摘 要：工业锅炉在我国能源设备中目前属于应用面宽，数量多的耗用一次能源。每年消耗的原煤量达到二亿七千万吨[7]。锅炉运行系统的运行好坏与否，关系到我国乃至世界节约能源、保護环境、提高社会经济效益等重要主题。在我国，许多中小型工业锅炉广泛地使用链条炉排的方式，锅炉实际运行效率却远低于设计效率，这是因为工业锅炉上没有建立一套合理的实际可行的燃烧控制系统。本文首先介绍了专家系统和专家控制系统的基本理论。根据现场采集到的数据分析，在锅炉实际生产中，，具有较好的实用性。最后针对工业链条炉，提出了把多信息进行融合的专家控制算法，并给出了系统的总体设计。
关键词：燃煤锅炉 燃烧控制 专家控制系统 信息融合 燃烧控制
工业锅炉技术已被广泛地应用于我国国民经济的各个部门。通常蒸发量较小的工业锅炉用于供热或提供循环热水，工业锅炉蒸发量大的就用来驱动蒸汽轮机或蒸汽机，使热能逐渐转化为机械能，或者转换为电能。因此，一台锅炉如果要可靠、安全、高效地运行起来，运行参数达到恰当设计值，除了锅炉本身的设备和各种辅机必须完好无损之外，还要求自动化仪表正常工作以及自动控制系统制定正确的方案。随着现代化的发展，科学技术的不断进步，人们的生活水平逐渐提高，人们更加追求绿色、环保、无污染的生活质量。因此，对节省能源和自动控制的要求也在不断提高，以及对于实现自动控制的手段也在不断追求更高水平。这就为计算机介入自动控制中的应用提供了契机和迫切性，从计算机本身来讲，计算机技术本身的不断发展也为其得以应用提供了可能性，利用计算机来实现生产过程的自动控制是目前自动控制技术发展的方向。
一、锅炉燃烧过程的全程控制系统
1.关于锅炉燃烧系统的简介。
1.1燃烧系统的任务及燃烧过程自动调节任务：
1.1.1保证燃烧的经济性。在改变给煤量的时候，必须要相应地改变送风量，从而使得煤量与燃料量达到适当配合状态，来提高燃烧过程的经济性。送入空气量不足，则燃料不能充分燃烧；送入空气量过大，则过剩空气带走炉膛的热量，造成热损失。
1.2保证引风和鼓风的正确配比，维持炉膛负压值。膛压为正，会使炉膛有爆炸危险，并且使炉火外喷，对锅炉周围设备及操作人员造成威胁；负压过大，则过剩空气会带走炉膛中的热量。
1.2.1燃烧系统的调节对象燃烧调节系统中一般包含3个被调参数，即气压p、炉膛负压Pf及过剩空气系数α（或最佳含氧量O2）；其中也有3个调节量，分别是送风量F、燃料量M和引风量Y。燃烧调节系统中的调节对象燃料量而言，根据其燃料种类的不同也许是炉排电机，或者是燃料阀。而对于送风量和引风量来说一般是鼓风电机或引风电机。
1.2.2根据燃烧系统调节对象的特性，对于锅炉燃烧过程的自动控制任务安排如下：首先，提供热量以适应蒸汽负荷的需要，其次，保证燃烧的便捷性和经济性以及锅炉在运行过程的安全性。所以，为了达到上述任务，制定燃烧过程的控制系统中必须要包括三个调节任务：一、即维持汽压；二、保证最佳空燃；三、保证炉膛的负压保持不变。同时，为了与此对应，必须有三个控制回路作为接应，分别是送风量、调节燃料量及引风量，因此，才能构成多参数、全面性的燃烧过程控制系统。
1.3锅炉燃烧控制系统中的结构。
图1燃烧控制反系统
1.3.1在我国，目前最常见的燃烧控制系统及其研究控制系统的构成是非常重要的，由于设计者的设计思想具有差异性，产生了许多不同结构的燃烧控制系统。在燃煤锅炉燃烧控制系统的发展历程中已经形成了几种具有代表性的系统结构，如串接并联式、串接串联式、控制反系统等。尤其在第三种控制系统的结构中明确规定：VS表示引风，M表示给煤，V表示送风，PM表示蒸汽压力，ɑ表示风煤比，ST表示炉膛负压，PIi（I=1，2，3，4）表示PI控制器。燃烧控制反系统具有如下特点：首先，引风量与负荷呈现相适应状态，送风量维持炉膛负压。并用氧量信号来调节燃料量的多少。这样的系统安排不要求测量燃料信号，热量信号及送风量。而是要求必须准确又迅速地测量出烟气中的含氧量。具体操作正如图1所示。
这种系统具有的优点是能够减小甚至消除漏风的不利影响，在另一方面。与之对应的燃烧控制正系统，则由于漏风威胁会导致送风和引风之间的相互干扰，导致炉膛工况出现不稳定现象。但是，该系统的缺点就是使得对含氧量测量信号技术的精确性提出了更高的要求在目前较难达到。
