AND 三通阀后检测温度低 THEN 三通阀全开；

IF 三通阀前检测温度正常 AND 三通阀后检测温度高 THEN 三通阀全开；

IF 三通阀前检测温度正常 AND 三通阀后检测温度低 THEN 三通阀全开；

IF 三通阀前检测温度低 AND 三通阀后检测温度高 THEN 三通阀全开；

IF 三通阀前检测温度低 AND 三通阀后检测温度正常 THEN 三通阀全关；

IF 三通阀前检测温度低 AND 三通阀后检测温度低 THEN 三通阀全关。

本发明首先对三通阀前检测温度及其变化率、三通阀后检测温度3个过程变量进行数据采集；然后经过工况判断，将当前烟气温度状态分为不同的工况；进而根据这些工况选取适应的温度控制策略，在线调整三通阀开度。本发明在应用中使得三通阀后温度基本稳定在350℃到410℃之间，由此可见，本发明提出的控制算法实现了余热回收烟气温度的有效控制，能够抑制由于烧结工况不稳定导致的烟气波动大的现象，稳定了烟气温度，从而稳定蒸汽温度，为发电创造了有利条件。