热水供暖锅炉自动燃烧智能控制系统

摘要

链条锅炉系统属于非线性、时变且赋值大的多变量系统，其耦合严重、存在剧烈的扰动变化，因而其燃烧过程机理复杂。

关键词： 热水供暖锅炉，出口水温，自寻优模糊控制，PID控制

中图分类号：TK22文献标识码： A

第1章绪论

1.1 国内外研究现状

1.1.1 锅炉燃烧自动控制系统

PID控制器最早应用于锅炉控制，但近年来各种控制理论和先进控制技术层出不穷、接连涌现，包括最优控制、自适应控制、专家系统、模糊控制、PID控制等[5]。

1.1.2 国内外研究现状

对于可建立精确数学模型的控制系统，可采用PID控制方法，它的优点是简单、可靠、稳定。但是，常规PID控制工况适应性差、不便于参数整定，对于需要快速抑制扰动、时变非线性对象难以获得理想的控制效果。因此在锅炉燃烧控制系统这样的复杂系统中，不能仅采用常规PID控制器。

前馈控制的优点是能够快速补偿扰动带来的影响，但要求能够获得对象数学模型，并且扰动可测。

专家控制是智能控制方法，它将人的感性经验与定理算法结合，根据干扰和对象的随机性、时变性，采用灵活的控制策略。具有知识表达和控制方法的灵活性的优点，但是灵活性的缺点是：设计上的随意性[12,]。因此，将前馈控制、经典PID控制、模糊控制相结合的混合智能控制方法，应当是锅炉燃烧自控的一种较好的控制方案。

目前，热水供暖锅炉燃烧控制的方法主要有以下几种：

1.串级并联双交限幅控制燃烧

双交限幅历经了燃料或空气先行的比值调节系统、串级串联控制系统、串级并联控制系统、串级并联单交限幅燃烧控制系统四个发展阶段。它是以燃料量和空气量调节为副环，炉膛负压调节回路为主环，构成串级并联双交限幅控制系统。该系统在热负荷变化时，各参数也随之变化，实测空气量与燃料量相互进行上、下限幅。采用这种方式，使系统在动态工况下，仍能保持良好的风煤比。

它是仪表控制系统的基本办法，目前，在锅炉燃烧自动控制中，与热值分析仪、氧化锆残氧分析仪、专家寻优、模糊控制等结合使用，获得了较理想的控制效果。

2.用热值分析仪测煤的热值

燃煤经电加热炉干燥后，进入燃烧室，空气经恒压调节后，也进入燃烧室，与煤混合燃烧。热电偶检测热值分析仪的废气温度，分析仪的微型机根据废气温度、标定的系数和空气差压计算热值及风煤比，为燃烧控制计算机及显示仪提供在线风煤比。

利用热值分析仪所获得的数据准确，但初始投资大。随着热值分析仪性价比的提高，作为风煤比的主流检测设备，在工业锅炉上将得以广泛运用。

3.氧化锆残氧分析法

采用电化学法，氧化锆氧量计根据氧浓差电池原理制造：在氧化锆中渗入一定数量的氧化钙或氧化钇，氧化锆就具备了传递氧离子的特性。在烟气和空气之间组成了氧浓差电池，测量该电池的电动势便可确定烟气含氧量。根据烟气含氧量，判断炉膛内煤的燃烧状况，调整风煤比。燃烧控制计算机使用烟气含氧量的检测数据，对送风系统进行闭环控制，构成变比值风煤比串级燃烧自控系统。氧化锆氧量计的特点是反映灵敏（只需5-7秒），指示准，稳定性好，结构简单，但探头使用寿命短，价格昂贵，维护费用较高。

4.运用煤的成分理论推测风煤比

恰好能满足1kg(1Nm3)的燃料完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量，在此种情况下，烟气中没有不完全燃烧产物和过量的氧气存在，亦即空气中所含全部氧气都和燃料中的可燃元素结合。

