（控制科学与工程专业论文）燃煤锅炉分布控制实现及其仿真平台开发.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p 2 7 3 学科分类号 5 1 0 8 0 1 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 7 8 7 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名宋振国学号 2 0 0 8 0 0 0 7 8 7 获学位专业名称控制科学与工程 获学位专业代码 0 8 1 1 课题来源自然科学基金研究方向随机分布控制 论文题目燃煤锅炉分布控制实现及其仿真平台开发 关键词 燃煤锅炉，随机分布控制，子空间辨识，迭代学习控制，仿真 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 6 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师周靖林讲师北京化工大学 随机分布控制 控制理论与控制 评阅人1耿志强副教授 北京化工大学 工程 评阅人2 王晶 副教授北京化工大学 控制科学与工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 智能系统与数据 椭员纵 朱群雄教授北京化工大学 挖掘 答辩委员1黄克谨 教授北京化工大学复杂系统建模 答辩委员2王友清 教授北京化工大学生物医学控制 控制理论与控制 答辩委员3耿志强副教授北京化工大学 工程 答辩委员4王晶副教授北京化工大学控制科学与工程 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 燃煤锅炉分布控制实现及其仿真平台开发 摘要 工业锅炉是我国主要的耗煤设备，也是我国主要的污染来源之一。在 我国的工业锅炉当中，有相当大比例是层燃型的燃煤链条锅炉。链条锅炉 数量多、面积广，但自动化水平较低，绝大多数的热效率不到7 0 ，与发 达国家有较大差距。 本文的主要目的是在层燃式燃煤锅炉上实现输出概率密度函数( p d f ) 控制。为此，首先阐述了链条炉的结构、燃烧过程的特点和相关控制方法 的研究现状，接着介绍了输出随机分布控制系统的相关理论，然后讨论了 将这种方法引入链条锅炉的燃烧过程控制中的可行性。在此基础上，本文 的主要工作有： ( 1 ) 给出了基于r b f n n 的输出分布控制系统的子空间快速建模方 法，并以此模型为基础实现了输出分布控制系统的最优迭代学习控制。仿 真结果表明建模和控制算法的可行性。 ( 2 ) 将迭代学习的思想引入到输出分布控制系统的建模当中，结合 ( 1 ) 的研究成果，提出了双闭环迭代学习建模控制算法，并针对迭代学 习过程引入了自适应迭代学习率和迭代终止门限，仿真结果表明相关算法 的有效性。 ( 3 ) 开发了一套链条锅炉的仿真控制平台，实现了对层燃锅炉的燃 烧过程的动态模拟。并以燃烧过程的火焰形状为被控对象，以配风分布为 控制输入，在此平台上验证了( 2 ) 设计的建模控制算法。 t 北京化工大学硕士学位论文 综合仿真结果和仿真平台模拟，本文所得的输出随机分布控制系统的 模型和相关控制算法，可应用于燃煤链条锅炉的配风优化控制，并能得到 较好的控制效果。 关键词： 随机分布控制子空间辨识迭代学习控制燃煤锅炉仿真 r e a l i z a t i o no fs t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o n c o n t r o lf o rc o a l f i r e db o i l e ra n di t s s i m u l a t i o np l a t f o r m a b s t r a c t i n d u s t r i a lb o i l e ri sn o to n l yt h em a jo rc o a lc o n s u m p t i o ne q u i p m e n ti n c h i n a ，b u ta l s oo n eo ft h em 句o rp o l l u t i o ns o u r c e s a m o n gi n d u s t r i a lb o i l e ri n c h i n a ，al a r g ep r o p o n i o ni sl a y e r b u m i n gc o a l f i r e