（电气工程专业论文）燃气锅炉区域供热智能负荷调节系统的研究.pdf

摘要 论文题目 学科专业 研究生 指导教师 燃气锅炉区域供热智能负荷调节系统的研究 电气工程 邢磊签名： 钟彦儒教授签名： 范北岩高级工程师签名： 摘要 燃气锅炉区域供热智能负荷调节系统是基于智能控制理论，采用供暖或制冷技术中公 认的、成熟的调节技术和基础经验公式，通过计算机技术和自动控制技术的有机结合，实 现在保证供暖和制冷质量的前提下，根据室外环境温度的变化，自动调整供热或制冷设施 的运行状况，避免人工操作时产生的误差。在完成满足终端用户需求目标的前提下，使供 热或制冷设施始终处于经济运行状态，进而节约能源消耗、减少能源浪费，减少大气污染 物的排放。 论文是基于北京市自1 9 9 7 年大面积使用天然气取代燃煤，改善首都大气环境质量的 “煤改气一工程，燃气锅炉供暖成本增加，考虑到小型锅炉供热系统运行人员技术水平低、 专业知识缺乏，导致整个系统不能在最佳经济状态下运行的情况，力图研究、开发一种技 术先进、性能可靠、成本合理的控制系统，减少人为造成的供暖品质低、能耗高的运行状 况。在总结部分研究机构或企业已经开发并在一些供热系统中应用的自动控制装置或系统 的基础上，通过对智能控制理论的学习、分析，结合燃气锅炉供热的特点，研究、制定出 一套实用的、技术可升级的、领域可扩展的智能负荷调节系统。 论文系统论述了以燃气为主要燃料的供热锅炉房主、辅机系统和输配系统采用智能负 荷调节系统供热或制冷调节的目的及可行性，重点阐述了供热智能负荷调节系统的原理、 方法和实际应用的重要意义。 关键词：燃气锅炉；智能调节；自动控制；热负荷；供热调节 西安理工大学工程硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n th e a tl o a dr e g u l a t i o ns y s t e mo fd i s t r i c t h e a ts u p p l yb yg a sb o i l e r m a j o r ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：l e ix i n g s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r p r o f y a n r uz h o n gs i g n a t u r e s e n i o re n g i n e e r b e i y a nf a n s i g n a t u r e a b s t r a c t i n t e l l i g e n th e a tl o a dr e g u l a t i o ns y s t e mo fd i s t r i c th e a ts u p p l yi s a ni n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hc a nr e g u l a t et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h eh e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o nf a c i l i t i e s a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo f t h et e m p e r a t u r eo u t d o o r sw i t hn oe f f e c to nt h eh e a t i n g a n dr e f r i g e r a t i o nq u a l i t y t h es y s t e ma d o p tm a t u r er e g u l a t i o nt h e o r ya n df o u n d a t i o n a le m p i r i c a l f o r m u l a st h a t g e n e r a l l ya c c e p t e d i nh e a t i n ga n d r e f r i g e r a t i o n f i e l da n dr e a l i z e dw e l l c o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y o nt h ep r e m i s eo f m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h ee n du s c r s ，t h es y s t e ma l s oc a na v o i dt h eo p e r a t i o n a le 疆t o r , m a k e st h eh e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o nf a c i l i t i e sa l w a y sk e e pi nt h ee c o n o m