理论空气量只和燃料的成分有关，对于1kg不同的燃料，它们的理论空气需要量也是不同的。在锅炉的实际燃烧过程中，由于设备结构所限，燃料和空气的彻底混合难以保证，因此，只有当供给的空气量大于理论空气需要量，才能实现燃料的完全燃烧，多供给的这部分空气量称为过量空气量，实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，用表示：

=Vk/V0 (1-2)

链条炉的最佳过量空气系数为1.3-1.5，根据煤的成分分析，可以计算实际空气量，从而得到风煤比。

5.模糊控制技术的应用

目前模糊控制技术在模糊数学的基础上得到不断发展完善，在热水供暖锅炉的燃烧控制中得到广泛应用。即选用误差、误差变化率二个变量作为输入量，一个输出量，组建二维模糊控制器，求取风煤比。

6.多目标专家寻优算法

控制思想是：动态时，当处于“最佳风煤比”燃烧状态时，应实现炉膛负压控制在一定范围内，同时对锅炉燃烧有影响的个参数变化速度合理。当系统投入自动运行时，以当前平均风煤比值作为基值。风煤比合适时，“专家寻优系统”不工作，保持工况不变；当煤质或炉压变化时，根据数据库内导入的专家经验数据，“专家寻优系统”根据炉膛温度、负压、热负荷等条件，判断送风量的加减方向及加减量，寻找“最佳风煤比”。这种方法的优点是节省检测仪器设备的投资；缺点是反应慢、数据不准确。在自控领域有所应用[13]。

综上所述，鉴于DCS集散控制系统在锅炉自动控制系统中的成功应用，目前已成为锅炉自控的主流技术，得以推广。对我公司新建20t4#链条温水锅炉决定采用DCS控制系统。在控制算法方面，采用经典PID控制与模糊控制相结合，并辅以氧化锆残氧分析法，来实现锅炉这一具有时变非线性特性复杂系统的全自动控制。

1.3 本课题选取的系统特点说明

系统采用北京和利时公司的Smartpro系统，硬件部分主要包括和利时公司研制的FM系列主控CPU和模拟量、数字量输入输出模块；软件部分包括Conmaker应用程序软件及Faceview应用程序软件。Conmaker软件的功能：实现控制策略程序的设计、运行、监控；Faceview软件的功能：实现人机界面的设计、操作、调试、维护。

第2章系统组成及工作原理

2.1 引言

我公司4#热水锅炉控制系统由二部分组成：和利时DCS集散控制系统及三菱FX2N应急控制系统。冬季采暖期，由DCS集散系统主控，FX2N系统作为备用及夏季检修使用。三菱FX2N系统以FX2N-32MR PLC为核心，实现鼓风、引风、炉排变频器的运行控制及电机转速调节，并以6台常规显示仪表显示涉及设备正常运行的6个主要参数：汽包水压、汽包出口水温、省煤器水压、省煤器出口水温、炉膛负压、炉膛温度。操作面板设置锅炉连锁/解除转换开关，可将锅炉投入连锁运行状态，确保设备安全，避免压力容器爆炸事故。此外，操作面板上配备了DCS/应急系统转换开关，可以在二个系统间实现无扰动切换。

2.2 控制系统设计原则

实时性、可靠性、先进性、经济性、易用性

2.3 控制系统的组成

本系统采用管理层一控制层一设备层的网络结构。管理层为工程师站；控制层为4#炉操作员站；设备层为现场控制站、主要由主控CPU、输入/输出模块、变送器及变频器组成。

2.4 网络结构

SmartPro系统由上层监控网络（SENT）和下层控制网络（CNET）二个网络层次组成。通过上层监控网络将工程师站、操作员站和现场控制站的通讯连接起来；下层控制网络存在于各个现场控制站内部，主要用于主控单元和智能I/O单元的通讯连接[17]。

2.5 系统工作原理