- 艾寶物聯(lián)IOBOV? ─ 工業(yè)無(wú)線測(cè)控專家
作者:李金波
摘要：鍋爐的燃燒過(guò)程十分復(fù)雜，燃燒系統(tǒng)內(nèi)部的給煤、鼓風(fēng)耦合性強(qiáng)，過(guò)程的非線性和大滯后也成了控制對(duì)象的難題，本系統(tǒng)采用一種基于人工智能的專家系統(tǒng)控制方案，有效地適應(yīng)鍋爐各參數(shù)之間頻繁的變化，克服多回路耦合和煤質(zhì)干擾，很好的解決了鍋爐燃燒控制的難題，特點(diǎn)是自動(dòng)尋優(yōu)、人工智能、專家系統(tǒng)、全自動(dòng)運(yùn)行，節(jié)能增效。
關(guān)鍵詞：智能控制、自動(dòng)尋優(yōu)、專家系統(tǒng)、多路耦合。
1 引言
我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家之一，目前每年煤炭消費(fèi)量約12億噸，其中80%通過(guò)燃燒被利用。然而，燃燒設(shè)備陳舊、效率低、排放無(wú)控制造成了能源和環(huán)境污染嚴(yán)重，能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)已成為現(xiàn)有燃煤技術(shù)所需解決的主要問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)有大量的電站鍋爐和供熱鍋爐，每年耗煤量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的比例相當(dāng)驚人，但大多數(shù)工業(yè)鍋爐處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染等嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。故提高熱效率，降低耗煤量是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。
國(guó)外燃煤鍋爐自動(dòng)控制，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展主要經(jīng)歷了初創(chuàng)、成熟、擴(kuò)展幾個(gè)時(shí)期，而燃燒系統(tǒng)的控制，始終作為燃煤鍋爐自動(dòng)控制的重點(diǎn)課題。美國(guó)的FOXBORO公司在推出I/A
SERIS智能鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，德國(guó)德萊斯勒燃燒器公司,以及英國(guó)海威燃燒工程公司研制出的鍋爐控制系統(tǒng)，其燃燒系統(tǒng)的控制都在一定條件下，達(dá)到了較好的控制效果；而鍋爐燃燒系統(tǒng)控制采用的模型算法的發(fā)展趨勢(shì)，基本上都是采用智能控制、專家系統(tǒng)、模糊控制以及常規(guī)控制集成到系統(tǒng)中。
我國(guó)燃煤鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，正在走向成熟。有代表性的為：大連海運(yùn)學(xué)院的DMC鍋爐控制系統(tǒng)，重慶鋼鐵公司的工業(yè)爐窯模糊控制自動(dòng)化系統(tǒng)，湖南康通信息技術(shù)有限公司的鍋爐智能控制系統(tǒng)。與國(guó)外同類系統(tǒng)相比，國(guó)內(nèi)鍋爐控制系統(tǒng)正處在不斷完善、逐步走向成熟階段。雖然我國(guó)燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制模型算法發(fā)展趨勢(shì)向國(guó)際前沿靠攏，但是結(jié)合燃煤供暖鍋爐運(yùn)行實(shí)際，燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果一直不很理想。主要表現(xiàn)在不能夠有效的滿足負(fù)荷需求，熱效率不能夠得到有效的提高，投運(yùn)時(shí)過(guò)于依賴有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，數(shù)據(jù)化控制不強(qiáng)。如何結(jié)合燃煤鍋爐運(yùn)行實(shí)際，設(shè)計(jì)行之有效的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制模型，是燃煤鍋爐控制系統(tǒng)中一個(gè)迫切需要解決的課題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)诠心彻┡^(qū)采用日本OMRON公司的CS1控制系統(tǒng)而研制開(kāi)發(fā)了鍋爐智能尋優(yōu)自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了鍋爐智能化、自動(dòng)尋優(yōu)控制，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境，大大提高鍋爐燃燒效率，節(jié)約能源的目的。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