i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n ， t h e nr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n , d e c r e a s et h ee n e r g yw a s t ea n dl e s s e nt h ee x h a u s to ft h ea i r p o l l u t i o n b e i j i n gw a sp r o m o t i n gt h e c o a lt og a se n g i n e e r i n g s i n c e1 9 9 7 t h ef u e lo fl a r g e n u m b e r so f h e a t i n gb o i l e r sw a sb e i n gc h a n g e df o r mc o a lt og a st oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e a t m o s p h e r ei nb e i j i n g t h i sc h a n g ec a u s e dt h ei n c r e a s eo ft h eh e a ts u p p l yc o s t w i mp o o r t e c h n i c a ls k i l la n dl a c ko fp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g eo ft h eo p e r a t o r so ft h es m a l lb o i l e r sl e a d st o t h ew h o l eh e a ts u p p l y s y s t e mo p e r a t i n g u n d e ru n e c o n o m i c a lc o n d i t i o n s u n d e rt h i s e n v i r o n m e n t ，w et r yt od e v e l o pa na d v a n c e d , r e l i a b l ea n de c o n o m i c a lc o n t r o ls y s t e mt o i m p r o v et h ec u r r e n tl o wq u a l i t ya n dh i g he n e r g yc o n s u m p t i o nc o n d i t i o n sc a u s e db yf a c t i t i o u s f a c t o r s b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t so fs o m er e s e a r c hi n s t i t u t e sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so n t h ea u t o m a t i cc o n t r o lf a c i l i t i e s ( s y s t e m s ) i nh e a ts u p p l ys y s t e ma n dt h ec o m b i n a t i o no ft h e t h e o r yo fi n t e l l i g e n tc o n t r o la n dt h ec h a r a c t e r so ft h eg a sb o i l e r , w ed e v e l o p e dap r a c t i c a l i n t e l l i g e n tl o a dr e g u l a t i o ns y s t e m ，a l s oe a s yt ou p d a t ea n de x t e n d n 圮t h e s i ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e dt h ep u r p o s ea n do p e r a b i l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no f i n t e l l i g e n tl o a dr e g u l a t i o ns y s t e mo nt h em a i ns y s t e m ，a u x i l i a r ys y s t e ma n dt r a n s m i s s i o n & d i s t r i b u t i o ns y s t e mi nt h eh e a t i n gb o i l e rr o o mw h o s em a i nf u e li sn a t u r a lg a s ，n 舱t h e s i sa l s o p u te m p h a s e so nt h et h e o r y ，m e t h o da n ds i g n i f i c a n c eo f t h ei n t e l l i g e n tl o a dr e g u l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：g a sb o i l e r ；i n t e l l i g e n tr e g u l a t i o n ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；h o tl o a d ；r e g u l a t i o no f h e a t s u p p l y i i 前言 1 上- 目看 当前，能源的科学、高效应用，是决定我国经济社会能否保持高速、健康、可持续发 展的重大问题。