dg r a t eb o i l e r s g r a t eb o i l e r h o w e v e r ，h a st h e1 0 wl e v e lo fa u t o m a t i o na n di t st h e m a le 衢c i e n c yi sl e s st h a n 7 0 ，w h i c ho f aw i d eg a pw i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s t h em a i np u 印o s eo ft h et h e s i si sa p p l y i n gs t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nc o n t r o l ( s d c ) t ot h el a y e r b u m i n gc o a l f i r e dg r a t eb o i l e r f o rt h i sr e a s o n ，t h es t r u c t u r e 北京化工大学硕十学位论文 a n dc o n t r o la l g o r i t h m s ( 2 )a ni t e i l l t i v el e a m i n gb a s e dd o u b l ec l o s e d l o o pm o d e l i n ga n dc o n t l o l a l g o r i t h mo fs d cs y s t e mi sp r o p o s e db yc o m b i n i n gt h er e s u l to f ( 1 ) w i t h t h em o d e l i n go fs d c s y s t e m s ，i nw h i c ht h ei d e ao fi t e r a t i v el e a m i n gi s i n t r o d u c e d a n dt h e n ，a na d a p t i v ei t e r a t i v el e a m i n gr a t ea n da ni t e r a t i o n t e n n i n a t i o nt h r e s h o l da r ep r e s e n t e dt oa v o i dt h eu n n e c e s s a 巧o re x c e s s i v e i t e r a t i o n si nt h ei t e r a t i v el e a m i n gp r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m ( 3 ) as i m u l a t i o nc o n t r o lp l a t f o mo fc o a l f i r e dg a t eb o i l e ri sc o n s t n l c t e da n d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o np r o c e s si nl a y e r _ f i r e db o i l e ri s r e a l i z e d t h em o d e l i n ga n dc o n t r o la l g o r i t h mo f ( 2 ) a r ev e r i f i e dt h r o u g h t h i sp l a t f o m ，i nw h i c h ，t h ef l a m es h a p eo ft h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n d t h ew i n dd i s t r i b u t i o nt a k e na st h ec o n t r o l o u t p u ta n dc o n t i o li n p u t ， r e s p e c t i v e l y c o m p r e h e n s i v er e s u l t so ft h em a r l a bs i m u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o n p l a t f o r m ，t h em o d e l i n ga n dc o n t r o lm e t h o d so fs d cs y s t e m si nt h et h e s i sc a n b e 印p l i e dt ot h ew i n dd i s t r i b u t i o no p t i m i z a t i o nc o n t r 0 1o fc o a l f i r e dg r a t e b o i l e r ，a n dab e t t e rc o n t r o le f r e c tc a nb ee x p e c t e d k e y w o l u d s ： s t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o n c o n t r 0 1 ， s u b s p a c ei d e n t i f i c a t i o n ， i t e r a t i v el e a m i n gc o n t r o l ，g r a t eb o i l e r ，s i m u l a t i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义一l 1 2 燃煤链条锅炉及其燃烧控制研究现状一3 1 2 1 层燃链条锅炉的基本结构3 1 2 2 链条锅炉的燃烧控制5 1 2 3 火焰的三维温度场6 1 3 输出随机分布控制理论及其研究现状一7 1 3 1 输出随机分布控制概述7 1 3 2 输出随机分布控制的建模方法8 1 3 3 输出随机分布系统的控制方法1 l 1 4 本文的主要研究内容1 2 1 5 本文的结构安排1 3 第二章基于r b f n n 的随机分布模型的建立与控制方法1 5 2 1 引言1 5 2 2 基于r b f n n 的随机分布模型的建立1 6 2 2 1r b f n n 简介1 6 2 2 2r b f n n 逼近输出p d f l7 2 2 3r b f 随机分布控制模型2 0 2 2 4 仿真2 3 2 3 随机分布模型的迭代学习控制2 8 2 3 1 迭代学习控制的基本原理一2 8 2 3 2 基于r b f 模型的迭代学习控制3 0 2 3 3 仿真3 2 2 4 本章小结- 。3 6 第三章双闭环迭代学习建模控制3 7 3 1 引言3 7 v 北京化工大学硕士学位论文 3 2r b f n n 的迭代更新方法3 8 3 3 双闭环迭代学习建模控制4 l 3 3 1 基本结构4 1 3 3 2 系统可辨识性4 3 3 3 3 自适应迭代学习率4 7 3 3 4 仿真一4 9 3 4 本章小结5 7 第四章燃煤锅炉分布控制实现及其仿真平台的开发5 9 4 1 引言5 9 4 2 供热仿真培训平台介绍5 9 4 2 。1 基本结构5 9 4 2 2w i n c c 搭建仿真界面6 5 4 3 仿真平台的改造7 2 4 3 1 火焰模型的建立7 2 4 3 2 火焰动画的改造7 6 4 3 3w i n c c 与m a t l a b 的o p c 通信7 7 4 4 输出随机分布控制的实现7 9 4 5 本章小结一8 2 第五章总结与展望8 3 5 1 总结8 3 5 2 问题和展望8 4 参考文献8 5 致谢8 9 研究成果及发表的学术论文9 1 作者和导师简介9 3 v i c o n t e n t s c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e 鲫c hb a c k g r o u n d 锄ds i 鲥f i c 觚c e 1 1 2c o a l f i i e dg 删eb o i l e r 锄di t sc o m b o s i t i o nc 0 i l n 0 l 3 1 2 1b a s i cs t m c t u r co fl a y c r 伊a t eb o i l e r 3 1 2 2c o m b u s i t i o nc 0 n t i o lo f 笋a t eb o i i e r 5 1 2 33 dt a n p e r a h l r ef i e l do fc o n l b u s t i o nn 锄e 一6 1 3i l l t p u ts t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nc o i l t l - 0 lm