CN104764040A - 燃煤锅炉燃烧基于空气过量系数在线自寻优的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤锅炉燃烧基于空气过量系数在线自寻优的控制方法，具体方法为：第一步、采用模糊控制方法，自动调节给煤量的大小；第二步、最佳空气过量系统确定；第三步、根据氧量传感器检测的炉膛出口烟气含氧量；第四步、记录当前炉膛温度值T_b；第五步、对寻优过程进行修正；第六步、当锅炉寻优结束，进入稳态运行时，实时监测空气过量系数；第七步、监测炉膛出口烟气中的CO％含量；第八步、寻优结束后，炉膛温度达到最高点，可能超过炉膛温度的设定值，再通过模糊控制自动调节给煤量。有益效果：提高了锅炉的热效率，节约了能源；通过空气过量系数的自寻优也有效的减少了大气污染物NOX的排放。

Description

燃煤锅炉燃烧基于空气过量系数在线自寻优的控制方法

技术领域

本发明涉及一种在线自寻优的控制方法，特别涉及一种燃煤锅炉燃烧基于空气过量系数在线自寻优的控制方法。

背景技术

目前，我国工业燃煤锅炉普遍存在着锅炉运行效率远低于设计效率的问题，究其原因，主要是检测手段不完善、控制和调节水平低造成的。由于煤质和负荷的变化，使燃煤锅炉的燃烧工况不能做到及时的跟踪调节，而偏离最佳燃烧状态；同时，为了使燃料充分燃烧，往往加大空气量，造成空气过量系数远大于1.2～1.75的正常范围，致使燃煤锅炉的热损失大、热效率低。目前，现有技术中多采用在给煤量不变的情况下调节风煤比的控制方式。但在燃煤锅炉自动燃烧的状态下，由于给煤量随着负荷的变化而变化，造成风煤比值不能及时随着给煤量的变化而自动调整，使风煤比值不佳，造成锅炉热损失大，燃煤锅炉的热效率降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中风煤比值不能及时随着给煤量的变化而自动调整，造成风煤比值不佳，导致燃煤锅炉热损失大以及锅炉的热效率降低的问题而提供的一种燃煤锅炉燃烧基于空气过量系数在线自寻优的控制方法。

本发明提供的燃煤锅炉燃烧基于空气过量系数在线自寻优的控制方法，其具体方法如下所述：

第一步、根据炉膛温度的设定值，采用模糊控制方法，自动调节给煤量的大小，使炉膛温度达到设定的范围内，具体如下：

(1)、设定炉膛温度T₀，采用模糊控制算法，把经炉膛温度传感器检测所得t时刻炉膛温度T_t与给定值T₀进行比较后，即可得炉膛温度偏差e，经计算得到炉膛温度偏差变化ec，Δu为送风控制输出增量，具体公式如下：

e(n)＝T_t(n)-T₀

$\mathrm{ec}\left(n\right)=\frac{e\left(n\right)-e(n-1)}{t}$

u(n)＝u(n-1)+Δu(n)

(2)、设炉膛温度偏差允许的变化范围为±30℃，炉膛温度偏差变化率允许的变化范围为±3℃，则将炉膛温度偏差e及其变化率ec的基本论域定义为[-30，30]和[-3，3]；设送风变频器允许的控制增量变化范围为±0.3Hz，则送风控制输出增量Δu的基本论域定义为[-0.3，0.3]，把它们分成13个等级[-6，6]，组成模糊论域E，EC和ΔU，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，并各自定义7个模糊集合：“正大(PB)”，“正中(PM)”，“正小(PS)”，“零(ZR)”，“负小(NS)”，“负中(NM)”，“负大(NB)”，则E的量化因子为K_e＝6/30＝0.2，EC的量化因子为K_ec＝6/3＝2，ΔU的量化因子为K_Δu＝0.3/6＝0.05。隶属度函数选取正态函数；

(3)、根据模糊控制规则设计原则：当误差较大时，控制量要快速地减少误差，当误差较小时，除了消除误差外，还要考虑系统的稳定性，以避免超调和振荡，制定模糊规则；

(4)、采用离线方式，根据模糊控制规则，采用Mamdani最小----最大法进行模糊推理，计算出输出模糊向量，采用平均最大隶属度法进行反模糊化处理得出模糊控制查询表；

(5)、测量t时刻的炉膛温度偏差e_t和炉膛温度偏差变化ec_t经过论域变换后，转化为模糊值e_t*和ec_t*，然后查询模糊控制表就能够得到t时刻的输出控制模糊值Δu_t*，再乘以量化因子K_Δu＝0.05即可得t时刻输出控制给煤量的增量Δu_t；

