摘要：本文根據(jù)我國甘蔗糖廠蔗渣鍋爐的具體情況，研究建立蔗渣爐燃燒過程的蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓、煙氣氧含量、進料量、蔗渣水分、送風(fēng)量、引風(fēng)量等主要參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，采用廣義預(yù)測控制策略，實現(xiàn)蔗渣鍋爐燃燒過程自動控制及優(yōu)化燃燒過程，從而提高蔗渣鍋爐的燃燒效率，具有投資少、風(fēng)險小、效果明顯的優(yōu)點，可達到節(jié)能減排增效的目的，
秸稈顆粒機、
秸稈壓塊機壓制的甘蔗蔗渣顆粒燃料如下所示：
我國絕大部分甘蔗制糖企業(yè)的鍋爐主要以蔗渣作為燃料，即生物質(zhì)熱電轉(zhuǎn)化爐。雖然我國甘蔗糖廠的能耗比以前有所降低，但比國外先進水平還有較大差距，而且不同企業(yè)又有相當(dāng)大差別，不少邊遠地區(qū)糖廠受現(xiàn)有自備熱電站的設(shè)備熱電效率及糖廠熱力系統(tǒng)工藝條件制約，其標(biāo)煤耗對蔗比高達8%。在能源消耗方面，我國甘蔗糖廠能耗平均折合標(biāo)煤對蔗為6%以上，是國際平均水平的1.5倍，是國外先進制糖企業(yè)的2倍，噸蔗耗電量31.5 kW-h，是國際平均水平的1.6倍。糖廠蔗渣鍋爐熱效率低是造成我國制糖行業(yè)能耗高的主要原因，目前國內(nèi)許多糖廠多在上世紀(jì)七八十年代興建，現(xiàn)在還有為數(shù)眾多的25～30t/h、2.45MPa次中壓小蔗渣鍋爐在運行，這些鍋爐已運行了十幾至二十年不等，大多產(chǎn)汽量不足，熱效率低，平均只在70%左右，比國際先進水平低10～15個百分點。
制糖行業(yè)節(jié)能降耗潛力巨大，著眼未來發(fā)展，節(jié)能減排既是制糖行業(yè)當(dāng)務(wù)之急更是長遠戰(zhàn)略要務(wù)。糖廠通過技術(shù)改造，提高鍋爐燃燒效率，降低鍋爐燃料消耗，把剩余蔗渣除髓后用于造紙等綜合利用，達到節(jié)能降耗目的，是今后糖廠發(fā)展的一個方向。
如果通過設(shè)備更新?lián)Q代來提高生物質(zhì)熱電轉(zhuǎn)化爐燃燒效率，建設(shè)周期長，資金投入量大而較難實現(xiàn)。在現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，充分利用鍋爐的運行數(shù)據(jù)，在DCS控制的基礎(chǔ)上通過先進建模、優(yōu)化、廣義預(yù)測控制技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)糖廠生物質(zhì)熱電轉(zhuǎn)化爐燃燒過程的自動控制來優(yōu)化燃燒過程，有效地控制鍋爐的燃燒工況，穩(wěn)定蒸汽參數(shù)（汽溫、汽壓），滿足工藝生產(chǎn)要求，減少不必要的能量損耗、使空氣和燃料的配合達到最佳程度，提高生物質(zhì)熱電轉(zhuǎn)化爐燃燒效率，具有投資少、風(fēng)險小、效果明顯的優(yōu)點。
甘蔗糖廠的蔗渣爐運行熱效率低的一個重要原因是：蔗渣爐不同于煤粉爐，蔗渣爐的蔗渣燃料是從甘蔗糖廠壓榨車間壓榨后的甘蔗直接輸送到鍋爐進行燃燒，采用常規(guī)的控制方案很難達到蔗渣爐燃燒過程的自動控制，因而，目前我國甘蔗制糖企業(yè)的蔗渣鍋爐燃燒過程的操作仍然采用人工操作，其結(jié)果其一是大量冷風(fēng)從蔗渣溜槽進入爐膛，造成煙氣量增加，排煙熱量損失增大，增加引風(fēng)機的負(fù)荷。同時，爐溫受到冷空氣的影響而下降，造成汽壓大幅度波動而不好控制。其二是蔗渣進入爐膛的量不好控制，時多時少，進料不均勻，使?fàn)t溫上下波動，汽壓也隨著爐溫的波動而大幅度變化，從而造成鍋爐發(fā)汽量不穩(wěn)定。這些是我國甘蔗糖廠的蔗渣爐運行熱效率偏低的主要原因。
1、蔗渣鍋爐燃燒系統(tǒng)控制優(yōu)化的研究方法和技術(shù)路線
蔗渣爐的燃燒過程是一個具有強干擾的非線性、時變多變量過程，可以分為蒸汽壓力、煙氣含氧量及爐膛負(fù)壓3個回路。
