CN1515823A - 生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种城市生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法。本发明基于对输入量的模糊控制模式自动控制，输出语言变量给执行机构进行垃圾焚烧炉控制，其特征在于垃圾焚烧炉的炉膛温度，炉膛温度变化率，烟气空气预热器风压变量信号输入至基本模糊控制器，模糊控制器输出给料器加料工作时间、给料器加料间隔时间、鼓风机挡板位置、一次风挡板位置和烟气空气预热器旁路挡板位置语言变量控制垃圾焚烧炉。本发明与现有技术相比具有低污染、低腐蚀、稳定的垃圾燃烧过程，减轻工人劳动强度以及为进一步降低二次污染和减弱高温腐蚀等优点。

Description

生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法

技术领域

本发明涉及了一种城市生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法。

背景技术

随着城市化进程的不断加快，人们生活水平的不断提高，每天源源不断大量产生的城市生活垃圾，已成为一个污染环境、影响生活的社会问题。为了贯彻可持续发展战略，必须对城市生活垃圾进行无害化、减量化、资源化处理。形势的发展呼唤生活垃圾焚烧处理技术的诞生，设备如不能实现燃烧过程控制全自动，运行操作人员的工作量还较大，过多的人为操作，带来的的操作失误也较多，使得垃圾焚烧锅炉炉膛温度只能控制在800℃±100℃范围内，而燃烧过程的不稳定又加重了二次污染物的产生及锅炉管的腐蚀问题。

本发明针对上述这些问题，对垃圾焚烧炉的燃烧稳定性及垃圾焚烧过程中的环境保护问题进行了大量细致的研究，对垃圾焚烧过程自动控制系统进行改进，开发了一套适合于垃圾焚烧炉使用的先进的计算机监测和自动控制系统，该系统采用了先进控制理论——模糊控制，通过改进焚烧控制方式，实现了低污染、低腐蚀、稳定的垃圾燃烧过程，减轻工人劳动强度以及为进一步降低二次污染和减弱高温腐蚀奠定了基础。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：本发明基于对输入量的模糊控制模式自动控制，输出语言变量给执行机构进行垃圾焚烧炉控制，其特征在于垃圾焚烧炉的炉膛温度，炉膛温度变化率，烟气空气预热器风压变量信号输入至基本模糊控制器，模糊控制器输出给料器加料工作时间、给料器加料间隔时间、鼓风机挡板位置、一次风挡板位置和烟气空气预热器旁路挡板位置语言变量控制垃圾焚烧炉。

本发明所述的基本模糊控制器是三输入多输出的控制器，主要通过控制给料量和给料时间来控制垃圾焚烧炉的炉膛温度，同时配合炉膛温度的调节对鼓风机、一次风和烟气空气预热器旁路风量进行调整。所述的输入设定模块主要功能是实现温度误差输入参数和风压输入参数以及温度变化趋势的设定工作，主要的设定参数包括：温度误差和风压以及温度变化趋势的基本论域上下限，量化等级上下限以及温度误差和风压以及温度变化趋势的赋值。所述的输出设定模块主要功能是实现加料时间变化量输出参数、一次风挡板位置输出参数和加料启停时间输出参数的设定工作，主要的设定参数包括：加料时间变化量、一次风挡板位置、加料启停时间的基本论域上下限，量化等级上下限以及加料时间变化量、一次风挡板位置、加料启停时间的赋值。

本发明选取基本模糊控制器的输入炉膛温度的语言变量＝太高，稍高，正常，稍低，太低；输入风压的语言变量＝高，正常，低。选取基本模糊控制器的输出给料器加料工作时间的语言变量＝正大，正小，正常，负小，负大；一次风挡板位置的语言变量＝大，正常，小；给料器加料间隔时间的语言变量＝大，正常，小。

本发明基本模糊控制器包括燃烧稳定性控制算法软件、Microsoft Access数据库系统和FIX监控系统软件；其中燃烧稳定性控制软件用于进行控制算法的在线计算，获取控制输出值。所述的Microsoft Access数据库系统包括两个表格链库inputtable和outputtable，inputtable用于存储温度、风压等进行控制算法计算所必须的监测量，outputtable用于存储控制算法软件的计算结果。