1.3.2燃烧控制系统的总体设计方案。锅炉燃烧系统是一个非常复杂又多变的耦合系统。在其输入量包含了给煤量、引风量和鼓风量；在其输出量包含了炉膛负压、蒸汽压力及烟气含氧量（燃烧的经济性）。在整个运作过程中，燃料是热量的唯一供给来源，所以，给煤量的变化能直接影响到锅炉提供的蒸汽量和影响汽包压力的变化情况。其中，鼓风量的变化产生了各有差异的风煤比及其相应的燃烧状况，呈现出了不同的炉膛温度，以决定炉膛损失的大小，以至于最后直接决定着锅炉的经济运行情况。如果送风量发生改变，引风量，也会随之改变。以使得炉膛负压保持稳定的状态，来保证锅炉的安全运行。因此，这三个控制子回路共同构成了一个整体，称为锅炉燃烧控制系统。由此可见，锅炉的整个燃烧过程是一个非常复杂的物理化学过程。在这个过程中，各输入，输出的耦合关系呈现十分复杂的关系。锅炉系统的运行参数是时变的，具有大的延时，而对于这样的参数对象，是非常难以建立起精确的数学模型的。
在经典的PID算法中，其具有很强的适应性，若锅炉的负荷是平稳的，则PID就能达到相应的控制要求。在本文里所提到的锅炉的负荷变化范围，它是从零到最大负荷量且是不定时可能变成负荷。灾这种情况下，常规PID是非常难以控制的。而解决这些问题的措施是必须采用和PID相比起来更有效的智能控制技术。如专家实时控制的方法。下图为锅炉燃烧控制系统框图：
图2 锅炉燃烧控制系统框图
将人工智能合理引入控制方案，主汽压控制是采用专家实时控制的思想，来克服汽压被控对象的时变和大延时的特性；为了保证锅炉的经济燃烧，送风量的控制采用推理机控制；炉膛负压的控制采用PID控制。为便于分析，现分成三个系统进行讨论；即以引风量来维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统和以送风量来保持经济燃烧的送风调节系统；在介绍这二个系统之前，先介绍一下专家实时控制。
二、锅炉的经济燃烧控制
工业锅炉已经成为一种重要的耗能设备，对于降低能源消耗，从而提高工业锅炉的热效率，实现其自动化节能具有实际意义，是人们关注已久的重要课题。
1.锅炉燃烧具体分析。燃煤链条锅炉燃烧系统若要实现经济燃烧需要完成以下的两个任务：
1.1必须保证入炉燃煤得到充分燃烧；
1.2对于锅炉的燃烧效率应该要尽量提高，炉膛内还没有参与燃烧的过剩空气吸收的热量应该尽量减少。
对于燃煤锅炉的燃烧，这实际上是在一定的温度下，将煤中的炭和空气中的氧共同碰撞，从而发生氧化反应以产生并且释放热量，这个反应过程如下：
C+O2=CO2+409kJ/mol （4—1）
上式表明，为了能够保证燃料得到充分的燃烧，即氧这个化反应得以充分完成，器械中的燃料量和空气量二者的比例即风煤比应该适当。若送风量不足（O2量不足），则燃料不能够得以充分燃烧，因此，所进行的氧化反应将会不完全，比如：
C+1/2O2=CO+123kJ/mol （4—2）
反之，若送风量过大，则燃料在进行氧化反应过程中将剩余O2，导致过剩氧气吸收热量以及排入烟道后把有用热量带走了，从而降低了燃烧效率。因此，必须采取低过剩空气燃烧控制的方法，这是实现锅炉能够保持经济燃烧的关键所在。在一般情况下，应用过剩空气系数α是用来衡量锅炉炉膛内上午燃烧过程是否经济，这个定义如[31]所示：
（4—3）
式中：O2%是炉膛尾部烟气的含氧量。众所周知，使用工业燃煤锅炉时过剩空气系数α的理论值有严格规定，一般控制在1.3～1.5之间，但有时考虑到漏风和煤质等不确定因素，因此α也可选在1.4～1.8之间。
2.锅炉燃烧效率分析。影响锅炉的燃烧效率的原因是非常复杂的，其因素中排烟温度、负荷的匹配、燃烧充分与否都会影响到燃烧效率η，然而烟道中其烟气的成分（CO2，O2，CO含量）在某些方面可以代表锅炉燃烧系统是否完成了经济燃烧。因此，在烟道的烟气中的CO2的含量较高，就说明燃料燃烧充分，所以燃烧效率η高；但是 CO2的含量是会因炉燃煤的类型和煤质的改变而改变。并且CO2的含量也不能如实地反映过剩空气系数α的值究竟是大还是小。所以，应用分析烟道中CO2含量，去实现经济燃烧控制是不合理的。从式（4—3）可以知道，烟气中O2含量和过剩空气系数α成线性关系，因此，用最佳含氧量来反映锅炉燃烧的经济性与否是较为合理的。相反，若能够控制住空气过剩系数α值，便也控制了烟道中的O2的含量。从而实现了最佳α值，也就使得燃燒效率大大提高了。