2、1鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析
供暖鍋爐系統(tǒng)是一個(gè)多容系統(tǒng)。每臺(tái)爐的熱負(fù)荷用給煤、送風(fēng)、引風(fēng)調(diào)節(jié)，作為內(nèi)部燃燒系統(tǒng)控制；給水控制的任務(wù)主要是控制供水流量和回水流量
,從而間接地影響回水溫度和供回水溫差。單臺(tái)鍋爐內(nèi)部燃燒系統(tǒng)的給煤、送風(fēng)調(diào)節(jié)耦合性強(qiáng)；且燃燒控制與給水控制及采暖也有復(fù)雜的耦合關(guān)系。同時(shí)，各爐并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)各爐之間也相互耦合，特別是取暖負(fù)荷變化較大時(shí)，各爐間耦合更為突出；而取暖負(fù)荷本身的調(diào)節(jié)又是一個(gè)帶純滯后的非線性過(guò)程；為了解決相互間耦合、過(guò)程滯后及非線性過(guò)程所帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定等，前臺(tái)程序用Visual
Basic語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋優(yōu)、組織運(yùn)行算法等，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換與KINGVIEW上位機(jī)軟件通訊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制。
2、2 燃燒效率曲線
大多數(shù)工業(yè)鍋爐處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染等因素，與燃燒有直接關(guān)系，從各種燃燒裝置的實(shí)際運(yùn)行都可知道：如果空氣量不足，燃燒不充分，燃燒效率低；但空氣過(guò)多也會(huì)使排煙帶走的熱量增加，同樣也是不經(jīng)濟(jì)的。根據(jù)以上分析知有以下曲線：
圖一 燃燒效率曲線
關(guān)于燃燒問(wèn)題存在一個(gè)普遍的燃燒效率山頂現(xiàn)象，即熱效率對(duì)空燃比來(lái)說(shuō)都有一個(gè)最大值，可以肯定燃燒效率η是空燃比k的上單峰函數(shù)，這是在燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制的基礎(chǔ)。
2、3 專家系統(tǒng)自尋優(yōu)算法模型
設(shè)η=f(k)在約束條件a≤k≤b下是一個(gè)上單峰函數(shù)，則用改進(jìn)的極值搜索法設(shè)計(jì)的自尋優(yōu)算法模型計(jì)算過(guò)程如下：
圖二 自尋優(yōu)算法模型框圖
尋優(yōu)步長(zhǎng) SOP;計(jì)數(shù)器 n;
專家系統(tǒng)模型具有兩個(gè)獨(dú)特鮮明的特點(diǎn)：
①具有智能性，無(wú)論尋優(yōu)的起始點(diǎn)在最大值的哪邊，它都可以迅速找對(duì)優(yōu)化的方向；
②它可以達(dá)到任何所要求的尋優(yōu)精度
2、4
鍋爐燃燒效率公式
η=Q1/Q η燃燒熱效率;Q1鍋爐供熱量;Q鍋爐給熱量
Q1=G*ΔT G總循環(huán)水量;
ΔT供回水溫差
Q=T*Qnet T鍋爐耗煤量;
Qnet煤低位發(fā)熱值
通過(guò)以上計(jì)算公式與鍋爐自尋優(yōu)算法調(diào)配風(fēng)煤比相結(jié)合,可降低鍋爐耗煤量,大大提高熱效率。
3 軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)控制方案及用戶要求，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要完成下列功能：工藝參數(shù)顯示功能、參數(shù)的修改與設(shè)置、輸出量的控制、事故記錄的報(bào)警及保存、報(bào)表數(shù)據(jù)查詢打印等。我們選用Visual
Basic 作為前臺(tái)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言
4 鍋爐智能控制的設(shè)計(jì)
由取暖小區(qū)需求供熱量、鍋爐系統(tǒng)實(shí)際總供熱量和取暖小區(qū)實(shí)際消耗熱量，以及能量損失等數(shù)據(jù)組成檢測(cè)知識(shí)庫(kù)。來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的識(shí)別、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、熱效率計(jì)算、燃燒狀況的測(cè)定等推理操作；經(jīng)數(shù)據(jù)過(guò)濾、分類、分析等數(shù)據(jù)處理后，送鍋爐系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。