所述的FIX监控系统软件则向数据库系统传输监测量并获取控制输出来驱动现场执行机构实现燃烧的自动控制。

本发明与现有技术相比具有低污染、低腐蚀、稳定的垃圾燃烧过程，减轻工人劳动强度以及为进一步降低二次污染和减弱高温腐蚀等优点。

附图说明

图1是本发明控制系统的信号传输方框图。

图2是本发明软件流程图。

图3是本发明语言变量炉膛温度的赋值表。

图4是本发明语言变量GAH风压的赋值表。

图5是本发明语言变量炉膛温度变化率的赋值表。

图6是本发明语言变量给料器加料工作时间的赋值表。

图7是本发明语言变量一次风挡板位置的赋值表。

图8是本发明语言变量给料器加料间隔时间的赋值表。

具体实施例

下面结合附图说明对本发明作进一步详细的描述：如图1所示，由于垃圾焚烧炉的燃烧过程是强耦合的多输入多输出非线性系统，其动态特性随着运行工况的变化而大幅度变化，且各环节的动态特性差异很大，存在惯性、滞后、非线性、时变、工作环境和干扰的不确定性，很难获得精确的数学模型，即使获得精确的数学模型，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而在应用中这些假设往往与实际不符，因此使得传统的控制理论在焚烧炉的燃烧过程中无法收到良好的控制效果。但是熟练的操作工人往往可以对焚烧炉燃烧过程进行有效的控制。操作者对被控对象进行控制时主要是通过不断学习，积累操作经验。这些经验包括他对被控对象特性的了解及在各种情况下的控制策略、性能指标判据。然后根据这些经验建立起一组用自然语言形式表达的具有模糊性的行之有效的控制规则，来对被控对象进行控制。这就是所谓的模糊控制，它不要求已知受控对象的数学模型，却能很好地解决了大量常规控制难以解决的控制难题，基于以上考虑，选定模糊控制的方法对给料和配风自动调节，以维持焚烧炉稳定燃烧。传统控制在垃圾焚烧炉燃烧控制上应用的局限性：由于炉温不稳定的主要原因在于燃料的多变性和不稳定性，因此传统的控制手段的控制模型无法对其进行较为准确的描述。

模糊控制的优势所在：

·不需要精确的数学模型；

·非专业性，是一种基于经验的控制策略；

·具有极好的稳定特性和鲁棒特性；

·具有较好的经济性。

基于垃圾焚烧工艺，垃圾焚烧炉炉膛温度的稳定是保证垃圾燃烧完全、减轻二次污染的重要标志。

根据我们的控制目标主要是对炉温进行控制，期望燃烧时炉温尽量保持稳定，因此垃圾焚烧炉的炉膛温度是模糊控制系统中一个不可缺少的输入变量；同样炉膛温度的变化趋势、速度和水平也可以在一定程度上反映当前炉内垃圾的燃尽情况和垃圾的热值高低。当温度变化率明显向升温方向变大时说明垃圾热值较大或炉内未燃的垃圾量较大；当温度变化率明显向降温方向变化时说明垃圾热值较小或炉内垃圾已基本烧空。因此，炉膛温度变化率也是炉温模糊控制系统中一个很重要的输入参数。

另外根据现场运行人员长期积累的经验，GAH(烟气空气预热器)风压在部分情况下是衡量料层厚薄状况的重要参数，通过对料层厚度进行监测就可以对垃圾的燃尽状况进行初步的判断，当风压较高时说明炉内尚有大量垃圾没有充分燃烧，当风压较低时，说明炉内垃圾已经基本燃尽，因此GAH风压作为控制输入参数也是合适的。

在实现垃圾焚烧炉燃烧自控时，模拟工人的操作，在完整的一次加料过程中，包括了加多长时间的料，即加料时间；接着料层达到一定程度，考虑停止加料时，垃圾在炉排上的停留时间，即停料时间；另外，在这同时，还要根据垃圾在炉内的燃烧状况来配风，包括一次风和送风机的控制，在就是温度过高有打开GAH旁路风量和压风门的操作。

综合以上情况可以看出利用风压再配合其它参数就可以较好的反映炉内的燃烧状况，故最终采用以炉膛温度、炉膛温度变化率以及GAH风压为控制输入量，以对炉膛温度和GAH风压影响显著的加料器加料时间、一次风挡板位置及GAH旁路风量挡板位置为控制输出量的控制方案。其中加料器与炉排的动作，一次风量、GAH旁路风量与总风量在垃圾焚烧过程中均保持一定配合关系。

如图2所示，软件的核心是模糊控制算法，该模糊控制单元是三输入多输出的控制器，主要通过控制给料量和给料时间来控制垃圾焚烧炉的炉膛温度，减小温度波动，维持燃烧的稳定；同时配合炉膛温度的调节对鼓风机、一次风和烟气空气预热器旁路风量进行调整。输出设定模块主要功能是实现加料时间变化量输出参数、一次风挡板位置输出参数和加料启停时间输出参数的设定工作，主要的设定参数包括：加料时间变化量、一次风挡板位置和加料启停时间的基本论域上下限，量化等级上下限以及加料时间变化量、一次风挡板位置和加料启停时间的赋值表。模块界面包括基本论域和量化等级编辑栏、赋值表以及赋值表各语言变量的说明。燃烧稳定性控制系统包括：燃烧稳定性控制算法软件、Microsoft Access数据库系统和FIX监控系统软件。其中燃烧稳定性控制软件用于进行控制算法的在线计算，获取控制输出值；Microsoft Access数据库系统包括两个表格链库(inputtable和outputtable)，inputtable用于存储温度、风压等进行控制算法计算所必须的监测量，outputtable用于存储控制算法软件的计算结果；FIX监控系统软件则向数据库系统传输监测量并获取控制输出来驱动现场执行机构实现燃烧的自动控制。

