（机械制造及其自动化专业论文）燃气锅炉燃烧控制及网络管理研究.pdf

摘要 摘要 现今，般的燃气锅炉设计效率均能达到9 0 左右，但在实际运行中，因 负荷、燃料品质、工作环境、压力、混合情况等因素的影响，往往造成燃气不 完全燃烧或空气过量，使锅炉热效率降低，造成能源浪费与环境污染，在这样 一种背景下，有必要对其燃烧系统进行闭环反馈控制。 燃气锅炉的热损失主要有三个部分，分别是：散热损失、不完全燃烧热损 失和排烟热损失。其中受燃烧系统影响的是不完全燃烧热损失与排烟热损失。 评价排烟热损失与不完全燃烧热损失的参素主要是过量空气系数。不完全燃烧 热损失随过量空气系数的增大而减小，而排烟热损失随过量空气系数的增大而 增大，不难看出，存在一最佳的过量空气系数使得两者之和最小，即使得锅炉 的热效率最高，燃烧控制的目的即在于此。 为达这一目的，本文着重讨论了锅炉燃烧系统过量空气系数的寻优以及燃 烧效果的反馈控制。由于锅炉燃烧系统的扰动较大，我们实际寻取的是相对的 最佳过量空气系数，更为重要的是找到最佳过量空气系数区间。本文创造性地 提出了一种基于遗传算法的逐步自适应寻优算法，来动态地寻找锅炉最佳过量 空气系数。这种算法与一般算法的最大区别在于，它能较快找到最佳区间。寻 找最佳过量空气系数是锅炉燃烧控制的基础，而锅炉燃烧控制的关键是根据烟 道含氧量、烟道一氧化碳含量信号，调整气风门开度，使过量空气系数保持在 最佳值附近。本文依据模糊控制理论，设计了一种模糊控制算法来进行反馈控 制。我们所设计的这两种算法主要针对锅炉燃烧控制系统，但对其它类似控制 系统也有借鉴作用。 我们使用v b 6 o 作为编程工具实现的上述算法，并通过软件模拟的方法， 对燃烧控制进行了模拟，在程序设计时为今后和其它类似的系统控制留了扩展 余地。此外，我们还通过对燃气锅炉的反馈控制实验，验证了模糊反馈控制算 法的正确与可靠性。 此外，本文还提出了一种锅炉网络模型，为锅炉的网络管理与控制提供一 些参考。 关键词燃气锅炉；燃烧控制；模糊算法；遗传算法；现场总线 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w d e s i g ne m c i e n c yo fc o m m o ng a sb o i l e rc a nr e a c h9 0p e r c e n to rs o ，b u t v a r i o u sf a c t o r ss u c ha sl o a d ，f u e lq u a l i t y w o r kc o n d i t i o na n d p r c s s u r ew h i c h r e s u i ti n u n c o m p l e t e db u r n i n go fg a sa n d e x c e s sa i r ，d e c r e a s eb o i l e rh o te m c i e n c ya n dc a u s e r e s o u r c e sw a s t ea n de n v i m n m e n t p o l l u t i o n c o n s i d e r i n gt h e s ei ti se s s e n t i a l t oa d o p t c l o s e dl o o pf e e 曲a c kc o n t r 0 1t ob o i l e rb u m i n g s y s t e m t h e r ea r e3p a r t so fh e a tl o s sf o rg a sb o i l e l i n c l u d i n gh e a te m i s s i o n1 0 s s ， u n c o m p l e t e db u m i n gl o s sa n dn l m eh o tl o s s ，u n c o m p l e t e db u m i n gl o s s d e c r e a s e s f o l l o w i n gt h ei n c r e a s eo f e x c e s sa i rc o e m c i e n t ，w h i i ef u m eh o t1 0 s si n c r e a s e s i ti s o b v i o u st h a tt h e r ee x i t 锄o p t i m u mc o e m c i e n to fe x c e s sa i rw h i c hm a k eb o i l e ro w n h i g h e s te f ! f i c i e n c yw h i c h i sm e p u r p o s eo f b u m i n g c o n t m l i no r d e rt oa c h i e v em i sp u r p o s et h i sp a p e re m p h a s e so nf i n d i n gt h eo p t i m u m e x c e s sa i rc o e f f