节能已经成为全社会关注的热点。锅炉是在国民经济生产和生活中，被广 泛应用的高耗能设备。自1 9 9 7 年开始，为改善首都大气环境，北京市政府大力推进城市 清洁燃料的使用。经过1 0 年的组织实施，城区内“无燃煤区”的规划基本实现，包括燃 煤供热锅炉房在内的大部分燃煤设施，已经完成了燃用清洁燃料的改造( 即“煤改气或 “煤改油 ) 。9 5 以上的燃煤锅炉房和新建的供热锅炉房均已使用天然气或燃油作为燃 料。 锅炉“煤改气 工程的实施，在有效改善环境的同时，也使能源供应矛盾显得更加突 出。2 0 0 5 年冬，北京市曾经出现了天然气供应紧张局面，严重影响到首都社会和经济正 常秩序。同时由于燃气、燃油价格远高于燃煤，大幅增加了锅炉运行单位的经济负担。经 济矛盾也比较突出。 燃气锅炉区域供热智能负荷调节系统的技术研究，在这样的背景下开展，尤显现实意 义重大。目前，国内外相关研究多是从单台锅炉设备控制方式上着手，相关产品技术比较 成熟，同类新产品节能研发潜力有限。本课题着重从锅炉供热系统总体控制的角度进行研 究，力求在成熟的供热理论和锅炉设备控制技术的基础上，研发更加有效、简便、实用的 系统节能降耗控制技术和产品，并在实际应用中检验效果，也希望能为今后相关技术的深 入研究打下良好基础。 独创性声、明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果i 尽我所知j 除特别加以标注和致谢的地 方外；论文中不包含其他人的研究成果口，与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本 已经在 论文作者签名； 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，j 并 请博士硕士学位矗本人作为学位论文著作权拥有者i - 同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权；。、即，1 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文：学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文；，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索扛2 r 为教学和 ， 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 、， 等场所或在校园网上供校内师生阅读浏览o 本人学位论文全部或部分内容的公布j f ( 包括刊登) ，授权西安理工大学研究生部办 理： ( 保密的学位论文在解密后；。适用本授权说明) 敝作箍钲童冷导师魏：物陴嗍坤日 绪论 1 绪论 1 1 介绍 供暖智能负荷调节系统是一个在各个环节中不同程度地、按照需要合理地运用了智能 控制技术中的学习控制n 1 、专家控制髓1 等技术，充分发挥计算机技术和自动控制技术各自 的优势，将两者有机结合于一体的系统集成产品。表现形式为控制柜。硬件部分由计算机、 i o 模块、控制器、执行元件、传感器、电源模块以及其它辅助设备材料组成；软件部分 包括计算机组态软件、应用程序。 供热智能负荷调节系统通过自学习控制技术对决定供热负荷的环境影响进行分析决 策，辅以专家控制系统方式来掌握冷、热负荷的变化规律。以此为基础，对室外温度的变 化进行预测，确定出下一时段热负荷的需求，然后做出相应的调整，使供热设施的供热负 荷与终端用户的采暖需求精确匹配，减少能源的浪费和污染物排放。 该系统主要用于以燃气为主要燃料的供热站或制冷站的负荷自动调节。通过对本技 术进行综合分析，结合实验产品的运行测试，对于北京不同的燃气供热系统而言，相对其 它相关产品的应用效果，在一个采暖季采用本系统可使运行效率提高5 1 5 。 1 2 研发背景 1 2 1 燃料结构的改变 为治理和改善北京的大气环境，减少燃煤设施带来污染物的排放，经国务院批准，北 京市启动了陕甘宁天然气进京工程。1 9 9 7 年，北京市政府相关部门完成了在城区内建设 搿无燃煤区 的初步规划。经过1 0 年的组织实施，这一设想基本得以现实。目前，城八 区内包括燃煤供热锅炉房在内的大部分燃煤设施进行了燃用清洁燃料的改造( 即煤改气、 煤改油) 。9 5 以上的燃煤锅炉房和新建的供热锅炉房均已使用天然气作为燃料。 1 2 2 供热运行成本分析 燃料结构的调整大大改善了城市的环境状况，但也带来一系列新的问题。