基于DCS的垃圾焚烧炉系统智能控制策略turn
基于DCS的垃圾焚烧炉系统智能控制策略
The Strategy of Intelligent Control for Municipal
Waste Incineration System Based on
作 者 ：重庆同兴垃圾发电厂 华祥贵
关键词： 垃圾焚烧炉 燃烧稳定性 集散控制系统 智能控制
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1 引言
城市生活垃圾是人们生活中产生的固体废弃物, 在输送、贮存与燃烧过程均存在产生二次污染的可能，对大气、土壤、水等造成污染，不仅影响城市环境质量，而且威胁着国民的健康，成为社会公害之一。因此能否妥善解决垃圾问题，是关系到国计民生的一件大事，是环境治理的一项主要内容，尽管在城市生活垃圾处理方面取得了显著的成绩，如2002年垃圾清运量 13638万吨，其中无害化处理量为7404吨，无害化处理率已达到54%，但形势不容乐观，仍然是严峻的。以北京市为例，日产生活垃圾总量就达2.09 万吨，相当于两座石景山的体积，每年运送这些垃圾就要耗去北京市财政近7亿元。据预测，按现在垃圾增长的速度，2010年我国城市生活垃圾产生量将达到 2.64亿吨，2030年为4.09亿吨，2050年为5.28亿吨。在这样的形势下，城市污染防止已成为我国现代化建设中一个越来越紧迫的问题，因此提高垃圾处理技术的水平是重要的研究课题。文中结合重庆同兴垃圾发电厂焚烧垃圾的工程实践，针对马丁公司的Sity2000焚烧炉工艺特性，简要讨论了基于 DCS的垃圾焚烧炉系统的智能控制策略问题。
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2 控制系统结构的选取
2.1 工艺分析与结构设计
焚烧炉燃烧控制的因素有:过热蒸汽的温度、压力，汽包水位，给料器和炉排速度，烟气控制，炉膛负压控制，省煤器出口温度控制，烟气含氧量控制等。作为一个 系统，除了考虑前已述及的控制因素外，必须考虑系统的管理功能，因此采用分布式控制系统DCS，以多台计算机分别承担不同的控制功能，这样不仅其处理能力 大大提高，而且可将危及系统安全的因素降低。DCS系统的最基本构成形式如图1所示，图中:C1，C2，……，Cn为控制信息，f1，f2，……fn为反 馈信息。对DCS系统而言，各控制单元之间没有直接信息联系，各控制单元有自己的性能指标，控制策略和控制算法，且其性能指标和控制算法等由决策单元按一 定优化准则给出。如果1中去掉决策单元，就成了分散控制系统(Decentralized Control System)，它并不具备DCS的上述特性。在工程中，DCS系统除完成控制功能，还要实现监视、管理等其它功能，其系统组成框图如图2所示。由图2可 见，DCS系统实际上是一种分级递阶结构。各控制器完成过程现场的控制任务，根据控制对象特性，可以分别情况，采用顺序控制，程序控制，模拟量控制等等， 其控制策略与控制算法要随被控对象与要求而定。数据采集器用于收集控制信息和被控过程的各种状态信息，数据采集任务不但可由控制器完成，也可由一般仪表和 逻辑箱完成。控制器和数据采集器在控制现场对信号进行预处理后经高速数据通道送到上级计算机和CRT操作站，CRT操作站是显示操作装置，监控级(计算 机)通过协调各控制器的工作，实现控制过程的动态最优化。管理级(计算机)具有管理功能，又兼具对监控级实现监控功能，它具有丰富的信息资源，能够对被控 对象进行监控，制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理等，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。http://bunuoke000.blogspot.com/2007/03/dcs.html turn intertnet
图1 DCS的基本构成形式
图2 DCS系统组成框图
2.2 DCS系统结构特点http://bunuoke000.blogspot.com/2007/03/dcs.html turn intertnet
(1) 采用分级递阶式控制
以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常规的模拟控制，并且能实现复杂算法控制和程序控制。在基本控制器内可采用固化的应用软件，在控制 现场对输入输出数据进行数据处理，减少信息的传输，大大减少了上级计算机的数据处理量，降低了对上级计算机的要求，使系统程序应用较为简单。
