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行业知识

生物质燃烧机燃烧过程的最优控制

生物质燃烧机燃烧过程的最优控制

    本文分析了燃烧过程控制的特点j介绍了一种自寻最优控制的方法,经实际运行证明,这种方法能够实现燃烧过程的最优控制.

一、刖    舌

    当前在我国能源问题上,迫切地需要解决的一个问题是如何提高能源有效利用率.所谓有效利用率是指煤炭、石油、天燃气等燃料本身含热值与其转换为有用热能和机械能之间的比率.目前我国能源利用率仅30%左右,比工业发达国家低20%左右.燃烧过程是能量转换的基本过程,如何利用自动控制技术,使燃烧过程最优化,从而最大限度地将燃料的热值转换为热能这是具有重要意义的课题.

    二、燃烧过程控制的特点

许多的生产过程都要用到加热过程,例如,钢锭轧制前的加热;气轮机所需要的蒸汽是由水加热后获得的.这些热能都是将燃料在加热炉内燃烧后产生的.加热炉的燃烧特性即燃烧消耗的空气量与炉内的温度的关系,可用图1的曲线表示.

    当燃料流量为QMi时,有一个相应的最  一i佳空气量Q..此时燃料获得充分燃烧,炉内温度达到最大值Ti.若送入炉内的空气量小于完全燃烧所必须的空气量,那么燃料未锝到充分燃烧,炉内温度自然升不上去;若空气量过大,过剩的空气排人烟囱,带走炉    Q( M3/秒)    。膛热量,炉内温度也会下降.    图l燃烧消耗的空气量与炉内温度的关系本文一九八三年三月十六日收到.带参加此项工作的还有宋绍先、朱宣信、张景元、陈宗良和童丽珠等同志.  66    华中工学院学£报    t983年

    要充分利用燃料的热值,对自动控制的要求是必须保证炉内温度经常保持最高.当燃料消耗为QMi时,为了获得最高温度,必须控制空气量使其保持在Q1,如果燃料流量能经常不变地维持在QMi水平,相应的最优空气量保持在Qi便可以了.我们通过试验测得Qi后,可以采用反馈控制的办法,使空气量稳定在Qi点,如果存在扰动,且这种扰动又是可以测量的,例如,仅仅是由于燃料流量的变化引起了静态特性的漂移,由曲线①漂移到了曲线②,这时可以采用比例控制方法,事先将空气和燃料的配比系数测试出来,在燃料流量与空气控制之间加入一个比例控制,于是空气就会自动地跟踪到Q2,这样仍能保证对应于燃料QM。所需的最优空气量.如果燃料的变化是遵循另外一些规律,且这些规律又可以事先安排成一组程序,这时可以采用顺序控制的办法,随着条件或时间的改变,相应地改变整定值或增入修正量,以达到在相应条件下实现最佳燃烧所需要的最优空气量,但是,在燃烧过程中存在着许多不可控的扰动,例如,由于燃料成分的变化,导致发热值产生较大差异,燃料热值的改变既不与流量成正比例,也没有固定规律可循.这时,采用我们所熟悉的反馈控制和顺序控劁都无法实现燃烧过程的最优控制.

    可见,燃烧过程有其特点,它要求自动控制系统能适应燃料条件的各种变化,自动寻

找最优空气量.

三、自寻最优控制

    反馈控制和顺序控制都有一个基本假定,就是假定已知被控对象所具有的性质和特征.设计工作者的任务就是根据所了解到的关于被控对象的特性和对控制的要求,进行系统设计,选择必要的调节规律,制造能实现所期望的调节规律的调节器和控制单元.如前所述,为了满足燃烧过程控制的要求,使燃烧过程随时都处于最优状态,就必须采用在运行过程中不断测量和不断理解的办法,也就是,由系统本身去摸清楚系统当时的运行条件,对系统的整定值不断进行修正,以便由控制系统去自动寻找最优运行工作点,这种系统称为自寻最优控制系统.下面以热风炉的燃烧过程的最优控制为例加以说明,

    热风炉是高炉的一个重要组成部分,它将鼓风站送来的常温空气加热成1000℃左右的热风,然后送入高炉参与冶炼,提高热风温度可以降低焦比,因此,如何烧好热风炉,保证向高炉提供足够的高温热风,是炼铁中的一个重要环节.图2是热风炉燃烧过程示意图,热风炉的工作分为燃烧和送风两个过程.燃烧过程是,首先将空气与煤气通过生物质燃烧机混合,然后在燃烧室进行燃蛲I燃烧完的烟气经过蓄热室,将蓄热室的格子砖逐渐加热,然后通过烟囱排人大气,其过程如图2中箭头方向所示,送风过程是将鼓风站送来的常温空气经过蓄热室加热成热风,送往高炉(图中未划出).