(6)、经过采样时间间隔，根据炉膛温度变化再重新计算给煤量的增量，以此完成自动给煤过程；

第二步、炉膛出口烟气含氧量和CO％含量的测量，最佳空气过量系统确定；

(1)、通过氧量传感器采集炉膛出口烟气的含氧量，计算出炉膛出口的空气过量系数α＝21/(21-B)；通过CO％传感器采集炉膛出口烟气中CO％含量，根据化学不完全燃烧热损失公式q3＝3.2×α×CO％计算化学不完全燃烧热损失q3；

(2)、采用炉膛温度代替热效率，利用炉膛温度的极值特性进行寻优，根据锅炉热损失和空气过量系数关系曲线及锅炉燃烧特性曲线得出：当空气过量系数α在1.15～1.32之间时，热损失有极小值，热效率为最大值，炉膛温度也存在极大值，自寻优的过程是通过调节控制送风量的大小，找到炉膛温度极大值时的空气过量系数α并使之控制在1.15～1.32之间，为此，采取变步长自寻优的方法调节鼓风变频器以改变送风量的大小，找到适合当前负荷和给煤量状态下的最佳的送风量及最佳的空气过量系数α；

第三步、记录当前炉膛温度值T_a，并根据氧量传感器检测的炉膛出口烟气含氧量，计算炉膛出口烟气中的空气过量系数α＝21/(21-B)，判断当前状态下空气过量系数α值的范围，如果α大于1.32，表明送风量过大，则以初始步长rate0减小送风量，并以此为基础继续寻优；如果α小于1.15，表明送风量不足，则以初始步长rate0增加送风量，并以此为基础继续寻优；如果α在1.15～1.32之间，则表明α在合理区间，为防止冒黑烟，则以初始步长rate0向增加送风量的方向，进一步寻找最优点；

第四步、经停步等待时间后，记录当前炉膛温度值T_b，如果T_b>T_a，说明寻优方向正确，继续以当前步长按照上一步方向继续寻优到达T_c，如此进行，如果T_b<T_a，则说明寻优方向错误，下一步时，将寻优步长变为rate_n＝2rate_n-1，同时反方向寻优；

(1)、假设到达T_d时，T_d<T_c，说明寻优超过了炉温极值点，则将寻优步长变为rate_n＝0.5rate_n-1反向寻优，直至两次记录的炉膛温度差值小于允许的炉膛温度波动范围，如|T_n-T_n-1|＜T_min，或步长小于允许的最小值时，寻优结束；

(2)、找到最优或近似的最优点之后，经超限判断，此时的送风量即为当前状态下的最佳送风量，此时的空气过量系数即为当前状态下的最佳空气过量系数值；

第五步、为确保燃煤锅炉在低空气过量系数条件下稳定运行，在寻优过程的每一步中，都要对寻优过程进行修正，保证空气过量系数控制在热损失最小的范围内，假设寻优进行到某一步时，空气过量系数超过设定的范围，将寻优步长变为rate_n＝0.5rate_n-1反向寻优，直至空气过量系数达到我们设定的范围内，如果寻优过程中空气过量系数超出设定范围，则认为寻优失败，停止寻优；

第六步、当锅炉寻优结束，进入稳态运行时，实时监测空气过量系数，一旦空气过量系数超过设定范围时，说明燃烧工况偏离最佳工况，要重新进行寻优过程；

第七步、监测炉膛出口烟气中的CO％含量，并计算化学不完全燃烧热损失q3＝3.2×α×CO％；根据CO％的含量和q3的热损失值来检验空气过量系数的正确性，如果q3大于锅炉设计的q3参数值，说明寻优不正确，停止寻优；

第八步、寻优结束后，炉膛温度达到最高点，可能超过炉膛温度的设定值，再通过模糊控制自动调节给煤量，如此循环，达到自动给煤，自动送风，自动寻找最佳空气过量系数的工作，使燃煤锅炉的燃烧系统处于稳定和最佳的工作状态下。

本发明的有益效果：

本方法提出一种间接提高燃煤锅炉热效率的有效方法，即基于空气过量系数自寻优的风煤比调节控制方法，通过对空气过量系数的自寻优，在线控制调节风煤比，找出燃烧系统的最佳热效率点。该方法具有以下优点：

