【摘要】針對1025t／h鍋爐燃燒系統多變量、強耦合、大時滯的復雜特性，提出一種多變量時滯對象的控制方法，以動態風煤比的形式對燃燒過程實施先進控制。所實現的改進多變量Smith預估算法有效地克服了模型失配對控制的不利影響；多模型智能控制解決了在負荷變化時對象模型的參數不確定性。對某熱電廠1025t／h鍋爐燃燒過程的控制結果表明，該方法易于工程實現，適應性強，控制效果優于原DCS系統的PID控制。
　　【關鍵詞】1025t／h鍋爐燃燒系統；時滯控制；多模型；動態風煤比；
　　1．引言
　　1025t／h鍋爐系統是一個多輸入多輸出的復雜控制對象，根據功能可分為燃燒系統、蒸汽發生系統和蒸汽過熱系統。三個相對獨立的部分。在實際1025t／h鍋爐控制中，蒸汽發生系統和蒸汽過熱系統的控制方法已經非常成熟，而燃燒系統因多變量、大時滯、強關聯的復雜特性，控制起來相當困難。
　　目前，國內電廠大都采用DCS系統來控制生產運行。但是，多數電廠的1025t／h鍋爐燃燒系統仍采用將多變量系統轉為單變量系統的方法一固定風煤比控制方案，這樣的自動控制水平與其擁有的硬件軟件平臺是并不相符的。如何利用目前的DCS系統的軟硬件資源，提高鍋爐燃燒過程的自動控制水平，對當前技術改造和節能工作具有重要意義。為此，本文提出并實現了基于Smith預估器的多變量時滯控制算法，以主蒸汽壓力、煙氣氧含量為控制目標，以煤量和風量為控制量，即以動態風煤比的形式進行燃燒過程控制，同時協調處理爐膛負壓，以確保鍋爐燃燒系統經濟運行。
　　2．1025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制
　　2．1固定風煤比控制方式
　　某熱電廠動力機組是滿負荷為200MW的燃煤機組，以爐跟機協調方式運行，采用日立控制系統有限公司生產的H5000MDCS系統實現生產過程的監控。該DCS系統將1025t／h鍋爐燃燒過程分為蒸汽壓力和煙氣氧含量兩個單變量控制系統，人為地切斷了燃燒過程中蒸汽壓力和煙氣氧含量之間固有的關聯，不能實現風煤比的自動調節，只能采用前饋方式實現固定的風煤比，其做法是將蒸汽壓力控制系統的給煤量信號乘以固定比例系數，然后加到煙氣氧含量控制系統，調節送風量。單變量控制方法的固定風煤比存在兩個問題。一是在煤質發生較大變化時，使煤燃燒經常處于風量過剩或供風不足兩種狀況，降低了1025t／h鍋爐熱效率，浪費了大量的煤。二是難以保證蒸汽壓力和煙氣氧含量的控制精度。當蒸汽壓力波動較大時，煙氣氧含量自動控制和手動控制差別不大，故煙氣氧含量經常采用手動調節，降低了1025t／h鍋爐自動控制水平。
　　2．2多變量動態風煤比控制方式
　　蒸汽壓力和煙氣氧含量系統采用單變量控制，致使控制效果差，甚至不能實現自動控制。這是因為該控制方法不符合控制對象的機理和特性。采用串級、前饋控制，控制作用有限，系統調試也很困難，難以得到良好的控制性能。機理分析表明，蒸汽壓力單變量控制系統和煙氣氧含量單變量控制系統實際上是一個以給煤量和給風量為輸入量，以主蒸汽壓力和煙氣氧含量為輸出量的多變量大時滯強耦合系統，針對這一特性，本文提出了燃燒過程先進控制系統。該系統采取多變量時滯控制方法對時滯進行補償，同時又實現了自動調整風煤比，故不必采取前饋控制實現固定風煤比。通過負荷變化的前饋控制，實現DCS系統中機組的爐跟機協調控制。
　　3．1025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制系統的實現
　　3．11025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制系統結構
　　1025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制系統運行建立在電廠機組現有的DCS系統的基礎上。通過OPC標準通信接口，實現了DCS系統與軟件平臺的連接并交換信息，使二者成為統一的整體，軟件平臺成為DCS系統的先進控制站。該結構的優點是，既使用了先進控制平臺的多變量時滯控制方法，又充分利用了DCS系統的硬件、軟件和信息資源，便于系統調試和維護。為了保證系統安全性，由DCS系統操作站控制多變量系統投入或退出，協調DCS系統和軟件平臺的工作。DCS系統在爐跟機協調控制方式下運行，并實時向軟件平臺發送蒸汽壓力和氧含量的設定值。軟件平臺用多變量時滯控制方法跟蹤運行，當接收到DCS投入運行的指令后，再將計算的1025t／h鍋爐指令和送風指令，通過I／O卡發送到DCS，對燃燒過程實施多變量控制。同時，通過OPC接口將系統運行信息發送到DCS操作站，進行監督管理。
　　3．21025t／h鍋爐燃燒過程多變量控制系統設計
