（测试计量技术及仪器专业论文）基于神经网络pid控制算法的热水锅炉燃烧控制的研究.pdf

摘要 摘要 热水锅炉的燃烧控制对于供热系统的供热调节和锅炉的安全、高效运 行和节能降耗都具有重要意义。链条式热水锅炉燃烧系统是具有较大延时、 变动负荷、多扰动、非线性的较难控制对象。如何对锅炉燃烧进行控制， 保证锅炉输出与变动负荷相适应的供热量，并保证锅炉安全、经济、稳定 运行是能源与控制领域关注的热点课题。 本文分析了链条式强制循环热水锅炉的生产原理和特点，结合供热生 产要求、用户起居习惯及国家供暖规范，给出了一种根据室外环境温度求 取锅炉供水温度设定值的方法，建立了锅炉控制的供水温度约束模型。 研究了链条式热水锅炉的燃烧特性和燃烧调节方法，确定了燃烧控制 系统各参数之间的关系。给出了燃料控制、送风控制和引风控制三个 相对独立子系统架构的燃烧控制系统的控制方案，同时给出了各子系统的 控制系统结构。 阐述了神经网络p i d ( p r o p o r t i o n ，i n t e g r a la n dd i f f e r e n t i a l ) 算法的控制 原理，通过仿真研究，对比分析了传统p i d 与神经网络p i d 的控制特性。 根据各相对独立子系统的控制过程特性，分别选择了适宜的控制算法。 针对燃料控制系统的控制难点，提出了一种能够适用于大时滞、多扰 动、非线性的燃料控制的新型带预测模型的神经网络p i d 控制算法，提高 了控制的稳定性和快速收敛性。对应用在燃料控制系统中的新算法进行了 仿真研究，给出了仿真程序流程图和程序代码。仿真实验结果表明，该算 法在燃料控制中取得了满意的控制效果。 关键词热水锅炉；锅炉控制；燃烧控制系统；b p 神经网络；神经网络p i d 预测模型 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m b u s t i o nc o n t r o lo fh o tb o i l e rh a si m p o r t a n tm e a n i n gf o rh e a t i n g s y s t e mr e g u l a t i o n , b o i l e r s s a f ea n dh i g h - e f f i c i e n c yr u n n i n ga n de n e r g ys a v i n g c h a i ng r a t es t r o k eh o tw a t e rb o i l e r ，w h i c hi sh a r dt oc o n t r o l ，i san o n l i n e a r o b j e c tw i t hb i g g e rt i m el a g ，c h a n g i n gl o a da n di n s t a b i l i t y h o wt oc o n t r o lt h e b o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e mt oe n s u r es u i t a b l eq u a n t i t yo fh e a tf o rc h a n g i n gl o a d a n dg u a r a n t e eb o i l e r ss a f e ，e c o n o m i c a l ，a n ds t a b l er u n n i n gi sah o t s p o t s u b j e c ti nt h ea r e ao f e n e r g ya n dc o n t r 0 1 t h ep r o d u c t i o np r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r so fh o tw a t e rb o i l e rw i t hc h a i n s t o k e ra n dw a t e rp u m pa r ea n a l y z e d c o m b i n e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fh e a t p r o d u c t i o n , l i v i n gt r a d i t i o n sa n dn a t i o n a lr e g u l a t i o n s ，am e t h o da c c o r d i n gt o t h ea i rt e m p e r a t u r et oe s t a b l i s ht h et e m p e r a t u r eo fs u p p l yw a t e ri sp u tf o r w a r d t h ec o n s t r a i n e dm o d e lo fs u p p l y - w a t e rt e m p e r a t u r ef o rb o i l e ra u t o m a t i c c o n t r o l i sb u i l t t h ec h a r a c t e r sa n da d j u s t i n gm e t h o d so