i c i e n ta n df b e d b a c kc o n t m lo fb u m i n ge f ! i e c t b e c a u s eo fm eg r e a t d i s t u r b a n c eo fb o i l e rb 啪i n g s y s t e m ，o nt h es p o t ，w ed o n tf m d a b s o l u t ee x c e s sa i r c o e m c i e n tb u ti t so p t i i i m mi n t e r v “1 h ep a p e tc r e a t i v d yp u t sf o r w 钳- da 虹n do f g r a d u a la d a ma l g o r i m m b a s e dg e n e t i ca 1 9 0 r i t h m st od y n a t l l i c a lf i n d 叩t i m u m e x c e s s a i rc o e m c i e n to fb o i l e r i ti sv e r yq i l i c kt of i n do p t i m u mi n t e r v a lm a k i n gu s eo ft 1 1 i s a l 窖o r i t h m i ti s t h ef o u n d a t i o no fb o i l e rb u m i n gc o n 缸d lt of i n do p i m u me x c e s sa i r c o e m c i e n t ，i na d d i t i o n ，i ti sk e yt oa d j u s tt h ed 锄p c ro p e n i n g a n dv a l v e 叩e i l i n gu s e f u z z yc o n t m la l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ec o n t e n ts 蟾n a lo f0 2a i l dc 0 i n 如m er o a d a l t h o u g ht h e s et w oa l g o r i t h m sa r em a i n l yt ob u m i n g c o n t r o ls y s t e mo fb o i l e r ，t h e y c a na l s ob er e f e r e n c ee f i e c to no t h e rs i m i l a rc o n n d ls y s t e m v b 6 0i su s e dt 0r e a l i z ea b o v e m e n t i o n e da 1 9 0 d m m sa n db 啪i n gc o n t m l i s a l s o s i m u l a t e dt h r o u g hs 硪w h e np r o g r a mb e i n gd e s i g n e d ，s o r n er o o m h a sb e e ni e f tf o r f u t u r e a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t ，w et e s t i f yt h ef u z z yc o n t r o la l g o r i 也mi sr i g h ta i l d d e p e n d a b l e i na d d i t i o n ab o i l e rn e tm o d e li s r a i s e dw h i c hw i l lb ea 疵r e n c et on e t m a i l a g e m e n ta j l dc o n t r d lo f b o i l e k e y w o r d s g a sb o i l e r ；b u m i n gc o n t r o l ；f u z z ya l g o r i t h m ；g e n e t i ca l g o r i t t l m ；f i e l db u s u 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代提出的可持续发展战略保证社会具有长时间持续发展 的能力，得到世界各国的认可，逐步达成了共识。联合国1 9 9 2 年6 月在里约热 内卢召开环境与发展大会，世界各国一致承诺把走可持续发展的道路作为未来 长期的共同发展道路。会议期间，还通过了里约宣言和2 1 世纪议程等 重要文件。 保护自然环境，合理利用能量、资源是走可持续发展道路的核心问题。能 源需求随着经济发展而日益增长，而能源利用中的负面影响是破坏地球生态环 境的重要因素。大气污染、固体废物、热污染、温室效应、水污染等无不与能 源的开采和利用有关，严重威胁人类的生存条件并殃及子孙后代。