1、通过模糊控制实现给煤量自动调节，利用变步长自寻优算法快速寻找最佳空气过量系数，达到节能优化燃烧。

2、以反应灵敏、过程反馈较快的炉膛温度作为过程控制的寻优参量，对于锅炉燃烧系统大时滞的改善起到一定的作用，避开了对锅炉有效利用热量在线测量的难题。

3、自寻优控制直接在控制对象上搜索。

4、采用变步长自寻优算法，大大提高了寻优过程的收敛速度，提高了系统的响应时间。

5、有效的将空气过量系数控制在较低的水平(1.15～1.32之间)，既保证了燃料的充分燃烧，又降低了锅炉的热损失，提高了锅炉的热效率，节约了能源。

6、通过空气过量系数的自寻优也有效的减少了大气污染物NOX的排放。

附图说明

图1为本发明所述的给煤控制流程图。

图2为本发明所述的空气过量系数自寻优流程图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示：

本发明提供的燃煤锅炉燃烧基于空气过量系数在线自寻优的控制方法，其具体方法如下所述：

第一步、根据炉膛温度的设定值，采用模糊控制方法，自动调节给煤量的大小，使炉膛温度达到设定的范围内，具体如下：

(1)、设定炉膛温度T₀，采用模糊控制算法，把经炉膛温度传感器检测所得t时刻炉膛温度T_t与给定值T₀进行比较后，即可得炉膛温度偏差e，经计算得到炉膛温度偏差变化ec，Δu为送风控制输出增量，具体公式如下：

e(n)＝T_t(n)-T₀

$\mathrm{ec}\left(n\right)=\frac{e\left(n\right)-e(n-1)}{t}$

u(n)＝u(n-1)+Δu(n)

(2)、设炉膛温度偏差允许的变化范围为±30℃，炉膛温度偏差变化率允许的变化范围为±3℃，则将炉膛温度偏差e及其变化率ec的基本论域定义为[-30，30]和[-3，3]；设送风变频器允许的控制增量变化范围为±0.3Hz，则送风控制输出增量Δu的基本论域定义为[-0.3，0.3]，把它们分成13个等级[-6，6]，组成模糊论域E，EC和ΔU，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，并各自定义7个模糊集合：“正大(PB)”，“正中(PM)”，“正小(PS)”，“零(ZR)”，“负小(NS)”，“负中(NM)”，“负大(NB)”，则E的量化因子为K_e＝6/30＝0.2，EC的量化因子为K_ec＝6/3＝2，ΔU的量化因子为K_Δu＝0.3/6＝0.05。隶属度函数选取正态函数；

(3)、根据模糊控制规则设计原则：当误差较大时，控制量要快速地减少误差，当误差较小时，除了消除误差外，还要考虑系统的稳定性，以避免超调和振荡，制定模糊规则；

(4)、采用离线方式，根据模糊控制规则，采用Mamdani最小----最大法进行模糊推理，计算出输出模糊向量，采用平均最大隶属度法进行反模糊化处理得出模糊控制查询表；

(5)、测量t时刻的炉膛温度偏差e_t和炉膛温度偏差变化ec_t经过论域变换后，转化为模糊值e_t*和ec_t*，然后查询模糊控制表就能够得到t时刻的输出控制模糊值Δu_t*，再乘以量化因子K_Δu＝0.05即可得t时刻输出控制给煤量的增量Δu_t；

(6)、经过采样时间间隔，根据炉膛温度变化再重新计算给煤量的增量，以此完成自动给煤过程；

第二步、炉膛出口烟气含氧量和CO％含量的测量，最佳空气过量系统确定；

(1)、通过氧量传感器采集炉膛出口烟气的含氧量，计算出炉膛出口的空气过量系数α＝21/(21-B)；通过CO％传感器采集炉膛出口烟气中CO％含量，根据化学不完全燃烧热损失公式计算化学不完全燃烧热损失q3；

(2)、采用炉膛温度代替热效率，利用炉膛温度的极值特性进行寻优，根据锅炉热损失和空气过量系数关系曲线及锅炉燃烧特性曲线得出：当空气过量系数α在1.15～1.32之间时，热损失有极小值，热效率为最大值，炉膛温度也存在极大值，自寻优的过程是通过调节控制送风量的大小，找到炉膛温度极大值时的空气过量系数α并使之控制在1.15～1.32之间，为此，采取变步长自寻优的方法调节鼓风变频器以改变送风量的大小，找到适合当前负荷和给煤量状态下的最佳的送风量及最佳的空气过量系数α；