fb o i l e rc o m b u s t i o na r er e s e a r c h e d a n dt h ep a r a m e t e r s r e l a t i o n s h i pi nc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d t h ec o n t r o lb l u ep r 硫o fc o m b u s t i o ns y s t e mc o m p o s e do ft h r e ei n d e p e n d e n t s u b s y s t e m s ，w h i c ha r ef u e lc o n t r o ls y s t e m ，i n p u t - w i n dc o n t r o ls y s t e ma n d o u t p u t w i n dc o n t r o ls y s t e mi s e s t a b l i s h e da n dt h es u b s y s t e m s s y s t e m a t i c s t r u c t u r e sa r eg i v e n t h ec o n t r o lp r i n c i l ：l l eo fn e u r a ln e t w o r kp i d ( p r o p o r t i o n , i n t e g r a la n d d i f f e r e n t i a l ) a l g o r i t h mi se x p o u n d e d i t sc o n t r o lc h a r a c t e r sa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp i d st h r o u g hs i m u l a t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r so f s u b s y s t e m s ，f i t t i n ga l g o r i t h mi ss e l e c t e df o re a c hs u b s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed i f f i c u l t i e si nf u e lc o n t r o l ，ad e w k i n do fn e u r a ln e t w o r k p i da l g o r i t h mw i t hp r e d i c t i v em o d e li sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a nb eu t i l i z e di n n o n l i n e a rf u e lc o n t r o ls y s t e mw i t hb i gt i m el a ga n de x c e s s i v ed i s t u r b a n c e s t h e a b s t r a c t s i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h en e wa l g o r i t h mi nf u e lc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do u t a n dt h ef l o wc h a r ta n dp r o g r a mc o d e sa r eg i v e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h en e w a l g o r i t h ma c h i e v e ss a t i s f i e de f f e c ti nf u e lc o n t r o ls y s t e m _ k e y w o r d sh o tw a t e rb o i l e r ；b o i l e rc o n t r o l ；c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m ；b p n e u r a ln e t w o r k ；n e u r a ln e t w o r kp i d ；p r e d i c t i v em o d e l i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 工业锅炉是我国主要的热能动力设备，使用面广，需求量大。工业锅 炉包括工业蒸汽锅炉、采暖热水锅炉、民用生活锅炉、热电联产锅炉、特 殊用途锅炉以及余热锅炉等。 中国工业锅炉制造业经过近2 0 多年的迅速发展，己逐步形成了自己 的型谱。目前，全国拥有8 大类、3 8 个系列、8 5 个品种，共3 0 0 多个规 格的工业锅炉产品。在1 9 9 8 年，中国有在用锅炉5 0 6 5 万台，其中蒸汽 锅炉3 4 0 7 万台，占6 7 2 7 ；热水锅炉1 6 5 8 万台，占3 2 7 2 。