摘要：垃圾在循環(huán)流化床（CFB）內(nèi)的清潔焚燒要求將整個(gè)垃圾焚燒爐爐膛溫度控制在某一范圍之內(nèi)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的CFB垃圾焚燒爐測(cè)試數(shù)據(jù)，確定了CFB垃圾焚燒爐爐膛溫度分布的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了系統(tǒng)的相對(duì)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(lái)越多的應(yīng)用。為實(shí)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(guò)程需要滿足其清潔焚燒的"3T"準(zhǔn)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(shí)間。對(duì)CFB垃圾焚燒爐而言，湍流度和停留時(shí)間可由其爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證，而垃圾的燃燒溫度則由運(yùn)行調(diào)節(jié)。由于垃圾的焚燒是在整個(gè)爐膛內(nèi)進(jìn)行的，因此要求爐膛內(nèi)各點(diǎn)溫度均維持在850℃~950℃之間。
　　
　　CFB垃圾焚燒爐的爐膛溫度受多個(gè)變量影響，包括垃圾給料量、給煤量、送風(fēng)配比等，這些變量對(duì)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(shí)變性。本文首先根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的CFB垃圾焚燒爐測(cè)試數(shù)據(jù)，確定了CFB垃圾焚燒爐爐膛溫度分布的數(shù)學(xué)模型，在該數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算了系統(tǒng)的相對(duì)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(duì)象描述
　　
　　本文研究的CFB垃圾焚燒爐已運(yùn)行了較長(zhǎng)時(shí)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(jì)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(dòng)態(tài)特性辨識(shí)
　　
　　影響CFB垃圾焚燒爐床溫動(dòng)態(tài)特性的因素很多，理論分析和運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)表明，對(duì)于一定的垃圾成分和煤質(zhì)，垃圾給料量、給煤量和一次風(fēng)量對(duì)爐膛內(nèi)溫度分布的影響zui為明顯，因此試驗(yàn)主要是通過(guò)在正常運(yùn)行允許的范圍內(nèi)合理改變這三個(gè)控制量，以獲取數(shù)據(jù)迸行爐膛溫度分布動(dòng)態(tài)特性的辨識(shí)。
　　
　　試驗(yàn)在控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)的情況下進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中始終保持垃圾成分和煤質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定，每次只改變一個(gè)控制量，使垃圾焚燒爐達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并運(yùn)行一段時(shí)間。在改變其它控制量時(shí)，先使垃圾焚燒爐恢復(fù)到試驗(yàn)的初始狀態(tài)，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間。
　　
　　對(duì)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將垃圾給料速度、給煤速度和一次風(fēng)門(mén)開(kāi)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(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，可得到過(guò)程的傳遞函數(shù)，即爐溫分布的動(dòng)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(yīng)曲線。



　　
　　從圖2可以看出，垃圾給料量增加時(shí)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(shí)，爐膛下部溫度、中部溫度和上部溫度都有所上升;一次風(fēng)量增加時(shí)，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(cè)試結(jié)果表明，風(fēng)量變化對(duì)爐膛溫度的影響比較迅速，幾乎沒(méi)有純滯后，而給煤量變化時(shí)，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(guò)程較慢。
　　
　　3爐膛溫度控制策略及仿真
　　
　　垃圾焚燒爐運(yùn)行過(guò)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(duì)爐膛溫度分布的影響，引入前饋控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)爐溫。用于爐膛溫度的控制量?jī)H僅是給煤量和一次風(fēng)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(fēng)量作為控制量，將出現(xiàn)2輸入3輸出的不可控情況。通過(guò)對(duì)圖2的分析可以知道，爐膛上部、中部溫度對(duì)給煤量和一次風(fēng)量的響應(yīng)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(gè)值，只要將其控制在某一范圍即可。因此，實(shí)際控制時(shí)，可以將爐膛中部和上部溫度當(dāng)作一個(gè)量來(lái)進(jìn)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(shí)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(gè)通道有較強(qiáng)的藕合性，為定量描述這兩個(gè)控制通道之間的藕合程度，進(jìn)行控制變量配對(duì)并解藕，需要計(jì)算這兩個(gè)通道之間的相對(duì)增益矩陣∧的元素記為λij。為uj到y(tǒng)i通道的相對(duì)增益，yi為被控量,uj為控制量。