(2) 采用物理上的分散结构，实现了分散控制
在现场就地安装控制器，不仅节省了输入输出电缆，同时减少了传输信号的干扰。在功能上控制器可以做到各自为政，各自独立完成各自的功能，使系统故障分散，从而使系统可靠性大为提高。
(3) 具有计算机的通讯系统，可实现综合控制
高速数据通道的通信系统，可实现各控制器、监控计算机和管理计算机的综合控制，通过高速数据通道，能把各自为政的控制器与监控计算机联系起来，进行协调控 制。利用监控计算机的运算能力，能完成高级复杂的控制算法，以实现整体的最优化。利用管理计算机丰富的软硬件资源和信息资源，实现计划、管理、决策的最优 化，从而实现整个系统控制的最优化。
(4) 可设置多功能的CRT操作站以实现集中监控与操作
CRT是DCS的人—机接口，CRT操作站可以存取和显示多种画面，用以全面监控全部控制过程变量以及其它参数，并可直接远程操作各控制器，从而实现集中 监视和集中操作。DCS的基本骨架是计算机网络，然后是连接在网络上的三类节点——面向被控过程现场的现场I/O控制站、面向操作人员的操作站和面向 DCS监督管理人员的工程师站。现场控制站是完成对过程现场I/O处理的直接数字控制器(DDC)，它对现场发生的过程量作数字采集和存贮，并通过网络向 上传送，同时本身也完成局部的闭环控制与顺序控制。操作员站主要功能是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员了解现场的运行状态、各种运行参数的当 前值、是否出现有异常情况等的报警显示，并可作历史趋势、系统状态等多种显示，操作员通过键盘可对过程进行调节和控制。工程师站用于对DCS进行离线的配 置、组态工作和在线的系统监督、控制和维护。
由于DCS系统采用大系统分级递阶控制的思想，可将生产的产生过程作水平分解，而将功能作垂直分解，这样生产过程的控制就可采用全分散的结构，而生产过程 的信息可全部集中并存储于数据库中，利用通信网络向上传递，这种控制分散、信息集中的结构使系统的危险分散，提高了可靠性。控制系统实现如图3所示，系统 中包含有时间上离散、幅度上量化的数字信号e(k)和u(k)，由于被控对象大部分为模拟信号，而计算机只能处理数字信号，因此两者之间必须执行A/D和 D/A转换，以实现这两种信号之间的相互转换。
图3 计算机控制系统
在控制过程中，计算机直接参与控制过程，过程输入通过控制算法运算后得到控制输出，以计算机取代模拟调节器，直接通过接口控制执行机构，从而实施对现场被 控过程的控制，使被调量保持在给定值，由于回路控制较少，DDC系统由被控对象(生产过程)、检测仪表、执行装置和数字控制调节器组成，其优点是计算机运 算能力强，很容易实现比较复杂的控制规律，其框图如图4所示: http://bunuoke000.blogspot.com/2007/03/dcs.html turn intertnet
图4 直接数字控制DDC
3 优化焚烧过程对控制系统的要求
3.1 焚烧流程
现以重庆同兴垃圾发电厂采用的马丁SITY2000逆推式倾斜炉排式垃圾焚烧炉焚烧过程为例，讨论焚烧过程对控制系统的要求。城市生活垃圾经过环卫部门收 集运送至垃圾焚烧电站，储存在垃圾堆放池中，然后通过垃圾吊抓取，从料斗进入料井，当垃圾充满料斗与料井后将炉室封闭，根据燃烧控制指令通过液压式加料器 按设定的速度将垃圾加入炉内，垃圾在炉内运动的炉排上燃烧。焚烧过程中，一次风由炉排下方的空气室吹入，在穿过垃圾层的过程中与垃圾发生化学燃烧反应，促 使垃圾燃烧。二次风由炉排上方的风管吹入，二次风的作用是促使挥发气体和料床上未燃尽的垃圾燃烧。此外，烟气空气预热器设有旁路，可以通过调节旁路挡板来 改变风温，控制炉温趋于稳定，焚烧流程如图5所示:
图5 垃圾焚烧流程图
3.2 焚烧产生的二次污染源
值得注意的是在高温焚烧处理的过程中，潜伏着以下主要二次污染源:
(1) 焚烧过程产生的烟气形成的气体污染源;
(2) 焚烧残渣及烟气净化系统收集的灰尘和反应生成物形成的固体污染源;
(3) 垃圾存储期间产生的渗滤液形成的液体污染源;
(4) 垃圾散发的特有恶臭气体污染源;