按用途 统计：生活用锅炉2 6 3 4 万台，占5 2 ；生产用锅炉2 3 7 8 万台，占4 6 9 5 ； 发电用锅炉5 2 8 6 台，占1 0 5 。在用工业锅炉主要集中在城市，郊县及 乡镇较少。以北京为例，在用工业锅炉总台数中，市区占8 1 ，郊县仅占 1 9 f 2 1 。 工业锅炉近5 年期间生产变化的趋势是：从质量等级来看，容量大于 等于1 0 蒸吨( 每小时产生的蒸气量) 的锅炉逐步增加，由2 7 4 增加到 3 3 4 ；而容量为2 6 蒸吨的锅炉在减少，由6 2 9 降到5 7 6 ；从燃料 来看，油气锅炉有所发展，由3 2 增加到5 以上，烟煤占8 7 8 8 ， 而无烟煤、贫煤及褐煤不过占5 6 ；从燃烧设备来看，链条炉排继续 保持主导地位，占2 3 以上，往复炉排有所减少，由1 7 3 降为1 0 。 工业锅炉多于电站锅炉，但随着电力供应逐步充裕和城市煤气化的发 展，工业锅炉应用将相应减少。但是，中国城乡居住条件在不断改善，房 地产业日益发展，采暖锅炉市场前景广阔。中国“三北”地区平均每年以 1 5 0 0 0 万平方米新增住房的速度发展口1 ，对采暖锅炉需求量很大，而且正 淘汰和限制分散的小锅炉房供热，发展集中供热和大中容量热水锅炉以提 高锅炉运行效率和控制污染排放。 1 9 9 7 年底，中国民用采暖的热化率仅1 2 2 4 ，东北、华北、西北地 燕山大学工学硕士学位论文 区集中供热的热化率为2 9 0 8 。到1 9 9 8 年底，全国共有6 6 8 个设市城市， 其中已有2 8 6 个城市建集中供热设施，占4 2 1 8 ，供热管道3 4 3 0 8 公里， 其中蒸汽管道6 9 3 3 公里，热水管道2 7 3 7 5 公里，集中供热的供热能力： 蒸汽6 6 4 2 7 吨时，热水7 1 7 2 0 兆瓦时；供热量：蒸汽1 7 4 6 3 吨，年，热水 6 4 6 8 4 百万千焦年1 4j 。目前北京集中供热面积已达6 4 1 1 万平方米，集中 热化率己达3 4 6 。在总供热量中热电联产占6 2 9 ，锅炉房占3 5 7 5 ， 其它占1 3 5 ，城市民用建筑集中供热面积增长较快，并向采暖过渡区发 展。全国集中供热面积中，公共建筑占3 3 1 2 ，民用建筑占5 9 7 6 ，其 它占7 1 i f s l 。城市集中供热热化率的提高，新建筑的增加，供热范围的 扩大，从三方面对热源建设提出了巨大的需求。近几年随着人民生活水平 的提高，原来不装采暖设施的城市，在新建筑中也装了采暖设施，因而供 热范围由我国的北方向南方扩展，采暖范围不断扩大。 热水锅炉是我国北方冬季供暖重要的热源。解放前，我国几乎没有热 水锅炉，解放后才逐渐得到发展。我国热水锅炉的发展基本可分为三个阶 段。第一阶段，从1 9 5 3 到1 9 6 7 年，主要是把蒸汽锅炉改为热水锅炉的阶 段，用热水采暖代替蒸汽采暖，结果不但节省了燃料，而且供热温度稳定 环境舒适。但当时由于是改造锅炉，其结构受到原设备条件的限制，不能 充分发挥热水锅炉的优越性，迫切需要设计和制造热水锅炉产品；第二阶 段，从1 9 6 7 到1 9 7 6 年，主要是从改炉而进入设计和制造热水锅炉的阶段。 从1 9 6 9 年生产出我国第一台2 5 0 x 1 0 4 k c a l h ( 2 9 m w ) 半水冷振动炉排强 制循环热水炉，开始有了热水锅炉正式产品，在这段时期内，只有少数小 容量的热水锅炉产品，大部分仍然靠由蒸汽炉改装为热水炉来满足供热需 要；第三阶段，从1 9 7 6 年至今，热水锅炉产品品种迅速增加，开始向大 容量发展的阶段。全国有许多锅炉制造厂设计制造了容量为o 3 5 ( 3 0 ) 、 o 7 ( 6 0 ) 、1 4 ( 1 2 0 ) 、2 8 ( 2 4 0 ) 、4 2 ( 3 6 0 ) 、7 ( 6 0 0 、1 0 5 ( 9 0 0 ) 、1 4 ( 1 2 0 0 ) 、2 9 2 m w ( 2 5 0 0 1 0 4 k e a l h ) 的热水锅炉产品，逐步形成了我国自己的热水锅炉 产品系列。随着我国城市民用热化和集小供热事业的发展，热水锅炉的需 求量日益增长，作为生产生活用热源越来超显现出其独特的优越性撕】。 工业锅炉的自动化控制经历了3 0 、4 0 年代单参数仪表控制，4 0 、5 0 2 第1 章绪论 年代单元组合仪表、综合参数仪表控制，直到6 0 年代兴起的计算机过程 控制。尤其是近十几年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展， 加之计算机各种性能的不断增强，锅炉应用计算机控制很快得到了普及和 应用1 7 l 。 在国外，锅炉的控制已基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都 采用了现代控制理论中最优控制【8 1 、多变量频域、模糊控制1 9 】等方法，因 此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染【l 。 在国内，由于经济技术条件的限制，我国锅炉设备水平一直比较落后， 大多数中小型锅炉水平基本停留在手工和简单仪表操作的水平i l ”。8 0 年 代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制 得到了很大的发展【1 2 1 。