熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

　　作為熱動(dòng)力機(jī)械的熱風(fēng)爐于20世紀(jì)70年代末在我國(guó)開始廣泛應(yīng)用，它在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力熱源的換代產(chǎn)品。通過長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，只有利用熱風(fēng)作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。傳統(tǒng)電熱源和蒸汽熱動(dòng)力在輸送過程中往往配置多臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)，使之最終還是間接形成熱風(fēng)進(jìn)行烘干或供暖操作。這種過程顯然存在大量浪費(fèi)能源及造成附屬設(shè)備過多、工藝過程復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)。而更大的問題是，這種熱源對(duì)于那種需要較高溫度干燥或烘烤作業(yè)的要求，則束手無(wú)策。針對(duì)這些實(shí)際問題經(jīng)過多年潛心研究，終于研制出深受國(guó)內(nèi)外用戶歡迎的JDC系列螺旋翅片管換熱間接式熱風(fēng)爐和JDC系列高凈化直接式熱風(fēng)爐。

　　目前，我國(guó)絕大多數(shù)熱風(fēng)爐的燃燒控制主要還是采用手動(dòng)控制，煤氣流量和空氣流量的大小由人工憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)，因此，供熱溫度波動(dòng)較大，對(duì)熱風(fēng)爐的壽命也有很大影響，并造成煤氣的巨大浪費(fèi)。傳統(tǒng)控制方法主要有比例極值調(diào)節(jié)法和煙氣氧含量串級(jí)比例控制法，但是由于不能及時(shí)改變空燃比，不易實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的最佳燃燒，且測(cè)氧儀器成本高、難以維護(hù)，因此，實(shí)際使用效果不太理想；數(shù)學(xué)模型法能將換爐、送風(fēng)結(jié)合為一體，但由于檢測(cè)點(diǎn)多，在生產(chǎn)條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風(fēng)爐中不易實(shí)現(xiàn)；人工智能方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)熱風(fēng)爐燃燒過程有極強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，但抗干擾能力較弱，而模糊控制不需數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的抗干擾能力且易于實(shí)現(xiàn)，因此尤其適用于熱風(fēng)爐這類難以確切描述的非線性系統(tǒng)。

　　1 熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)

　　1.1 熱風(fēng)爐的燃燒過程

　　燃燒過程對(duì)應(yīng)著蓄熱室的蓄熱過程，它分為加熱期和拱頂溫度管理期。當(dāng)拱頂溫度上升到一定值后，需要保持拱頂溫度維持在這個(gè)定值，此時(shí)拱頂幾乎不再吸收廢氣的熱量，而廢氣的熱量主要被蓄熱室中下部所吸收。從廢氣管道排出的廢氣，它的溫度比較低時(shí)，說明熱風(fēng)爐的熱交換效率比較高，反之，熱交換效率比較低。因此，在拱項(xiàng)溫度達(dá)到一定值后，合理控制廢氣的溫度上升速率對(duì)熱風(fēng)爐的燃燒顯得尤其重要。

　　1.2 熱風(fēng)爐燃燒控制的基本思想

　　加熱期拱頂溫度的上升速率和進(jìn)入拱頂溫度管理期廢氣溫度的上升速率，主要取決于燃燒過程的空燃比和煤氣流量，同時(shí)還受煤氣、空氣質(zhì)量和壓力波動(dòng)的影響。實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒過程自動(dòng)控制的關(guān)鍵是隨著煤氣、空氣壓力和質(zhì)量的波動(dòng)及熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)的變化對(duì)煤氣

　　流量和空氣流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，空氣流量的調(diào)整可以轉(zhuǎn)化為對(duì)空燃比的調(diào)整。故在加熱期，可以最大空氣流量進(jìn)行加熱，據(jù)此來調(diào)整合適的煤氣流量或者以最大煤氣流量進(jìn)行加熱，并調(diào)整合適的空燃比，迅速提高拱頂溫度；到達(dá)拱頂溫度管理期，適當(dāng)減小煤氣流量，并調(diào)整合適的空燃比，保證拱頂溫度不變的情況下，提高廢氣的升溫速率。熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　利用狀態(tài)辨識(shí)器可以判斷熱風(fēng)爐是處于加熱期還是拱頂溫度管理期，并且跟蹤判斷廢氣的溫度是否達(dá)到設(shè)定值，以此選擇不同燃燒階段的模糊控制器（FC）。

　　1.3 加熱期最佳空燃比模糊控制器

　　此階段的最佳空燃比模糊控制器采用雙輸入單輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)。選取加熱期拱項(xiàng)溫度的偏差e及其偏差變化率ec作為模糊控制器輸入量，輸出控制量為u,即空燃比調(diào)節(jié)增量。加熱期模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　拱頂溫度的偏差和拱頂溫度的偏差變化率都分為7個(gè)等級(jí)：正大（PL）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NL）。空燃比調(diào)節(jié)增量劃分為7級(jí)：快速加大（PL）、中速加大（PM）、低速加大（PS）、不變（ZO）、低速減小（NS）、中速減?。∟M）、高速減?。∟L）。

　　1.4 拱頂溫度管理期最佳空燃比模糊控制器

　　此階段模糊控制器的控制目的是使管理期拱頂溫度達(dá)到拱頂目標(biāo)溫度，模糊控制器采用雙輸入單輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)。將拱頂溫度偏差和溫升速率作為控制輸入，拱頂溫度偏差劃分為7個(gè)等級(jí)，溫度上升速率劃分為7個(gè)等級(jí)，空燃比調(diào)節(jié)增量

　　分為7個(gè)等級(jí)。控制規(guī)則與加熱期最佳空燃比模糊控制器的控制規(guī)則相同。當(dāng)拱頂溫度達(dá)到拱頂目標(biāo)溫度，轉(zhuǎn)入到管理期最佳煤氣流量模糊控制器。