第三步、记录当前炉膛温度值T_a，并根据氧量传感器检测的炉膛出口烟气含氧量，计算炉膛出口烟气中的空气过量系数α＝21/(21-B)，判断当前状态下空气过量系数α值的范围，如果α大于1.32，表明送风量过大，则以初始步长rate0减小送风量，并以此为基础继续寻优；如果α小于1.15，表明送风量不足，则以初始步长rate0增加送风量，并以此为基础继续寻优；如果α在1.15～1.32之间，则表明α在合理区间，为防止冒黑烟，则以初始步长rate0向增加送风量的方向，进一步寻找最优点；

第四步、经停步等待时间后，记录当前炉膛温度值T_b，如果T_b>T_a，说明寻优方向正确，继续以当前步长按照上一步方向继续寻优到达T_c，如此进行，如果T_b<T_a，则说明寻优方向错误，下一步时，将寻优步长变为rate_n＝2rate_n-1，同时反方向寻优；

(1)、假设到达T_d时，T_d<T_c，说明寻优超过了炉温极值点，则将寻优步长变为rate_n＝0.5rate_n-1反向寻优，直至两次记录的炉膛温度差值小于允许的炉膛温度波动范围，如|T_n-T_n-1|＜T_min，或步长小于允许的最小值时，寻优结束；

(2)、找到最优或近似的最优点之后，经超限判断，此时的送风量即为当前状态下的最佳送风量，此时的空气过量系数即为当前状态下的最佳空气过量系数值；

第五步、为确保燃煤锅炉在低空气过量系数条件下稳定运行，在寻优过程的每一步中，都要对寻优过程进行修正，保证空气过量系数控制在热损失最小的范围内，假设寻优进行到某一步时，空气过量系数超过设定的范围，将寻优步长变为rate_n＝0.5rate_n-1反向寻优，直至空气过量系数达到我们设定的范围内，如果寻优过程中空气过量系数超出设定范围，则认为寻优失败，停止寻优；

第六步、当锅炉寻优结束，进入稳态运行时，实时监测空气过量系数，一旦空气过量系数超过设定范围时，说明燃烧工况偏离最佳工况，要重新进行寻优过程；

第七步、监测炉膛出口烟气中的CO％含量，并计算化学不完全燃烧热损失q3＝3.2×α×CO％；根据CO％的含量和q3的热损失值来检验空气过量系数的正确性，如果q3大于燃煤锅炉设计的q3参数值，说明寻优不正确，停止寻优；

第八步、寻优结束后，炉膛温度达到最高点，可能超过炉膛温度的设定值，再通过模糊控制自动调节给煤量，如此循环，达到自动给煤，自动送风，自动寻找最佳空气过量系数的工作，使燃煤锅炉的燃烧系统处于稳定和最佳的工作状态下。

Claims (1)

1.一种燃煤锅炉燃烧基于空气过量系数在线自寻优的控制方法，其特征在于：其具体方法如下所述：

第一步、根据炉膛温度的设定值，采用模糊控制方法，自动调节给煤量的大小，使炉膛温度达到设定的范围内，具体如下：

(1)、设定炉膛温度T₀，采用模糊控制算法，把经炉膛温度传感器检测所得t时刻炉膛温度T_t与给定值T₀进行比较后，即可得炉膛温度偏差e，经计算得到炉膛温度偏差变化ec，Δu为送风控制输出增量，具体公式如下：

e(n)＝T_t(n)-T₀

$\mathrm{ec}\left(n\right)=\frac{e\left(n\right)-e(n-1)}{t}$

u(n)＝u(n-1)+Δu(n)

(2)、设炉膛温度偏差允许的变化范围为±30℃，炉膛温度偏差变化率允许的变化范围为±3℃，则将炉膛温度偏差e及其变化率ec的基本论域定义为[-30，30]和[-3，3]；设送风变频器允许的控制增量变化范围为±0.3Hz，则送风控制输出增量Δu的基本论域定义为[-0.3，0.3]，把它们分成13个等级[-6，6]，组成模糊论域E，EC和ΔU，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，并各自定义7个模糊集合：“正大(PB)”，“正中(PM)”，“正小(PS)”，“零(ZR)”，“负小(NS)”，“负中(NM)”，“负大(NB)”，则E的量化因子为K_e＝6/30＝0.2，EC的量化因子为K_ec＝6/3＝2，ΔU的量化因子为K_Δu＝0.3/6＝0.05，隶属度函数选取正态函数；