e r o y 锄1 di t sr e s e a r c h 7 1 3 1o v e r v i e wo f o u t p u ts t o c h 弱t i cd i s t r i b u t i o nc o m r o l 7 1 3 2m o d e l i n gm e 廿1 0 do f o u t p u ts t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nc o n 劬l 8 1 3 3c o n t r o lm e m o do f o u t p u ts t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nc o n t r o l 1 1 1 4c o n 白m t so f t l l e s i s 1 2 1 5s t n l c t u r a la r r a l l g e i i l e n to ft h es u b j e c t 。13 c h a p t e r2i m f n n - b a s e d s t o c h a s t i cc o n t r o l ：m o d e u n ga n dc o n t r o l 1 5 2 1m o d u c t i o n 1 5 2 2c o n s t m c t i o no f r b f n n - b a s e ds t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nm o d e l 1 6 2 2 1ar c v i e wo f r b f n n 1 6 2 2 2r b f n na p p t o x i m a t i n go u t p u tp d f 17 2 2 3r b f n n - b a s c ds t o c h a s t i cc o n 们lm o d e l 2 0 2 2 4s i m u l a t i o n 一2 3 2 3i l co fs t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nm o d e l 一2 8 2 3 1f u i l d 锄a l t a lo fi l c 2 8 2 3 2r b 孙n b 船e di l c 3 0 2 3 3s i m u l a t i o n s 3 2 2 4s u n l m a i v 3 6 c h a p t e r 3i l b a s e dd o u b l e c l o s e d l o o pm o d e l i n ga n dc o n t r 0 1 。3 7 3 1h l 缸d d u c t i o n 3 7 v i i 北京化工大学硕十学位论文 3 2n e r a t i v eu p d a t em e t h o do fr b f n n 3 8 3 3i l - b 嬲e dd o u b l ec l o s e d - l o o pm o d e l i n g 觚dc o n 仃o l 4 l 3 3 1s t l l j c t i l r e 。4 l 3 3 2s y s t e i l li d c n t i f i a b i l i t y 4 3 3 3 3a d 印t i v ei t c r a t i v el e 啪i n gr a t e 4 7 3 3 4s i n m l a t i o n s 4 9 3 4s l | m m a n r 5 7 c h a p t e r 4s d cf o rc o a l - f i r e db o i l e ra n di t ss i m u l a t i o np l a t f o r m 5 9 4 1i n n 0 d u c t i o n 5 9 4 2ar c v i e wo f h e a t i n gs i m u l a t i o nt r a i n i n gp l a t f o m 5 9 4 2 1s t n l c t l l r e 。5 9 4 2 2s i m u l a t i o ni n t e r f a c eb a s e do nw i n c c 6 5 4 3t 胁s f 0 肌a t i o no fs i m u l a t i o np l a t f o m 7 2 4 3 1c o n s t n j c t i o no ff l 锄em o d e l 7 2 4 3 21 r 暑m s f o 姗a t i o no ff l 锄ea n i m a t i o n 7 6 4 3 3o p cc o m m u i l i c a t i o nb e t w e e n 、聃n c ca i l dm a t l a b 7 7 4 4r e a l i z a t i o no f o u t p u ts t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o nc o m r 0 1 7 9 4 5s u m m a r v 8 2 c h a p t e r5s u m l n a r ya n do u u o o k 8 3 5 1s 切n m a 秽8 3 5 2p r o b l 锄a n dp r o s p e c t s 8 4 r e f b r e n c e s 8 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 9 p u b l i s h e da c a d e m i cp a p e r s 9 l b r i e fi n t r o d u c t i o no f a u t h o ra n d1 、l t o r 9 3 v i i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 2 0 1 1 年初，我国g d p 总量超越日本，成为世界上仅次于美国的第二大经济体。 随着我国经济实力的不断增强，国内环境、资源与工业发展之间的矛盾也日益突出。 国家“十一五”将如何促进资源环境与经济和谐发展提升为一项重要课题，而伴随着 国际社会对环境问题的持续关注和国内环境形式的同益严峻，这一课题又成为“十 二五”规划的重要内容之一。 我国大气污染主要来自煤的燃烧，其中工业锅炉，燃煤电站和工业炉窑是中国三 个消耗煤的主要行业，也是中国的主要污染源【i 】。中国工业锅炉年耗煤4 亿吨，每年 向大气排放6 0 0 万吨s 0 2 、8 0 0 万吨烟尘、1 6 4 亿吨c 0 2 和8 7 0 0 万吨灰渣，其能源 消耗和污染排放仅次于电站锅炉，位居全国工业行业第二。我国工业锅炉的主要形式 是层燃链条炉排锅炉，其数量多，面积广，难以实现集中污染控制。而且我国层燃锅 炉的热效率较低，其平均热效率不到7 0 ，远低于世界发达国家。绝大多数层燃锅炉 没有实现全自动化控制，其维护费用较高，对现场操作水平的要求也较高。因此如何 改造和优化老式的层燃链条锅炉，提高其经济运行能力，减少污染，成为新近的一个 研究热点。 层燃锅炉的优化可以从以下几点入手【2 ；3 】： ( 1 ) 控制煤质：增强煤料的洗选、筛分、型煤等环节，并提高锅炉的燃烧效率基于 炉前筛分和成型的混煤高效燃烧技术； ( 2 ) 优化锅炉结构：设计合理的炉膛拱顶结构，安装分层给煤机，空预器，省煤器 等节能装置； ( 3 ) 提高锅炉自动化水平：包括优化配风，对炉膛燃烧状况进行实时控制等。 从提高锅炉的自动化水平来说，最重要的，也是比较复杂的，是如何对锅炉的燃 烧过程进行控制，实现燃烧过程的自动化、最优化。然而，众所周知，燃烧过程是一 个典型的非线性、强耦合的随机过程，多年来，虽有不少学者提出了一些相关的控制 方法，但这些方法大都没有真正对燃烧的实际对象火焰，进行控制。而在实际生 产中，锅炉炉膛火焰信息，包括火焰的颜色，火线长度和宽度等，是考察锅炉是否正 常工作的重要指标【4 1 。有些现代化程度比较高的企业，已经开始为其锅炉安装工业摄 像头，用以检测并采集炉膛内部的火焰信息，使司炉工人可以较清楚地看到炉膛内部 火焰，并根据火焰的形状对锅炉进行适当的调节，采集得来的图像信息也为锅炉的安 全高效生产提供了依据。然而，由于炉膛内部机理复杂，炉膛火焰又具有很强的随机 北京化工大学硕士学位论文 性和非线性，因此针对炉膛燃烧过程的建模和控制都十分不易。本文将随机系统控制 中的输出随机分布控制思想引入炉膛火焰的控制，期望用子空间辨识方法建立炉膛火 焰和锅炉相关设备的输出随机分布控制模型，为锅炉燃烧控制的建模提供新的参考。 输出随机分布控制产生于上世纪九十年代末期，是随机系统控制的一种新方法。 与传统的随机系统控制方法不同，随机分布控制直接以系统输出的概率密度函数 ( p r o b a b i l i t vd e i l s i t yf u n c t i o n ，p d f ) 或分布函数( d i s t 曲u t i o nf 吼c t i o n ) 为控制对象。 