循环流化床垃圾焚烧炉炉膛温度控制

　　摘要：垃圾在循环流化床（CFB）内的清洁焚烧要求将整个垃圾焚烧炉炉膛温度控制在某一范围之内。根据实际运行的CFB垃圾焚烧炉测试数据，确定了CFB垃圾焚烧炉炉膛温度分布的数学模型，并在此基础上，计算了系统的相对增益矩阵，提出合理的炉膛温度控制变量匹配、合理的解藕控制和前馈控
　　
　　CFB垃圾焚烧炉因其成本低、二次污染小、能量综合利用率高等得到越来越多的应用。为实现垃圾的清洁焚烧，减少和避免二恶英的生成，垃圾焚烧过程需要满足其清洁焚烧的"3T"准则，即焚烧垃圾需要在一定的焚烧温度和湍流度下停留一定的时间。对CFB垃圾焚烧炉而言，湍流度和停留时间可由其炉膛结构设计保证，而垃圾的燃烧温度则由运行调节。由于垃圾的焚烧是在整个炉膛内进行的，因此要求炉膛内各点温度均维持在850℃~950℃之间。
　　
　　CFB垃圾焚烧炉的炉膛温度受多个变量影响，包括垃圾给料量、给煤量、送风配比等，这些变量对炉膛不同高度温度的影响是不同的，而这些炉膛温度特性又随着床料高度、回料量、垃圾成分的变化呈现时变性。本文首先根据实际运行的CFB垃圾焚烧炉测试数据，确定了CFB垃圾焚烧炉炉膛温度分布的数学模型，在该数学模型的基础上，计算了系统的相对增益矩阵，并据此提出了合理的炉膛温度控制变量匹配、合理的解耦控制和前馈控制策略，仿真结果表明这些控制策略是有效的。
　　
　　1对象描述
　　
　　本文研究的CFB垃圾焚烧炉已运行了较长时间，其结构如图1所示。

　　
　　该焚烧炉以煤为辅助燃料，其设计垃圾处理量为150t/d,蒸发量为10t/h，垃圾焚烧温度为850℃~950℃。
　　
　　2炉膛温度分布动态特性辨识
　　
　　影响CFB垃圾焚烧炉床温动态特性的因素很多，理论分析和运行历史数据表明，对于一定的垃圾成分和煤质，垃圾给料量、给煤量和一次风量对炉膛内温度分布的影响zui为明显，因此试验主要是通过在正常运行允许的范围内合理改变这三个控制量，以获取数据迸行炉膛温度分布动态特性的辨识。
　　
　　试验在控制系统开环的情况下进行，试验过程中始终保持垃圾成分和煤质的相对稳定，每次只改变一个控制量，使垃圾焚烧炉达到稳定状态并运行一段时间。在改变其它控制量时，先使垃圾焚烧炉恢复到试验的初始状态，并稳定运行一段时间。
　　
　　对试验得到的数据进行归一化处理，将垃圾给料速度、给煤速度和一次风门开度归一化到0~，分别记为u1（t）、u2（t）、U3（t）炉膛上部、中部、下部温度分别记为yl（t）、y2（t）、y3（t）。根据测试数据进行系统辨识，可得到过程的传递函数，即炉温分布的动态特性。其传递函数分别为式（1）~（9）所示，图2为传递函数阶跃响应曲线。



　　
　　从图2可以看出，垃圾给料量增加时CFB垃圾焚烧炉炉膛下部温度降低，炉膛中部和上部温度先降低后有所回升;给煤量增加时，炉膛下部温度、中部温度和上部温度都有所上升;一次风量增加时，炉膛下部温度降低，炉膛中部和上部温度升高。这与生活垃圾与煤混烧以及CFB垃圾焚烧炉的炉温特性一致。
　　
　　测试结果表明，风量变化对炉膛温度的影响比较迅速，几乎没有纯滞后，而给煤量变化时，炉膛温度变化滞后zui大，一般为lmin左右，这主要是由于煤加热、热解燃烧过程较慢。
　　
　　3炉膛温度控制策略及仿真
　　
　　垃圾焚烧炉运行过程中，垃圾给料量是由垃圾焚烧任务确定的，为炉膛温度控制的干扰量，一般不作控制量，但可根据其对炉膛温度分布的影响，引入前馈控制信号来调节炉温。用于炉膛温度的控制量仅仅是给煤量和一次风量。如果将炉膛上部、中部、下部温度作为被控量，给煤量和一次风量作为控制量，将出现2输入3输出的不可控情况。通过对图2的分析可以知道，炉膛上部、中部温度对给煤量和一次风量的响应基本相同，而从垃圾清洁焚烧的要求出发，并不要求将炉膛温度控制在某一个值，只要将其控制在某一范围即可。因此，实际控制时，可以将炉膛中部和上部温度当作一个量来进行控制，因此取炉膛上部温度和炉膛下部温度作为被控量。仿真时取炉膛上部温度设定值为900℃，炉膛下部温度设定值为850℃。
　　
　　由于炉膛上部温度控制和下部温度控制两个通道有较强的藕合性，为定量描述这两个控制通道之间的藕合程度，进行控制变量配对并解藕，需要计算这两个通道之间的相对增益矩阵∧的元素记为λij。为uj到yi通道的相对增益，yi为被控量,uj为控制量。