(3)、根据模糊控制规则设计原则：当误差较大时，控制量要快速地减少误差，当误差较小时，除了消除误差外，还要考虑系统的稳定性，以避免超调和振荡，制定模糊规则；

(4)、采用离线方式，根据模糊控制规则，采用Mamdani最小----最大法进行模糊推理，计算出输出模糊向量，采用平均最大隶属度法进行反模糊化处理得出模糊控制查询表；

(5)、测量t时刻的炉膛温度偏差e_t和炉膛温度偏差变化ec_t经过论域变换后，转化为模糊值e_t*和ec_t*，然后查询模糊控制表就能够得到t时刻的输出控制模糊值Δu_t*，再乘以量化因子K_Δu＝0.05即可得t时刻输出控制给煤量的增量Δu_t；

(6)、经过采样时间间隔，根据炉膛温度变化再重新计算给煤量的增量，以此完成自动给煤过程；

第二步、炉膛出口烟气含氧量和CO％含量的测量，最佳空气过量系统确定；

(1)、通过氧量传感器采集炉膛出口烟气的含氧量，计算出炉膛出口的空气过量系数α＝21/(21-B)；通过CO％传感器采集炉膛出口烟气中CO％含量，根据化学不完全燃烧热损失公式计算化学不完全燃烧热损失q3；

(2)、采用炉膛温度代替热效率，利用炉膛温度的极值特性进行寻优，根据锅炉热损失和空气过量系数关系曲线及锅炉燃烧特性曲线得出：当空气过量系数α在1.15～1.32之间时，热损失有极小值，热效率为最大值，炉膛温度也存在极大值，自寻优的过程是通过调节控制送风量的大小，找到炉膛温度极大值时的空气过量系数α并使之控制在1.15～1.32之间，为此，采取变步长自寻优的方法调节鼓风变频器以改变送风量的大小，找到适合当前负荷和给煤量状态下的最佳的送风量及最佳的空气过量系数α；

第三步、记录当前炉膛温度值T_a，并根据氧量传感器检测的炉膛出口烟气含氧量，计算炉膛出口烟气中的空气过量系数α＝21/(21-B)，判断当前状态下空气过量系数α值的范围，如果α大于1.32，表明送风量过大，则以初始步长rate0减小送风量，并以此为基础继续寻优；如果α小于1.15，表明送风量不足，则以初始步长rate0增加送风量，并以此为基础继续寻优；如果α在1.15～1.32之间，则表明α在合理区间，为防止冒黑烟，则以初始步长rate0向增加送风量的方向，进一步寻找最优点；

第四步、经停步等待时间后，记录当前炉膛温度值T_b，如果T_b>T_a，说明寻优方向正确，继续以当前步长按照上一步方向继续寻优到达T_c，如此进行，如果T_b<T_a，则说明寻优方向错误，下一步时，将寻优步长变为rate_n＝2rate_n-1，同时反方向寻优；

(1)、假设到达T_d时，T_d<T_c，说明寻优超过了炉温极值点，则将寻优步长变为rate_n＝0.5rate_n-1反向寻优，直至两次记录的炉膛温度差值小于允许的炉膛温度波动范围，如|T_n-T_n-1|<T_min，或步长小于允许的最小值时，寻优结束；

(2)、找到最优或近似的最优点之后，经超限判断，此时的送风量即为当前状态下的最佳送风量，此时的空气过量系数即为当前状态下的最佳空气过量系数值；

第五步、为确保燃煤锅炉在低空气过量系数条件下稳定运行，在寻优过程的每一步中，都要对寻优过程进行修正，保证空气过量系数控制在热损失最小的范围内，假设寻优进行到某一步时，空气过量系数超过设定的范围，将寻优步长变为rate_n＝0.5rate_n-1反向寻优，直至空气过量系数达到我们设定的范围内，如果寻优过程中空气过量系数超出设定范围，则认为寻优失败，停止寻优；

第六步、当锅炉寻优结束，进入稳态运行时，实时监测空气过量系数，一旦空气过量系数超过设定范围时，说明燃烧工况偏离最佳工况，要重新进行寻优过程；

第七步、监测炉膛出口烟气中的CO％含量，并计算化学不完全燃烧热损失q3＝3.2×α×CO％；根据CO％的含量和q3的热损失值来检验空气过量系数的正确性，如果q3大于锅炉设计的q3参数值，说明寻优不正确，停止寻优；

第八步、寻优结束后，炉膛温度达到最高点，可能超过炉膛温度的设定值，再通过模糊控制自动调节给煤量，如此循环，达到自动给煤，自动送风，自动寻找最佳空气过量系数的工作，使燃煤锅炉的燃烧系统处于稳定和最佳的工作状态下。