3.锅炉经济燃烧控制方案分析。锅炉的经济燃烧控制主要有两种方法：一种方法是在锅炉的实际运行中，保持空燃比为一定值，当负荷或煤种、媒质变化后，凭经验人工调整空燃比。这种方法简单易行。但当负荷，煤种或媒质等经常变化时，人工很难将空燃比调整到最佳值。因为，经验是人们的一种模糊认识。第二种方法是氧量校正送风控制方法。从四十年代起，在锅炉燃烧控制中就已开始使用氧量校正方法。目前国内外微机控制系统中多采用这种方法。这种方法的特点就是测量并进一步控制锅炉烟气中的含氧量，以促进修正与所给燃料变成固定比例的送风量。烟气中O2的浓度越低，燃烧效率越高。低氧燃烧是节约燃料的好方法。燃烧状况的检测是燃烧过程控制的关键，改进的迭代阈值算法分析，本程序由三大功能模块组成。模块一：取得要处理的火焰图像，并加载到内存。模块二：用高斯模板对图像进行平滑预处理后，根据火焰图像的特点，用改进了的迭代阈值分割算法将图像二值化。模块三：根据炉前，炉中，炉后三种情况下火焰的特点，设计出适当的算法，取得火焰，得出火焰的面积，亮度，位置三个参数。以下是这三个模块的详细说明。模块一：取得图像，并加载到内存通过彩色CCD摄像机，针对炉前、炉中、炉后这三部分的燃烧过程进行图像采集，并通过图像采集卡将之传入计算机，从而得到数字图像。在图像处理时使用灰度图像比较方便。因为灰度图是指只含亮度信息，不含色彩信息的图像，其中每个象素点的尺RGB的值都一样。其次，图像数据即调色板的索引值，也就是实际的RGB的亮度值，还有，图像数据中一个字节代表一个象素。因此首先将得到的彩色图像转化成灰度图像。模块二 ：根据火焰图像的特点，选取合适的阈值化方法，将图像二值化。对于火焰图像，火焰的灰度值总是明显大于背景的灰度值，这在某种程度上满足了阈值分割的条件。而在阈值分割的多种方法中，比较简单、实用的就是迭代分割算法。怛是因为火焰图像是一种比较特殊的图像，它除了火焰本身有亮度之外，火焰也能把它周围的背贵照亮（特别是对于炉后的情况，使得这些竹眾的亮度也很人。对于基于像素的分割算法，是没有办法区别出火焰和被火焰所照亮的背景。火焰的面积明显偏大。如下图所示；
因此，解决的方法是：首先，把灰度值小于100的点（100这个值是通过多次试验获得的比较理想的数据之一，也就是肯定是背景的象素点去掉，然后用迭代阈值算法再将图像阈值化，可以算出这种改进了的迭代阈值化方法对处理火焰这种特殊的图像效果是比较不错的。
图4-2 改进的阈值化耵的
模块二：根裾阈值化后图像的种种特点，设计适当的算法（说明：以下所示的图像都是指二值化后的图像〉。
山于火是山下往上燃烧的，而且是连续的，最终提出火焰的算法如下：（1）根据锅炉火焰的燃烧特点，如果发现二值化后的图像的第一个亮点在阁像的酿的—半以上，则图片肯定是被火焰照亮的，图像的第一个亮点在图像高度的下半部，但是图像中的亮点成倒三角分布，则说明图像是被照亮的。如图4-3处理前后对比。
图4-3
2.图像中的亮点有两部分：火焰和被火焰照亮的顶棚，區分它们的方法是根据火焰的连续性特点和火是由下往上烧的特点。因为两部分亮点中间有一片黑点，所以上面那部分就不是火焰（如下图）所示：
图4-4
3.图像中的亮点也有两部分，但是下方的火焰面积太少，因此这种情况下， 也算是没有火（图4-5）。
图4-5
炉前和炉中图像的情况比较好判断，阈值化后的图像中的亮点部分就是火焰的面积（图4-6）。
最后，计算火焰的面积，亮度，灰度。面积就是通过处理后的图像中亮点部分占整幅图像的百分比；亮度就是图像中亮点部分的平均灰度值；位置是这样算的：将图像分成左、中、右三部分，对于火焰得到的位置就有这6种情况：偏左，居中，偏右，左中，中右，全部是火。将这三个参数传给专家系统，以判断当前锅炉的运行情况。
三、结语
为了保障经济燃烧，提出理论上属于专家的控制范畴，而不需要建立起准确的数学模型，从而用一种简单而行之有效的模式，建立以热效率最高为目标函数的高效控制系统。
参考文献：
[1]陈学俊，陈听宽.锅炉原理.北京：机械工业出版社.1979.
[2]张亮明，夏桂娟.工业锅炉自动控制.北京：中国建筑工业出版社.1987.
[3]刘培章，刘奇志.燃煤锅炉微机控制系统.电子技术应用.1999，6
[4]陆闽宁，丁维明.工业锅炉微机控制技术探讨.能源利用与研究.1994，5
[5]牛培峰，孙键.循环流化床锅炉热工自动控制系统与展望.动力工程.1998，12.