摘要：垃圾在循環(huán)流化床（CFB）內(nèi)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(nèi)。根據(jù)實際運行的CFB垃圾焚燒爐測試數(shù)據(jù)，確定了CFB垃圾焚燒爐爐膛溫度分布的數(shù)學模型，并在此基礎(chǔ)上，計算了系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計保證，而垃圾的燃燒溫度則由運行調(diào)節(jié)。由于垃圾的焚燒是在整個爐膛內(nèi)進行的，因此要求爐膛內(nèi)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(xiàn)時變性。本文首先根據(jù)實際運行的CFB垃圾焚燒爐測試數(shù)據(jù)，確定了CFB垃圾焚燒爐爐膛溫度分布的數(shù)學模型，在該數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，計算了系統(tǒng)的相對增益矩陣，并據(jù)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(jié)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　
　　該焚燒爐以煤為輔助燃料，其設(shè)計垃圾處理量為150t/d,蒸發(fā)量為10t/h，垃圾焚燒溫度為850℃~950℃。
　　
　　2爐膛溫度分布動態(tài)特性辨識
　　
　　影響CFB垃圾焚燒爐床溫動態(tài)特性的因素很多，理論分析和運行歷史數(shù)據(jù)表明，對于一定的垃圾成分和煤質(zhì)，垃圾給料量、給煤量和一次風量對爐膛內(nèi)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(nèi)合理改變這三個控制量，以獲取數(shù)據(jù)迸行爐膛溫度分布動態(tài)特性的辨識。
　　
　　試驗在控制系統(tǒng)開環(huán)的情況下進行，試驗過程中始終保持垃圾成分和煤質(zhì)的相對穩(wěn)定，每次只改變一個控制量，使垃圾焚燒爐達到穩(wěn)定狀態(tài)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(tài)，并穩(wěn)定運行一段時間。
　　
　　對試驗得到的數(shù)據(jù)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(jù)測試數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識，可得到過程的傳遞函數(shù)，即爐溫分布的動態(tài)特性。其傳遞函數(shù)分別為式（1）~（9）所示，圖2為傳遞函數(shù)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(jié)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(wù)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(jù)其對爐膛溫度分布的影響，引入前饋控制信號來調(diào)節(jié)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(xiàn)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(fā)，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(shè)定值為900℃，爐膛下部溫度設(shè)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y(tǒng)i通道的相對增益，yi為被控量,uj為控制量。

　　
　　計算結(jié)果表明,u2與y3、u3，y1構(gòu)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(shè)定值分別有10℃階躍變化時的仿真結(jié)果如圖3。結(jié)果表明，采用目前的控制變量配對方法，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)的品質(zhì)。

　　
　　根據(jù)爐膛溫度動態(tài)特性，采用前饋補償?shù)姆椒▉斫馀骸Ｓ浗o煤量對爐膛上部溫度的解藕環(huán)節(jié)為D12（s），一次風量對爐膛下部溫度的解藕環(huán)節(jié)為D33（s），則:

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

　　
　　垃圾給料量會對爐膛溫度控制產(chǎn)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(chǎn)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(jù)"不變性"原理，不可能實現(xiàn)動態(tài)*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(huán)節(jié)，計算公式為:

　　
　　式（14）中，Gd（s）為G11（s）、G31（s）去掉純遲延后的環(huán)節(jié)，Gp（s）為G12（s）、G33（s）去掉純遲延后的環(huán)節(jié)，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(jié)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(diào)量減少了3℃，過渡時間增加了80S，爐膛下部溫度y3，超調(diào)量減少了3.5℃，過渡時間增加了200S。加人垃圾給料前饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的動態(tài)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(jié)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(guān)系很強，造成爐膛溫度分布動態(tài)特性具有很大的滯后，且有很強的藕合性。
　　
　　（2）根據(jù)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(gòu)成了關(guān)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(tài)特性的變化，始終具有滿意的控制效果，從而實現(xiàn)垃圾的清潔焚燒。