摘 要：為規(guī)范鍋爐生產(chǎn)作業(yè)，減少工業(yè)鍋爐燃燒中的熱量損失，基于惡劣工況下，對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒閉環(huán)優(yōu)化控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。采用建立鍋爐燃燒參數(shù)優(yōu)化模型的方式，對(duì)鍋爐的作業(yè)條件進(jìn)行優(yōu)化。采用集成給粉分配器與煤粉濃度調(diào)節(jié)器，對(duì)鍋爐閉環(huán)燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，提高鍋爐燃燒效率和減少污染物排放。采用FULP 算法計(jì)算鍋爐燃燒系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型值，若模型的精度不滿足要求，則啟動(dòng)在線更新策略對(duì)模型進(jìn)行更新，采用PID技術(shù)反饋校正校準(zhǔn)模型，對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行模糊閉環(huán)控制。選擇某地區(qū)大型工業(yè)生產(chǎn)單位作為試點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)對(duì)控制技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，采用設(shè)計(jì)的方法可以將燃燒中的熱量損失控制在一個(gè)相對(duì)較低的數(shù)值，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：惡劣工況；PID；優(yōu)化控制；閉環(huán)；工業(yè)鍋爐

中圖分類號(hào)：TP 273" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的熱能設(shè)備，其運(yùn)行對(duì)企業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。然而，在惡劣工況下，例如高濕、低氧等環(huán)境，現(xiàn)有的控制器難以保證鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行。目前，相關(guān)鍋爐燃燒研究已趨近于成熟，但根據(jù)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)仍存在不足，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)中鍋爐燃燒所帶來(lái)的企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益尚不明顯。

喬印杰等[1]通過(guò)構(gòu)建智能控制系統(tǒng)模型，對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)多變的運(yùn)行工況。但該方法中的智能算法復(fù)雜性可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度受限，特別是處理大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)。毛宇涵等[2]利用Smith預(yù)估控制對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)補(bǔ)償，同時(shí)結(jié)合遺傳算法對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)控制。但設(shè)計(jì)Smith預(yù)估控制器需要精確的鍋爐模型，而實(shí)際運(yùn)行中鍋爐的模型可能會(huì)發(fā)生變化，影響控制效果。同時(shí)，遺傳算法的優(yōu)化過(guò)程可能較為復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。

因此，為解決現(xiàn)有控制方案在應(yīng)用中的問(wèn)題，本文基于惡劣工況，對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒閉環(huán)優(yōu)化控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以此種方式，為工業(yè)鍋爐充分燃燒提供技術(shù)層面指導(dǎo)。

1 建立工業(yè)鍋爐燃燒參數(shù)優(yōu)化模型

為滿足惡劣工況下工業(yè)鍋爐燃燒閉環(huán)優(yōu)化控制需求，當(dāng)設(shè)計(jì)方法時(shí)，可采用建立鍋爐燃燒參數(shù)優(yōu)化模型的方式，對(duì)鍋爐的作業(yè)條件進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)構(gòu)建優(yōu)化模型時(shí)，需要明確模型的核心要素和約束條件[3]。優(yōu)化模型的主要目標(biāo)是通過(guò)調(diào)整噴油量、送風(fēng)量和引風(fēng)量3個(gè)關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，優(yōu)化蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓和氧含量3個(gè)輸出性能指標(biāo)。決策變量包括回油閥的開(kāi)度（控制噴油量）、風(fēng)門擋板的開(kāi)度（控制送風(fēng)量）以及引風(fēng)擋板的開(kāi)度（控制引風(fēng)量）。

在優(yōu)化過(guò)程中，需要保證決策變量（即控制量）調(diào)整都在工業(yè)鍋爐操作的安全和有效范圍內(nèi)。即回油閥、風(fēng)門擋板和引風(fēng)擋板開(kāi)度都必須符合預(yù)定的操作限制，避免對(duì)鍋爐造成損害或影響燃燒效率[4]。在此基礎(chǔ)上，蒸汽壓力是鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其穩(wěn)定性對(duì)保證船舶電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。因此，還需要對(duì)鍋爐蒸汽壓力的波動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，使蒸汽壓力波動(dòng)不超過(guò)預(yù)定的安全范圍，保障工業(yè)鍋爐的安全運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，引進(jìn)遺傳算法，使工業(yè)鍋爐燃燒作業(yè)參數(shù)在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)迭代計(jì)算尋找可實(shí)現(xiàn)輸出性能指標(biāo)最優(yōu)的決策變量值[5]。以此種方式，構(gòu)建工業(yè)鍋爐燃燒參數(shù)優(yōu)化模型，模型表達(dá)式如公式（1）所示。

F=k1x1（t）+k2x2（t）+k3x3（t） （1）

式中：F為工業(yè)鍋爐燃燒參數(shù)優(yōu)化模型；k1為鍋爐送風(fēng)量；k2為鍋爐引風(fēng)量；k3為鍋爐燃燒中的噴油量；x1為送風(fēng)量開(kāi)度；x2為引風(fēng)量開(kāi)度；x3為噴油量控制度；t為有效控制作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。將工業(yè)鍋爐的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為輸入條件，采用優(yōu)化模型計(jì)算最優(yōu)的決策變量值。將數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的控制指令，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)回油閥、風(fēng)門擋板和引風(fēng)擋板的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。保證鍋爐在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行，使鍋爐高效、安全、環(huán)保地燃燒。

2 集成給粉分配器與煤粉濃度調(diào)節(jié)器

集成給粉分配器與煤粉濃度調(diào)節(jié)器，對(duì)鍋爐閉環(huán)燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，可以提高鍋爐燃燒效率和減少污染物排放[6]。其中，用給粉分配器將煤粉精確分配到鍋爐的燃燒區(qū)域，保證煤粉分布均勻，提高燃燒效率，用煤粉濃度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)煤粉與空氣的比例，以達(dá)到最佳的燃燒效果，減少不完全燃燒和污染物排放。為保證相關(guān)工作在實(shí)施中可以達(dá)到預(yù)期效果，將給粉分配器和煤粉濃度調(diào)節(jié)器集成到鍋爐的閉環(huán)燃燒控制環(huán)節(jié)中，用集成終端接收來(lái)自鍋爐的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并基于采樣數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整給粉分配和煤粉濃度[7]。調(diào)節(jié)過(guò)程如公式（2）、公式（3）所示。

μ1=ΔK?p-F?α1 （2）

μ2=Δm?e-F?α2 （3）

式中：μ1為給粉分配調(diào)節(jié)；ΔK為給粉分布；p為給粉燃燒效率；α1為給粉量；μ2為煤粉濃度調(diào)節(jié)；Δm為煤粉分布；e為煤粉燃燒效率；α2為煤粉均勻度。在上述內(nèi)容中，基于鍋爐的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如爐膛溫度、蒸汽壓力、氧含量等，確定最佳的煤粉分配和濃度。

同時(shí)，設(shè)計(jì)反饋控制機(jī)制，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整給粉分配和煤粉濃度，以適應(yīng)鍋爐運(yùn)行條件的變化[8]。必要時(shí)可以引入預(yù)測(cè)控制或優(yōu)化控制算法，計(jì)算調(diào)節(jié)過(guò)程中終端對(duì)未知擾動(dòng)和變化的響應(yīng)能力。其中未知擾動(dòng)的計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

D=μ1+μ2+β?Δa （4）

式中：D為未知擾動(dòng)；β為擾動(dòng)條件；Δa為反饋條件。通過(guò)處理未知擾動(dòng)，對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行控制與優(yōu)化。

3 基于PID的鍋爐燃燒模糊閉環(huán)控制

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)變工況過(guò)程動(dòng)態(tài)燃燒優(yōu)化，并更好地克服煤種變化等不確定因素的影響，在一定區(qū)間范圍內(nèi)，進(jìn)一步利用非線性建模和經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)控制技術(shù)進(jìn)行在線二次優(yōu)化，以進(jìn)行閉環(huán)動(dòng)態(tài)燃燒優(yōu)化。采用非線性預(yù)測(cè)控制方法，直接對(duì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（鍋爐效率）、NOx排放以及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)（再熱汽溫偏差）進(jìn)行優(yōu)化，考慮機(jī)組負(fù)荷等可測(cè)擾動(dòng)、煤質(zhì)變化等不可測(cè)擾動(dòng)的影響，最終獲得控制量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)、動(dòng)態(tài)燃燒優(yōu)化。將經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，主要包括3個(gè)部分：模型預(yù)測(cè)、模型校正和滾動(dòng)優(yōu)化。基于經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)控制的鍋爐閉環(huán)燃燒優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在每個(gè)控制周期，首先，采用FULP 算法計(jì)算鍋爐燃燒系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型值，若模型的精度不滿足要求，則啟動(dòng)在線更新策略對(duì)模型進(jìn)行更新，其次，采用PID技術(shù)反饋校正校準(zhǔn)模型，最后，送入非線性滾動(dòng)優(yōu)化環(huán)節(jié)，通過(guò)求解非線性優(yōu)化問(wèn)題，得到當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)控制變量，并將其作用于燃燒系統(tǒng)中。