1.1蔗渣爐燃燒系統(tǒng)燃燒過程三大控制任務(wù)
(1)保證主蒸汽壓力恒定以適應(yīng)負(fù)荷需要。
(2)維持氧含量在理想范圍保證經(jīng)濟燃燒。
(3)維持爐膛在一定負(fù)壓范圍之內(nèi)保證鍋爐安全運行。
1,2實現(xiàn)三大控制任務(wù)的手段
(1)主蒸汽壓力的控制通過調(diào)節(jié)輸入燃料量和送風(fēng)量來實現(xiàn)。
(2)氧含量的控制主要通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量和燃料成適當(dāng)配比（風(fēng)、燃料比）來實現(xiàn)。
(3)爐膛負(fù)壓的控制主要通過調(diào)節(jié)引風(fēng)量和送風(fēng)量來實現(xiàn)。
1.2.1主蒸汽壓力
主蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系平衡與否的重要指標(biāo)，蒸汽壓力突然波動會造成鍋爐水位的急劇變化。蒸汽壓力高或低說明蒸汽消耗量小于或大于鍋爐產(chǎn)汽量。蒸汽壓力還是送風(fēng)控制回路中送風(fēng)調(diào)節(jié)的前饋信號，當(dāng)負(fù)荷變化時送風(fēng)立即動作。主蒸汽壓力調(diào)節(jié)根據(jù)主蒸汽壓力的變化，對各臺并行運行的鍋爐按預(yù)定的比例發(fā)出增、減負(fù)荷的信號。
蒸汽壓力通常要求穩(wěn)定在一個設(shè)定值附近，所以選擇汽壓為被控量，控制量是蔗渣喂料器變頻調(diào)速調(diào)節(jié)入料量，為克服負(fù)荷變化對蒸汽壓力的影響，引入平均蒸汽流量作為前饋信號。由于在燃燒過程中受蔗渣質(zhì)量的影響，時延較大且有時變，為此，適當(dāng)選取了控制間隔等。
1.2.2爐膛負(fù)壓、送風(fēng)量、引風(fēng)量
爐膛負(fù)壓過高或過低都會影響鍋爐的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟燃燒。若爐膛負(fù)壓過小，容易局部噴火，不利于安全生產(chǎn)；若爐膛負(fù)壓過大，則漏風(fēng)嚴(yán)重，從而導(dǎo)致總風(fēng)量增加、煙氣熱損失增大、蔗渣損耗增加。爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定是通過爐膛負(fù)壓、送風(fēng)量、引風(fēng)量3個變量參數(shù)信號經(jīng)過DCS系統(tǒng)內(nèi)各功能塊的作用，控制其引風(fēng)量來實現(xiàn)的。
送風(fēng)與引風(fēng)對于蔗渣爐的燃燒是至關(guān)重要的。送風(fēng)、引風(fēng)與蔗渣進量配合很好，才能達到最佳燃燒和提高鍋爐熱效率的目的。送風(fēng)回路以煙氣含氧量作被控量，送風(fēng)以鼓風(fēng)機變頻調(diào)速作控制量。引風(fēng)回路以爐膛負(fù)壓作被控量，引風(fēng)以鼓風(fēng)機變頻調(diào)速作控制量。為克服蔗渣進入量的變化對煙氣含氧量的影響，引入蒸汽壓力控制量作為送風(fēng)通道的前饋信號。
1.2.3煙氣氧含量
煙氣氧含量是檢查鍋爐燃燒系統(tǒng)燃料量與送風(fēng)量是否合適的一個指標(biāo)。一般用空氣過剩率，即風(fēng)蔗渣比來衡量燃燒效率。空氣過剩率是通過分析煙氣中氧的含量來設(shè)定的。鍋爐煙氣氧含量一般為4%，相應(yīng)的空氣過剩率在1.02～1.10時，燃燒效率最高。當(dāng)負(fù)荷或蔗渣質(zhì)量發(fā)生變化時，煙氣中的氧含量會發(fā)生變化，因此除了通過氧量控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)氧含量外，氧量控制系統(tǒng)的輸出還作為送風(fēng)控制系統(tǒng)的輸入信號來校正送風(fēng)量，以保證燃燒的經(jīng)濟性。
為使蔗渣能夠安全燃燒，要求煙氣含氧量與負(fù)壓保持在一個適當(dāng)值附近，通常要求含氧量較低，負(fù)壓為微負(fù)壓。
2、建立蔗渣爐
