循環流化床垃圾焚燒爐爐膛溫度控制

　　摘要：垃圾在循環流化床（CFB）內的清潔焚燒要求將整個垃圾焚燒爐爐膛溫度控制在某一范圍之內。根據實際運行的CFB垃圾焚燒爐測試數據，確定了CFB垃圾焚燒爐爐膛溫度分布的數學模型，并在此基礎上，計算了系統的相對增益矩陣，提出合理的爐膛溫度控制變量匹配、合理的解藕控制和前饋控
　　
　　CFB垃圾焚燒爐因其成本低、二次污染小、能量綜合利用率高等得到越來越多的應用。為實現垃圾的清潔焚燒，減少和避免二惡英的生成，垃圾焚燒過程需要滿足其清潔焚燒的"3T"準則，即焚燒垃圾需要在一定的焚燒溫度和湍流度下停留一定的時間。對CFB垃圾焚燒爐而言，湍流度和停留時間可由其爐膛結構設計保證，而垃圾的燃燒溫度則由運行調節。由于垃圾的焚燒是在整個爐膛內進行的，因此要求爐膛內各點溫度均維持在850℃~950℃之間。
　　
　　CFB垃圾焚燒爐的爐膛溫度受多個變量影響，包括垃圾給料量、給煤量、送風配比等，這些變量對爐膛不同高度溫度的影響是不同的，而這些爐膛溫度特性又隨著床料高度、回料量、垃圾成分的變化呈現時變性。本文首先根據實際運行的CFB垃圾焚燒爐測試數據，確定了CFB垃圾焚燒爐爐膛溫度分布的數學模型，在該數學模型的基礎上，計算了系統的相對增益矩陣，并據此提出了合理的爐膛溫度控制變量匹配、合理的解耦控制和前饋控制策略，仿真結果表明這些控制策略是有效的。
　　
　　1對象描述
　　
　　本文研究的CFB垃圾焚燒爐已運行了較長時間，其結構如圖1所示。

　　
　　該焚燒爐以煤為輔助燃料，其設計垃圾處理量為150t/d,蒸發量為10t/h，垃圾焚燒溫度為850℃~950℃。
　　
　　2爐膛溫度分布動態特性辨識
　　
　　影響CFB垃圾焚燒爐床溫動態特性的因素很多，理論分析和運行歷史數據表明，對于一定的垃圾成分和煤質，垃圾給料量、給煤量和一次風量對爐膛內溫度分布的影響zui為明顯，因此試驗主要是通過在正常運行允許的范圍內合理改變這三個控制量，以獲取數據迸行爐膛溫度分布動態特性的辨識。
　　
　　試驗在控制系統開環的情況下進行，試驗過程中始終保持垃圾成分和煤質的相對穩定，每次只改變一個控制量，使垃圾焚燒爐達到穩定狀態并運行一段時間。在改變其它控制量時，先使垃圾焚燒爐恢復到試驗的初始狀態，并穩定運行一段時間。
　　
　　對試驗得到的數據進行歸一化處理，將垃圾給料速度、給煤速度和一次風門開度歸一化到0~，分別記為u1（t）、u2（t）、U3（t）爐膛上部、中部、下部溫度分別記為yl（t）、y2（t）、y3（t）。根據測試數據進行系統辨識，可得到過程的傳遞函數，即爐溫分布的動態特性。其傳遞函數分別為式（1）~（9）所示，圖2為傳遞函數階躍響應曲線。



　　
　　從圖2可以看出，垃圾給料量增加時CFB垃圾焚燒爐爐膛下部溫度降低，爐膛中部和上部溫度先降低后有所回升;給煤量增加時，爐膛下部溫度、中部溫度和上部溫度都有所上升;一次風量增加時，爐膛下部溫度降低，爐膛中部和上部溫度升高。這與生活垃圾與煤混燒以及CFB垃圾焚燒爐的爐溫特性一致。
　　
　　測試結果表明，風量變化對爐膛溫度的影響比較迅速，幾乎沒有純滯后，而給煤量變化時，爐膛溫度變化滯后zui大，一般為lmin左右，這主要是由于煤加熱、熱解燃燒過程較慢。
　　
　　3爐膛溫度控制策略及仿真
　　
　　垃圾焚燒爐運行過程中，垃圾給料量是由垃圾焚燒任務確定的，為爐膛溫度控制的干擾量，一般不作控制量，但可根據其對爐膛溫度分布的影響，引入前饋控制信號來調節爐溫。用于爐膛溫度的控制量僅僅是給煤量和一次風量。如果將爐膛上部、中部、下部溫度作為被控量，給煤量和一次風量作為控制量，將出現2輸入3輸出的不可控情況。通過對圖2的分析可以知道，爐膛上部、中部溫度對給煤量和一次風量的響應基本相同，而從垃圾清潔焚燒的要求出發，并不要求將爐膛溫度控制在某一個值，只要將其控制在某一范圍即可。因此，實際控制時，可以將爐膛中部和上部溫度當作一個量來進行控制，因此取爐膛上部溫度和爐膛下部溫度作為被控量。仿真時取爐膛上部溫度設定值為900℃，爐膛下部溫度設定值為850℃。
　　
　　由于爐膛上部溫度控制和下部溫度控制兩個通道有較強的藕合性，為定量描述這兩個控制通道之間的藕合程度，進行控制變量配對并解藕，需要計算這兩個通道之間的相對增益矩陣∧的元素記為λij。為uj到yi通道的相對增益，yi為被控量,uj為控制量。