　　
　　计算结果表明,u2与y3、u3，y1构成的控制通道均具有较强的独立性，因此可采用给煤量控制下部温度，一次风量控制上部温度。由于λ13、λ32都小于0.8，而λ12、λ33都大于0.2，可见这两个控制通道之间仍存在较强的藕合性。采用PID控制，y1、和y3，设定值分别有10℃阶跃变化时的仿真结果如图3。结果表明，采用目前的控制变量配对方法，控制系统稳定，能够实现控制目标，但两个通道之间仍存在较强的藕合性，需要进行解藕以提高控制系统的品质。

　　
　　根据炉膛温度动态特性，采用前馈补偿的方法来解藕。记给煤量对炉膛上部温度的解藕环节为D12（s），一次风量对炉膛下部温度的解藕环节为D33（s），则:

　　
　　由于D33（s）中含有超前部分，无法实现，所以仅采取D12（S）进行部分解糯，仿真结果如图4所示。
　　
　　图3和图4的仿真结果表明，由于采用了部分解藕，当炉膛上部温度y1的设定值阶跃变化10℃时驴膛上部温度超调量减少了3.4℃，过渡时间减少了135s，炉膛下部温度超调量减少了0.6℃，过渡时间减少了160s;炉膛下部温度y3的设定值阶跃变化10℃时，炉膛上部温度超调量减少了10.3℃，过渡时间减少了400s，炉膛下部温度超调量减少了2.8℃，过渡时间减少了410S。可见采用解稻环节使系统控制品质有明显改善。

　　
　　垃圾给料量会对炉膛温度控制产生较大的干扰，考虑到垃圾给料量的变化可以通过给料速度测量，因此可以利用垃圾给料速度信号产生前馈控制作用，对炉膛温度进行解藕控制。由于炉膛温度对垃圾给料量响应比给煤和一次风量响应迅速，根据"不变性"原理，不可能实现动态*补偿，因此采用简化计算方法。在计算前馈补偿器时，去掉了其纯迟延环节，计算公式为:

　　
　　式（14）中，Gd（s）为G11（s）、G31（s）去掉纯迟延后的环节，Gp（s）为G12（s）、G33（s）去掉纯迟延后的环节，Gf（s）为前馈补偿器。记垃圾给料量对炉膛上部温度的前馈控制为Gf1（s），对炉膛下部温度的前馈控制为Gf3（s），忽略G11（s）中影响较小的第2部分。计算结果如下:
　　
　　当垃圾给料量有10%的阶跃变化时，炉膛温度响应曲线如图5所示。仿真时，给煤量和一次风量两个通道采用解藕控制。
　　
　　从图5可以看出，由于采用了垃圾给料量的前馈控制，炉膛上部温度y1，超调量减少了3℃，过渡时间增加了80S，炉膛下部温度y3，超调量减少了3.5℃，过渡时间增加了200S。加人垃圾给料前馈环节后，系统的动态偏差有所减小，但效果不是十分明显，这主要是由于垃圾对炉膛温度的影响较快，而煤和一次风对炉膛温度的影响则相对较慢，因此采用前馈控制并不能起到十分有效的作用。
　　
　　4结论
　　
　　（1）影响CFB垃圾焚烧炉燃烧状况的因素很多，加之其本身的热容很大，各变量之间藕合关系很强，造成炉膛温度分布动态特性具有很大的滞后，且有很强的藕合性。
　　
　　（2）根据垃圾清洁焚烧的"3T"原则，CFB垃圾焚烧炉的整个炉膛温度必须通过运行控制在850℃~950℃之间。实际控制时，可以将炉膛中、上部温度当作一个量来进行控制，控制量为给煤量和一次风量，被控量为炉膛上部温度和炉膛下部温度，这样就构成了关于炉膛温度分布的双输人双输出控制，采用解藕控制基木上可以满足运行要求。
　　
　　（3）由于垃圾焚烧炉床温分布特性具有时变性，因此实际应用中必须采用相应的自适应控制策略，以保证随着对象动态特性的变化，始终具有满意的控制效果，从而实现垃圾的清洁焚烧。