最突出的 矛盾就是供热锅炉房的运行成本大幅度提高。锅炉房的运行成本主要由燃料费用、动力费 用、人工费用和其它费用组成，其中燃料费用占总运行成本的7 0 8 0 u 们。 当锅炉以煤作为主要燃料时，因燃料煤的价格较低廉，其运行成本的矛盾并不突出。 而当锅炉改用天然气为燃料时，其燃料费用成本大幅度地增长。经测算，折算到标准煤后 锅炉燃用天然气的运行费用是燃煤时的3 7 5 倍，燃料油的运行费用更达到燃煤时的6 3 2 倍嘲。 西安理工大学工程硕士学位论文 由于燃料结构调整( 煤改气、油) 使得能耗企业的燃料成本大幅度增加，特别是冬季 供热锅炉运行成本升高的矛盾越来越突出。 1 2 3 节能需求 为了保护首都大气环境，北京地区对于高耗能行业实施强制使用清洁能源的措施越来 越严格。据统计，北京地区现有2 万余台锅炉，其中燃油燃气锅炉约9 0 0 0 台。越来越多 的在用燃煤锅炉被要求进行清洁燃料改造，新建的锅炉房从立项开始就要求使用清洁燃 料。由此带来的高运行成本，也成为困扰包括锅炉运行单位在内的高耗能企业维持正常运 行的重大问题。 从全国范围看，随着国家环保政策的调整，目前除北京外其它一些地区和城市( 如京 津塘地区、华北、华东、上海等) ，也开始使用天然气作为供热燃料。由于能源种类的改 变，使能耗企业面临的燃料成本越来越高昂的矛盾，在全国许多地区都显得尤为突出。 国务院制定的“十一五 规划中，将“节约能源和减少污染物排放一列为一项重点工 作，要求通过采用各种技术手段和措施，使企业在“十一五 期间每年能耗较“十五 期 间降低2 0 。对于能耗企业来说，这样的政策要求可以带来更好的经济效益。 可见，针对燃用天然气或燃料油的供热或制冷系统，开发具有显著节能效果的相关产 品，使能源消耗企业降低运行成本的现实意义更加重大。这些产品必将获得广阔的市场发 展前景。 1 2 4 相关技术及产品发展分析 历史上中国的供暖行业一直以燃煤为主，而小型工业锅炉一般多采用层状燃烧方式， 这就增大了利用及研发节能自动控制系统的复杂性和难度。考虑与实际燃煤锅炉经济运行 产出相比，相关技术和产品研发的投入大，因此这方面的研究受到影响，技术研究长期滞 后，相应产品的开发很少。与发电等其它耗能产业相比，锅炉供暖控制技术水平差距极大 嫡1 。因此，虽然燃气锅炉控制相对简单，但目前供暖行业中还没有真正从整个供热系统经 济运行的角度进行负荷自动调节的成熟系统和产品。这是一个具有很大开发潜力的节能产 品研发领域。 随着经济水平的逐渐提高，越来越多的高档建筑物采用集中空调系统，其冷、热源所 使用的燃料大部分是燃料油和天然气，能源消耗对于使用单位来说也是相当可观的。冷、 热源系统的经济运行原理与供热锅炉房热力系统相似，对供热系统的节能控制进行研究， 总结成熟经验，同样有助于开发一些智能负荷调节系统用于制冷系统的能源节约，以减少 浪费现象，实现经济运行。 绪论 1 3 论文的组织结构 本论文主要论述了燃气锅炉区域供热智能负荷调节系统采用供暖( 制冷) 技术中公认 的、成熟的调节理论和基础经验公式，通过计算机技术和自动控制技术，实现专家控制和 学习控制技术的应用，在保证供暖终端用户需求的前提下，根据环境情况( 室外温度) 的 变化，自动完成调整供热或制冷设施的运行状况的原理和方式。 第一章绪论部分，首先介绍了供热智能负荷调节系统的开发背景，结合燃料结构的改 变和天然气物理特性、供热运行成本分析和节能需求，论述了供热智能负荷调节系统研制 开发的意义和广阔的市场前景。 第二章对燃气锅炉区域供热智能负荷调节系统研究的技术基础进行了论述。首先通过 分析目前国内市场燃气锅炉现状，提出应从整个供热系统经济运行的角度研究，开发负荷 自动调节的产品的观点。在对调节系统研发难点闯题进行分析的基础上，提出采用智能控 制理论开展项目研究的必要性和正确性。同时对于智能控制相关理论进行了阐述，为供热 智能负荷调节系统的设计奠定理论基础。 第三章着重对燃气锅炉供热智能负荷调节系统技术方案进行论述。阐述了供热智能负 荷调节系统的工作原理，研究锅炉控制系统所采用的控制理论，通过对智能负荷调节系统 总体设计构架和技术方案的分析和研究，论证系统设计方案的科学性和可行性。 第四章介绍了开发样机的使用情况。详细阐明了样机的技术特征和总体性能指标，通 过对样机的实际使用情况的考评，实际论证了智能负荷调节系统的节能效果( 至少可达 1 5 ) 。 论文在最后章节中进行了总结，重点将供热智能负荷调节系统与国内外先进技术进行 比较，探讨了燃气锅炉供热系统的实时调节和群控方面产品开发研制技术思路的正确性， 以及目前仍然存在的一些具体问题，进一步阐明了智能负荷调节系统的市场推广应用条件 和广阔的前景。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 2 燃气锅炉区域供热智能负荷调节系统技术基础 2 1 降低能耗的途径 技术的一般研究、开发过程，应遵循在同一领域内技术从初级到高级，产品从简单到 复杂的原则。所以，要实现整个锅炉供热行业降低系统能耗的目的，需要首先从供热总体 系统的经济运行角度出发，研究、寻求使实际供热负荷与用户热负荷精确匹配，以达到降 低能源消耗目的的有效途径和手段。以此为基础，进一步研究、开发相对形式简便、运行 有效的控制系统产品。