　　
　　計算結果表明,u2與y3、u3，y1構成的控制通道均具有較強的獨立性，因此可采用給煤量控制下部溫度，一次風量控制上部溫度。由于λ13、λ32都小于0.8，而λ12、λ33都大于0.2，可見這兩個控制通道之間仍存在較強的藕合性。采用PID控制，y1、和y3，設定值分別有10℃階躍變化時的仿真結果如圖3。結果表明，采用目前的控制變量配對方法，控制系統穩定，能夠實現控制目標，但兩個通道之間仍存在較強的藕合性，需要進行解藕以提高控制系統的品質。

　　
　　根據爐膛溫度動態特性，采用前饋補償的方法來解藕。記給煤量對爐膛上部溫度的解藕環節為D12（s），一次風量對爐膛下部溫度的解藕環節為D33（s），則:

　　
　　由于D33（s）中含有超前部分，無法實現，所以僅采取D12（S）進行部分解糯，仿真結果如圖4所示。
　　
　　圖3和圖4的仿真結果表明，由于采用了部分解藕，當爐膛上部溫度y1的設定值階躍變化10℃時驢膛上部溫度超調量減少了3.4℃，過渡時間減少了135s，爐膛下部溫度超調量減少了0.6℃，過渡時間減少了160s;爐膛下部溫度y3的設定值階躍變化10℃時，爐膛上部溫度超調量減少了10.3℃，過渡時間減少了400s，爐膛下部溫度超調量減少了2.8℃，過渡時間減少了410S。可見采用解稻環節使系統控制品質有明顯改善。

　　
　　垃圾給料量會對爐膛溫度控制產生較大的干擾，考慮到垃圾給料量的變化可以通過給料速度測量，因此可以利用垃圾給料速度信號產生前饋控制作用，對爐膛溫度進行解藕控制。由于爐膛溫度對垃圾給料量響應比給煤和一次風量響應迅速，根據"不變性"原理，不可能實現動態*補償，因此采用簡化計算方法。在計算前饋補償器時，去掉了其純遲延環節，計算公式為:

　　
　　式（14）中，Gd（s）為G11（s）、G31（s）去掉純遲延后的環節，Gp（s）為G12（s）、G33（s）去掉純遲延后的環節，Gf（s）為前饋補償器。記垃圾給料量對爐膛上部溫度的前饋控制為Gf1（s），對爐膛下部溫度的前饋控制為Gf3（s），忽略G11（s）中影響較小的第2部分。計算結果如下:
　　
　　當垃圾給料量有10%的階躍變化時，爐膛溫度響應曲線如圖5所示。仿真時，給煤量和一次風量兩個通道采用解藕控制。
　　
　　從圖5可以看出，由于采用了垃圾給料量的前饋控制，爐膛上部溫度y1，超調量減少了3℃，過渡時間增加了80S，爐膛下部溫度y3，超調量減少了3.5℃，過渡時間增加了200S。加人垃圾給料前饋環節后，系統的動態偏差有所減小，但效果不是十分明顯，這主要是由于垃圾對爐膛溫度的影響較快，而煤和一次風對爐膛溫度的影響則相對較慢，因此采用前饋控制并不能起到十分有效的作用。
　　
　　4結論
　　
　　（1）影響CFB垃圾焚燒爐燃燒狀況的因素很多，加之其本身的熱容很大，各變量之間藕合關系很強，造成爐膛溫度分布動態特性具有很大的滯后，且有很強的藕合性。
　　
　　（2）根據垃圾清潔焚燒的"3T"原則，CFB垃圾焚燒爐的整個爐膛溫度必須通過運行控制在850℃~950℃之間。實際控制時，可以將爐膛中、上部溫度當作一個量來進行控制，控制量為給煤量和一次風量，被控量為爐膛上部溫度和爐膛下部溫度，這樣就構成了關于爐膛溫度分布的雙輸人雙輸出控制，采用解藕控制基木上可以滿足運行要求。
　　
　　（3）由于垃圾焚燒爐床溫分布特性具有時變性，因此實際應用中必須采用相應的自適應控制策略，以保證隨著對象動態特性的變化，始終具有滿意的控制效果，從而實現垃圾的清潔焚燒。