该理论的初期，主要是利用b 样条基函数等数学工具去逼近随机系统的输出p d f 函 数，将输入与输出p d f 的关系解耦为输入与逼近函数权值之间的动态关系。虽然从提 出至今只有短短十余年的发展历史，但由于随机分布控制具有传统的随机控制无法比 拟的优点，因此越来越多的学者投入到该理论的研究中，提出了许多有创造性的建模 和控制方法。随着随机分布理论体系的日渐成熟，一些研究人员开始着手该理论在一 些实际工业过程中的应用研究，如造纸机的纤维长短分布控制【5 】、聚合过程的分子量 分布控制【6 】、食品原料加工中的粮食颗粒大小分布控制【_ 7 1 ，多变量随机系统的跟踪滤 波器设计【8 】，故障诊断和容错控制【9 】以及喷射火焰的形状控制【i o 】等。考虑到层燃链条 锅炉的燃烧控制，其火焰信息如形状、颜色等，都可利用图像处理技术转化为于炉膛 温度、含氧量等相关的概率密度函数，并且存在相关的控制量，如鼓风机频率、风室 开度分布、给煤机频率和炉排频率等，能对火焰的状态实施控制，因此，将输出随机 分布控制引入锅炉火焰控制当中具有可能性。再者，文献【l o 】将随机控制方法应用于 喷射火焰的控制，虽然与本文的控制对象有所不同，但仍为本文的可行性提供了一定 的依据和参考。因此本文期望以火焰的性质，如形状、颜色等信息，作为系统的控制 目标，将火焰控制在一个较为理想的燃烧状态，以此来提高锅炉的燃烧效率。 由于本文的主要工作还属于理论研究范畴，直接将其应用到实际工业锅炉不现实 且风险巨大；幸运的是，仿真培训是目前众多工业锅炉施炉工上岗前进行模拟操作的 一个重要环节，因此，本文结合仿真培训和层燃锅炉燃烧的特点，开发一套具有良好 互动性的仿真平台，实现对输出随机分布控制的支持，并可以为实际操作提供操作指 导数据。 综上所述，本文的研究目的是应用随机分布控制的相关理论，建立火焰与锅炉主 要操作设备之间的输出随机分布控制模型，设计出一定的控制方法实现对火焰的形状 控制，并开发一套锅炉燃烧仿真平台对相关模型与控制算法进行验证，以提高燃煤层 燃锅炉的燃烧效率。为此，本文将研究新的输出随机分布控制系统建模以及控制方法， 解决了该领域中的一些关键问题，然后，将该理论引入到层燃锅炉的燃烧过程中，同 时为该理论的实际应用提出了新的方向。本章首先阐述层燃锅炉的工作原理和相关研 究领域的发展现状。然后论述输出随机分布控制系统的基本理论和发展现状。 2 第一章绪论 1 2 燃煤链条锅炉及其燃烧控制研究现状 燃料在炉排上燃烧的锅炉，叫层燃锅炉【l l 】。按照燃料层与炉排相互运动的关系， 层燃锅炉可以分为固定炉排和活动炉排链条炉，其中活动炉排多用于大型锅炉。本文 主要研究燃煤活动链条锅炉，为了下文论述方便，下面现将首先以d z l 5 8 1 6 1 5 0 9 0 a i i 型燃煤链条锅炉为例，对燃煤链条锅炉的基本结构和工作原理做简单的 介绍。 1 2 1 层燃链条锅炉的基本结构 炉膛 炉捧 给煤机 风室 省煤器 烟道 空预器 图1 - l 链条锅炉结构不意图 f i g 1 一lt h es 缸1 l c t i l r eo f g r a t eb o i l 盯 d z l 5 8 1 6 1 5 0 9 0 a i i 型燃煤链条锅炉的炉体结构如图1 1 所示，主要由以下几 部分构成： 锅筒：锅筒是由优质厚钢板制成的圆筒形容器，主要用来接受经省煤器送来的给 水并联接循环回路，是锅炉中最重要的部件之一。锅筒上方一般有超压报警装置和安 全阀，防止温度过高使锅筒内部压力过大而引起事故。 炉膛：炉膛是由炉墙包围起来供燃料燃烧的立体空间，是主要的燃料燃烧区域。 炉膛四壁采用耐火材料搭建，并嵌有毛细热水管，为了提高燃烧率，一般在炉膛的前 部和后部设计有拱顶，炉膛的底部是链条炉排。 炉排：锅炉或工业炉中堆置固体燃料并使之有效燃烧的部件。链条炉排一般由铸 3 北京化工大学硕士学位论文 铁制成，呈履带状，上面开有保持通风的小孔。在锅炉工作时由炉排电机驱动，带动 由煤料炉膛前部向后部缓慢运行。炉排下边设有可以调节风量的风仓，以便空气通过 缝隙进入燃料层，烧尽后的灰渣用人工或机械方法排出。 给煤机：将上煤系统送来的煤料均匀平铺到炉排上的装置，实现布煤操作，其频 率可调。经过改造的分层给煤机可使煤料从底部开始由厚变薄，提高了煤的利用率， 并减少了炉膛内的飞灰。 鼓风机：主要的送氧设备，频率可调。将室外大气抽送到锅炉，经空预器预热后， 送至炉排下方各风室。 