在取得燃气供热系统控制技术成功经验的前提下，再逐步深入开展 研究工作，并向诸如燃煤供热或制冷等相关领域扩大研发，提高技术水平。按照这样的思 路，我们首先应对降低供暖系统能耗的途径进行分析。 2 - 1 1 从供热系统整体控制方面挖掘潜力降低锅炉运行能耗 目前国际和国内市场上使用的燃气锅炉，大多采用传统的三回程结构，配置机电一体 化高效燃烧器。这种燃烧器经过近百年的研究、应用和完善，其控制技术已经非常成熟， 燃烧效率极高( 燃烧效率最高可达到9 9 5 ) 。由于这些锅炉本体和燃烧设备的技术成熟， 性能和质量可靠，所以要从锅炉本体技术和燃烧技术方面降低能耗的开发潜力已十分有限 嘲。因此，要降低燃气锅炉房的运行能耗，减少运行成本，最可行的办法是在供热系统整 体控制方面挖掘潜力。 但是由于受到历史条件、经济状况和认识水平的限制，北京地区供热锅炉房控制系统 总体配备水平偏低。大多数锅炉房只是配备简单的热工检测和联锁保护装置。少数锅炉房 装备了相应的控制系统，但主要还是从控制和调节单台锅炉本体的运行状况方面出发，仅 能单调地实现锅炉出水温度的质调节，而不能综合、高效地实现整个供热系统的综合调节。 2 1 2 减少人工运行偏差是降低锅炉运行能耗的关键 北京地区的燃气供热锅炉房大多仍采用人工运行方式。为了满足用户需要，锅炉运行 参数的设定往往偏大，人为因素直接影响到供热系统的运行效果。由于人的操作存在偏差， 不可能始终达到根据实际需要实现较精确运行的效果，这样造成不同程度的能源浪费。可 见，在运行过程中人为因素对锅炉房运行成本的高低，以及供热系统的经济运行有着决定 性的影响。减少人工运行造成的浪费，也是降低供热系统能耗的关键。 2 1 3 研究开发相关自动控制技术和产品是实现降耗目的的有效手段 减少人为操作偏差造成的能源浪费，提高供热系统运行精度的最有效方式之一，是采 4 燃气锅炉区域供热智能负荷系统技术基础 用自动控制和调节的手段。研发相关自动控制技术和产品，是实现供热系统整体调节的最 简便、有效、可行的方式。 供热系统通常由燃料系统、动力供应系统、热源设备系统( 锅炉主机、辅机) 、热力 输配系统和终端用户系统构成。锅炉房内设备主要由锅炉主机和与之相配的辅机构成。作 为整个供热系统的热源，它将燃料、动力供应系统输入的天然气、动力电、热载体水及相 关辅料，转换为以水或蒸汽为载体的热能提供给采暖输配系统，然后通过输配系统将热送 到各个用户组成的终端系统。供热锅炉房总容量，即热源的供热负荷的设定由锅炉的台数 和单台锅炉的出力决定。供热负荷设定通常要大于建筑物的用热负荷需求，这样才能满足 建筑物的用热需要。 由于集中供热锅炉房的供暖系统所带终端用户较多，一般供热半径较大，输配系统相 对复杂，加之目前普遍采用的热水采暖系统，为了节省动力能源，减小输配系统阻力，循 环水泵的功率选择不能过大。因此输送管道内水的流速较低( i m s 3 m s ) 。这样的特点， 使得热源系统输出负荷调整后，终端用户的变化会滞后一个时间段。集中采暖系统所具有 的这个特点被称为热惰性肺1 。 基于上述供热系统的特征，尽管系统的表现形式千差万别，但供热锅炉房供热负荷的 调节方式总体可归结为几种方式：量调节( 即热载体水或蒸汽的输出量调节) 、质调节( 热 载体温度调节) 、阶式质一量综合调节、间歇调节等n 引。 质调节、量调节、间歇调节、分阶段质一量综合调节的函数公式如下： a 质调节 随着室外温度的变化改变热网的供回水温度，管网中流量不变。温度调节曲线方程 如下： 、上，、 t g = t n + 弘1 + t h - 2 t ) ( 瓮卜扣如) ( 鲁) 汜，) 仁吃1 鸭 2 乙，( 簧产扣“，( 篱) 亿2 ， 其中：t g 为本时段锅炉供水温度；t g 为下时段锅炉供水温度；t h 为本时段锅炉回水温度； t h 为下时段锅炉回水温度；t n 为本时段用户室内温度；t n 为下时段用户室内温度；t w 为本时段室外温度；t w 为下时段室外温度；b 为散热器系数 b 量调节 在热源处随着室外温度的变化而改变热网的循环流量，管网中供回水温度不变，没 有温度调节曲线方程。 c 间歇调节 当室外温度发生变化时，不改变管网中的流量和供水温度，而改变每天的供暖时数， 调节热负荷与供回水温度无关，没有温度调节曲线方程。 5 西安理工大学工程硕士学位论文 d 分阶段改变流量的质调节 在整个供暖期，按室外温度的高低分为几个供暖阶段，当室外温度较低时，供给较大 的流量满足热负荷的需求，当室外温度高时供给较小的流量。为调节热负荷满足设计要求， 在每供暖阶段内保持固定的流量，而改变管网中的供回水温度，进行质调节。不同的供暖 阶段与平均负荷系数有关。温度调节曲线方程如下： ，、上，、 t gv = t n + j 1 ( t g + t n - 2 t ) ( 搿卜丽1 ( ) ( 籍) ( 2 3 ) ，、上，、 仁嵋1 2 t ) ( 鲁卜丽1 t g ) ( 舞) 陇4 ， 其中：t g 为本时段锅炉供水温度；t g 为下时段锅炉供水温度；t h 为本时段锅炉回水温度； t h 为下时段锅炉回水温度；t n 为本时段用户室内温度；t n 为下时段用户室内温度；t w 为本时段室外温度；t w 为下时段室外温度；b 为连续调节系数；为地区平均供热负荷 系数( 北京地区一般为0 7 0 8 ) 这几种方式都是根据热负荷的变化，相应地调整热水的流量和温度。