(5) 垃圾焚烧厂噪音污染源。因此，二次污染的防治是制约垃圾焚烧的关键技术因素，特别是烟气处理的成败。如果只考虑如何将垃圾烧掉，而忽略了垃圾焚烧所产生二 次污染的防治问题，那么，焚烧产生的二次污染所带来的严重后果甚至比垃圾本身给人类带来的危害要大得多。有鉴于此，无害化处理等指标成了衡量垃圾焚烧处理 效果的主要评判标准，因此深入了解垃圾焚烧废气污染的形成机制，对垃圾焚烧二次污染防治有深远的意义，直接影响到垃圾焚烧的效果。焚烧烟气中常见空气污染 物有:粒状污染物、酸性气体、氮氧化物、重金属、一氧化碳与微量有机氯化物等。针对存在的毒性有机氯化物、特别是二噁英，国内外对它在焚烧过程中的生成机 理有过很多的研究，鉴于二英的毒性如此之高，1998年世界卫生组织规定的人体每日容许摄入量已经从极低的10皮克减低到1～4皮克(万亿分之一克)(以 每公斤体重计)，二噁英的生态危害早已随多氯联苯灾难闻名于世，在发达国家二噁英已经到了谈及色变的程度。然而，城市固体废物焚烧是二噁英排放的主要污染 源之一，在燃烧处理过程中若处理不当极易产生二噁英。为了控制二噁英、吠喃等特殊毒害性气体的产生，垃圾焚烧炉膛必须保持较高的温度场，把垃圾控制在 850℃以上的温度环境中燃烧，且烟气在炉内停留时间大于2s，才能保证约99.9%的二噁英能够被分解。总之，城市生活垃圾焚烧过程中二噁英类的生成量 与燃烧状态的好坏有直接的关系。决定生活垃圾焚烧状况好坏的因素主要为垃圾燃烧温度、垃圾及高温烟气在焚烧炉内的停留时间、二次空气的漩涡喷入及搅拌烟气 使之完全燃烧的情况、即湍流度等。重庆同兴生活垃圾处理厂有两座焚烧炉，如图6所示。该厂有两台1.2万千瓦汽轮发电机组，日处理生活垃圾1000吨，日 发电量30余万千瓦时，垃圾焚烧引进法国ALSTOM技术并实现国产化，是三峡库区第一座现代化日处理1000吨大型城市生活垃圾焚烧发电厂，实现了完全 依靠垃圾热量发电。
图6 生活垃圾处理厂
3.3 优化焚烧对控制的要求
(1) 焚烧过程的四个阶段
l 干燥阶段;
l 热分解阶段;
l 焚烧处理的主阶段，即真正的燃烧阶段;
l 燃尽阶段，即可燃质最后燃尽生成固态残渣的阶段。焚烧烟气中常见空气污染物:粒状污染物，飞灰、无机盐微粒及未燃烧完全的碳颗粒和煤烟;酸性气体， HCl、HF、SO2;氮氧化物，NOx;重金属，元素态重金属、重金属氧化物及重金属氯化物;一氧化碳与微量有机氯化物，CO、PCDDs和多氯代二苯 并呋喃(PCDFs)。焚烧炉燃烧控制系统的四个控制参数是:焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间和过剩空气率。
(2) 焚烧炉燃烧控制的目标
l 使炉内温度达到预定高温值并减少波动;
l 维持稳定的燃烧，减少二噁英类有机氯化物的生成;
l 达到预定的垃圾处理量;
l 使废气中含有较少量的悬浮微粒、氮氧化物及一氧化碳;
l 焚烧残渣灼烧减量达到设计值;
l 维持稳定的蒸汽流量;
l 减低人为的操作失误。
(3) 焚烧炉燃烧控制的因素有
l 过热蒸汽的温度、压力，汽包水位;
l 给料器和炉排速度;
l 烟气在850℃温度和2s停留时间的控制;
l 炉膛负压控制;
l 省煤器出口温度控制;
l 烟气含氧量控制。
炉温波动将引起燃尽率的变化，导致灰渣热灼减率超标，同时也会影响蒸汽的生产，降低焚烧炉运行的经济性;工程实践表明，炉温控制在850～950℃范围内，烟气在线监测污染物的排放较小，蒸汽产量稳定，且灰渣热灼减率也是最小而且稳定的。
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4 焚烧炉系统智能控制策略
4.1 控制策略选取与控制算法
焚烧炉控制系统虽然算不上是一个很大的系统，但却是一个复杂系统，除了考虑对焚烧炉的燃烧过程控制以外，过热蒸汽的温度、压力，汽包水位，给料器和炉排速 度,烟气控制，炉膛负压控制，省煤器出口温度控制，烟气含氧量控制以及垃圾存储期间产生的渗滤液形成的液体污染水处理等等都需要控制，因此需要根据不同的 控制对象采取不同的控制策略，其中以对液体污染水处理和烟气处理控制要求最高，它们控制的对象都是复杂对象(或过程)，表现出如下的特性: 系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性，系统时滞的未知性和时变性，系统严重的非线性，系统各变量间的关联性，环境干扰的未知性、多样性和随机性。面 对上述特性，因其属于不确定性复杂对象(或过程)的控制问题，传统的常规控制方法(如PID等)难以对这类对象实施有效的控制，必须探索更有效的控制策 略。
附表 智能控制算法简表
对复杂系统可供选择的策略只能是智能控制策略(见附表)，包括神经网络控制、模糊控制、实时专家系统控制、遗传算法控制、免疫进化控制、仿人智能控制等等。