燃燒過程主要參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，采用廣義預(yù)測控制技術(shù)，實現(xiàn)蔗渣爐燃燒過程自動控制及優(yōu)化
蔗渣爐燃燒系統(tǒng)的3個控制目標(biāo)是相輔相成的，主蒸汽壓力變化，需要控制燃料和送風(fēng)，這勢必會引起爐膛氧含量和負(fù)壓的變化；氧含量變化，需要控制送風(fēng)和燃料，同樣要引起蒸汽壓力和爐膛負(fù)壓的變化；爐膛負(fù)壓變化，需要控制引風(fēng)和送風(fēng)，反過來也要引起氧含量的變化，因此是一個強相關(guān)、強耦合的系統(tǒng)。同時，由于實際過程中燃料的配比不穩(wěn)定，燃料的熱值時好時壞，“負(fù)荷流量”的需要量時高時低，致使被控對象極其不穩(wěn)，所以存在強烈的外部干擾。另外，燃燒系統(tǒng)需要經(jīng)過汽包汽水分離系統(tǒng)才能形成蒸汽，這又使得主蒸汽壓力的響應(yīng)特性具有較大的滯后性。總體說來，蔗渣爐燃燒對象是一個具有多變量、強耦合、強干擾、大滯后等特性的復(fù)雜過程系統(tǒng)。
2.1鍋爐燃燒運行的優(yōu)化控制
蔗渣爐燃燒系統(tǒng)的狀態(tài)好壞直接決定了能源利用率的高低，而鍋爐穩(wěn)態(tài)運行是否處在優(yōu)化狀態(tài)，對燃燒系統(tǒng)來說具有重要的作用。為保證系統(tǒng)能夠高效運行，可以采取2方面的措施：其一是采用自動控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定地運行；其二是保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的最優(yōu)狀態(tài)，對蔗渣鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)進行優(yōu)化。
在這個優(yōu)化模型中，主蒸汽壓力和送風(fēng)量、引風(fēng)量、蔗渣給量以及主蒸汽流量等參數(shù)之間的關(guān)系是一個非線性關(guān)系。因此，在優(yōu)化出決策變量，求得最佳氧含量和爐膛負(fù)壓之值時，必須建立氧含量和送風(fēng)量、引風(fēng)量、蔗渣給量以及主蒸汽流量數(shù)學(xué)模型，求得氧含量和爐膛負(fù)壓的最佳值。
2.2鍋爐運行優(yōu)化控制機理
(1)通過運行歷史數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，建立機組在不同干擾量（負(fù)荷、環(huán)境溫度）下鍋爐各可調(diào)量，如一次風(fēng)壓、二次風(fēng)壓及不同的二次風(fēng)門開度組合、燃燒器傾角、煙氣含氧量、蔗渣給量偏置等，與鍋爐運行性能(NOx和效率)之間的非線性動態(tài)模型。
(2)通過穩(wěn)態(tài)模型，尋優(yōu)機組當(dāng)前可以達到的最佳性能。
(3)采用動態(tài)控制，控制機組達到最佳狀態(tài)，從而實現(xiàn)性能最佳。
2.3具體實現(xiàn)的技術(shù)方案
蔗渣爐運行優(yōu)化控制系統(tǒng)建立在DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過與DCS通信，獲取蔗渣爐機組的所有狀態(tài)與參數(shù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立蔗渣爐燃燒過程的蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓、煙氣氧含量、進料量、蔗渣水分、送風(fēng)量、引風(fēng)量等主要參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，采用廣義預(yù)測控制技術(shù)，實現(xiàn)蔗渣爐燃燒過程自動控制及優(yōu)化，得到影響蔗渣爐運行性能的各個控制量的最優(yōu)值，并以偏置值的形式反饋到DCS，實現(xiàn)蔗渣爐運行性能的閉環(huán)控制。蔗渣爐運行優(yōu)化控制系統(tǒng)給出運行可調(diào)參數(shù)的最佳值，如最佳的蒸汽壓力、蔗渣進料、爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量，最佳的一次風(fēng)壓，二次風(fēng)壓等，并將這些值傳送給DCS，由DCS完成具體的控制任務(wù)。