　　3．2．1多變量時滯系統設計
　　1025t／h鍋爐燃燒過程具有時滯特性，以煤量和風量為輸入、以主蒸汽壓力和煙氣氧含量為輸出。時滯對控制系統的性能極為不利，它使系統的穩定性降低，過渡過程特性變壞，甚至導致系統的不穩定。對時滯加以補償，所設計的燃燒過程多變量時滯控制系統的結構。系統設計中首先采用實驗建模方法建立燃燒系統的數學模型。在DCS平臺選擇爐跟機協調運行方式，在相對平穩的工況及較合理的風煤比的情況下，分別施加煤量擾動和風量擾動，測取燃燒過程的動態信息。然后在軟件建模平臺進行數據處理和系統辨識，得到數學模型。針對1025t／h鍋爐燃燒過程的非線性和時變特性，考慮兩種建模情況。一是測試同一負荷下、不同煤質的多組數學模型，然后采用近似模型方法設計多變量時滯控制系統；二是測試在不同負荷下的數學模型，設計多個多變量時滯控制回路。
　　Smith預估器模型失配改進算法在上述系統設計中，采用了多變量Smith預估器對純滯后進行補償，其補償效果依賴對象動態模型的精度。由于1025t／h鍋爐燃燒過程具有明顯的參數不確定性，模型失配或運行條件的改變都將影響Smith預估器的補償效果。針對這一問題，本文提出一種改進的多變量Smith預估算法，為便于計算機實時在線計算，在多變量系統中定義向量的乘法和除法為對應元素的乘除運算。
　　該算法將被控對象和模型之間的所有差別都視為增益的誤差進行處理，用除法器比較每一控制周期的被控對象和模型的輸出信號，得到各校正值，然后用乘法器即時對模型的輸出幅值進行自調整。校正后的反饋信號l，是一個無時滯信號，它將被延遲了的輸出量超前反饋到控制器，使執行機構提前動作，有效地改善了控制系統的控制質量。該控制方案大大提高了在模型失配下Smith預估器的魯棒性。
　　3．2．2多模型智能控制
　　由于火電廠燃煤機組的負荷變化范圍很大(100～200MW)，導致1025t／h鍋爐燃燒過程不可能用單一的數學模型精確描述，因此，對單一模型的多變量時滯控制系統的設計，難以使系統在所有工況下都保持穩定并具有良好的性能。為處理負荷變化對系統性能的影響，本系統采用了不同負荷下的多模型控制方法。通過建模測試，將負荷按150MW，170MW和200MW區間進行劃分，在多個工作點建立多個模型，并設計相應的控制回路。本文用VBScript腳本實現順序控制，提供一種可以實現控制邏輯的機制，實時辨識負荷變化，選擇相應的控制回路。系統運行時選擇該順序控制腳本，系統的腳本解釋器就會在線工作，解釋執行順序控制腳本，從而實現多模型多回路的智能調度。
　　4．1025t／h鍋爐燃燒多變量系統運行
　　某熱電廠單元機組是滿負荷為200MW的燃煤機組，其1025t／h鍋爐燃燒控制系統由主蒸汽壓力單變量控制系統、煙氣氧含量單變量控制系統和爐膛負壓單變量控制系統三個單變量回路組成。由于采用固定風煤比控制，導致煤燃燒經常處于風量過剩或供風不足的狀況，降低了1025t／h鍋爐熱效率。
　　實施的新方案，在原DCS系統爐跟機協調控制運行方式下，將燃燒過程改造為手動、單變量控制及多變量時滯控制三種方式，爐膛負壓采用原DCS系統的單變量控制。采用多變量時滯控制，當機組負荷為160MW時，主蒸汽壓力設定值為12．70MPA，煙氣氧含量設定值為3．8％，系統控制蒸汽壓力在12．50～12．90MPA安全范圍內，煙氣氧含量大部分時間保持在3．4％～4．2％經濟范圍內，取得了良好的控制效果。
　　5．結語
　　本文針對1025t／h鍋爐燃燒系統多變量、強關聯、大時滯的復雜特性，使用多變量時滯控制算法，采用動態風煤比控制，有效地解決了在煤質發生較大變化時，煤燃燒經常處于風量過剩或供風不足的問題，提高了1025t／h鍋爐熱效率，節約了用煤。文中提出的解決模型失配的多變量Smith預估器改進算法和多模型智能控制，易于工程實現，適用于一類復雜工業對象的控制。
　　通過采用燃燒器重新優化組合、衛燃帶重新布置以及送風機提高出力等綜合改造技術措施，1025t／h鍋爐的效率、燃燒穩定性、防結焦等都得到改善和提高。結果表明，該技術對解決燃用劣質貧煤1025t／h鍋爐普遍存在的穩燃性差及飛灰可燃物偏高的問題效果明顯，具有顯著的經濟效益和社會效益，可為受國內煤炭市場影響而燃用劣質貧煤鍋爐的改造提供參考。
　　
　　參考文獻
　　[1]金以慧．過程控制[M]．北京：清華大學出版社，2004（7）
　　[2]薛福珍，唐琰．基于1025t／h鍋爐燃燒系統的多變量動態預補償陣的設計[J]．工業儀表與自動化裝置，2002(5)：68
　　[3]王慧．鍋爐燃燒控制系統[M]．北京：化學工業出版社，2000（6）
　　[4]林海雪．1025t／h鍋爐燃燒系統綜合改造[J]．中國電力．2005（9）：87