引风机：主要的排烟设备，其频率可调，将炉膛内部烟气经烟道和省煤器排至室 外。其间经过除污冷却等环节。 风室：由鼓风机送来的空气经风室送至炉膛。风室的开度可调节。在实际应用中 一般控制风室的开度来调节着火区，并使炉膛布风均匀。 烟道：炉膛内的烟尘经烟道排除，烟道中有省煤器和空预器对炉膛排出的高温烟 体的热量进行二次利用。 省煤器：省煤器安装在烟道出口，冷水经省煤器内的毛细管与烟道内的高温烟气 进行热量交换，提高了热量利用率。 空预器：空预器原理与省煤器相似，将鼓风机送至炉膛的冷风进行预热。 在链条炉中，煤的给进是由炉排驱动的。经上煤系统处理过的煤通过皮带送到给 煤机，落在炉排上的煤量通过给煤机的开度来调节。随着炉排的转动，煤层由前拱向 后拱移动，炉排的频率和给煤机的开度相配合，就决定了炉排上的煤层厚度。炉排的 钢板上开有小孔，其下方有多个风室，鼓风机的风通过风室送到炉膛，并由引风机引 出炉膛，鼓风，引风和煤量三者相关，保证了炉膛含氧量和炉膛负压。锅炉在正常运 行时，对火焰的颜色、形状以及火床长度都有一定的要求。 就火焰的颜色来说：在最佳燃烧工况时，火焰呈麦黄色( 亮黄色) ，烟气呈灰白 色；风量过大时，火焰白亮刺眼、烟气呈白色；风量过小时，火焰呈暗黄色或暗红色， 烟气呈黑色。火焰的颜色其实体现炉膛含氧量的变化。当含氧量较高时，煤层燃烧剧 烈，火焰亮白刺眼；含氧里较低时为暗淡无光，呈暗红或暗黑色。锅炉正常运行时， 要保持含氧量在一定范围，使得火焰颜色呈麦黄色。 就火焰的形状和火床长度来说：火床应该维持在前拱和后拱之间，不能太长也不 能太短。火床不能在加煤装置的煤闸下燃烧，也应保证在运行到后部滑块之前3 0 0 _ 一 6 0 0 删n 处已经全部燃尽。同时应保持炉排上各处煤燃烧均匀，避免有火口、黑焰现象 或煤层高低不平等现象出现。 需要指出的是，在锅炉运行时，应通过鼓风机与引风机的配比，来保证炉膛负压 在正常范围。目的是为防止燃烧不稳定，甚至负压变为正压，火焰及飞灰将从炉膛不 严处冒出，恶化工作环境，危及人身及设备安全。 4 第一章绪论 1 2 2 链条锅炉的燃烧控制 锅炉燃烧控制的重点是在保证锅炉安全运行的同时，动态调节炉排、给煤和鼓风 三者的配比，实现最优燃烧，最大程度的发挥锅炉的效率。然而，由于锅炉的燃烧环 节普遍存在着大迟延、大惯性、非线性、时变等问题，因此，其准确的物理模型较难 获得，大多数基于模型的控制方法不能直接应用。传统的燃烧控制一般采用p i d ( p r o p o n i o ni n t e g r a t i o nd i 毹r 朗t i a t i o n ) 解耦控制，这种控制方法虽能满足一定的控制 要求，但在实际应用中仍存在着一些不足，如风量测量准确度不够对控制效果的影 响等。随着智能控制理论的发展，如模糊控制、专家系统及神经网络技术的不断成熟 和完善，许多新的方法被引入到锅炉燃烧控制系统中，锅炉燃烧控制系统越来越多样 化，且各有特色。总的来说相关的控制方法主要集中在以下几个领域： ( 1 ) 模糊逻辑 1 9 9 7 年，清华学者崔淑妮等在锅炉负荷主控制回路中采用f u z z y - p i 双模控制器， 首次用模糊控制理论研究风室布风控制【1 2 1 。该系统可以根据热负荷调整锅炉出力，并 能自动调节锅炉主要设备，使其稳定在最佳工况。1 9 9 8 年，燕山大学郑德忠等人提出 一种基于模糊控制原理的燃烧优化方案【1 3 1 。该方案采用模糊自寻优方法，将整个调节 过程分为粗调、细调、精调三个阶段，可逐步搜索出最佳风煤比。 ( 2 ) 专家系统 文献 1 4 中给出一种针对某些6 5 t 以下的中、小型链条炉的专家控制方案。该方 案采用基于熟练操作工经验的专家控制，模仿操作人员对过程的操作，能取得比常规 控制理想的效果，从而维持链条炉自控的高投运率。其目的是解决没有风量检测设备， 炉膛温度监测点少，二次风、炉闸门一般手动调节且控制要求不高的问题。文献 1 5 】 将专家控制器仅用于送风量控制子系统中，并与常规的p i d 控制方法相结合，实现了 电厂锅炉的燃烧控制系统的智能控制。但由于专家系统对专家知识的依赖性很大，在 工业现场中实际应用时会受到一定的限制。 ( 3 ) 神经网络 为保证锅炉运行安全，文献 1 6 】利用神经网络分类技术对大型电站锅炉炉膛火焰 进行自动识别，建立火焰燃烧特征和火焰燃烧状况之间的对应关系，不仅可以实现灭 火报警，还可以实现熄火报。