(1) 仿人智能控制独特的优越性
l 可以采用开闭环控制相结合和定性决策与定量控制相结合的多模态控制方式;
l 可根据在线辨识和特征记忆的结果灵活采取不同的控制模态，具有人控制器所具有的灵活性;
l 可同时照顾相互矛盾的、常规单模态控制所无法兼顾的控制品质(快速性、稳定性和准确性)。
(2) 动、静态指标
本文之所以采用这种控制策略，是因为垃圾焚烧炉温及烟气处理控制与废水处理效果都可以方便地用经典时域性能的动、静态指标描述:
l 以“上升时间”描述系统的快速性;
l 以“超调量”和“调节时间”描述系统的相对稳定性;
l 以“稳态误差”描述系统的精确性。此外，这种控制策略还可方便地用产生式规则If Condition Then Action总结现场经验和操作人员的智慧，并方便地加入推理结构中。智能控制模式、规则及控制算法归纳如表1所示，表中e=r-y为系统的误差，r为给 定值，y为被调量;KP为比例增益;K1为增益放大系数，K1>1;K2为抑制系数，0
4.2 控制器结构与控制模态
为了取得更好的控制效果，总结工程技术人员的现场经验及操作人员的智慧是必要的，控制器的结构如图7所示。控制器的特征模型如图8所示。
图7 智能控制器的结构
图8 控制级的特征模型
根据偏差e和偏差变化速度 
，运行控制级可以按表1控制模态的相应控制算法方便地计算出输出控制量:
(1) 在偏差很大时，对应区域①，采用尽可能大的控制作用:磅-磅控制;
(2) 在偏差及偏差变化率均很小(满足要求)时⑤，对应区域，为了消除误差，采用PID控制;
(3) 如果偏差较大，对应区域②，采用比例模态控制，同时为了保证偏差变化速度不是太大，在比例模态的基础上引入弱微分控制;
(4) 在偏差减小过程中，若偏差变化速度低于或者等于预定速度时，对应区域④，采用比例模态加微分模态控制;
(5) 在偏差减小过程中，若偏差变化速度大于预定的速度时，对应区域③，在比例模态的基础上，引入强微分控制，使得偏差变化速度尽可能快的减小。
4.3 仿真实验与分析
采用工业控制对象中常见的二阶环节大滞后环节为例，分别采用PID+史密斯预估器的控制算法和基于仿人智能控制(HSIC)算法进行仿真,设被控对象控制模型为
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在延迟时间分别为τ=2s和τ=50s时对系统进行仿真比较，响应曲线如图9(a),图9(b)和图10所示。图11显示的是加入外部扰动时的响应曲线;加入的扰动为脉冲信号，其宽度为0.2s，振幅分别为1.0。
从图9到图11可以看出，无论从系统响应的快速性、稳定性、超调，还是系统的抗干扰能力，HSIC的性能都优于PID+史密斯预估器的最优控制算法。
图9(a) τ=2s时PID和HSIC响应曲线
图9(b) τ=10s时PID和HSIC的响应曲线
图10 τ=20s时PID和HSIC的响应曲线
图11 τ=10s时脉冲干扰下PID和HSIC的跃响应曲线
此外，当外部扰动变化时，如空气量不变，主汽压力不变，垃圾量增加5%扰动;空气量不变，主汽压力不变，垃圾量减少5%扰动;垃圾量不变，空气量增加5% 扰动;垃圾量不变，空气量减少5%扰动;主汽压力不变，垃圾水份增加10%扰动;主汽压力不变，垃圾水份减少10%扰动等等，对输出的响应几乎没有什么多 少影响，说明这种控制策略是有效的，并且有很强的鲁棒性。
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5 结束语
由于焚烧炉系统是一个复杂系统，除了考虑焚烧炉的燃烧过程控制，过热蒸汽的温度、压力，汽包水位，给料器和炉排速度，烟气控制，炉膛负压控制，省煤器出口 温度控制，烟气含氧量控制以外，还要考虑垃圾存储期间产生的渗滤液形成的液体污染水处理等等都需要控制。因此需要根据不同的控制对象采取不同的控制策略， 其中以对液体污染水处理和烟气处理的控制要求是相当高的，可以采用智能控制策略。重庆同兴生活垃圾处理厂2005年3月投入运行以来，系统运行稳定可靠， 无需辅助燃料，实现了完全依靠垃圾热量发电的目标。以上讨论的垃圾焚烧炉系统智能控制策略是基于运行经验及存在问题的总结在优化系统运行时需要考虑的问 题。http://bunuoke000.blogspot.com/2007/03/dcs.html turn intertnet
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