而在现实的系统 中采用哪种方式，必须根据具体系统的工艺情况确定。 上述各种方式选用恰当，都可以实现供热系统的经济运行。仅就单台锅炉和系统相关 辅机而言，从控制角度分析，几种调节方式无论在热能理论基础，还是计算机与自动控制 技术方面都是成熟的。这也给进一步研究开发新技术和综合调节产品，提高了有力的先决 条件。而当前需要研究和解决的关键技术问题，是寻求、选择符合锅炉供热系统运行特征 的控制理论和方式，确定实现整个系统综合控制的总体设计方案。 2 2 燃气锅炉节能控制技术的选择 锅炉供热系统看似简单，实则是一套较为复杂的系统。特别是采用自动控制手段对运 行过程进行管理，完成各项任务时，其复杂程度有时显得几乎难以实现。尤其是当以煤作 为燃料时，仅就锅炉的燃烧过程控制，对于传统的自动控制而言，建立一个能够接近，或 者即使存在较大偏差但能基本满足控制需求的模型都是非常困难的阳1 。 与发电、化工、航天等行业相比，从经济核算的角度出发，过于复杂、昂贵的控制系 统对于供热的需求又缺乏必要性，这就导致了至今没有一种被公认的、较为完善和成熟的、 在这一行业中得以应用的控制理论和系统产品。随着经济的快速发展，人们生活水平的不 断提高，能源矛盾日趋紧张，环境污染压力愈来愈大，供热行业对高效、环保的供热系统 调节产品的需求显得越来越迫切。随着计算机软、硬件和相关电子产品的快速发展，其功 能不断强大、成本不断降低，相关控制理论日益完善，供热系统自动控制已逐渐进入了应 用与发展阶段。 按照从易到难的一般研究规律，通过简单系统的实现，为复杂系统积累经验、建立基 6 燃气锅炉区域供热智能负荷系统技术基础 础，供热智能负荷调节自控技术的研究首先应选择从燃烧过程较为简单的燃气锅炉供热系 统开始，逐渐向燃煤锅炉和冷热供应综合系统发展。 2 2 1 燃气锅炉供热系统说明 燃气热水锅炉及应用系统在实际生产、生活中是一个完整而复杂的系统，根据不同的 目的有着不同的划分，总体上由四个主要系统组成： a 水( 热介质) 、电、燃料等供应系统 水是燃气热水锅炉向外输出热能的载体，一般利用公用自来水或井水，通过水处 理装置( 软化水设备、除氧器) 使其达到锅炉用水标准供应锅炉。不同的水质、不同的水 处理装置对锅炉给水品质的影响差别是很大的，它直接影响到锅炉的热效率、供热品质和 使用寿命； 目前燃气热水锅炉的主要燃料是天然气、人工煤气和液化石油气，它们的性质不 同，生产供应系统和方式也不同。但对于锅炉来说，燃烧系统机构和工作机理差别很小。 因此，无论锅炉使用哪种气体燃料，燃烧控制系统的原理和具体实现的方式都是相同的； 锅炉房的电力一般由公共电力系统供应，热电联产锅炉房用电，由自发电供应。 主要用于燃料输送、风机、水泵、水处理设备、自动控制和照明等需要，是锅炉房重要经 济指标之一。 b 锅炉房内主、辅机系统 燃气热水锅炉房主机由锅炉本体、燃烧设备和锅炉范围内管道、仪表、阀门组成； 辅机系统的作用是辅助锅炉主机完成热能转换功能，主要有水泵、水处理设备、 换热器、系统定压装置、分集水器等； 先进的燃气热水锅炉及其应用系统都不程度地配备了自控装置。主要用于燃烧控 制、安全保护、热量输配和计量。自动化控制水平高低，直接影响到锅炉房主、附机的正 常运行、节约能源、环境保护等诸多方面效果的优劣。 c 热量输配系统 按照用户的需要，由热水锅炉产生的高温热水，在循环水泵的作用下，通过分汽缸、 分水器、输送管道、阀门、换热器组成的热量输配网络，将热能送至终端系统使用，做功 后的低温热水再送回到锅炉加热后循环使用。不同的输配系统对热损失、阻力损失的影响 是非常大的。 d 终端应用系统 燃气锅炉终端应用主要形式包括建筑采暖、空调制冷、生活用热水等。终端系统以 热水形式进行供应。然而，终端设备或系统种类繁多，输送系统复杂，造成热载体水的流 量和阻力、压力差别较大。 燃气热水锅炉及其应用系统之间关系密切，设备与设备、系统与系统之间的合理配置， 西安理工大学工程硕士学位论文 设备与系统的可靠运行都直接关系着水、电、燃料及其它辅料的消耗，热能供应的品质， 对环境的影响。因此，燃气热水锅炉及其应用系统的检测、计量和自动控制系统的功能、 水平、可靠性显得十分重要。 本论文讨论的控制技术和产品，主要以实现供应建筑采暖和生活热水的燃气锅炉及输 配系统为主要对象。 2 2 2 供热智能负荷调节系统设计中控制理论和技术的选择 供热与制冷系统的功能是在不同的气候条件下，保证人们居住、工作始终处于较为舒 适的室内温度环境。锅炉供热系统在寒冷的冬季向建筑内提供热能，以保证室内温度达到 人们的需求( 1 8 - 2 4 ) 。从热力学理论分析可知，当室内温度目标设定值确定后，锅炉 供热系统的负荷调整只取决于建筑外的环境温度变化。而基本供热负荷的确定，则建立在 供热半径和建筑保温程度等因素的基础上。 从一般意义上讲，可以简单地建立室外温度与供热负荷、室内温度的关系： q = f ( t t ，t n ) ( 2 5 ) 其中：q 为锅炉的热负荷输出，t n 表示室内温度目标设定，t - 为室外温度。 从上述简单公式看，随着室外温度的高、低变化，调整锅炉供热负荷，就可以实现保 证终端用户室内环境温度的目的。但是由于一般的集中供热锅炉房有一个较大的供热半 径，当锅炉负荷发生变化时，需要经过一段时间，终端用户才会产生变化，此外对于所有 的建筑来说，它们都具有一定的蓄热能力，这就导致了当热源输出热量发生变化时，终端 用户的室内温度要滞后一段时间才会产生变化，这就是集中供热系统的“熟惰性 。