如图3-图8所示，根据上述垃圾焚烧炉控制方案，选取基本Fuzzy控制器的输入语言变量为炉膛温度BE和GAH风压GP，输出语言变量为给料器加料工作时间JS、一次风挡板位置YD和给料器加料间隔时间TS，分别选择语言变量BE、GP、JS、YD和TS的语言值如下：

BE＝{太高，稍高，正常，稍低，太低}，简记为BE＝{TH，SH，OK，SL，TL}；

GP＝{高，正常，低}，简记为GP＝{H，OK，L}；

JS＝{正大，正小，正常，负小，负大}，简记为JS＝{PB，PS，OK，NS，NB}；

YD＝{大，正常，小}，简记为YD＝{B，OK，S}；

TS＝{大，正常，小}，简记为TS＝{B，OK，S}。选定BE的论域

X＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，则得误差e的量化因子k_e＝5/50。同理，可写出其他变量的论域和量化因子或比例因子，直接在赋值表里可反映出来。

至此，通过现有的操作者的实践经验总结，可确定出在论域X上用以描述Fuzzy子集TH，…，TL的初始隶属函数 $\mathrm{\μ}\left(x\right)=\exp \{-{\left(\frac{x-a}{b}\right)}^2\},$ 这里暂取正态型分布函数，该隶属函数经由实际数据在Matlab的模糊控制工具箱的隶属函数编辑模块中进行修正，并据此建立语言变量BE的赋值表。

同理可以获得相应的其它控制输入和输出量GP、JS、YD、TS的语言变量的赋值表。

Claims (9)

1.一种生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，基于对输入量的模糊控制模式自动控制，输出语言变量给执行机构进行垃圾焚烧炉控制，其特征在于垃圾焚烧炉的炉膛温度，炉膛温度变化率，烟气空气预热器风压变量信号输入至基本模糊控制器，模糊控制器输出给料器加料工作时间、给料器加料间隔时间、鼓风机挡板位置、一次风挡板位置和烟气空气预热器旁路挡板位置语言变量控制垃圾焚烧炉。

2.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，其特征在于所述的基本模糊控制器是三输入多输出的控制器，主要通过控制给料量和给料时间来控制垃圾焚烧炉的炉膛温度，同时配合炉膛温度的调节对鼓风机、一次风和烟气空气预热器旁路风量进行调整。

3.根据权利要求2所述的生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，其特征在于所述的输入设定模块主要功能是实现温度误差输入参数和风压输入参数以及温度变化趋势的设定工作，主要的设定参数包括：温度误差和风压以及温度变化趋势的基本论域上下限，量化等级上下限以及温度误差和风压以及温度变化趋势的赋值。

4.根据权利要求2所述的生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，其特征在于所述的输出设定模块主要功能是实现加料时间变化量输出参数、一次风挡板位置输出参数和加料启停时间输出参数的设定工作，主要的设定参数包括：加料时间变化量、一次风挡板位置和加料启停时间的基本论域上下限，量化等级上下限以及加料时间变化量、一次风挡板位置和加料启停时间的赋值。

5.根据权利要求4所述的生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，其特征在于所述的选取基本模糊控制器的输入炉膛温度的语言变量＝太高，稍高，正常，稍低，太低；输入风压的语言变量＝高，正常，低。

6.根据权利要求4所述的生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，其特征在于所述的选取基本模糊控制器的输出给料器加料工作时间的语言变量＝正大，正小，正常，负小，负大；一次风挡板位置的语言变量＝大，正常，小；给料器加料间隔时间的语言变量＝大，正常，小。

7.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，其特征在于所述的基本模糊控制器包括燃烧稳定性控制算法软件、Microsoft Access数据库系统和FIX监控系统软件；其中燃烧稳定性控制软件用于进行控制算法的在线计算，获取控制输出值。

8.根据权利要求7所述的生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，其特征在于所述的Microsoft Access数据库系统包括两个表格链库inputtable和outputtable，inputtable用于存储温度、风压等进行控制算法计算所必须的监测量，outputtable用于存储控制算法软件的计算结果。

9.根据权利要求7所述的生活垃圾焚烧炉燃烧过程控制方法，其特征在于所述的FIX监控系统软件则向数据库系统传输监测量并获取控制输出来驱动现场执行机构实现燃烧的自动控制。

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