常规能源中， 以煤碳为第一能源的中国，由于能源利用率相对较低，煤耗高，加之消费结构 不合理，大量工业部门以煤为动力能源，使得我国的广大地区，尤其是人口密 集的城市范围内的环境状况急剧恶化，制约了社会经济的进一步发展。 煤在使用过程，尤其在燃烧过程中的环保问题突出。主要是燃烧排放的烟 气中，存在烟尘、硫氧化合物、氮氧化合物以及二氧化碳等有害物质，对大气 造成污染。据有关报道，我国的大气环境以煤烟型污染为主，烟尘和酸雨的危 害最大，使污染程度加重。煤燃烧过程中排放的烟尘，大大增加了空气中的总 悬浮物。北方城市中的总悬浮物年平均约0 _ 3 8 m m 3 ，超过空气质量三级标准， 超标大于3 0 的城市占8 5 以上，有的城市高达o 6 m m 3 。煤中的有害元素硫 在燃烧排烟中以s 0 2 形式存在，是形成酸雨的主要成分。城市中的s 0 2 浓度平 均值约为0 0 8 m m 3 ，均超过空气质量二级标准，最高值达到o 4 2 m m 3 。在降 水量较多的长江以南和四川盆地等区域，空气中的s 0 2 与雨水反应后形成酸雨， 对植物、水体及建筑物等造成大面积的危害。 由于煤在使用过程中对环境污染的影响较大，除提高煤的利用率，加强对 污染的综合治理外，调整能源的消费结构，开发使用环保型清洁能源，如石油、 天然气、水力等势在必行。当前，在一些发达国家中，石油和天然气在能源消 费中约占6 0 ，成为第一能源。据统计，这些国家的供暖用锅炉中，燃油燃气 北京工业大学工学坝士学位论文 锅炉已占相当的份额，美国占9 8 ，曰本占9 9 ，俄罗斯占6 0 。 随着国际社会对环境问题的曰益关注，我国为建设国际环保型城市和走可 持续发展道路的需要，对环保工作提出了更高的要求。能源政策和能源结构也 发生了变化。目前，已放宽城市中小型工业锅炉和生活锅炉燃用油品的限制并 提倡使用天然气，以取代分布广、能耗高、污染严重的燃煤锅炉。全国的一些 大中型城市为了适应长期发展的要求，逐步制定了某些限制燃煤锅炉运行的制 度。例如西安市，从1 9 9 7 年7 月1 日以后，不再新建燃煤锅炉，全部采用天然 气；北京市要求三环路以内的生活燃煤锅炉逐步改用天然气；上海市在内环线 以内只允许新建燃油燃气锅炉。其它一些城市也在考虑制定一些类似的措篪来 保护城市环境。 我国有十分丰富的天然气资源汹1 ；天然气预计储量为3 8 万亿m 3 。截止1 9 9 6 年底，已探明天燃气储量2 4 万亿m 3 ，资源探明程度6 3 l 。在今后的2 0 年至 3 0 年内，预计每年探明储量l 0 0 0 亿m 3 ，我国天然气预计储量占全球天然气预 计储量的l o 左右。其次我国有3 0 万亿m 3 至3 5 万亿m 3 的煤层气资源，分布 在中部和东部地区。中国国家发展计划委员会能源研究所预测，2 l 世纪的头2 0 年中国天然气和液化气的用量将大幅度增长。我国目前力争在2 0 0 5 年以前把国 产天然气的产量提高到3 0 0 亿m 3 以上，2 0 l o 年产量达到6 0 0 亿m 3 。煤层气的 开发利用已列入中国2 l 世纪议程中的优选项目，国家给予政策支持，扩大开放， 吸引国际资金和先进技术投入到煤层气领域，在2 0 1 0 年中国煤层气产量将达到 1 0 0 亿m 3 ，年。 燃气是一种优质、高效、环保型清洁能源。随着我国经济建设不断繁荣和 发展，对燃气的消费需求的日益增长，将促进中小型燃气锅炉的发展。工业和 民用锅炉使用然气，不仅可以解决锅炉燃煤和环境之间的突出矛盾，而且在经 济上也是可行的，有着十分广阔的市场前景。 1 2 课题的理论及实际意义 燃气锅炉的燃烧过程是一个具有强干扰的非线性、时变多变量过程。以这 样的一个过程作为控制对象的锅炉燃烧控制系统是一个耦合严重，具有严重非 线性、时变特性、抗动变化激烈具幅值大的多变量系统。对这样一个复杂系统 的控制，采用传统的控制理论与控制方法已经显得力不从心，本课题的目的之 一就是要使用现代智能控制理论，探索出一个适用于这样一个复杂系统的控制 算法与方案；它不仅适应于锅炉燃烧系统，对于其它类似的复杂系统也有一定 2 第1 章绪论 的适应性，本课题的理论意义即在于此。 目前燃气锅炉的燃料与空气比例多采用经验值，并在燃烧时保持此值相对 不变，但实际影响燃烧效果的各种因素时常随环境波动，如大气气压，空气含 水量，燃料品质，燃气与空气混合程度等，这些因素的变化，都会影响燃烧效 果。固定混合比例，不能适应经常出现的这些变化，也就不能在上述因素发生 变化时，始终保持最充分的燃烧，造成燃料的浪费。对锅炉燃烧系统进行控制 可以最大限度地提高燃烧效率，降低燃料消耗量，节省能源，降低污染，提高 经济效益。同时对锅炉进行网络化管理，可以节省锅炉运行与维护开支，降低 操作人员的劳动强度。 1 3 锅炉燃烧控制的发展及现状 最早的燃烧控制是由人来完成的，即根据操作工人长期积累的经验来判断 锅炉燃烧状况，根据经验采取相应的措施。随后在模拟控制时代，一般的燃烧 控制采用的是单纯的比率控制方式“。进入上世纪九十年代，随着d c s ( 分散 控制系统) 的普及与发展，燃烧控制技术也相应有了飞速的进步，进入了数字 控制时代。它逐步发展成单交叉限幅燃烧控制方式( 空气过剩率下限限幅的燃 烧控制方式) 和双交叉限幅燃烧控制方式( 空气过剩率上下限限幅的燃烧控制 方式) 。 