至9 0 年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领 域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备 开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建 炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制【l3 1 、自适应控制 1 4 1 、模糊控制、神经网络控制1 6 】、专家控制等自动控制的最新成果也 在锅炉自动控制中得到了尝试和应用。 对于工业蒸汽锅炉自动控制的研究很多。有采用模糊控制理论与人工 神经元网络理论相结合的模糊神经网络控制算法对其进行控制的1 1 7 】；采用 预测自校正控制算法控制锅炉燃烧的【l8 】；采用模糊控制与p i d 相结合， 集成基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术实现高级控制 的【1 9 l ；以及故障诊断与容错控制在电厂热工系统中的应用研究【2 0 】；基于 神经网络的锅炉控制研究1 2 1 l ；应用线性神经元对锅炉控制中的协调主控环 节和子系统控制的研究【2 2 】；应用多变量频域控制的煤粉锅炉控制和应用基 于神经网络预测自整定p i d 的锅炉主汽温度控制研究【2 3 l 等等。 热水锅炉的控制中最重要的且与供热量真接相关的是燃烧控制。目 前，我国供暖热水锅炉的运行自动化程度不高，绝大部分锅炉的燃烧运行 从根本上说都是由人工凭经验调节阱】。凭经验烧火的方式普遍存在于区域 供热锅炉房中，如司炉工凭经验实行所谓的“看天烧火”，“三把火”方式 口“，以及自行确定回水温度最低限等。 燕山大学工学硕士学位论文 链条式热水锅炉在我国集中供热领域应用最为广泛，但它存在较大的 不确定性、复杂性、不稳定性，以及较大的滞后性【2 “。虽然人们对其控制 技术做了不少的研究和实践工作，目前国内该行业自动化技术的普及率较 低，自动化程度也较低。 链条式锅炉的燃烧系统是一个多参数，多扰动，各参数交叉影响的系 统【2 ”，燃烧控制存在以下难点： ( 1 ) 链条炉中，煤在炉排上的燃烧是以层燃方式进行的，当煤进入炉膛 时，它不像燃气、燃油锅炉那样燃料立刻燃烧生热，而是分区、分段缓慢 进行的，所以燃煤锅炉燃烧系统的燃烧过程长，具有较大滞后。链条式热 水锅炉从给煤量的变化到其燃烧产生热量，并使锅炉出口水温度发生变化 需要较长的时间，即锅炉出口水温度纯滞后时间长，容量滞后大。 ( 2 ) 燃料煤的煤质、颗粒度、含水情况的变化造成风煤比改变，采用一 般的定值控制系统无法使系统始终运行在最佳或次最佳的燃烧状态； ( 3 ) 燃烧过程机理复杂，影响燃烧工况的因素较多，对象变化较大，很 难准确地建立单一的控制模型。 对于链条式热水锅炉燃烧自动控制系统，目前有各种形式，比如工业 微机控制系统、单片机控制系统2 9 1 ( 应用于小型供暖锅炉) 、控制器与 监控站相配合的控制系统 3 0 l 等。根据热水锅炉燃烧特点，控制系统采用各 种控制方案，比如直接的热效率自寻优o ”、风煤比自寻优【3 2 】，或间接的炉 膛温度自寻优”l 、烟气含氧量自寻优 3 4 1 及相结合的方式等等，并采用鼓风 机、引风机变频调速口5 】来实现风量调节。但从其控制算法看，链条式热水 锅炉的燃烧自动控制中普遍采用的还是传统的p i d 控制 3 6 】。由于存在上面 所述控制难点，在链条式热水锅炉燃烧控制中用简单的p i d 控制算法很难 获得理想的效果。 人工神经网络( a n n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) 是人工智能的一种， 该领域的背景工作始于1 9 世纪末2 0 世纪初，源于物理学、心理学和神经 生理学的跨学科研究【3 丁1 。人工神经网络是以一种简单计算一处理单元为节 点，采用某种网络拓扑结构构成的活性网络，可以用来描述几乎任意的非 线性系统；并且具有学习能力、记忆能力、计算能力以及各种智能处理能 4 第1 章绪论 力，在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索的功 能，在故障诊断、模式识别、系统辨识i ”j 以及复杂控制等方面都有研究和 应用。 智能控制【3 9 】是控制理论发展的高级阶段，是自动控制理论与人工智能 相结合的产物，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制 问题。具体来说，智能控制的研究对象具有不确定的模型、高度的非线性 和复杂的任务要求。智能控制理论包括自适应、自组织和自学习控制，知 识工程，信息熵，人机系统理论，形式语言与自动机，大系统理论，神经 网络理论和模糊集合论等。简单说来，智能控制所要解决的问题是如何将 人工智能技术中较少依赖模型的问题求解方法与常规的控制方法相结合， 提高控制性能。 神经网络p i d 控制是传统p i d 控制算法与神经网络相结合的智能控制 算法，其基本思想是利用神经网络的自学习功能和非线性函数的表示能力， 遵从一定的最优指标，在线智能式地调整p i d 控制器参数，使之适应被控 对象参数以及结构的变化和输入参考信号的变化，并抵御外来扰动的影响 1 4 0 i 。