    热风炉在燃烧过程中要求炉顶温度以最快速度上升,实践表明,当炉顶温度上升速度最快时,炉内燃烧过程处于最优状态.如果纵坐标表示炉顶温度上升速度(ATl At),横坐标表示燃烧所需空气量(Q),则它们之间的关系可用图3表示.在某一空气量(如Qi)肘,炉顶温度上升最快.随着燃料热值等条件的改变其特性会产生漂移,如图3中虚线所示.校友专辑    戴绪愚,燃烧过程的最优控制

    为了寻找最优工作点,采用了以下控制规律.假定在某一时刻£,,测得炉顶温度为Ti(见图4).炉顶温度按曲线①上升,过一定时间(At)以后,在t:点测得炉顶温度为T2,则(T2 -Ti)lAt可近似为炉顶温度在tI至t。时刻内的上升速度,这时,将控制进风量的风板改变一下,对系统是否工作在最优状态作一试探.例如将风板开度增大As,空气量也相应增大AQ(假定没有时滞),炉顶温度就会立即作出反应,并将按曲线②上升,再过一定时间(At)后,在t。点测得炉顶温度为T。,则(T3 -Tz)/At可近似为风量改变后炉顶温度上升的速度.将空气量改变前后炉顶温度上升的速度进行比较,得:

    若(2)式大于零,表示空气量增大后炉顶温度升得更快了.这一方面说明系统尚未达到最优状态;另一方面也表明这一涉控制方向是正确的,下一步可继续朝该方向进行试探,如果再将风板开度继续增大As,调节后再按公式(2)进行计算,若其结果仍大于零,则表示这一步也是正确的.这样将一步一步地逼近最优点.在达到最优点后,若仍按原方向控制,续续加大风板开度,则炉顶温升速度将下降(见图3_),(2)式的计算结果将小于零.这说明系统已经离开最优工作点,为了回到最优点必须改变风板控制方向,由原来的增大风板开度改为减小风板开度.设计一种自动控制器,‘它能定时地检测Ti、Tz和Ts,然后按(2)式进行计算,并根据计算结果确定下一步是否改变控制方向.由控制器这样周而复始地、不断地进行搜索,便能自动找到最优工作点.当由于扰动使静态特性产生了漂移时,它又进行新的搜索,寻找新的最优工作点.新的最优工作点的最优指标A。可能比A.低(见图3).如果不进行搜索,空气量仍保持在Qi,则对应曲线②的工作点A3将比A.,更低.可见,按照上述规则进行控制,就能使系统始终保持在,当时的最优工况下运行.

四、自寻最优控制器

    为实现上述控制规律,我所与武汉钢铁公司原动力部计器车间、炼铁厂和钢研所合作,研制成功了一种适合于燃烧过程最优控制的自寻最优控制器,由于它能自动寻找燃烧过程静态特性的极大值,因而当时定名为极值调节器.其工作原理如下.

    控制器由输入部件、输出部件、控制部件、运算部件、停步控制和限温控制等几个主要都分组成.其原理框图如图5所示.

    控制部件的作用是,根据控制规律的要求周期地发出9个顺序控制脉冲,指挥各部分工作.这9个脉冲的顺序和作用见图6.

    运算部件的作用是,在每个控制周期内记忆炉顶温度(Ti,T:,T3),并按(2)式进行运算,以运算结果(≥o或<0)作为控制下■周期调节方向的依据:(Tl - 2T2+T。)≥o,不改变调节方向;(T I - 2T2 +T3)<0,改变调节方向.

  ‘输入部件为模一数转换器,。-它将由毫伏变送器转换成电流的温度信号转换成脉冲.输出部件为数一模转换器.、其作用是,’根据方向控制和走步脉冲增减其可逆计数器中所累计的脉冲数;并转换为电流信号,送给控制系统的执行机构,调节风板开度.

    限温部件的作用是,当炉顶温度达到设备要求的最高温度时,适当加大空气量,使炉顶温度不超过容许值,并能自动保持在该值附近;若温度仍升高时,发出减煤气信号,以减低煤气消耗量.