模拟时代的基本燃烧控制方式是在燃料流量设定信号和空气流量设定信号 之间设置一个比率设定器和空气过剩率设定器，然后利用对燃料流量设定信号 所设定的空气过剩率来确定空气流量的目标值以进行空气流量的控制。 这种方法在负荷变化较小或变化速度较缓慢时基本没有什么问题，完全可 以按照设定的过剩率进行控制。但负荷变化较大时，在过渡状态下将由于各阀 门响应速度以及各系统响应的差异而不能按设定的空气过剩率进行控制，实际 的空气过剩率将远远偏离设定值。然而在交叉限幅燃烧控制方式中，燃料流量 设定信号和空气流量设定信号总是用对方的实际流量来验证空气过剩率是否合 适，通过相互制约限制可以防止负荷变化时出现燃料过剩和空气的过度过剩， 利用这种方式可以将空气过剩率的设定值在一定程度上减少，对节能和环境保 护有一定作用。 交叉限幅燃烧控制方式在燃烧负荷变化时具有较好的性能，它可以把空气 过剩率控制在所设定的范围内，但它也存在问题。这就是它的响应速度要受燃 料流量控制系统与空气流量控制系统的制约，取决于二系统中响应较慢的一方 3 北京工业人学工学坝士学位论义 的响应速度，故从整体看，响应速度较为迟缓。因此人们在这种方式附加了一 个加快速度的措施以提高控制响应的速度，实现燃烧控制的快速响应化，这种 方式被称之为快速响应交叉限幅燃烧控制方式。 交叉限幅及其改进的燃烧控制方式都是前馈控制，控制精度有限，而且使 用了过多的设备，控制成本昂贵，随着燃烧控制技术的发展，其作用越来越有 限。近年来人工智能、神经网络、模糊理论等现代控制理论的最新发展，已经 为处理这种与燃料质量变化有关的不可预测的非线性变化提供了技术支持。应 用这些理论进行的控制也出现了一些，如专家系统控制，加权广义预测自校正 控制，以及综合利用各控制方法进行控制的算法。”。这些控制算法对其特定对 象的控制都达到了一定的效果，比较有代表性的是清华大学的链条锅炉的模糊 控制研究1 。在国内，燃烧控制主要还处于自动控制阶段，但在先进发达国家 已经有了一些成熟的智能控制器，如：埃克塞特大学研制出的混合式控制器和 格拉摩根大学研制出的神经网络式控制器( 前者基于嵌于专家系统内的传统的 比例加积分控制系统，后者以神经网络系统为基础) 。 然而所有这些方法和控制器大多是基于大型燃煤锅炉，对于燃气热水锅炉， 成熟的算法还比较少，现有的也不够完善。因而适应于燃气热水锅炉的控制算 法的实现是本课题研究的重点。 1 4 课题主要研究与工作内容 本课题有锅炉燃烧控制及锅炉网络管理两大块，其中燃烧控制是重点。经 过详细考虑与仔细论证，本课题的主要研究与工作内容主要包括以下几个方面， 分别是： 1 、根据锅炉燃烧机理，提出锅炉燃烧控制基本方案。 2 、选用实验所必需的软硬件设备：包括气体分析仪、氧传感器、数据采集 卡( 带d ，a 输出，数字量输出) 、微型计算机、风门控制器，实验用燃 气锅炉、软件编程环境。 3 、使用精密气体分析仪采集各种燃烧状况下排烟氧含量、一氧化碳含量、 温度三参数样本数据。 4 、设计、实现排烟氧含量寻优算法。 5 、根据采集来的样本数据，用排烟氧含量寻优算法计算最佳排烟氧含量区 间。 6 、使用精密气体分析仪对氧传感器进行标定。使得可以直接将氧传感器传 一d 第l 章绪论 过来的电压信号转换为排烟氧含量信号。 7 、使用氧传感器监测排烟氧含量，了解氧传感器性能及排烟氧含量规律。 8 、设计、实现氧传感器数据采集算法。 9 、使用氧传感器数据采集算法对氧传感器传递的信号进行处理，得到有效 的排烟氧含量数据。 l o 、设计、实现反馈控制信号算法。 “、通过反馈信号算法处理氧传感器传递的数据，得到调节燃烧机风门开 度的反馈信号。( 风门开度对氧含量的影响由实验及经验决定) 1 2 、根据反馈控制信号的控制效果，在线调整反馈控制信号算法，使其具 有自学习功能。 1 3 、根据经验建立气风门数学模型，燃烧效果数学模型，使用所设计的算 法，用软件的方法对锅炉燃烧控制进行软件模拟。 1 4 、根据网络原理，设计锅炉网络模型及其实现途径。并对锅炉网络结构 中的上位机部分进行相应编程。 5 一 北京工业大学工学坝l 学位论文 第2 章燃烧控制基础 2 1 燃烧的基本条件 所谓燃烧，是指燃料中的可燃物质与氧发生剧烈的、伴随发光发热的一种 化学反应。整个燃烧过程包括化学反应的放热过程、物质问的相互运动、热量 传递、质量传递、能量相互转化等一系列的物理、化学过程。 为了实现燃烧，必须：( 1 ) 有可燃物质，即燃料。( 2 ) 有燃烧所需要的足 够数量的氧气；工程实际中，氧气一般来自空气。( 3 ) 有足够高的温度。换言 之，燃烧的基本条件为：可燃物质按一定的比例与氧呈分子状态混合；参与反 应的分子必须具有一定的能量贮备，即具有一定的温度，以克服分子间的内力， 即当分子碰撞时能够破坏起始物质的键，而后结合成稳定的新键，最后导致反 应产物的生成：需要有一定的时间，以保证反应进行完毕。 2 2 燃烧反应机理 既然燃烧是一种化学反应，它应当遵循化学反应动力学的基本原理。化学 反应速度是指单位时间内反应物质( 或生成物质) 浓度的变化，即 w ：坐 ( 2 一1 ) d t 式中w 反应速度，m o l ，( m 3 s ) ； c 浓度，m 0 i ，m 3 ； 卜时间，s 。 