2.4廣義預(yù)測控制
廣義預(yù)測控制具有一般預(yù)測控制的3大特點：預(yù)測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正，而它與其它預(yù)測控制算法的最大區(qū)別是注重控制量的結(jié)構(gòu)形式，認(rèn)為控制量與一組相應(yīng)于過程特性和跟蹤設(shè)定值的函數(shù)有關(guān)。因此每一時刻計算的控制量等于一組事先選定的函數(shù)線性組合而成，這些函數(shù)稱為基函數(shù)。用這些基函數(shù)的已知過程響應(yīng)，通過對目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化計算得到各基函數(shù)的權(quán)系數(shù)而求出相應(yīng)的控制量。
為了算法實現(xiàn)的方便，廣義預(yù)測的預(yù)測過程模型采用離散狀態(tài)方程形式的參數(shù)模型。控制量被當(dāng)作是基函數(shù)的線性組合，基函數(shù)的選擇與過程的特性和跟蹤設(shè)定值有關(guān)，其表達式如下：
為防止出現(xiàn)控制量劇烈變化和超調(diào)等現(xiàn)象，需引入一條在預(yù)測時域內(nèi)的指數(shù)曲線作為參考軌跡。
廣義預(yù)測控制的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是使得在選定的預(yù)測時域的擬合點上，預(yù)測過程輸出與參考軌跡值差值的平方和最小。
3、效益分析
建立蔗渣爐燃燒過程的蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓、煙氣氧含量、進料量、蔗渣水分、送風(fēng)量、引風(fēng)量等主要參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，采用廣義預(yù)測控制策略，實現(xiàn)蔗渣爐燃燒過程自動控制及優(yōu)化，得到影響蔗渣爐運行性能的各個控制量的最優(yōu)值，并以偏置值的形式反饋到DCS，實現(xiàn)蔗渣爐運行性能的閉環(huán)控制。蔗渣爐運行優(yōu)化控制系統(tǒng)給出運行可調(diào)參數(shù)的最佳值，如最佳的蒸汽壓力、蔗渣進料、爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量，最佳的一次風(fēng)壓，二次風(fēng)壓等，可提高糖廠蔗渣鍋爐燃燒效率3%～5%。
以年榨甘蔗100萬t的糖廠計算（纖維含量11.5%，蔗渣水分48%）：
100萬t甘蔗產(chǎn)出(100×0.115/0.52=22.1) 22.1萬t蔗渣，目前國內(nèi)制糖企業(yè)蔗渣打包率平均5%，蔗渣燃燒用去22.1×(23-5)÷23=17.3（萬t），實現(xiàn)蔗渣爐燃燒過程自動控制及優(yōu)化后，提高燃燒效率3%～5%，節(jié)省蔗渣0.519～0.865（萬t），為企業(yè)產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益為259.5～432.5萬元（蔗渣按500元／t計。
通過先進建模、優(yōu)化、廣義預(yù)測控制技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)糖廠蔗渣鍋爐燃燒過程的自動控制來優(yōu)化燃燒過程，提高燃燒效率，具有投資少、風(fēng)險小、效果明顯的優(yōu)點，可達到節(jié)能減排增效的目的。
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