　　
　　計(jì)算結(jié)果表明,u2與y3、u3，y1構(gòu)成的控制通道均具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，因此可采用給煤量控制下部溫度，一次風(fēng)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(jiàn)這兩個(gè)控制通道之間仍存在較強(qiáng)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(shí)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(duì)方法，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)控制目標(biāo)，但兩個(gè)通道之間仍存在較強(qiáng)的藕合性，需要進(jìn)行解藕以提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

　　
　　根據(jù)爐膛溫度動(dòng)態(tài)特性，采用前饋補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)解藕。記給煤量對(duì)爐膛上部溫度的解藕環(huán)節(jié)為D12（s），一次風(fēng)量對(duì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以僅采取D12（S）進(jìn)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(dāng)爐膛上部溫度y1的設(shè)定值階躍變化10℃時(shí)驢膛上部溫度超調(diào)量減少了3.4℃，過(guò)渡時(shí)間減少了135s，爐膛下部溫度超調(diào)量減少了0.6℃，過(guò)渡時(shí)間減少了160s;爐膛下部溫度y3的設(shè)定值階躍變化10℃時(shí)，爐膛上部溫度超調(diào)量減少了10.3℃，過(guò)渡時(shí)間減少了400s，爐膛下部溫度超調(diào)量減少了2.8℃，過(guò)渡時(shí)間減少了410S?？梢?jiàn)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(huì)對(duì)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(guò)給料速度測(cè)量，因此可以利用垃圾給料速度信號(hào)產(chǎn)生前饋控制作用，對(duì)爐膛溫度進(jìn)行解藕控制。由于爐膛溫度對(duì)垃圾給料量響應(yīng)比給煤和一次風(fēng)量響應(yīng)迅速，根據(jù)"不變性"原理，不可能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)*補(bǔ)償，因此采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法。在計(jì)算前饋補(bǔ)償器時(shí)，去掉了其純遲延環(huán)節(jié)，計(jì)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(bǔ)償器。記垃圾給料量對(duì)爐膛上部溫度的前饋控制為Gf1（s），對(duì)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(jì)算結(jié)果如下:
　　
　　當(dāng)垃圾給料量有10%的階躍變化時(shí)，爐膛溫度響應(yīng)曲線如圖5所示。仿真時(shí)，給煤量和一次風(fēng)量?jī)蓚€(gè)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(guò)渡時(shí)間增加了80S，爐膛下部溫度y3，超調(diào)量減少了3.5℃，過(guò)渡時(shí)間增加了200S。加人垃圾給料前饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)爐膛溫度的影響較快，而煤和一次風(fēng)對(duì)爐膛溫度的影響則相對(duì)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
　　
　?。?）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(qiáng)，造成爐膛溫度分布動(dòng)態(tài)特性具有很大的滯后，且有很強(qiáng)的藕合性。
　　
　?。?）根據(jù)垃圾清潔焚燒的"3T"原則，CFB垃圾焚燒爐的整個(gè)爐膛溫度必須通過(guò)運(yùn)行控制在850℃~950℃之間。實(shí)際控制時(shí)，可以將爐膛中、上部溫度當(dāng)作一個(gè)量來(lái)進(jìn)行控制，控制量為給煤量和一次風(fēng)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(yùn)行要求。
　　
　?。?）由于垃圾焚燒爐床溫分布特性具有時(shí)變性，因此實(shí)際應(yīng)用中必須采用相應(yīng)的自適應(yīng)控制策略，以保證隨著對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的變化，始終具有滿意的控制效果，從而實(shí)現(xiàn)垃圾的清潔焚燒。