由于化学反应中各反应物质浓度数量之间的关系是由化学反应式的平衡关 系决定的，因此在研究反应速度的时候，可以只研究某一物质的浓度随时间的 变化。式( 2 一i ) 中的“+ ”号用于某一物质的浓度是随时间而增加的，“一”号是用 于减小的。 研究表明，浓度、温度和压力影响化学反应速度。 质量作用定律说明了反应物浓度对化学反应速度的影响。对于简单反应或 复杂反应中任一基元步骤，如 a a + b b 叶g g + h h 6 第2 章燃烧控制基础 则反应速度可表示为 w = k c ：c ； ( 2 2 ) 式中c ：和c ：各反应物的浓度：k 反应速度常数。不同的反应，k 的 数值不同：对于某一定反应，k 是与浓度无关而与反应温度和催化剂等因素有关 的系数。式( 2 2 ) 中浓度c a 和c b 的指数a 和b 分别称为该反应对物质a 和b 的级数。 大量的实验证实，温度对化学反应速度的影响很大。常温下，温度每提高 1 0 ，反应速度约提高2 4 倍。同时，温度对反应速度的影响也很复杂，既存 在某些反应的速度随温度的增加而增加，同时又存在一些反应的速度随温度的 增加而减小。燃烧过程中化学反应的速度几乎都随温度的升高而迅速增大。 反应速度与压力的关系如式( 2 3 ) 旦：f 旦卜f 旦1 ( 2 渤 w 2lv 1 lp 2 上式表明，化学反应速度w 与压力p 的n 次方成正比。反应速度与压力的 关系在一般的锅炉燃烧过程中常可予以忽略，这是因为燃烧室中的压力接近常 压且变化范围不大的缘故。但对于增压燃烧的锅炉及对在高原地区运行的锅炉， 应考虑压力对燃烧的影响。 尽管目前人们已对某些简单可燃气体的燃烧反应机理有所掌握，但对较为 复杂的可燃气体的燃烧机理的研究则还不够充分，一些学者所提出的机理还带 有假说性质，有待于进一步发展和完善。 2 3 热平衡方程 锅炉系统的热平衡计算，是为了保证送入锅炉机组的热量与有效利用热及 各项热损失的总和相平衡，并在此基础上计算出锅炉机组的热效率和燃料消耗 量。 热平衡计算是在锅炉机组处于稳定的热力工况下进行的。对燃气锅炉，一 般均以标准状态下l m 3 气体燃料为基准计算。 锅炉机组热平衡方程的普遍形式为： q r = q l + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 k j m 3( 2 4 ) 式中 q ，一送入锅炉系统的热量； q 。锅炉系统的有效利用热； 7 北京丁业人学工学坝j j 学位论文 q ：排烟带走的热量； q 3 一气体不完全燃烧( 又称化学不完全燃烧) 损失的热量； q 一固体不完全燃烧( 又称机械不完全燃烧) 损失的热量； q 5 锅炉系统向周围空气散失的热量； q 6 燃料中灰、渣带走的热量。 对气体燃料，上式各热量值均相对于1 m 3 燃气，单位为l ( j ，m 3 。因为气体燃 料含灰量很小，q 6 可以忽略。同时，气体燃料燃烧时，一般没有固体不完全燃 烧现象，即q 。= 0 。因此，对于燃气锅炉，热平衡方程式为： q r = q 【+ q 2 + q 3 + q 5 k j m ( 2 5 ) 如果各项热量用其占输入热量的百分数表示，则热平衡方程可表示为： q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 = 1 0 0 n 式中q i = 导1 0 0 ，其中q i 为每一项热量。 v r q i 有效利用热，； q 2 排烟热损失，： q 3 气体不完全燃烧热损失，； q 4 机械不完全燃烧热损失，： q 5 散热损失，； q 6 一燃料物理热损失，。 对于燃气锅炉，热平衡方程可表示为： q l + q 2 + q 3 + q 5 = 1 0 0 锅炉总热损失为： q = q 2 + q 3 + q s ( 2 6 ) 锅炉的热效率为： n = 1 0 0 一q ( 2 _ 7 ) 2 4 排烟热损失q 2 在燃气锅炉中最主要的热损失是排烟热损失，它决定于排烟温度和排烟量。 对于一定的燃料，排烟量决定于过剩空气系数的大小，而过剩空气系数又是和 燃烧状况直接有关的。 排烟热损失q 2 可由锅炉机组的排烟和冷空气的焓差计算： 8 一 第2 章燃烧控制基础 q 2 - 鱼1 0 0 ：! ! 坠二咝o o ( 2 墙) 卜 q ，q ， 式中 i 。，在排烟过剩空气系数及排烟温度下，相应于i m 3 燃气的排烟的 焓，k j ，m 3 ： c c 排烟的过剩空气系数； i ：在送入锅炉的空气温度下，1 m 3 燃气所需要的理论空气的焓， k j ，m 3 ： i 。，和i ：可由烟气和空气的焓温表查得。从式( 2 8 ) 可知，排烟热损失随 排烟温度的升高和排烟过剩空气系数的增大而增加。在一般锅炉中，这项损失 是所有热损失中最大的一项。 下列经验公式可以比较方便地估算排烟热损失： q 2 = 娜仪+ 0 4 5 ) t 。_ 3 4 志 ( 2 - 9 ) 式中 t 。排烟温度； t i k 送入锅炉的空气温度。 在不同的排烟过剩空气系数a 和不同的排烟温度下，假定冷空气温度3 0 ，按 式( 2 9 ) 计算排烟热损失得到表2 1 结果。 表2 1 过剩空气系数和排烟温度对排烟热损失q 2 的影响 排烟处过剩空气系数值排烟温度( )排烟损失q 2 ( ) 1 1 51 5 05 5 4 1 1 51 8 06 8 8 1 31 5 06 1 7 1 31 8 07 6 7 从上述结果可以看出：当排烟温度在1 5 0 时，过剩空气系数每增加0 1 5 ，排烟 热损失将增加0 6 左右；排烟温度越高，增加得也越多；当排烟过剩空气系数 一9 一 北京工业大学工学坝上学位论义 为1 3 时，排为温度每增加l o ，排烟损失将增加o 3 左右。对于燃气锅炉 降低过剩空气系数可以降低排烟温度，能够较多地减少排烟热损失。 2 5 不完全燃烧热损失q 3 气体不完全燃烧热损失q 3 系指排烟中未完全燃烧或燃尽的可燃气体( 如 c o ，h 2 ，c h 4 等) 所带走的热量占送入锅炉输入热的份额。对运行锅炉，借排 烟处烟气成分的分析，可按下述公式进行计算： q ，：兰s e 塑墅一型塑坠些鲤塑! ( 2 一l o ) q ，r 0 2 + c o + c h 4 式中 c o ，h 2 ，c h 4 i 一千烟气中一氧化碳，氢气，甲烷的容积百分比： c 。广一干烟气中三原子气体容积百分比。 上式计算比较复杂，因此对运行中的燃气锅炉，也可以用下列经验公式计算气 体不完全燃烧热损失“3 ： q 3 = o ，1 l ( p y o 0 6 x 3 0 2 c o + 2 5 8 h 2 + 8 5 。5 c h 4 ) ( 2 - 1 1 ) 在实际运行中，中小型燃气锅炉在燃烧良好的情况下，不少锅炉运行中此项损 失往往可接近于零。但是，在燃烧不良的情况下，此项热损失也可能很高，甚 至达到l o 。而且和燃煤、燃油锅炉不同，燃气锅炉即使q 3 值很大往往不冒黑 烟，所以直观上较难判断燃烧是否恶化。正因为如此，在运行中这项热损失常 常得不到重视。气体不完全燃烧热损失的大小主要取决于燃烧成分、炉膛过剩 空气系数、所用燃烧器、燃烧器与炉膛匹配是否适当以及运行操作是否合理。 一台运行锅炉，此项热损失究竟有多大，要靠烟气分析的结果确定。 2 6 散热损失q 5 ： 散热损失q 5 是指锅炉围护结构和锅炉机组范围内的气、水管道以及烟风道 等，外部大气对流冷却和向外热辐射所散失的热量。它与周围大气的温度( 露 天布置时的室外温度、室内布置时的室内温度) 、风速、围护结构的保温情况以 及散热表面积的大小、形状等有关，同时还与锅炉的额定容量和运行负荷的大 小有关，一般根据经验数据和近似计算的办法确定。 2 7 不完全燃烧方程和运行过量空气系数的确定 气体燃料不完全燃烧时，烟气中除含有c 0 2 ，s 0 2 ，n 2 和h 2 0 外，也还有 1 0 第2 章燃烧持 制基础 不完全燃烧产物c 0 ，c h 4 和h 2 等。由于c h 4 ，h 2 的含量比c o 少得多，因此， 在工程实际中将c o 的含量视为该烟气中的不完全燃烧产物量。气体燃料燃烧 后产生的烟气中的c o 含量很少，一般都在l 2 以下，需采用微量气体分 析仪才能准确地测量出。因此，常根据燃气成分及烟气中三原子气体和过剩氧 的含量计算出烟气中的c o 含量。 假定燃气的容积成分是： h 2 十c 0 + c m h m + h 2 s + 0 2 + c 0 2 + n 2 = 1 0 0 ( 2 一1 2 ) 若实际的干烟气容积成分是 c o ：+ s o ：+ c 0 7 + n ：+ o ：= 1 0 0 ( 2 一1 3 ) 氮的来源有三：其一来自燃烧所需的理论空气；其二来自原始的燃气；其 三来自过量空气。因此，燃烧l m 3 于燃气所得的氮的容积为 v n 2 = 们，v 。+ 盎+ 型等型署m 3 m 3 沼 式中 v 2 ，燃烧j m 3 干燃气所得干烟气体积，m 3 m 3 。 由于燃烧l m 3 千燃气时，所得的三原子气和一氧化碳的总体积是 v r o ：+ v c o = o o l ( c o + m c 。h 。+ c 0 2 + h 2 s ) m 3 ，m 3( 2 - 1 5 ) 而r o ：+ c o ，：兰甓选1 0 0 所以 v g y v 扩轰等舢 柑协 由式( 2 1 3 ) ，得 r o ：+ c 0 7 + 卫1 0 0 + 0 ：= 1 0 0 ( 2 1 7 ) v 副 。 当气体燃料的组成已知时，便可计算出标准状态下气体燃料燃烧所需要的理论 空气量v o v 。= 志卜吣o s c 。+ ( m + 三) c “s 邸也 弦 由式( 2 1 8 ) 、式( 2 1 4 ) 、式( 2 1 7 ) ，得 ( r 0 ，+ c o ，) + o ：+ 器- 0 0 昏扣s ( h 2 十c 0 ) 十 ( m + 扣cm h n “5 h 2 s _ 0 2 】+ 盎 + 署( 卟o t 5 c 0 ，) - 1 0 0 将式( 2 一1 5 ) 公共代入上式，得 o 2 l ( r o ：+ c 0 7 ) + o ：一o 3 9 5 c o + ( r o ：+ c 0 7 ) o 3 9 5 ( h 2 + c o ) + o 7 9 ( m + 詈) c 。h 。