该算法在交流伺服系统控制1 4 1 l 、纸业水份定量控制m 】、主动磁悬浮轴 承的神经网络p i d 控制以及电站锅炉控制【4 3 j 等工业控制研究中都有应用。 对于供暖的热水锅炉( 以链条式燃煤锅炉为例) ，实际的自动控制方法 主要是传统p i d 控制，先进控制理论的应用和研究还比较少。利用先进控 制理论对原有控制方法进行改进，克服燃烧控制难点是今后供暖锅炉控制 的研究发展方向。 1 2 课题研究的意义 1 2 1热水锅炉燃烧控制对于供热调节的意义 城市供热可分为分散供热和集中供热两种 4 ”。分散供热包括单户、单 幢楼房和小单位自供等形式；集中供热根据负荷性质、数量、供应对象和 范围、地形和地势以及周围条件等分区分片，集中数个、数十个单位和居 民区实行区域供热。集中供热的热源主要有如下几种：热电厂、区域锅炉 燕山大学工学硕士学位论文 房、工业与城市余热、核能、地热等1 45 1 。由于集中供热具有热源容量大、 热效率高、燃料消耗少、有利于环保、节约劳动力和占地面积小等优点， 因此在城市中，普遍以集中供热为主。 区域锅炉房是城镇集中供应热能的热源。虽然区域锅炉房的热效率低 于热电厂的热能利用效率，但区域锅炉房中使用燃煤锅炉的热效率一般都 在8 0 以上，比分散的小型锅炉房的热效率高得多m 】。此外，区域锅炉 房与热电厂相比，其投资低，建设周期短，厂址容易选择。因此，区域锅 炉房是城镇集中供热的主要热源形式之一。 区域锅炉房根据其制备热媒的种类不同，分为蒸汽锅炉房和热水锅炉 房。蒸汽锅炉，制备蒸汽；热水锅炉，直接制备热水。近年来，以水作为 热媒的集中供热系统，在国内发展较快，它多用于区域或街区的供暖【4 7 】。 热水锅炉与蒸汽锅炉相比较具有如下优点：热损失少，节约能量、便于调 节；因压力温度较低，所以安全性较高；对水处理的要求低；锅炉结构简 单，制造方便，不需要特殊钢材，同时钢材耗量少。并且，热水供热与蒸 汽供热相比具有热网效率高，蓄热能力强，供热输送距离远，供热调节性 能好，热网补水量小等优点，目前在我国主要用于取暖和热水供应。 在锅炉房热水集中供热系统中，供暖热负荷是系统的最主要的热负 荷，甚至是唯一的热负荷【4 鄹。它并不是恒定的，会随室外气象条件( 主要 是气温) 而变化。因此要依据供暖热负荷随室外温度的变化规律对热水供 热系统进行供热调节，使热能制备和输送经济合理，提高供暖用户的舒适 度【4 9 】( 舒适度是锅炉供暖系统集中控制性能的重要指标，它反映在一定时 间范围内对室内温度控制的精度) 。 根据调节地点的不同，供热调节分为集中调节、局部调节和个体调节。 集中调节是在热源处进行调节；局部调节是在热力站或用户系统热力入口 处调节：个体调节是在散热设备处进行调节【5 0 i 。 集中供热调节容易实施，运行管理方便，是最主要的调节方法，它主 要包括：集中质调节，指在热源处改变系统供水温度，管网循环水量保持 不变；集中量调节，指在热源处随室外温度的变化改变管网循环水量，而 供水温度保持不变；间歇调节，改变每天供暖小时数，在室外温度较高的 6 第1 章绪论 供暖初期和末期，可作为一种辅助的供暖方式：混合调节，在供热系统的 整个运行期间，随室外温度的变化，分几个阶段改变循环流量，同一调节 阶段内的循环流量维持不变，实行集中质调节。即在室外温度较低的阶段 中保持较大的流量，而在室外温度较高的阶段中保持较小的流量，每一阶 段内管网的循环水量保持不变，采用改变管网供水温度的集中质调节。这 种调节方法是质调节和量调节的结合，分别吸收了两种调节方法的优点， 又克服了两者的不足，称为混合调节【5 l 】。 从供热调节方式可以看出，供热调节的一个重要方面就是热源处的水 温调节( 集中质调节) 。而供热系统的集中质调节最终都要通过热水锅炉 的燃烧控制来实现，因此，热水锅炉的燃烧控制对于整个供热系统的供热 调节具有重要意义。 1 2 2 热水锅炉燃烧控制对于锅炉运行的意义 燃烧设备是供暖热水锅炉的重要组成部分，燃烧控制的好坏直接关系 到锅炉运行的可靠性和经济性口2 1 。要使燃烧设备能够针对不同燃料的燃烧 特性提供良好的燃烧条件，将燃料的热能最大限度地释放出来，需要有合 理的进煤量和送风量控制，同时，合理的炉膛负压控制能够保证锅炉的安 全运行。 中国是产煤大国，也是煤炭消费大国。在最近一个时期仍以燃煤为主。 众所周知，中国近期国民经济发展较快，能源需求量大增，以前能源生产 和消费基本是平衡的，但从1 9 9 3 年开始成为能源净进1 ：3 国。据预测中国 未来能源供需缺口将越来越大，在采用先进技术，推进节能，加速可再生 能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下，2 0 1 0 年约缺能 8 ，到2 0 4 0 年将缺2 4 左右f 5 3 】。 热水锅炉是我国北方冬季生活供暖重要的热源，全国在用热水锅炉总 量中，华北、东北及西北( 三北) 地区约占9 3 ，其中华北、东北两大区 集中了全国8 0 的热水锅炉 5 4 1 。锅炉运行每年消耗大量的煤炭，更好地 对其进行燃烧控制对于更有效地利用煤炭能源、降低能源消耗以及减少环 境污染等具有重要意义。 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 依据供暖热负荷随室外温度的变化规律，对热水供热系统进行供热调 节，重要的研究内容之一是热源处的供水温度调节( 集中质调节) ，即热水 锅炉的燃烧控制问题。