因此， 利用传统的自动控制系统简单地通过室外温度调节热源负荷，难以达到终端用户满意的效 果。 如前所述，当室内温度目标设定值确定后，锅炉供热负荷只与室外环境温度相关。简 单地说，锅炉供热负荷系统调节的对象，最终归结为室外环境温度的变化。而室外环境温 度受到诸多因素的影响，往往表现为非线性的复杂变化。这也给自动控制的实现造成了难 度。 燃气锅炉冬季供热，是热源系统( 锅炉房内设备) 对固定用户，也就是对固定的输配 系统、终端系统提供热能。所谓固定，就是建成的输配系统、终端用户的管道直径、保温 材料和厚度已经固定不变，终端用户建筑形式、保温状况、散热器的形式与布置方式均已 固定。但是由于涉及的因素较多，参数和结构较为复杂，建立一套满足各种供热系统结构 和实际情况控制的数学模型几乎是不可能的，而传统的自动控制方法主要建立在一定的数 学模型上，因此要在热源负荷变化时保证各终端用户需求，仅仅靠传统自动控制方式是难 以实现的。 锅炉供热系统表现出的以上特征，都给负荷输出和节能自动控制的实现造成了很大的 难度。综合各种因素，运用传统的控制技术和理论对供热系统实施调节的困难大、成本高。 8 燃气锅炉区域供热智能负荷系统技术基础 为此，作者进行了认真研究，经反复比较各种控制理论和方式的优缺点，最终确定燃气锅 炉区域供热负荷调节系统的总体设计选择“智能控制理论和技术一。 2 3 智能控制论述 为了更好地运用智能控制理论，将其与供热调节系统的设计有机地结合起来，首先应 对智能控制基本理论进行研究和阐述。 2 3 1 智能控制系统的提出和发展 智能控制是一个较为新兴的科学领域，尽管目前关于智能控制的定义、理论、结构等 还没有统一的描述，但是它已经被各个国家在民用或军用的各个领域的不同产品和系统的 生产加工及其应用方面不同程度地、大量地采用。智能控制是控制理论发展的高级阶段。 它主要用来解决那些使用传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题。其中包括机器人 系统、计算机集成制造系统( c i m s ) 、复杂工业过程控制系统、航空航天控制系统、交通 运输与交通指挥系统、能源转换与环境保护系统、军事指挥系统等叫。智能控制系统的对 象一般应具备以下几方面的特点n 射： a 、不确定性的模型 传统的控制是基于模型的控制，通常认为模型是已知或者经过辩识可以得到。而智能 控制的对象通常存在严重的不确定性。主要包含：一是模型未知或知之甚少( 如燃煤锅炉 的燃烧模型) ；二是模型的结构和参数可能在很大范围内变化( 如本论文2 2 2 中对燃气 锅炉供热系统特征的分析) 。传统方法难于对它们进行控制。 b 、高度的非线性 传统的控制是建立在线性系统理论基础上的，对于高度非线性的控制对象，传统控制 方法极少而且复杂( 如本论文研究的控制系统根据环境变化控制供热负荷，而环境温度的 变化往往表现出非线形的特征) 。智能控制往往可以较好地解决非线性系统的控制问题。 c 、任务需求复杂 在传统的控制系统中，控制的任务一般是要求输出的信号为定值( 调节系统) ，或者 是要求输出量跟随期望的运动轨迹( 跟踪系统) ，控制系统任务单一。对于更为复杂的控 制系统来说，它要求系统对一个复杂的任务具有自行规划和决策的能力。如机器人具有自 动躲避障碍运动到期望目标位置的能力。再如，对与燃气锅炉供热系统，要随着外界环境 的变化( 主要是气温和风力的变化) ，按照输配系统和终端用户的特点，决定起动锅炉的 台数、单台出力、进出水温差、循环流量等参数的调节功能，对于设备出现的故障和事故 进行控制与处理等多项相关联的调节与控制任务。对于这样的复杂的控制任务，智能控制 系统具有明显的优势。 智能控制系统控制对象这些特点，恰恰与供热负荷调节的对象特点相近。因此运用智 能控制的技术和理论，对供热负荷进行调节是比较可行和简便的研究思路。 9 西安理工大学工程硕士学位论文 智能控制作为一门新兴学科，现在还只是处于它的发展初期，还没有形成完整的理论 体系。本论文也只是对与锅炉供热调节系统设计相关的智能控制几个重要的理论进行研究 和阐述。 智能控制系统出现在二十世纪6 0 年代新兴技术。1 9 7 1 年著名学者傅京逊( k s f u ) 从发展学习控制的角度首次正式提出智能控制这个新兴的科学领域。他的文章题目是：“学 习控制系统和智能控制系统：人工智能与自动控制的交叉 1 3 o 他列举了以下三种智能控 制系统的例子： a 、人作为控制器的控制系统 人控制器 出 图2 - 1 操纵驾驶杆以瞄准目标的手动控制系统 f i g 2 - 1t h em a n u a lc o n t r o ls y s t e mo f s t e e r i n gt oa i m a tt h et a r g e t 这里，人作为控制器包含在闭环控制回路内。由于具有识别、决策、控制的功能，因 此对于不同的控制任务及不同的对象和环境情况，它具有自学习、自适应、自组织的功能， 可以采用不同的策略适应不同的情况，这样的控制系统属于智能控制系统。 b 、人一机结合作为控制器的控制系统 在这样的控制系统中，机器完成那些连续进行的需要快速计算的常规控制任务。人则 主要完成任务分配、决策、监控等任务。