由時(shí)變非線性負(fù)荷給定模型形成供暖鍋爐組的控制知識(shí)庫(kù)，即形成滿負(fù)荷運(yùn)行爐、幫燒調(diào)節(jié)爐、停燒爐及其運(yùn)行時(shí)間等控制知識(shí)庫(kù)的規(guī)則
結(jié)合鍋爐工藝運(yùn)行，實(shí)施推理規(guī)則為：用給煤、鼓風(fēng)、引風(fēng)粗調(diào)負(fù)荷后使系統(tǒng)燃燒滿足負(fù)荷需求且爐膛燃燒趨于穩(wěn)定，再采用熱效率尋優(yōu)模型細(xì)調(diào)風(fēng)煤比尋優(yōu)，可有效完成鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到熱效率極大值點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒的目的。
圖三
供暖鍋爐專家智能控制系統(tǒng)
由取暖小區(qū)需求供熱量、鍋爐系統(tǒng)實(shí)際總供熱量和取暖小區(qū)實(shí)際消耗熱量，以及能量損失等數(shù)據(jù)組成檢測(cè)知識(shí)庫(kù)，由檢測(cè)推理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的識(shí)別、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、熱效率計(jì)算、燃燒狀況的測(cè)定等推理操作，經(jīng)數(shù)據(jù)過(guò)濾、分類、分析等數(shù)據(jù)處理后，送鍋爐系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。
上述小區(qū)供暖鍋爐智能控制系統(tǒng)運(yùn)行成功的關(guān)鍵問(wèn)題，是鍋爐燃燒控制知識(shí)庫(kù)的規(guī)則獲取。我們考慮控制規(guī)則可以來(lái)自于四個(gè)方面：鍋爐燃燒過(guò)程運(yùn)行理論，運(yùn)行專家的操作經(jīng)驗(yàn)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的摸索，運(yùn)行過(guò)程中的不斷完善。
專家智能控制系統(tǒng)是用前臺(tái)語(yǔ)言Visual Basic實(shí)現(xiàn)的，上位機(jī)KINGVIEW軟件將鍋爐實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，表中可清晰了解鍋爐每小時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，供、回水溫度、爐溫、溫差、供熱量、給熱量、耗煤量、室外溫度，包括鍋爐的熱效率和負(fù)荷率。鍋爐運(yùn)行情況、節(jié)煤情況等一目了然，提高了管理水平。
專家智能控制系統(tǒng)另外一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是，組織運(yùn)行策略，計(jì)算機(jī)了解室外平均溫度后，可自動(dòng)根據(jù)組織運(yùn)行策略，自動(dòng)起機(jī)、自動(dòng)燃燒、自動(dòng)尋優(yōu)、自動(dòng)停爐，按時(shí)打印報(bào)表，全自動(dòng)運(yùn)行。
燃燒系統(tǒng)的負(fù)荷和燃料的協(xié)調(diào)達(dá)到最理想狀態(tài)，從而節(jié)約大量燃料和電能，并使鍋爐壽命延長(zhǎng)。減輕了對(duì)大氣污染，真正達(dá)到了環(huán)保的目的。另外，自動(dòng)化的管理模式保證鍋爐運(yùn)行的安全、穩(wěn)定，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)智能自動(dòng)化的系統(tǒng)理論，設(shè)計(jì)這一供暖鍋爐智能專家控制系統(tǒng)；通過(guò)供暖鍋爐控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境的取暖需求模型，作為建立專家智能系統(tǒng)的關(guān)鍵，強(qiáng)調(diào)供暖運(yùn)行效果；采用一種面向應(yīng)用對(duì)象功能實(shí)現(xiàn)的自尋優(yōu)算法模型，克服多回路耦合和煤質(zhì)干擾，很好的解決了鍋爐燃燒控制難題，自動(dòng)化程度及控制精度都較高，主要技術(shù)指標(biāo)有爐膛負(fù)壓控制精度：士2Pa；空氣過(guò)剩系統(tǒng)：小于1.8；渣含碳量：小于15%；熱效率比手動(dòng)控制提高：4%；變頻調(diào)速節(jié)電：30%；節(jié)煤：每臺(tái)鍋爐（以20噸每小時(shí)為例）年節(jié)煤2000噸。本套鍋爐系統(tǒng)具有人工智能、全自動(dòng)運(yùn)行，提高效率等優(yōu)點(diǎn)，為國(guó)家大大節(jié)約能源，在國(guó)內(nèi)各類型鍋爐中具有很好的推廣價(jià)值。