本文以在我国集中供热领域应用最为广泛的链条式 供暖热水锅炉为例，研究锅炉的燃烧控制，以保证锅炉供水温度与气温变 化相适应，并保证锅炉的安全、稳定、高效运行。 链条式燃煤热水锅炉的燃烧控制系统由三部分组成：燃料控制系统、 送风控制系统和引风控制系统。协调控制这三个子系统，才能保证适宜的 供热量，保证燃烧正常、高效地进行。 神经网络理论属于智能控制，本文将较少依赖模型的智能控制理论与 常规的控制方法相结合，改进了普通的带预测模型的神经网络p i d 控制， 得到一种新型带预测模型的神经网络p i d 控制算法，并将其应用于供暖锅 炉的燃料控制中，更好地实现了供水温度调节，完成了锅炉的燃烧控制任 务。 8 第2 章热水锅炉及其供水温度约束 第2 章热水锅炉及其供水温度约束 2 1 热水锅炉概况 2 1 1 热水锅炉的分类及组成 热水锅炉是把燃料中的化学能经过燃烧放出热量，并传递给水，从而 使低温水变成高温水的设备。热水锅炉的分类，大体有以下几种：按出水 温度分类，可分为低温热水锅炉( 出水温度小于1 2 0 ) 和高温热水锅炉 ( 出水温度大于或等于1 2 0 ) ；按循环方式分类，可分为自然循环和强制 循环( 直流式) ；按锅炉结构分类，可分为锅壳式( 旧称火管锅炉) 和水管 锅炉，水管锅炉包括单锅筒立式、单锅筒纵置式、单锅筒横置式、双锅筒 纵置式、双锅筒横置式等等；按安装方法分类，可分为整装锅炉、组装锅 炉和散装锅炉【5 4 。 热水锅炉燃烧方式有固定炉排、活动手摇炉排、链条炉排、往复推动 炉排、沸腾炉、空燃炉等等。目前，国内热水锅炉常用的燃烧设备主要是 固定炉排手烧炉、双层炉排反烧炉、抽板顶升反烧炉、链条炉排炉和往复 推饲炉排炉。在工业机械化燃煤设备中，链条炉排锅炉是历史悠久、结构 完善、性能稳定的一种，从1 4 m w 到3 0 m w 的热水锅炉都有采用链条炉 排的产品，国内生产的大容量热水锅炉几乎都是链条炉排炉f 巧j 。本文研究 的热水锅炉为强制循环式链条炉排炉。 热水锅炉与蒸汽锅炉相同，由三个系统组成，即煤渣系统、烟风系统 和水( 汽) 系统。与蒸汽锅炉不同的是，热水锅炉的水( 汽) 系统，( 除汽 水两用炉外) ，只产生温度较高的水，而不产生蒸汽，而且常常与整个供暖 系统串联在一起。热水锅炉在这三个系统中，同时完成燃料的燃烧放热过 程，热量传递过程和水的吸热升温过程，从而实现热能的转换。 以s h l 7 ( 6 0 0 ) 一1 3 ( 1 3 ) 型热水锅炉( 双锅筒横置式链条炉排炉) 为例， 介绍组成热水锅炉的主要部件及其所构成的煤渣系统、烟风系统和水( 汽) 系统。 9 燕山大学工学硕士学位论文 燃料经由输煤机，送入给煤斗，然后落至缓缓向前运动的链条炉排上， 进入炉膛进行燃烧；燃烧后的灰渣，经过除渣机从炉底排出，从而构成了 锅炉的煤渣系统。 燃烧所需的空气，由送风机通过空气预热器的管外侧经风道进入炉内， 与燃料混合燃烧，产生高温烟气；高温烟气在引风机的作用下，冲刷对流 管束和尾部受热面( 省煤器和空气预热器) ，并放出热量，低温烟气通过除 尘器净化后，从烟筒排入大气，构成锅炉的烟风系统。 供暖系统中的回水，经过省煤器送入锅炉，锅水在由锅筒、水冷壁、 和对流管束所组成的锅炉本体的循环系统中循环流动，同时吸收燃料燃烧 放出的热量，逐渐提高温度( 或汽化) ，升温后热水( 或蒸汽) 由锅筒上的 出水阀送入供暖系统，构成锅炉的水( 汽) 系统1 5 6 5 7 1 。 2 1 2 热水锅炉的工作过程 在锅炉运行时，燃料的燃烧放热、热量传递和水的吸热升温过程是同 时进行的。 燃料的燃烧放热过程是燃料在炉膛内与空气中氧发生化学反应并放出 热量的过程，它直接影响到锅炉的出力和热效率。燃料燃烧放出热量的多 少与燃料的种类及燃烧效率有关。为了提高燃烧效率，要选用合理的燃烧 方式和炉膛结构，特别是在锅炉运行时保持良好的燃烧工况。 热量传递过程是燃料燃烧后产生的热量，通过水冷壁管、对流管束等 受热面传递给锅水的过程。热量在炉膛内主要以辐射的方式，在对流管束 和尾部烟道内主要以对流方式，传递给受热面金属的外部，再通过金属导 热至内部，最后传给锅水。如果传热过程进行得不好，燃烧产生的热量不 能被充分有效的利用，会增加热损失，降低锅炉热效率。 水的吸热升温过程是锅水在锅炉内反复循环流动不断吸收热量，使温 度达到额定值，并且输出的过程。锅水能否保持良好的循环流动，及时把 受热面由火侧所吸收的热量全部带走，保证金属壁面在允许的温度条件下 工作，直接关系到锅炉的安全运行。 强制循环( 直流式) 热水锅炉，一般为无锅简直流式。水循环回路由 1 0 第2 章热水锅炉及其供水温度约束 炉内的受热面上行管、下行管及上、下集箱组成集管式结构。系统中的回 水经循环泵送入锅炉底部，通过炉管吸热升温，直接由锅炉顶部送入系统 至热用户。由于直流式热水锅炉是通过循环水泵产生的压头来实现锅炉水 循环的，因而受热面的布置形式比较自由，锅炉结构紧凑，体积小，节省 钢材，造价较低【5 8 】。 2 2 热水锅炉供热系统 2 2 1 供热系统结构及工作原理 由于水泵压头作为水的循环动力，克服了自然循环热水采暖系统中作 用压头小等种种不利因素，循环系统的作用半径大，因此，机械循环热水 采暖系统在集中供热系统中得到了广泛的应用。 图2 】机械循环热水采暖系统示意图 f i g 2 - 1 t 1 1 es k e t c h m a p o f m a c h i n e c i r c u l a t i o n h o t - w a t e r h e a t i n gs y s t e m 1 - 热水锅炉2 循环水泵3 散热器4 供水干营5 回水管 6 - 用户干管7 用户回水管8 循环管9 补给水管1 0 泄水管 1 1 - 回水阀门1 2 - 止水阀 3 - g 錾胀水箱1 4 除污器1 5 - 排气装置 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 机械循环热水采暖系统是由锅炉、输热管道、散热设备、水泵及空压 设备等组成。系统的作用压力主要是由水泵提供的。图2 一l 是机械循环热 水采暖系统工作原理刚5 9 j 。 系统工作前，打开给水管9 上的阀门，向系统内注水，系统中的空气 从排气装置1 5 和膨胀水箱1 3 排出。系统注满水后，使水在锅炉1 中被加 热，热水在水泵2 作用下，沿着供水干管4 ，用户供水干管6 ，流进散热器 3 ，并通过散热器3 将热量传递到采暖房间，从散热器3 流出的温度已经降 低了的回水，沿着用户回水干管7 ，回水干管5 ，并经过除污器1 4 除掉其 中的杂质，进入水泵2 加压，流回锅炉再进行加热。系统中的水在水泵压 头的作用下，沿着管道不断地循环流动，在锅炉中不断被加热，在散热器 中又不断地散热，达就是机械循环热水采暖系统的工作原理。 2 2 2 供热调节 由于用户所需的供热量随环境温度及其它因素的影响而变化，为保证 供热的经济性必须进行供热调节。 供热量的调节根据施行调节的地点分为单独的个别调节，局部调节和 集中调节。其概念在第1 章绪论中已有叙述。对于热水锅炉房，可采用集 中调节。供热调节由于调节参数不同分为质、量调节、间歇调节和混合调 节，其概念也在第l 章阐述过。质调节是系统中循环水量不变，仅改变供 水温度，此种调节方法的优点是：当供热负荷减少时，对于直接供热的热 水锅炉可减少燃料消耗；由于流量不变，系统的水力工况稳定，并容易实 现供热调节自动化。 热源处的水温调节( 即集中质调节) ，要通过控制热水锅炉的燃烧，改 变热水锅炉出水温度来实现。 2 3 热水锅炉供水温度约束模型 锅炉出水温度控制( 即集中质调节) 的关键是确定锅炉的供水温度与 回水温度。因冬季供热地室外环境温度的可能差别很大，不仅初冷期与深 冷期的温差可能很大，而且一天内的温差也可能很大。因此供水水温必须 1 2 第2 章热水锅炉及其供水温度约束 按照环境温度进行设定。 2 3 1求取用于水温计算的室外温度值曲线 使锅炉出1 ：3 水温度随着室外环境温度的不同作相应调整变化，就可使 热量达到所需热量。但跟踪当前环境温度，来改动锅炉出口水温度的设定 值，不仅缺乏实时性，而且会给系统带来较大的干扰，也不利于节能降耗。 而且供水温度波动较大会影响锅炉效率。因此采用上下限平均温度的方法 f 6 0 1 得到用于计算的室外温度，然后用得到的室外温度计算供、回水温度。 其计算过程如下： 室外平均温度： = ( k + f 。一) 2 ( 2 1 ) 上限平均温度： f = ( f w + t 。p ) 2 ( 2 2 ) 下限平均温度： ，删= 【t “十f j 2 ( 2 - 3 ) 其中，k 为室外日最高气温，t 。为室外日最低气温，由前一天当地 天气预报得到。t 。为室外平均温度，f 。为室外上限平均温度，0 州为室 外下限平均温度，乙。和0 州即为可用于计算的室外温度值。 由供热区域人们的作息习惯及一天内温度变化趋势决定用于水温计算 的气温曲线。即在一天内的某一时段，将计算得到的室外上或下限平均温 度作为当日的室外温度，代入公式计算供水温度。若供热区为某居民居住 区，则每天不同时刻的计算用室外温度值如图2 ，2 所示。 居民外出或气温较高的时段( 1 0 1 3 点) 以及居民活动较少的时段( 凌 晨1 - 4 点) ，用日上限平均温度代替室外实际温度，气温较低且居民活动频 繁的时段( 6 - 8 点及1 7 。2 3 点) 用下限平均温度代替其实际室外温度，其余 为介于二者之间的升降温段。 燕山大学工学硕士学位论文 双位室外温 度 上限卒均温度 下限平均温度 】246s】o 1 2 】4 】6l s2 02 22 3 。】b 搁 图2 - 2 某居民区用于水温计算的日室外温度值曲线 f i g 2 - 2 t h ec a l v eo f t h ec h a n g i n g t e m p e r a t u r ef o rc a l c u l a t i o n o f c ：e r t a i nd a yi nar e s i d e n t i a la r e a 2 3 2 供、回水温度计算 集中质调节时，系统的供水温度由下面的公式确定1 6 1 i ： 仁”“k _ + 华1 ( 2 - 4 ) 二 其中，a ：! 二生 tn t 。 系统的回水温度可由下式确定： t ：= f ：口k - t ) ( 2 - 5 ) 式中，小f 。系统设计的供、回水温度( ) f 。室外空气采暖计算温度( ) f 。室内空气采暖计算温度( ) f 。散热器中的供、回水平均温度( ) f ：、f ：室外空气温度为f ：时，应送入系统中的供、回水温度( ) 上述公式的意义是：一般热水采暖系统的设计供、回水温度是根据室 外空气采暖计算温度f 。