垃圾自动燃烧控制的自适应控制

摘要：垃圾焚烧发电厂在连续供料及焚烧的过程中，焚烧炉内的燃烧状态亦时刻变化，呈现出高度的非线性系统特征，对于这样的高度非线性系统，使用常规的PID控制或一般的数学控制模型均难以达到稳定的控制。为了控制好垃圾燃烧，减少垃圾焚烧过程中二噁英等有害物质的排放。自动燃烧控制系统结合自适应控制理论自我寻优，建立最优参数匹配的控制法则，并将技术人员的操作经验及思考逻辑融合于模型中，来达到智慧型控制的目的。通过在我司业绩工厂的应用，垃圾燃烧自动控制投入率可到90%以上，废气排放也达到了欧盟2010标准。

关键词：自适应控制；垃圾焚烧；二噁英；自动燃烧控制系统；专家系统

Fuzzy Algorithm for waste auto-combustion control

CHEN Yang1

（Chongqing Kangda Industry Co.， Limited， Chongqing 401121，P.R.China）

Abstract： the characteristics of the municipal waste are very complicated. In additional， it’s not constant like the coal， but varies from the time and the areas. And also， the combustion of furnace is varies during the process of continuous waste feeding and incinerating. Showing it’s a highly non-linear system. It’s difficult to approach the steady combustion with traditional PID algorithm or normal control model. So， in order to get the steady combustion and reduce the emission of dioxin and other polluted flue gas. The Auto-Combustion Control （ACC） system establishes the interior control rules for the non-linear system with self-adapting algorithm. And the ACC system also integrate the operators’ experience and logics into its model. Through the application in our plant， the Auto-combustion system is very effective， and the emission also approach the European standard.

Key words： self-adapting algorithm； Waste incineration； Auto-combustion control system； Dioxin； Expert control system

垃圾焚烧的自动燃烧控制的历史由来已久，在欧美发达国家以及日本，我国台湾等都已有30年以上的历史，随着科技的日新月异，焚烧控制系统的控制技术由手动操控的时代渐渐迈入智慧型控制的时代。

1手动控制时期

2中央控制时期

3电脑控制时期

4智慧型控制时期

本文所介绍的自适应控制系统即属于智慧型控制方式之一，对于复杂的非线性系统有更大的包容性，而且可配合分散型控制进行更有效率的控制。今年来，国外更有进一步的研究以类神经网络提升模糊控制器的能力，使其具备自我学习的能力，能够更有效的达到控制目的，相信不久之后垃圾自动燃烧控制系统的智慧型控制技术将进入一个暂新的阶段。

1、自动燃烧控制系统

1.1自动燃烧控制系统的目标

垃圾是成分及其复杂的燃料，欲提升整体垃圾焚烧厂的运转效率，针对焚烧炉的燃烧系统进行稳定的控制，以避免因人为操作的不当而使垃圾焚烧炉停炉，因此焚烧炉的燃烧控制目标可设定如下：

1）维持稳定的燃烧

2）维持稳定的蒸汽流量

3）维持炉内的持续高温

4）维持空气污染物的排放在限值以下

5）达到预定的垃圾处理量

6）达到灼减率的设计值

7）减低人为的操作损失

为达成上述控制目标，目前已有许多控制系统被提出，如传统PID控制，模糊控制，但在实际应用总，均未能取得很好效果。本文提出自适应控制，采用系统自学习，自动寻优的先进逻辑策略，来达到优化燃烧控制的目的。

2、自适应控制

2.1燃烧控制器

燃烧控制器的目的是为了维持锅炉蒸汽流量（炉膛温度）的稳定，而对给料器、炉排运动的启动、停止进行控制。

控制参数：实际主蒸汽流量

被控参数：给料器、炉排的启停

设定参数：主蒸汽流量设定值

根据对垃圾的品质设定一个主蒸汽流量，如果實际主蒸汽流量与设定值的差值在我们的差值设定范围外，如10T/H（正负5T/H），当大于5T/H，给料器和炉排恒关，当小于-5T/H，给料器和炉排恒开。

当差值在设定的差值内时。根据差值的变化速率和方向对给料器和炉排的启停控制。比如：差值为正3T/H时，给料器与炉排的状态为停止时，主蒸汽流量迅速下降，控制器检测到这种变化，输出命令，启动给料器和炉排的运动。通过这样的超前控制方式，就可以避免主蒸汽流量曲线的振幅过大。

2.2自适应控制器

自适应控制器的目的是根据垃圾燃烧情况、通过模糊控制手段，调节给料器的速度和冲程以及炉床运动的速度

控制参数：实际给料器与炉排的运动时间百分比Ta（ONTIMEACTUAL）

被控参数：给料器的冲程和速度

设定参数：给料器与炉排的运动时间百分比Ts（ONTIMESETPOINT）

ON-TIME

ON-TIME：ON-TIME指给料器和炉排启动状态下的时间与总的时间（停止状态下时间加启动状态下时间）的百分比。

在操作员投入ACC时，首先需要根据垃圾品质选择一个ON-TIME值Ts.，可以把垃圾品质分成5个等级。分别为很湿，湿，正常，干，很干。具体每个等级的ON-TIME百分比时间按照实际情况设定（初始给料器冲程和速度的值设在可调节范围的中点）。

1）设定ON-TIME

在操作员投入ACC时，可以最大让系统选择通过模糊感知判断出的垃圾品质，也可以通过经验判断，手动选择一个垃圾品质。程序内根据不同的垃圾品质预设一个ON-TIME值Ts。垃圾品质分成5个等级。分别为很湿，湿，正常，干，很干。具体每个等级的ON-TIME百分比时间按照实际情况设定。因为我们给料器的冲程和速度的初始值都是一样的（初始给料器冲程和速度的值设在可调节范围的中点），选择了ON-TIME值也就选择了入炉的垃圾量及锅炉负荷，在可调范围内，垃圾热值低，垃圾入炉量就多，但是这个量是有限制的，避免造成垃圾越难烧，垃圾入炉量越大，垃圾又更难燃烧的恶性循环中。当垃圾热值低到超出调节范围，就需要操作员降低主蒸汽产量。

根据每一级垃圾的品质，预设与之对应的LHV值和主蒸汽流量，计算出需要的垃圾入炉量，在根据需要的垃圾入炉量和给料器速度与冲程，计算出给料器需要运行的时间，也就是ONTIME值。主蒸汽流量的值在湿”和“较干”之间是不变的。在垃圾“湿”时，降低锅炉负荷，在“很湿”时，再降低锅炉负荷。反之亦然。如表1：

2）垃圾量、蒸发量与垃圾热值LHV的计算公式

（1）所需垃圾热量

Qr=HsxFsxBe–Qld-Quw

Qr： 所需垃圾热量（MJ/h）

Hs（C1）：给水-蒸汽的焓增加值2.6703（MJ/t）

（蒸汽3.2126（MJ）–给水0.5463（MJ））

Fs： 垃圾对应的蒸汽流量（t/h）

Be：锅炉效率的倒数1/0.821=1.175

（锅炉效率82.1%）

Qld： 渗沥液热量

Quw： 尿素液热量

（2）所需垃圾重量

Wr=Qr/（1000xLHV）

Wr： 所需垃圾重量（t/h）

Qr： 所需垃圾热量（MJ/h）

LHV： 低位热值（MJ/kg）

ONTIME的计算公式（工程整定）

ONTOME%=FLwaste/FLrate%

垃圾入炉速度FLrate（t/h）

3）不同的垃圾品质，不同的给料过程

当垃圾比较湿，垃圾热值低，垃圾燃烧需要炉排更多的搅动作用，操作员应选择适当的ON-TIME设定——LONGON–TIME。这就意味着给料器也需要更频繁的动作，在垃圾给料量需要恒定的条件下，每次给料的应该更少，所以，我们预设的与LONGONTIME值想对用的是更小的冲程和速度。而且，这样单次推入的垃圾就少，垃圾更容易干燥。

当垃圾比较干燥，垃圾热值高，我们的炉排运动就不需要频繁的对燃烧垃圾进行搅动，在垃圾给料量需要恒定的条件下，每次给料的应该更多，所以，我们预设的与SHORTONTIME值想对用的是更大的冲程和速度。而且，这样单次推入的垃圾就大，垃圾干燥速度慢，就不会产生过于剧烈的火焰，避免干燥区垃圾着火，前墙腐蚀，以及燃烧剧烈造成蒸汽流量波动。

4）根据实际燃烧状况，优化给料过程

自适应控制器所要做的就是把实际的ON-TIME值Ta与选定的ON-TIME值Ts进行比较，然后调整给料器的冲程长度和速度，使实际的ON-TIME值能与设定的ON-TIME值能趋近。如图1所示。