+ 1 1 8 h 2 s o 7 9 0 2 十o 2 l n 2 弋西了面磊再瓦再面r 一观1 c o + m c 。h 。+ c 0 2 十h 2 s “ 令 陋竺竺竺二箕兰罢：篓! ! 兰竺：竺竺! ” c o + m c 。h 。+ c 0 2 + h 2 s u 式中肛_ 燃料特性数，它只与燃料的组成有关，对一定组成的燃料，p 为定值。 如对天然气p = o 7 5 o 8 0 。代入p ，上式可写成： o 2 1 ( r o ：+ c o ) + o ：一o 3 9 5 c o + ( r o ：+ c o 。) p + o 7 9 ( r o ：+ c 0 7 ) = 2 1 即： ( r o ：+ c o ，) 十o ：一o 3 9 5 c 0 7 + ( r o ：+ c 0 7 ) p = 2 l r o ：+ o 6 0 5 c 0 7 + o ：+ ( r o ：+ c o ，) d = 2 1 由此可得出确定c 0 7 的公式： c o ，：! ! 二q ；二垦q 摹! 坦 ( 2 1 9 ) 式中r o ：和o ：由烟气分析测定。当完全燃烧时，c o = o ，则 2 l o ：一r o ：( 1 + b ) = o ( 2 2 0 ) 式( 2 2 0 ) 即为燃气完全燃烧的基本方程式，用此方程式可判别燃烧过程的好 坏。2 l o ：一r o ：( 1 + p ) = o 表明燃烧完全；2 l o ：一r o ：( 1 + p ) o 表明燃烧不 完全。式( 2 2 0 ) 还可以写成 r 睁等 沼2 1 ) 1 + 6 由式( 2 2 1 ) 可知，烟气中r o ：含量与过剩氧o ：有关，即与过剩空气系数0 【有 关。只有当完全燃烧( c 0 7 = o ) 和过剩空气系数0 c = l 时( o ：= o ) ，才达到最大 值，从式( 2 2 1 ) 可得 r 0 ：“2 靠 他之2 1 2 第2 章燃烧控制基础 从式( 2 2 2 ) 不难看出，r o ：一只与燃料的特性系数p 有关。当燃料一定时，p 仅= 告 v 。：= 焉v g ，。因此v = 差署则v = 鲁、，：燃烧所用的实际空气量v t 可 v 呦= 恶v g ， v k = 澡= 鲁v g ， 妒毒2 盔2 高 沼2 3 ) 妒卫2 酉2 再 屹。2 一驻2 幺 7 9 埘 1 3 北京_ t 业大学工学坝l 学位论文 n i 。= n ；一n i 。 式中 n ：干烟气中氮的总容积成分，； n 乞干烟气中由燃气带入的氮的容积成分，。 心2 谶圳。一糕 式中n 2 干燃气中氮的容积成分，。则 州一睁耀 将上式代入式( 2 2 3 ) ，得完全燃烧时过量空气系数的计算式 磊歪 2 l 一7 9 j 毛i r v r o ：l o o 将式( 2 1 5 ) 代入上式，得 ( 2 2 4 ) 当燃气中氮含量很少时，可认为n ，| = o ，则n ：。= n ：；而完全燃烧时干烟 气中r o ：+ o ：+ n ：= 1 0 0 ，所以 n ：。= i o o 一( r o ：+ o ：) 将上式代入( 2 2 3 ) 得 a = 二生刁一 ( 2 2 5 ) 2 卜7 9 面杀南面 式中的r o ：和o ：均由烟气分析而得。 此外，还可以用更简单的近似公式来确定过剩空气系数。 当干烟气中氮的容积成分接近7 9 时，可近似假定n ：z 7 9 ，则式( 2 - 2 3 ) 1 4 第2 章燃烧控制摧础 成为 o 【= 三! ( 2 2 6 ) 2 l o ： 将式( 2 _ 2 6 ) 的分子、分母各乘以r b ，可得 2 1 = 揣= 等 c z z ， 1 + b 当燃气一定时，r o 尹为定值。因此，只要从烟气分析中得到r o ：，就可 以根据式( 2 2 7 ) 简便地估算出过量空气系数q 。由式( 2 2 6 ) ，可根据烟气中 的o ；估算出过量空气系数a 。 不完全燃烧时，烟气的含氧量就包括过剩空气的氧和由于不完全燃烧而未 耗用的氧两部分，因此过剩空气量为： v = 等( v o ：一0 5 v 。一。5 v h ：一2 v c h ) ( 2 2 8 ) 式中 v o ：，v c o ，v 。，v c m l m 3 干燃气燃烧后产生的氧、一氧化碳、 氢和甲烷的量( m 3 ，m 3 干燃气) ； 0 5 v c o 一由于一氧化碳未燃尽而少耗的氧量( m 3 m 3 干燃气) ； o 5 v 。，由于氢未燃尽而少耗的氧量( m 3 ，m 3 干燃气) ； 2 v c h 由于甲烷未燃尽而少耗的氧量( m 3 ，m 3 干燃气) 。 或 v = 鲁( 。：- o t 5 c o ，- o 5 h ：一2 c 蚴 ( 2 - 2 9 ) 则不完全燃烧时过剩空气系数的计算公式为“3 2 1 1 5 北京工业大学工学坝卜学位论文 2 l ( 2 3 0 ) 利用式( 2 3 0 ) ，只要测得燃气和烟气成分，便可计算出不完全燃烧时的过 剩空气系数。应该说明，上式并未考虑烟气中的含硫组分。当不完全燃烧产物 主要是一氧化碳时，由h ：；o ，c h ：= o ，式( 2 3 0 ) 就可简化。这时按式( 2 - 1 9 ) 可以算出c o ，代入式( 2 3 0 ) 后即可算出仅。 