变频调速系统在CFB炉中应用的相关技术探讨

2  CFB垃圾焚烧炉及其焚烧特性
一般垃圾焚烧炉的主要形式有两种:炉排式焚烧炉和CFB垃圾焚烧炉，前者在400~600℃高温下产生的挥发性物质，在烟气中易合成为二次剧毒污染物二恶英，后者则不产生污染物二恶英，因此CFB垃圾焚烧炉更受欢迎。实验证明，对CFB垃圾焚烧炉而言，当烟气温度高于1000℃时或烟气温度高于780℃并在炉内停留时间超过2秒时，均不产生二恶英。CFB垃圾焚烧炉内的垃圾颗粒上下流动，当炉膛高度大于烟速乘2秒时也不会产生二恶英，这在CFB垃圾焚烧炉的设计中是完全可以实现的。此外，CFB炉的优点是效率高、垃圾减量明显，不用助燃油，可节省成本，可分布式建在市区内，减少垃圾的贮运量等。CFB垃圾焚烧炉因其成本低、二次污染小、能量综合利用率高等原因得到越来越多的应用。为实现垃圾的清洁焚烧,减少和避免二恶英的生成，焚烧垃圾需要在一定的焚烧温度和湍流度下停留一定的时间。对CFB垃圾焚烧炉而言，湍流度和停留时间可由其炉膛结构设计保证，而垃圾的燃烧温度可在运行过程加以调节。由于垃圾的焚烧是在整个炉膛内进行的，因此要求炉膛内各点温度均维持850℃~950℃之间。因此，在焚烧法处理垃圾时，必须特别注意烟气的处理问题。二次污染是在燃烧过程中产生的，污染的降低或消除离不开燃烧这个过程。其中，充足的空气(氧气)是保证充分燃烧的前提，如何获得足够的空气是解决焚烧的二次污染问题的关键。这涉及到许多技术问题，本文从技术实现角度，对垃圾焚烧控制过程中的关键技术作些探讨，包括变频调速与控制技术及实现的软件系统选择问题等。

3  变频调速技术的应用
3.1 变频调速特性
按照电机理论，电机转速公式为:从公式可以看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可平滑地调节电机转速，从而可以连续方便地改变风机的风量。风机是泵类负载，属平方转矩负载，其转速n、流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n, H∝n2, P∝n3，由上述分析可知，通过改变电动机转速就可方便地改变风机的风量，保证空气燃料比的优化;通过改变电动机转速，可以有效保证系统期望的工况，降低系统的电动损耗。在监控系统中使用变频调速技术(变频器)有以下优点:
(1) 可方便地实现电机软起动、自由停车。电机均通过变频器或软起动从0~50Hz作缓慢加速起动，减少了机泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击;
(2) 可提高功率因数，改善电动机电源质量，保证电动机的功率与实际负荷相匹配，达到系统节能运行的目的;
(3) 可消除机泵的喘振现象，使机泵运行处于最佳工况状态;
(4) 可方便地实现自动控制，使被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。
使用变频调速技术不仅调节方便，而且节能效果也是很明显的，设电动机额定功率为PN，额定转速为nN，转速为n时实际输出功率为P，则节能(用功率表示)△P可以表示为:    
如取，则△P=0.67PN, 即节能效果在理想情况下可达到67%，可见只要采用变频调速技术，用变频器调节空气量，其节能效果是很显著的。
3.2 炉内风量的调节方式比较
在燃烧过程中，风量调节是极其重要的，有两种调节方式:变阀调节与变速调节。前者就是在输送风的管道上利用改变阀门的开度来调节输送风的流量，但是采用这种方法效率将会急剧降低，能量白白浪费在节流过程中，因为风机功率基本不变，系统输入功率并未减少。另一种方式是变速调节，该变速方式是利用改变风机的性能曲线来改变工作点，由于变速调节中没有附加阻力，因此效率高，是一种比较理想的调节方法。使用变速方式调节风量，风机负载消耗的功率与转速成3次关系，即负载功率与电动机转速的三次方成正比。变频变速技术的应用就是通过改变电源的工作频率对交流电动机进行无级调速，只要把变频器当作频率可调的交流电源装置，接入工频电源与电动机之间，原有的其它设备无须改动。风机采用变频变速方式调节风量时，其效率几乎不变，风流量随转速按一次方规律变化，而轴功率按3次方规律变化。采用变转速调节时，可以降低风机的噪声，减轻磨损，延长设备的使用寿命。上述比较表明，为了保证充分燃烧，采用变频调速的方式调节风量是明智的。
3.3 变频调速与垃圾特性跟踪
垃圾组成成分的复杂多变性及垃圾焚烧炉燃烧过程的非线性、时变性与不确定性等，决定了要达到燃烧过程的优化控制在技术实现上的难度是很大的。这从控制理论角度考虑是必须的，也就是空气流量要能同步跟踪不同燃料燃质的流量变化，否则难以保证充分燃烧。但是燃料燃质是随时间变化的不确定性量，并无严格的变化规律。因此，从执行机构角度考虑，采用变频调速方式的响应速度是最快的，相比之下能够比较好地保证空(气)燃(料)比的跟踪特性，显然只有电气传动部分采用变频器调节风量时才有可能保证垃圾燃烧的跟踪特性，确保充分焚化而不导致大气污染。

4  系统控制策略、控制算法与软件实现
4.1 控制策略选择
考虑焚烧垃圾特性的复杂多变性及垃圾焚烧炉燃烧过程的非线性、时变性和不确定性等多种因素的影响，在空气风量控制方面不可能采用传统的控制策略(PID控制)达到优化控制的目的,因为传统控制理论与技术不能解决垃圾焚烧炉燃烧系统中的不确定性问题。传统控制是基于数学模型的控制，即认为控制、对象和干扰的模型是已知的或者通过辩识可以得到的，但垃圾焚烧炉燃烧系统用传统控制方法难以建模，因而难以实现有效的控制。此外，传统控制方法难以解决系统中存在的高度非线性、半结构化与非结构化、系统复杂性及可靠性问题，因此只能采用智能控制策略及其与之相应的控制算法对系统实施控制。
可供选择的有专家控制系统、仿人智能控制、模糊逻辑控制及模糊神经网络控制等策略，以改善垃圾焚烧炉运行的稳定性，这里采用仿人智能控制策略。作这样的选择是因为它有以下突出的优点:仿人智能控制是总结人的控制经验、模仿人的控制经验和行为，以产生式规则描述人在控制方面的启发与直觉推理行为，其基本特点是模仿控制专家的控制行为，控制算法是多模态的，并且多模态控制模式之间可以自动交替使用，有较好的解耦性能和很强的鲁棒性。
4.2 工程控制算法
自从仿人智能控制算法原型出现后，针对不同对象(或过程)已提出了多种改进算法，但为了融合专家控制技术，垃圾焚烧炉燃烧过程控制采用经改进的仿人智能控制算法，其基本控制算法可以概括为:
(1) 若且，则采用比例—半微分控制(PH—D模式，Proportion and Half Derivation);
(2) 若或，则采用半开环控制(HO控制模式，Half Open-loop)。其控制思路用结构化英语描述法可归纳为如下的表达式:
If ≥0 and≠0 Then 
If ≥0 Then
P(t)=PHD(注: