加热炉热效率多区域智能在线优化控制方法

摘要：

加热炉热效率多区域智能在线优化控制方法，属于加热炉热效率控制技术领域，其特征在于，热效率优化的离线部分根据热负荷对加热炉工况进行工作区域划分，通过历史数据挖掘，得到每一工作区域内氧含量和负压的优化值。在线部分根据过程实时数据确定加热炉的工作区域，以离线部分获得的氧含量和负压的优化值为起点，使负荷变化时能及时地保持在较优的工作状态，在操作平稳时，进行热效率自寻最优控制以此达到既快速寻优且长期工作在优化状态附近的目的。烟风系统的控制采用基于“动态前馈，稳态反馈”的控制方法，对氧含量和炉膛负压进行区域控制，可保证加热炉工作在热效率优化方法所给出的优化工作点附近，实现热效率最优。

专利类型：发明专利

申请/专利号：CN201010217097.3

申请日期：2010-07-02

公开/公告号：CN101881563A

公开/公告日：2010-11-10

主分类号：F27D19/00(2006.01)I

申请/专利权人:清华大学

发明/设计人:黄德先;张伟勇;吕文祥;李映

主申请人地址:100084 北京市100084-82信箱

专利代理机构:北京众合诚成知识产权代理有限公司 11246

代理人:朱琨

国别省市代码:北京;11

权利要求：

加热炉热效率多区域智能在线优化控制方法，其特征在于，所述方法是在上位机中依次按以下步骤实现的：步骤A：上位机初始化：在所述上位机中设立以下模块：在线优化模块、烟风系统控制模块以及实时数据库/OPC通讯软件模块，其中：在线优化模块，通过所述操作控制通过OPC通讯软件从加热炉被控对象和集散控制系统采集加热炉的实时数据，并把加热炉的热负荷区域的历史优化工作点和热负荷的当前优化工作点送往所述实时数据库供所述烟风系统控制模块使用；烟风系统控制模块，在所述OPC通讯软件作用下，实时采集氧含量和炉膛负压等数值，并读取所述实时数据库中在线优化模块所确定的优化工作点，对燃料增加时的空燃比、热负荷区域氧含量和热负荷区域的炉膛负压进行控制，使氧含量和炉膛负压维持在优化工作点附近，所计算的控制作用通过所述OPC通讯软件送往所述加热炉被控对象和集散控制系统；步骤B：所述在线优化模块，依次按以下步骤进行热效率离线优化和热效率在线优化：步骤B1：热效率离线优化，其步骤如下：步骤B1.1：阶跃测试获得热效率的稳态响应时间：在过程平稳情况下，对氧含量设定值施加阶跃测试信号，记录热效率变化曲线，获得热效率的稳态响应时间Tr；步骤B1.2：设定采样周期T，T∈[0.25Tr，Tr]，并采集下述加热炉现场数据：加热炉氧含量、加热炉炉膛负压、加热炉出口温度、加热炉入口温度、加热炉进料流量、燃料流量和进风量，并按以下步骤进行离线建模分析；步骤B1.3：对被加热介质无相变的加热炉，计算加热炉的有效热负荷Q(k)：Q(k)＝F(k)Cp[Tout(k)-Tin(k)]其中：k为采样时刻，Q(k)为k时刻加热炉的有效热负荷，F(k)为k时刻被加热介质的流量，Tout(k)为k时刻被加热介质的出口温度，Tin(k)为k时刻被加热介质的入口温度，Cp为被加热介质的比热；步骤B1.4：利用热负荷区域分类器按照热负荷的大小将加热炉热负荷所处的工作区域分为N个区域，如N＝5，区域用Ωi表示，i＝1，2，......，5；当加热炉正常热负荷的工作范围在设计有效热负荷Q0的0.75倍至1.25倍之间变化时，5个区域的区域限分别为：[0.75Q0?0.85Q0)，[0.85Q0?0.95Q0)，[0.95Q0?1.05Q0)，[1.05Q0?1.15Q0)，[1.15Q0?1.25Q0]使用ΩiL、ΩiH分别表示区域Ωi的下限和上限；步骤B1.5：根据正平衡法计算热效率： <mrow> <mi>&eta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>Q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>f</mi> </msub> <msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>其中：η(k)为k时刻计算热效率值，Ff(k)为k时刻为燃料流量，Hf为燃料燃烧热值；步骤B1.6：根据步骤B1.2中得到的历史数据，寻找热负荷工作区域Ωi内加热炉的历史优化工作点： <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mi>max</mi> <mrow> <msub> <mi>O</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </munder> <msub> <mi>&eta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1,2</mn> <mo>,</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>,</mo> <mn>5</mn> </mrow>其中：ηi(k)为热负荷工作区域Ωi内k时刻计算热效率值，O2i(k)为k时刻对应的氧含量测量值，Pi(k)为k时刻对应的炉膛负压测量