文献 1 7 】针对电站锅炉，提出了一种基于神经网络模型 的广义预测控制( g e i l e r a l i z e dp r e d i c t i o nc o n 仃o l ，g p c ) 方法n n g p c ( n e u r a ln e t 、】l ，o r k g e l l e r a l i z e dp r e d i c t i o nc o n t 】r 0 1 ) 以改善控制器性能。在该方法中，g p c 中的线性受控 自回归积分滑动平均( c 伽仰l l e da u t o r e 黟e s s i v e i n t e g r a t e dm o v i n ga v e r a g e ， c a r m 队) 模型用神经网络代替，利用神经作为辨识和预报的工具，解决了对象非 线性特征较强的问题。文献 1 8 】和 1 9 分别提出了一种基于p i d 神经元网络的工业锅 炉燃烧控制系统。 5 北京化工大学硕七学位论文 ( 4 1 ) 预报误差 文献 2 0 】将预报误差校正方法引入锅炉燃烧系统热负荷调节的动态矩阵控制 ( d v n 锄i cm a t r i xc o n t r o l ，d m c ) 算法中，弥补了d m c 从过程获取的验前信息不够 充分的缺陷，获得了良好的控制效果。对氧量校正和炉膛负压调节系统，可采用相同 的控制策略。误差预报器结构简单，易于实现，便于在工业过程中采用。此外，带误 差预报的d m c 方法利用反映过程未来变化趋势的动态信息进行反馈校正，从而可以 克服系统中存在的不确定性，改善了系统的控制精度和鲁棒性，对于提高控制品质及 节能都具有重要的作用。 ( 5 ) 其它方法 文献 2 l 】给出了烟气含氧量的模糊校j 下及热效率模糊自寻最优点控制方法。文中 设计了模糊控制器来控制氧含量随负荷变化的最佳给定值，并利用热效率的非线性单 值特性，实现了以模糊逻辑实现变步长的自寻最优点控制。文献 2 2 】针对锅炉高效低 污染的优化目标，建立了具有整体优化特性的遗传优化算法模型，通过适应度函数中 参数的调整，实现锅炉的整体优化。 1 2 3 火焰的三维温度场 上文所述的一些锅炉燃烧控制方法大都利用传统的热电偶检测炉膛温度的变化， 近几年来，随着传感器技术和计算机图像处理的发展，炉膛火焰图像开始被当作一种 新的监测技术，火焰分布及颜色等重要信息被加以利用，形成了新的控制方法。 2 0 0 3 年，哈尔滨工业大学的季春光等人受电厂锅炉和燃油锅炉炉膛灭火保护装置 中火焰检测方法的启发，首次提出把火焰检测装置用到工业链条锅炉当中，并提出了 一种基于火焰图像处理和信息融合技术的链条炉炉膛火焰专家控制方法【2 3 1 ，该方法将 火焰面积、火位、颜色等视觉信息作为控制依据，实现了一种基于火焰图像的仿人智 能控制。 最近几年，基于炉膛火焰图像的三维温度场重建技术逐渐成为研究的热点。国内 的主要研究成果来自浙江大学和华中科技大学。 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室的研究重点在由火焰图像重建炉膛三维 温度场的相关算法，针对其中的一些问题进行了深入研究。文献 2 4 】根据火焰成像的 光学和辐射度学模型，通过求解辐射传递方程组，运用代数迭代重建技术( a l g e b r a i c r e c o n s 觚c t i o nt e c h n i q u e ，a r t ) 重建出三维温度场，并对锅炉炉膛进行了热平衡分 析。文献【2 5 】主要应用计算机层析成像技术( c t ) 来实现中“由投影重建图像 的温度 场非接触测量，并应用相关的测量结果对锅炉炉膛进行了热平衡分析。并在此基础上， 提出了锅炉燃烧过程中未燃尽碳的在线预测模型。为了满足实时在线监测的要求，文 献 2 6 】提出了基于二元矩形插值公式的滤波反投影重建算法，降低了温度场重建的时 6 第一章绪论 间复杂度，并利用现场3 0 0 w m 电站锅炉进行了实际测试。文献 2 7 】应用截断奇异值 分解( t r 吼c a t e ds i n g u l a rv | a l u ed e c o m p o s i t i o n ，t s v d ) 的正则化方法等方法对该温度重 建矩阵的不适定方程组进行分析与求解。文献 2 8 】基于电荷耦合( c h a r g e - c o u p l e d d e v i c e ，c c d ) 摄像机得到的辐射能图像，利用三维吸收、发射和各向异性散射介质 温度场重建的模型，根据燃煤锅炉数值计算结果，主要考察了颗粒浓度和光学厚度对 温度场重建的影响。 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室在2 0 0 4 年