及室内采暖计算温度t 。确定的，而t 。是国家有关部 门为采暖设计需要而统- - $ u 定的，t 。是根据不同用户需要选定的，且不允 许有较大的波动。也就是说，当室外环境实际温度与室外采暖计算温度相 1 4 第2 章热水锅炉及其供水温度约束 同时，按设计供、回水温度供热可使室内实际温度保持在室内采暖计算温 度的水平。当室外环境的实际温度与室外采暖计算温度不同时，室内实际 温度就不能保持在用户所期望的室内采暖计算温度的水平。当室外实际温 度低于r 。时，室内实际温度也会低于，。，反之亦然，因而必须进行调节。 当只采用集中质调节时，根据上述三个温度换算公式，我们可以找出 任意室外实际温度下能使室内实际温度保持在室内采暖计算温度水平的系 统运行供、回水温度。 分阶段改变流量的质调节是将采暖期按室外温度的高低分成几个区 间，而在每个区间内，网路的循环流量保持不变。在室外温度较低的区间 中保持较大的流量，而在室外温度较高的区间中保持较小的流量。在每个 区间中，供热调节采用改变网路给水温度的质调节。在采用分阶段改变流 量的质调节时，在每个区间中，网路的循环流量保持不变，即 量调阶段系统中的循环水量 按1 0 0 流量运行时系统中的循环水量 将这个补充条件代入采暖系统的供热调节基本公式，就可以得出分阶 段改变流量质调节时，网路供水温度和回水温度随室外温度变化的关系式： 仁”詈【t p - - t u + 孚) ( 2 - s ) t ：= r ：一等以一t )( 2 7 ) t p 式中，妒量调节时循环水量与计算流量的比值，其余符号同式( 2 4 ) 。 根据上述两关系式，代入不同的庐值，即可求出不同流量阶段的供、 回水温度。 2 3 3 锅炉供水温度约束模型 根据前述公式计算出采暖系统所在地区不同室外空气温度下能使室内 实际温度保持在室内采暖计算温度水平的供、回水温度，并把它们绘制成 运行曲线图或编制成表，即为集中采暖系统供水温度调节图。系统运行期 间，运行管理人员、司炉人员可按这些曲线图或表格中的指示值调节供水 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 温度。当采用微机控制系统时，可将流量和室外温度信息和计算公式输入 微机，通过自动运算得出供、回水温度。 一天中用于计算的室外温度值可根据2 3 1 中的方法得到，即可得到一 天中不同时刻t w 的值，将其代入供、回水温度计算公式，就可以计算出相 应的供、回水温度。由于采用双位控制，对应图2 2 得到相应的一天中供 水温度约束模型，如图2 3 所示。 上限供水温度 下限供水温度 12468 1 01 21 41 61 8 2 0 2 22 3o 1 时间 图2 - 3 某居民区日供水温度约束模型 f i g 2 - 3 t h ec o n s t r a i n e dm o d e lo f s u p p l y - w a t e rt e m p e r a t u r e i nc e r t a i nr e s i d e n t i a la r e a 由图2 3 ，可以看出，由于供水温度约束模型根据日室外计算温度曲 线和供水温度计算公式确定，形式与计算用室外温度曲线相反，由上、下 限供水温度段和升、降温段组成。某些时段供水温度根据室外上限平均温 度计算确定，某些时段供水温度根据室外下限平均温度确定，其余为锅炉 升降温时间。为避免锅炉升温过快炉膛后部带火，升温、降温时间都为2 小时。 热水锅炉回水温度的高低主要取决于两个因素，一是热水锅炉的出水 温度，般出水温度较高，回水温度也相应比较高。二是与采暖系统的热 负荷有关，在出水温度不变的情况下，供热负荷增加，相应的回水温度就 会降低。一般情况下，热水锅炉的回水温度是整个系统设计时选定的，运 行时不需司炉人员调节与控制，只是对燃油锅炉及燃煤中含硫量较高，锅 炉尾部受热面低温腐蚀比较严重时才加以控制与调节。 1 6 第2 章热水锅炉及其供水温度约束 2 3 4 保证锅炉安全运行的水温控制参数 为了保障热水锅炉安全运行，在锅炉运行中，有下列锅炉水温度指标 1 6 2 应进行控制： ( 1 ) 热水锅炉出水温度应低于运行压力下相应饱和温度( 即锅水汽化温 度) 2 0 以下。如出水温度过于接近运行压力下的饱和温度，运行稍有不 慎就会引起汽化。 f 2 1 同一锅炉内各回路间水的温度偏差不得超过1 0 。热水锅炉的出 水温度是由锅炉内不同回路问的出水混合而成；如各回路间出水温度差过 大，虽然锅炉出水温度远低于汽化温度，但个别回路却已发生汽化，甚至 水击现象。 ( 3 ) 省煤器出水温度应低于运行压力相应的饱和温度2 0 以上。与锅 炉并联连接的省煤器，其出水温度不应高于锅炉本体的出水温度；带旁路 回水管的锅炉，回水流经省煤器后的温升以2 0 为宜。 ( 4 ) 并列运行热水锅炉的出水温度也应随时加以控制调节，使其保持一 致。 对热水锅炉的供水温度进行合理控制，并合理控制各水温参数，不但 对于锅炉和供热系统的经济性有重要意义，同时也是热水锅炉安全运行的 必要保证。 2 4 本章小结 本章首先分绍了论文研究对象热水锅炉的定义、分类、结构及工 作原理，指明本论文要研究的是链条式强制循环热水锅炉，然后介绍了锅 炉所在的强制循环热水供暖系统的结构、工作流程及其供热调节方法。在 此基础上，重点给出了如何根据室