假設(shè)當(dāng)前為k時(shí)刻，那么NOx排放濃度、鍋爐效率和再熱汽溫的模型輸入變量的計(jì)算過(guò)程如公式（5）～公式（7）所示。

式中：L1（?），L2（?），...，Lc（?）為C個(gè)支持向量機(jī)的回歸預(yù)測(cè)函數(shù)；f（?）為偏最小二乘的集成函數(shù)；h（?）為基于 FULP 的建模函數(shù)。

引進(jìn)PID（比例-積分-微分）技術(shù)，校正鍋爐燃燒模型。在此過(guò)程中，需要先確定系統(tǒng)的輸入（例如燃料量、空氣量等）和輸出（例如蒸汽壓力、爐膛溫度等）參數(shù)條件，引進(jìn)PID控制器，可以根據(jù)系統(tǒng)的誤差（設(shè)定值與測(cè)量值之差）調(diào)整控制量[9]。為保證閉環(huán)控制過(guò)程的規(guī)范性，按照表1設(shè)計(jì)PID控制器的作業(yè)參數(shù)。

在表1中，將推薦起始值僅作為參考，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體系統(tǒng)的特性和要求進(jìn)行調(diào)整。在開(kāi)始調(diào)整前，建議將比例系數(shù)值設(shè)置為適中值（推薦起始值），并將積分時(shí)間和微分時(shí)間值設(shè)置為相對(duì)較大的值（以減少初始的積分和微分作用）。在此基礎(chǔ)上，逐漸增加比例系數(shù)值并減少積分時(shí)間和微分時(shí)間值，直到工業(yè)鍋爐系數(shù)表現(xiàn)出良好的燃燒性能。

在調(diào)整過(guò)程中，需要注意觀察鍋爐響應(yīng)，避免出現(xiàn)過(guò)沖、振蕩或不穩(wěn)定的情況。如果出現(xiàn)這些問(wèn)題，那么可以適當(dāng)減少比例系數(shù)值或增加積分時(shí)間和微分時(shí)間值，改善鍋爐燃燒的穩(wěn)定性。其過(guò)程如圖2所示。

在此基礎(chǔ)上，將PID控制器和模糊邏輯控制器集成在一起，形成一個(gè)模糊PID控制器，通過(guò)傳感器獲取系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息（例如蒸汽壓力、爐膛溫度等），將信息輸入到模糊PID控制器中，得到相應(yīng)控制指令。將控制指令通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如給粉分配器、送風(fēng)機(jī)等）作用于鍋爐燃燒系統(tǒng)，模糊PID控制器可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)動(dòng)態(tài)地調(diào)整PID控制器的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更好的控制性能。按照上述步驟，對(duì)惡劣工況下工業(yè)鍋爐燃燒進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化控制。

4 對(duì)比試驗(yàn)

在完成上述內(nèi)容設(shè)計(jì)后，為對(duì)此方法應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，選擇某地區(qū)大型工業(yè)生產(chǎn)單位作為試點(diǎn)，采用設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)的方式，對(duì)該方法進(jìn)行測(cè)試。為深入了解試點(diǎn)地區(qū)大型工業(yè)生產(chǎn)單位的鍋爐燃燒現(xiàn)狀，對(duì)該單位進(jìn)行深入地實(shí)地調(diào)研與數(shù)據(jù)分析，綜合實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，該單位工業(yè)鍋爐的燃燒效率普遍偏低，平均熱效率僅為65%，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的70%。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，該單位工業(yè)鍋爐年消耗煤炭約10萬(wàn)t，其中約2萬(wàn)t（占比20%）未充分燃燒。對(duì)爐渣進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，平均含碳量高達(dá)25%，遠(yuǎn)高于合理范圍（一般應(yīng)低于10%）。由于燃燒效率不足，因此該單位工業(yè)鍋爐在能源利用方面存在嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象。同時(shí)，由于能源利用效率低，因此該單位每年在能源采購(gòu)方面的成本遠(yuǎn)高于同類型生產(chǎn)單位。