    停步控制是为了减少搜索损失,按上述控制规律找到最优风板开度以后,在燃烧特性未产生漂移之前,机器将继续向两边搜索,这样风板就不是一直处在最优开度,而有一部分时间比最优风板开度多开一个控制步,:另一部分时间比最优风板开度少开一个控制步.这样就使风板停留在最佳开度的时间相对减少,给控制效果带来一定损失,,这称之为搜索损失.‘停步控制的作周是,在确认系已处于最优状态后,‘发出停步信号,停止走步,将凤板在最优位置停留一段时间(但停留的时何必须小于对象特性产生漂移的时间j.、。控制器的工作过程如下<参看图5和图6):

    炉顶温度由热电偶测量,温度在1000℃-14 00℃范围内变化时,热电偶相F/t趣:给越10 -14毫伏,此毫伏信号由毫伏变送器转换为0-1(1毫安的电流信号并送到极值调节器的输入部件.后者将其转换为1000-5000周/秒的脉冲信号.此脉冲信号经过测量控制部件送到运算部件(由可逆计数器组成).当控制部件发出1脉冲时,可逆计数器中的数被清除,准备进行加、减运算.在2脉冲到3脉冲之间i控制部件将运算部件前面的测量控制“门”打开,并命令其执行加运算.于是与炉顶温度成比例的脉冲信号相继进入运算部件,即在可逆计数器中加入了T:.4脉冲为走步脉冲,它使输出部件的数改变一个或两个(根据步长大小),输出电流也相应地变化△,.此电流送至电动执行机构将风板开度改变As.风板应开大还是关小要经过一个周期的试探才能判断出来.因此系统投入运行后,风板第一步的调节方向是不确定的,而要根据方向控制的初始状态来确定.由于燃烧过程存在时滞,风板歼度的改变引起炉‘顶温度‘的改变有一定的时间滞后,因此走步时间必须比T:计测时间提前.5脉冲与6脉冲之间盼时间r比2-3脉冲之间的时间长一倍,所以在5"6脉冲间进入可逆计数器的脉冲数对应为2T2.5、6脉冲同时控制可逆计数器进行减运算,同理,在7-8脉冲间可逆计数器完成了加T3的运算,至此在可逆计数器中记入了Ti - 2T2+ T3.其结果,即可逆计数器中的余数的符号(≥O或<0)控制着方向控制,决定下一步的调节方向.如果余数的符号小于零,判断走步方向的9脉冲通过方向控制改变输出部件中可逆计数器的计数方式:如果原来是加运算则变为减运算.如果余数的符号≥0,不改变原来的计数方式.在第二周期1脉冲时,可逆计数器中余数被清除,并作好再运算的准备.以此类推,这一周期的调节方向是根据前一周期附“试探”和比较“试探”前、后炉顶温度变化的速度差的结果而决定的,而这一周期的调节和对炉顶温度的运算结果又是下一周期的“试探”和调节方向的依据.这逐步地搜索到最优工作点后,停步控制发出信号使走步控制闭锁,不发出走步脉冲,输出部件最优风板位置不变,自动保持一段时间后又自动恢复搜索,

五、应用效果

    应用上述极值调节器加上空气与煤气成比例控制的比例一极值控制系统于1970年在武钢的热风炉上投入了工业运行.采取每当极值调节器自动寻找到最优工况时立即抽查烟囱中废气的办法,经过反复试验证明,该系统确能实现燃烧过程的最优控制,从而收到了以下技术经济效果:

    (1)加快了升温速度,实现了快速自动烧炉,减轻了工人劳动强度,

    (2)节约了燃料,与手工操作相比可节省煤气10%左右;

    (3)由于废气中含氧量得到合理控制,因而提高了热效率,延长了送风时间;

    (4)。由于提高了送给高炉的热风温度,因而降低了焦比,

    由于当时技术水平的限制,本系统中的极值调节器只能采用硅晶体管分离元件,因而元件多,插接件多.在热风炉现场的恶劣条件下,这种仪器往往由于维护不及时而不能长期可靠地工作,所以未能很好地发挥作用,现在采用微处理机,则可以完全克服上述分立元件的缺陷,且可以简单地完成本文所述的控制任务.另外,将本文所述的自寻最优控制原理应用于其它的燃烧过程也定能取得良好的效果,而且符合我国当前的节能方针和适应技术改造的需要.

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点击次数:  更新时间:2017-10-21 20:21:41  【打印此页】  【关闭