基于模糊控制策略的锅炉燃烧优化控制系统设计

应 蕾,何 星,张卫东,章立宗

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240;2. 国网绍兴供电公司,浙江 绍兴312000）

0 前言

电力企业的安全在发展中异常重要，同时想要保持并提升其竞争力，则必须重视锅炉燃烧运行的经济性以及稳定性。对于电厂锅炉燃烧系统来说，在实际运行中会受到燃料种类、给水流量、温度、送风、引风等因素的影响。从当前的发展来看，常规PID控制在锅炉燃烧系统控制中的效果并不理想，需要对其进行优化。

1 电厂锅炉燃烧控制系统的设计需求

1.1 锅炉燃烧调节的目的以及影响因素

锅炉经济性以及生产能力的可靠性取决于锅炉燃烧过程的质量。锅炉燃烧调节的目的主要是在满足外界电负荷需要的蒸汽量和合格的蒸汽品质的基础上，首先，保证稳定的汽压、汽温和蒸发量；其次，着火稳定、燃烧完全，火焰均匀充满炉膛，不结渣，不烧损燃烧器等；最后，使得机组内运行保持最高的经济效益，最大的减少燃烧污染物排放[1]。锅炉的燃烧系统（如图1所示）中，煤粉在锅炉的燃烧过程中，通过加热产生热蒸汽，之后带动汽轮机发电，这一系列运行均需要进行调节。锅炉运行的可靠性，在很大程度上取决于燃烧的稳定性，若燃烧不稳定，则会造成蒸汽参数出现变化，继而炉内的温度高低不稳定，燃料无法正常燃烧，还存在炉膛内水冷壁和出口受热面结渣情况的出现，使得局部管壁超温。要想实现锅炉燃烧的经济性，则需要风煤进行有效的配合，提供合适的风速，保持最佳的过量空气系数，保持锅炉喷燃器的火焰温度，保证锅炉内燃煤能够持续燃烧，同时降低漏风以及保证合理的炉膛负压；若锅炉的燃烧运行情况出现了变化，则需要进行适当的调节。通过以上对锅炉燃烧系统的合理控制，有效地提高了燃烧效率，对提高锅炉燃烧的经济性有着极大的推动作用[2]。

对锅炉燃烧产生影响的因素，主要有以下几点[3]：其一是煤质。煤质产生的燃烧影响较大，煤的成分中挥发分是最大的燃烧影响因素。若煤的挥发分较高，则燃烧速度和燃尽程度较高，但是在炉膛燃烧器的出口处，会产生结焦现象；反之，煤的挥发分越低，则稳定性、经济性越低。另外，在煤质中包含的水分，也会对燃烧产生影响，水分含量越多，燃烧过程越慢，排烟量越高，同时也不利于制粉的安全性。其二是煤粉的细度和浓度。煤粉越细，则燃烧中的反应速度和升温时间越短，燃尽使用的时间越少，燃烧越安全；浓度越高，则燃烧过程中产生的热量也就越高，煤粉着火具有较高的稳定性。其三是锅炉负荷。锅炉负荷降低时，燃烧率降低，炉膛平均温度及燃烧器区域的温度均有所降低，着火困难，容易灭火。而高负荷运行时，由于炉膛温度高，着火与混合条件好，所以燃烧一般比较稳定，但是比较容易产生炉膛和燃烧器结焦，过热器、再热器局部超温等问题。

1.2 本文关注的锅炉燃烧存在的问题

当前锅炉燃烧中经常出现的一个问题是燃烧器的煤粉分配不合理，导致分配不合理出现的原因主要是由于风量的分布不匀。锅炉燃烧过程中风速具有偏差，煤粉浓度同样具有一定的偏差。其次则是在测量风、粉、灰时缺少有效的方法。运行人员在进行数据的调整时，大多均利用积累的工作经验进行，在此过程同样会产生一定程度的偏差，对燃烧效率产生影响。本文将从优化控制系统设计的角度对此问题进行研究。

2 锅炉燃烧控制系统的组成以及特点

锅炉燃烧控制系统主要由燃料量控制系统、送风量控制系统、引风量控制系统组成。

首先，燃料量控制系统是对进入炉膛内的煤粉量进行调节，从而实现对主蒸汽压力的稳定控制，因此以燃料量为调节变量，主蒸汽压力为被调量。其次，送风量控制系统中，送风调节的主要任务是保证锅炉燃烧的经济性，因此以送风量为调节变量，烟气含氧量为被调量，保证烟气含氧量与设定的规定值相符。最后则是引风控制系统，如果炉膛压力接近于大气压力，则炉烟外冒，影响设备与工作人员的安全，如果炉压太低，又会造成大量冷空气漏入炉膛，降低了炉膛温度，增大了引风机负荷，并且增大了排烟带走的热量损失，因此以引风量为调节变量，炉膛压力为被调量。