為解決這個(gè)問(wèn)題，在與試點(diǎn)單位綜合分析后，決定應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的方法對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行閉環(huán)控制。為保證相關(guān)工作在實(shí)施中的規(guī)范性，按照表2，對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析。

在掌握工業(yè)鍋爐燃燒技術(shù)參數(shù)與基本條件后，引進(jìn)文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法，對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行閉環(huán)控制，將應(yīng)用本文方法與文獻(xiàn)提出方法控制后的鍋爐燃燒熱量損失作為檢驗(yàn)閉環(huán)優(yōu)化控制技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)。

其中熱量損失包括排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、散熱損失、灰渣物理熱損失。應(yīng)用閉環(huán)優(yōu)化控制技術(shù)，可以對(duì)各種熱量損失進(jìn)行有效控制和管理，從而提高鍋爐的熱效率，減少能源消耗和排放。但熱量損失是無(wú)法完全避免的，為更直接地掌握鍋爐熱量損失，可按照公式（9）計(jì)算熱量損失。

式中：η為鍋爐燃燒熱量損失，kJ；Q1為燃燒所產(chǎn)生的熱量；Q2為不完全燃燒導(dǎo)致的熱量損失。

以此為依據(jù)，對(duì)控制后鍋爐燃燒中的熱量損失進(jìn)行分析，如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)時(shí)間為10s時(shí)，應(yīng)用文獻(xiàn)[1]方法的工業(yè)鍋爐燃燒熱量損失分析為21kJ，應(yīng)用文獻(xiàn)[2]方法的工業(yè)鍋爐燃燒熱量損失分析為42kJ，應(yīng)用本文方法的工業(yè)鍋爐燃燒熱量損失分析為6kJ；當(dāng)時(shí)間為30s時(shí)，應(yīng)用文獻(xiàn)[1]方法的工業(yè)鍋爐燃燒熱量損失分析為63kJ，應(yīng)用文獻(xiàn)[2]方法的工業(yè)鍋爐燃燒熱量損失分析為122kJ，應(yīng)用本文方法的工業(yè)鍋爐燃燒熱量損失分析為18kJ。綜合以上結(jié)果可知，使用本文方法進(jìn)行鍋爐燃燒閉環(huán)控制，可以將燃燒中的熱量損失控制在一個(gè)相對(duì)較低的數(shù)值，而使用文獻(xiàn)[1]方法與文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行鍋爐燃燒閉環(huán)控制，鍋爐燃燒的熱量損失仍相對(duì)較高。由此可以證明，在3種方法中，本文方法的應(yīng)用效果最好。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的創(chuàng)新，鍋爐燃燒優(yōu)化工作在電站的普及日益顯著，其中，運(yùn)用閉環(huán)控制技術(shù)成為研究焦點(diǎn)。閉環(huán)控制系統(tǒng)憑借其高度的智能化特性，不僅能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的系統(tǒng)環(huán)境，例如非線性、快速時(shí)變以及多變量交織等挑戰(zhàn)，更能展現(xiàn)出強(qiáng)大的全局控制能力。這種技術(shù)不僅具備出色的自適應(yīng)能力，還能模擬人類的學(xué)習(xí)過(guò)程，并不斷優(yōu)化與調(diào)整，不僅可以為電站的燃燒優(yōu)化提供新的解決方案，還可以為未來(lái)的能源利用效率提高和環(huán)保減排提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。為全面落實(shí)并推進(jìn)此項(xiàng)工作，本文以惡劣工況為研究背景，通過(guò)建立工業(yè)鍋爐燃燒參數(shù)優(yōu)化模型、集成給粉分配器與煤粉濃度調(diào)節(jié)器、基于PID的鍋爐燃燒模糊閉環(huán)控制，對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒閉環(huán)優(yōu)化控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，提高鍋爐的穩(wěn)定性和能效，解決現(xiàn)有控制方法在惡劣工況下難以保證鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。

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