值；把使热效率最大的氧含量和炉膛负压值作为所述热负荷工作区域Ωi内加热炉的历史优化工作点，用Ωi，opt表示：Ωi，opt＝{O2i，opt?Pi，opt}????i＝1，2，…，5其中：Ωi，opt为热负荷工作区域Ωi历史优化工作点，O2i，opt为热负荷工作区域Ωi内氧含量历史优化值，Pi，opt为热负荷工作区域Ωi内炉膛负压历史优化值；步骤B2：热效率在线优化，其步骤如下：步骤B2.1：采集过程的实时数据，包括：加热炉氧含量、加热炉炉膛负压、加热炉出口温度、加热炉入口温度、加热炉进料流量和燃料流量；步骤B2.2：利用步骤B1.4中的热负荷工作区域分类器判断过程当前所处的热负荷工作区域Ωi，并获取对应的离线计算所得的历史优化点数值Ωi，opt；步骤B2.3：按步骤B1.5所述方法计算当前时刻热效率η(k)；步骤B2.4：按如下的判定准则判断过程是否出于稳定状态： <mrow> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>L</mi> </mfrac> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi> </munderover> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>jl</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mi>j</mi> </msub> </mfrac> <mo>|</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&lt;</mo> <mi>&epsiv;</mi> </mrow>其中：yjl(j＝1，2，3)分别为特征变量(加热炉出口温度、炉膛温度和进料量)的第l个值，L是判断过程是否处于稳定的历史数据长度，L*T＝30min，T是采样周期，是选择的第j个特征变量的平均值，ε是预先指定的稳态判定阈值，取值范围为(0，0.1)；步骤B2.5：按以下步骤确定当前热负荷下优化工作点：步骤B2.5.1：若过程处于稳定状态，则热效率在线寻优采用自寻最优控制方法，以氧含量设定值为调优变量，以历史优化工作点O2i，opt为初始值，在线寻找使热效率最高的氧含量设定值O2s(k)，步骤如下：步骤B2.5.1.1：计算相对上一时刻k-1的热效率的变化值Δη(k)：Δη(k)＝η(k)-η(k-1)；步骤B2.5.1.2：若|Δη(k)|＜Δηmin，则停止寻优并记录此时的氧含量设定值，其中Δηmin为预设的热效率调整死区；步骤B2.5.1.3：若|Δη(k)|≥Δηmin，则以ΔO2s(k)为所述氧含量设定值O2s(k)的寻优步长自动寻优： <mrow> <mi>&Delta;</mi> <msub> <mi>O</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&lambda;</mi> <mfrac> <mrow> <mi>&Delta;&eta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>&Delta;</mi> <msub> <mi>O</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>O</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>O2s(k)＝O2s(k-1)+ΔO2s(k)其中：λ为调整系数，取值范围为(0，1]；步骤B2.5.2：若过程未处于稳定状态，以历史优化工作点O2i，opt为设定值O2s(k)，保证加热炉处于次优的工作状态；步骤B2.6：所计算氧含量设定值O2s(k)送往所述实时数据库，供所述烟风系统控制模块中的氧含量控制器来块实施；步骤C：所述烟风系统控制模块的控制对象包括氧含量、炉膛负荷和燃料增加时的空燃比，控制目标是把所述氧含量和炉膛负压控制在由所述离线优化和在线优化共同得出的优化给定点或给定范围内，步骤如下：步骤C1：阶跃测试获得氧含量和炉膛负压的稳态响应时间：在过程平稳情况下，对进风量施加阶跃测试信号，记录氧含量变化曲线，获得氧含量的稳态响应时间TO2ss；在过程平稳情况下，对鼓风机入口挡板施加阶跃测试信号，记录炉膛负压变化曲线，获得炉膛负压的稳态响应时间TPss；步骤C2：设定烟风控制系统模块的控制周期为Tc，Tc＝min(TO2ss，TPss)/40；步骤C3：燃料增加时对空燃比按以下步骤进行控制：步骤C3.1：若燃料增加量ΔFf(kc)相对上一次进风量调整时刻kc-1的燃料量Ff0比值超过预设阈值β，β∈(0，0.2]，即 <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>&Delta;</mi> <msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>></mo> <mi>&beta;</mi> </mrow>则燃料增加时进风的前馈变化量ΔFaF(kc)为ΔFaF(kc)＝α·AFR·ΔFf(kc)其中：ΔFf(kc)＝Ff(kc)-Ff0为燃料变化量，Ff(kc)为燃料流量，α为过剩空气系数，对燃料气取值范围为[1.05，1.15]；AFR为理论空气燃料比，对燃料气，其计算为： <mrow> <mi>AFR</mi> <mo>=</mo> <mn>0.01</mn> <mo>&times;</mo> <mn>4.76</mn> <mo>&times;</mo> <mo>[</mo> <mn>0.5</mn> <mi>CO</mi> <mo>+</mo> <mn>0.5</mn> <msub> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>n</mi> <mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>H</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>1.5</mn> <msub> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>S</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>O</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>]</mo> </mrow>其中：CO，H2，CmHn，H2S，O2为燃料气中各组分含量，以％为单位；步骤C4：按以下步骤对氧含量进行区域控制：步骤C4.1：若氧含量的设定值为O2s，其允许的区域范围为：[O2s-δ?O2s+δ]其中：δ为氧含量偏离设定值O2s的区域限，δ∈(00.5)；步骤C4.2：在氧含量控制时刻kc，若O2(kc)＞O2H或者O2(kc)＜O2L，其中O2H＝O2s+δ，OL＝O2s-δ，且所述氧含量控制器不处于等待时间，则按下式计算所需的进风量变化： <mrow> <mi>&Delta;</mi> <msub> <mi>F</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>O</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>O</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>21</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>O</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>s</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>[</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> </mrow>其中：ΔFa(kc)为进风量的变化量，O2s为氧含量的设定值，O2(kc)为氧含量的测量值；若O2L≤O2(kc)≤O2H，则ΔFa(kc)＝0；根据氧含量控制时刻kc的炉膛负压P(kc)按以下原则修正进风量变化量ΔFa(kc)：若P(kc)＞PHS，PHS为炉膛负压的安全上限，且进风量的变化量ΔFa(kc)＞0，则保持进风量不变，使ΔFa(kc)＝0，若P(kc)＜PLS，PLS为炉膛负压的安全下限，且进风量的变化量ΔFa(kc)＜0，则保持进风量不变，使ΔFa(kc)＝0；步骤C4.3：按下式计算所需的进风量：Fa(kc)＝Fa(kc-1)+ΔFa(kc)其中：Fa(kc)为进风量；对过程做出反馈调节后，等待一个氧含量的稳态响应时间TO2ss；步骤C5：按以下步骤对炉膛负压进行区域控制：步骤C5.1：若炉膛负压的设定值为Ps，且处于热负荷工作区域Ωi，则Ps＝Pi，opt，i＝1，2，…，5，其允许变动的区域范围为：[Ps-σ?Px+σ]其中：σ为炉膛负压偏离设定值的区域限，δ∈(0?10)；步骤C5.2：在炉膛负压控制时刻kc，若P(kc)＞PH或者P(kc)＜PL，其中PH＝Ps+σ，PL＝Ps-σ，且所述炉膛负压控制器不处于等待时间，则炉膛负压的偏差为eP(kc)＝Ps-P(kc)，则引风机入口挡板变化量ΔMV2(kc)为 <mrow> <mi>&Delta;</mi> <msub> <mi>MV</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>e</mi> <mi>P</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> </mrow>其中：K1为引风机入口挡板与负压变化的比例系数；对过程做出反馈调节后，等待一个炉膛负压的稳态响应时间TPss；其他情况下，ΔMV2(kc)＝0；步骤C5.3：按下式对鼓风机变频的变化进行前馈控制：ΔMV2F(kc)＝K2ΔMV1(kc)其中：ΔMV2F(kc)为引风机入口挡板的前馈变化，ΔMV1(kc)＝MV1(kc)-MV1(kc-1)为鼓风机变频输出的变化，K2为挡板变化与变频输出之间的前馈系数。FSA00000168763000041.tif