图2 - 2 表示了一个由人一机结合作为控制器的遥 控操作系统典型结构，它是另外一种类型的智能控制系统。 1 0 f i g 2 - 2t h er e m o t eo p e r a t i n gs y s t e mo fc o m b i n i n gh u m a na n dm a c h i n ea sc o n t r o l l e rt a r g e t 以上两种类型的智能控制系统均有人参与，许多智能控制系统的任务是由人完成的。 燃气锅炉区域供热智能负荷系统技术基础 而高级的控制系统是如何将前面由人完成的那些功能变为由机器来完成，这就是无人参与 的智能控制系统。最典型的例子是自主机器人，图2 - 3 表示了自主机器人系统的结构。 指令控制器对象一环境 疆八 执行 1 一。 1 国 f 息分析l 7 i 飒仃鬻r l 夕 l ，t ， jljl 1r1r 问题求解环境反射 机器人车 和规划建模响应 i 一i 传懋器 r 图2 - 3自主机器人系统的结构 f i g 2 - 3t h es y s t e mf r a m e w o r ko f t h ei n d e p e n d e n tr o b o t 在该系统中，控制器主自主机器人系统的结构要完成以下功能：问题求解和规划、环 境建模、传感信息分析和反射响应。 傅京逊的这篇论文中列举了三种智能控制系统的典型情况。第三种情况既是人们所希 望的无人参与的智能控制系统。这里被控制过程是一个复杂和不确定性的环境，这时要建 立被控制过程的准确的数学模型，并据此采用常规的控制方法是十分困难或几乎不可能 的。对于复杂的任务和复杂的环境，如何将人工智能技术中较少依赖的模型的问题求解方 法与常规的控制方法相结合，这就是智能控制系统所要解决的问题。 2 3 2 智能控制系统基本结构 智能控制系统是实现某种控制任务的、具备一定智能行为的一种控制系统。具体地说， 对于一个问题的激励输入，系统具备一定的智能行为，它能够产生合适的求解问题的响应， 这样的系统便称为智能系统。从系统的角度，智能行为也是一种从输入到输出的映射关系， 而这种映射关系无法用数学的方法精确地加以描述。因此，它可以看成是一种不依赖于数 学模型的自适应估计。 g n 萨里迪斯( s a r i d i s ) 给出了另一种定义，即通过驱动自主智能机来实现其目 标而无须操作人员参与的系统称为智能控制系统 1 5 o 这里所说的智能机指的是能够在结构 化或非结构化、熟悉或不熟悉的环境中，自主地或有人参与地执行拟人任务的机器。通俗 的讲，就是在一个控制系统，如果控制器完成了分不清是机器还是人完成的任务，称这样 的系统为智能控制系统。 西安理工大学工程硕士学位论文 图2 4 智能控制系统结构 f i 2 2 - 4t h es y s t e mf r a m e w o r ko fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m 智能控制系统的广义对象，包括在通常意义下的控制对象和所处的外部环境。例如对 于智能机器人系统，机器人的手臂、被操作物体及其所处环境称为广义对象。对于本文研 究的供热智能负荷调节系统，广义对象则包括外界的环境温度、热源系统设备、热力输配 系统状况、用户端需求等。感知信息处理将各传感器得到的原始信息加以分析和处理，认 知部分主要接收和储存知识、经验和数据，并对它们进行分析、推理，做出行动决策，送 至规划和控制部分。通讯接口在建立人机之间联系的同时，也建立系统中各模块之间的联 系。规划和控制是整个系统的核心，它根据给定的任务要求、反馈的信息及经验知识，进 行自动搜索、推理决策、动作规划，经执行部件作用于控制对象，产生具体的控制作用。 对于不同用途的智能控制系统，以上各部分的形式和功能存在较大的差异。 g n 萨里迪斯提出了智能控制系统的分层递阶的组织结构形式，如图2 5 所示。其 中执行级一般需要比较准确的模型，以实现具有一定精度要求的控制任务；协调级用来协 调执行级的动作，它不需要精确的模型，但要具备学习功能，以便在再现的控制环境中改 善性能，并能接受上一级的模糊指令和符号语言；组织级将操作员的自然语言翻译成机器 语言，组织决策、规划任务，并直接干预低层的操作。在执行级中，识别的功能在于获得 不确定的参数值或监督系统参数的变化。协调级中，识别的功能在于根据执行级送来的测 量数据和组织级送来的命令产生协调作用。在组织级中，识别的功能在于翻译定性的命令 和其它的输入。该分层递阶的智能控制有两个明显的特点： a 对于控制来讲，自上而下控制精度愈来愈高； b 对于识别来讲，自下而上信息回馈愈来愈粗略。 燃气锅炉区域供热智能负荷系统技术基础 人 图2 5 智能控制系统的分层递阶的组织结构 f i g 2 - 5t h ed e l a m i n a t i n go r g a n i z ef r a m e w o r k o fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m g n 萨里迪斯在1 9 7 7 年出版了“随机系统的自组织控制 一书n 耵，1 9 7 9 年发表了 综述文章“朝向智能控制的实现刀 i s o 在这两篇著作中他从控制理论发展的观点，论述了 从通常的反馈控制到最优控制、