但是各控制系统中的调节变量与被调量不是一一对应的关系，他们之间存在着耦合关系，例如：外界负荷需求变化，燃料量变化的同时，必须同时改变送风量使燃料量与空气量相适应。当燃料量和送风量发生变化时，又需要氧量校正来控制最佳的风煤比。当送风量发生改变时，为了保证炉膛压力，引风量也必须随之改变才能保证炉膛压力的稳定。所以电站锅炉燃烧控制系统是一个多输入多输出的非线性多变量强耦合的控制系统。

3 电厂锅炉燃烧优化控制系统设计

由于电站锅炉的精确数学模型难以建立，并且在对象动态特性不断变化的情况下，控制器的参数难以整定，即使整定好，随着工况的不断变化，控制参数也会偏离最优点，而模糊控制具有控制系统的设计不要求知道被控对象的精确模型；控制系统的鲁棒性强；利用语言变量代替常规数学模型，易于构造形成专家的“知识”等优点，因此本文采用模糊PID控制理论进行相关的优化设计。

3.1 模糊控制基本原理

模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言逻辑和模糊逻辑推理为基础的数字控制系统。模糊控制基本原理图如图2所示，图2中：R为系统设定值；e，ec分别为系统误差和误差变化率；u为控制量；E、EC、U分别为在e的论域上定义的语言变量“误差E”，在ec的论域上定义的语言变量“误差变化率EC”，在u的论域上定义的语言变量“控制量U”；y为系统的输出。

模糊控制器主要解决以下3个问题：其一，精确量的模糊化。把语言变量的语言值转换为某个适当论域上的模糊子集；其二，模糊控制算法的设计。通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则所确定的模糊关系；其三，去模糊化。将推理获得的模糊结论转化为确切的响应。

3.2 模糊控制器的设计

以炉膛负压为例，模糊控制器设计的详细说明如下。

炉膛压力是锅炉安全运行的一个重要指标。通常情况下炉膛压力需要保证在较外界大气压力低10～20Pa左右。炉膛负压控制系统中主要通过对引风机的控制，来使其压力在一个合理的范围内变动，由于送风量的增加与减少会直接影响炉膛负压，所以为了使引风量调节能够快速跟踪送风量，在控制系统中将送风量作为前馈环节，使得引风控制环节变得更加的稳定，负压的波动也会变得很小[4]。

炉膛负压模糊控制器可以设计为二维模糊控制器，输入量为炉膛负压偏差e和炉膛负压偏差变化率ec，输出是引风量u。炉膛负压偏差e的基本论域为[-e，e]，炉膛负压偏差E的量化论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,+1，+2，+3，+4，+5，+6}，量化因子模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；炉膛负压偏差变化率ec的基本论域为[-ec，ec]，炉膛负压偏差率EC的量化论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,+1，+2，+3，+4，+5，+6}， 量 化 因 子模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} ；输出量u的基本论域为[-u，u]，输出量U的量化论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,+1，+2，+3，+4，+5，+6}，比例因子模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} 。

其中炉膛负压偏差e的基本论域可取值为[-12,12]Pa,则量化因子炉膛负压偏差变化率ec的基本论域可取值为[-1,1]，则量化因子Kec=6；输出量u的基本论域可取值为[-0.1,0.1]，则比例因子。确定输入输出模糊集后，定义隶属函数，考虑对论域覆盖程度、灵敏度、稳定性的影响，选择经典三角隶属函数作为输入输出的隶属函数并确定相关参数。 在Matlab中打开fuzzy工具箱，建立一个两输入一输出的系统。

表1 模糊控制规则表

4 结语

本文运用模糊控制方法控制锅炉燃烧系统，在整个模糊PID控制过程中，模糊控制规则是关键，想要得到可信度高的控制规则，需要对系统进行大量的测试实验，根据操作人员或专家对系统进行控制的实际操作经验和知识，归纳总结得出。与传统控制理论和方法相比，模糊控制不要求精确的数学模型，有利于模拟人工控制的过程和方法，较好的适应过程参数的不断变化，并且对非线性和滞后系统有较强的抑制能力，具有一定的智能水平，保证了燃烧质量。在未来的探索过程中，仍然需要对燃煤锅炉的燃烧过程优化理论进行研究，进一步促进我国整个电力工业自动化水平的提高。

[1]唐锋.浅谈发电厂锅炉燃烧调节的目的及其措施[J].建筑工程技术与设计,2015.

[2]张永红.锅炉燃烧经济性分析与改进措施[J].山东工业技术,2015.

[3]王一琮,高峰.影响锅炉燃烧的因素和强化燃烧的措施[J].产业与科技论坛,2011.

[4]杨常伟.锅炉炉膛负压的智能优化控制研究[D].哈尔滨理工大学,2015.