2 8 本章小结 本章详细介绍了燃烧机理。所谓燃烧，是指燃料中的可燃物质与氧发生剧 烈的、伴随发光发热的一种化学反应，其反应速度主要受浓度、温度和压力三 个因素的影响。本章还讨论了锅炉的燃烧损失、不完全燃烧方程以及过量空气 系数，对于燃气锅炉来说，主要的燃烧热损失是不完全燃烧热损失，排烟热损 失和散热损失。不完全燃烧热损失系指排烟中未完全燃烧或燃尽的可燃气体( 如 c o ，h 2 ，c h 4 等) 所带走的热量占送入锅炉输入热的份额，它决定予过量空气 系数与不完全燃烧产物在排烟中的含量。排烟热损失是指锅炉所排气体带走的 热量占送入锅炉输入热的份额，它决定于过量空气系数与排烟温度。对锅炉进 行燃烧控制的主要内容就是控制不完全燃烧损失与排烟损失，使两者之和最小。 过量空气系数。是影响这两项损失的关键，旺偏小时，不完全燃烧热损失便增 大，c 【偏大时，排烟热损失又增多，因此，存在一最佳的值，使得锅炉的不 完全燃烧热损失与排烟热损失之和最小。由式( 2 3 0 ) 可以看出，a 由烟道氧含 量，一氧化碳含量和燃气特性确定，烟道氧含量可用烟气测试仪测出，烟道一 氧化碳含量可由不完全燃烧方程算出或由烟气测试仪测出，燃气特性由燃气的 组成确定。 1 6 第3 帝控制方案砹汁 第3 章控制方案设计 3 1 燃烧控制概要 本课题的主要目的是通过对燃气锅炉燃烧系统的控制，提高燃气锅炉运行 时的效率，从而节省能源，降低污染。从第二章的分析中可以看出过量空气系 数与不完全燃烧热损失、排烟热损失及锅炉热效率的关系大致如图3 1 所示。 必 1 d 2i 1 d 审过制系戡 图3 i过量空气系数与不完全燃烧 热损失、排烟热损失及燃烧效率的关系”7 由图3 一l 可以看出，存在一个最佳过量空气系数，使得不完全燃烧热损失 与排烟热损失之和最小，即燃烧效率最高，因此锅炉燃烧系统控制所要做的事 是：l 、找到最佳过量空气系数( 实际控制时，还需要找到一个最佳过量空气系 数区间) ：2 、通过反馈控制使过量空气系数保持在最佳值附近( 即保持在最佳 过量空气系数区间范围内) 。 由于影响锅炉燃烧的因素变化复杂，数学模型模糊，而且各种要求之间又 常常存在矛盾。使得最佳过量空气系数是动态变化的，因此过量空气系数寻优 算法，必须具有自适应功能，能够在线自动寻找到最佳过量空气系数( 和最佳 过量空气系数区间) ，这是经典的控制方法很难达到的。 1 7 一 戳幂龋 北京 二业大学工学硕士学位论文 在反馈控制使过量空气系数保持最佳方面，锅炉的复杂特性使得其采用常 规基于数学模型的固定参数p i 控制器难以获得良好的控制效果。其它经典的控 制方法，也都显得无能为力。这主要是因为在对象动态特性不断变化的情况下， 控制器的参数非常难以整定。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。因而，将智能控制引入锅炉燃烧控制系统已是势在必行。 3 2 智能控制及其应用 智能控制”1 是常规控制的一个延伸和发展。在过去的几十年中，常规控制 特别是基于状态空间方法的现代控制理论，在理论上取得了辉煌的进展，并且 已经在航天控制等领域得到了成功的应用。但是，由于严重依赖于控制对象模 型的精确性，使得现代控制理论在处理难以建立精确数学模型的一些复杂工业 过程和系统时，显示出了严重的不适应性和局限性。为了解决这类实际控制问 题，一方面需要不断地完善现代控制理论，推动鲁棒控制、变结构控制和自适 应控制等理论和方法的研究，另一方面需要开辟新的控制思路和控制途径，促 使智能控制作为控制领域的一个新的分支不断发展。现今，随着智能控制在众 多工程领域里的成功应用，它已经成为控制理论和技术领域中最富于魅力和最 具应用性的分支之一，受到了控制工程师们广泛的关注。 对于智能控制，至今还没有一个统一的和公认的定义来概括已经出现的各 种技术方法。一般认为，智能控制是指那些具有某些智能性拟人功能的非常规 控制。这些拟人功能包括知识与经验的表示功能、学习功能、推理功能、适应 功能、组织功能、容错功能等。智能控制的控制对象通常是具有多方面复杂特 性的系统和过程，这类系统或过程的主要特征表现为高度的不确定性( 难以或 无法建立精确的对象数学模型和扰动数学模型) 、高度的非线性( 缺少或没有有 效和简易的处理方法) 以及高度复杂的任务要求( 例如智能机器人系统的自行 规划和决策的能力、自动躲避障碍的能力等) ，而采用常规的控制方法和手段是 难以取得满意的控制性能，或者根本无法实现有效的控制。 智能控制在其生产和发展的进程中，主要受到来自人工智能、模糊逻辑和 人工神经网络这几个不同领域的技术和方法的支持及推动，并且相应地形成了 分别基于这些技术和方法的三种基本的智能控制方向。除此之外，通过智能控 制方法与常规控制方法的结合，以及智能控制的各种方法的相互结合，已经和 正在进一步形成和导出各种类型广泛、性能改善的智能控制技术。 1 8 。 第3 章控制方案设汁 3 3 模糊控制 模糊控制”3 是基于行为上模拟人的模糊推理和决策过程的一种控制策略，其 基本原理由加州大学伯克利分校的l a z a d e h 教授在1 9 7 2 年建立，而模糊控制 的基础是z a d e h 在1 9 6 5