5）ON-TIME的比较

自适应控制器会每隔T分钟（根据实际情况设定）计算出前T*X分钟（根据实际情况设定）的实际ON-TIME值，然后控制器将当前计算的ON-TIME值与上一个计算出的ON-TIME值和设定的ON-TIME时间进行比较。如果满足条件，控制器就会改变推料器的冲程和速度（要注意计算时间间隔的设定要避免因为垃圾构成暂时性的变化引起的实际ON-TIME的改变做出不必要的调节）。

实际ON-TIME值Ta的计算：给料器每次到达给料平台末端触发前限位开关，计数器每T分钟计一次前限位开关触发次数，每X个T分钟计算一次平均值。

ONTIME的比较与输出：每T分钟比较把当时的T*X平均值与上一个计算的平均值及设定ONTIME进行比较并输出结果。

3、燃烧空气的控制

一次风及炉排下一次风的控制

被控参数：一次风流量

控制參数：一次风机速度

控制执行器：一次风变频器

一次风流量设定值：主蒸汽流量设定值转换

3.1主蒸汽流量与一次风流量的转换

需要的一次风流量是根据主蒸汽流量的设定值（减去燃烧器的负荷，如果燃烧器投入了运行）通过公式转换而来，以满足垃圾燃烧对燃烧空气的需求。

燃烧空气的基准空气流量

Fa=KxF1（x）xRaexQr

Fa： 炉排的基准空气流量

x： LHV

F1（x）： 理论空气系数

Rae： 空气过量系数

Qr： 所需垃圾热量（MJ/h）

K一次风占总风量的比例

一次风调节功能通过一个PID控制器，比较一次风流量的设定值和实际一次风流量之间的差值，对一次风速度进行控制。

另外设置手动/自动选择开关，操作员可直接对一次风机速度进行控制。

另外设置一个副回路PID控制器，通过主蒸汽流量的设定值和主蒸汽流量的实际值对一次风流量进行调节，这个回路一般不使用，需通过操作开关对它手动激活。

3.2炉排下一次风的分配

每行炉排下风室设一个组合风门调节阀，风门调节阀根据选择的垃圾品质预设开度。运行时不参与控制调节，但操作员可以通过手/自动开关选择进行手动控制。

3.3二次风的控制

被控参数：二次风流量

控制参数：二次风机速度

控制执行器：二次风变频器

二次风流量设定值：主蒸汽流量设定值转换

需要的二次风流量是根据主蒸汽流量的设定值（减去燃烧器的负荷，如果燃烧器投入了运行）通过公式转换而来，以满足垃圾燃烧对燃烧空气的需求。

空气流量与主蒸汽流量的转换公式

Fa=（1-K）xF1（x）xRaexQr

Fa： 炉排的基准空气流量

x： LHV

F1（x）： 理论空气系数

Rae： 空气过量系数

Qr： 所需垃圾热量（MJ/h）

K一次风占总风量的比例

二次风流量调节功能通过一个PID控制器，根据二次风流量设定值和实际二次风流量的差值，对二次风机速度进行控制。

另外设置手动/自动选择开关，操作员可直接对二次风机速度进行控制。

另外设置一个副回路PID控制器，通过锅炉出口氧含量的测量值与设定值的差值对二次风流量进行调节，这个回路只有在氧含量低于设定值的时候才被激活。

3.4炉膛负压控制

控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。作为调节对象，炉膛烟道的惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一个比例环节。一般采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制。

由于炉膛负压实际上决定于送风量和引风量的平衡，故利用送风量作为前馈信号，以改善系统的调节性能。另外，由于調节对象相当于一个比例环节，被调量反应过于灵敏，为了防止小幅度偏差引起引风机挡板的频繁动作，可设置调节器的比例带自动修正环节，使得在小偏差时增大调节器的比例带。对于负压S的测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值的剧烈波动。

4、结束语

通过在业绩工厂的应用，相较于传统的自动燃烧控制系统，锅炉蒸发量的变动量减少为三分之一，而燃烧空气通过垃圾层的压力损失也变得较为平稳，自适应控制控制系统对于“逆效应”很快就予以控制，相当于一个老经验的操作员调整空气流量及进料速度一样。

参考文献：

（作者单位：重庆康达实业有限公司）

作者简介：陈杨（1982.06.22），性别：男；籍贯：重庆；民族：汉；学历：本科、学士；职称：中级工程师；职务：技术部部长；研究方向：自动化。

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