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锅炉系统工程设计方案一、项目背景随着工业生产的不断发展，锅炉系统在工业生产中起着非常重要的作用。
而随着能源环保意识的不断提高，锅炉系统的设计也面临着新的挑战。
因此，为了满足工业生产对热能的需求，同时也要兼顾环境保护和节能减排的要求，对于锅炉系统工程设计方案需要进行全面的考虑和规划。
二、项目概述本项目旨在设计一套高效、环保、节能的锅炉系统，以满足工业生产对热能的需求。
根据工程设计范围和要求，将涵盖锅炉系统的整体设计、燃料选择、烟气处理等多个方面，并注重系统的可靠性和安全性。
三、系统整体设计1. 热负荷测算：根据生产线和设备的热负荷需求，结合生产计划和预测，计算出整个锅炉系统的热负荷。
2. 锅炉选型：根据热负荷需求和燃料特性，选用适当的锅炉类型和规格。
考虑到系统的运行安全性和节能性，结合设计方案和项目要求，选定合适的锅炉。
四、燃料选择1. 燃料种类：根据工程项目的实际情况和特点，煤、油、天然气等多种燃料可供选择。
2. 燃料性能：对选用的燃料进行详细的性能测试和分析，确保燃料的稳定性和燃烧效率。
五、烟气处理1. 烟气净化：对锅炉排放的烟气进行有效的净化处理，减少有害物质的排放，并达到环保要求。
2. 烟气废热回收：通过对烟气的余热回收，提高系统的热能利用率，并减少能源消耗。
六、安全性设计1. 锅炉运行安全：通过对系统进行全面的设计和排查，确保系统在正常运行过程中能够保持安全、稳定的状态。
2. 应急救援：为系统设计应急救援方案，确保在可能发生的突发情况下能够及时采取应对措施，保障人员和设备的安全。
七、节能减排1. 蓄热系统：设计蓄热系统来存储过剩热能，并在需要时释放，以减少系统在低负荷运行时的能源浪费。
2. 高效燃烧：通过优化锅炉燃烧系统、提高燃烧效率，减少燃料的消耗，降低系统的能源消耗和排放量。
八、系统集成1. 锅炉系统与生产线的集成设计：将锅炉系统与生产线进行有效的结合，确保系统能够灵活、高效地为生产物料提供热能。
摘要过热蒸汽温度作为工业锅炉运行中的一项重要参数，反映出设备运行的经济性和安全性，锅炉过热蒸汽温度过高或过低，都将给安全生产带来不利影响，必须严格地将温度控制在给定值附近。
锅炉过热蒸汽温度被控对象是一个多容环节，具有大延迟、大惯性以及时变性等特性，干扰因素多，属于可控性比较差的一个调节对象。
针对锅炉过热蒸汽温度的上述特点，本文在分析了锅炉过热蒸汽温度的调节任务，温度调节对象的静、动态特性，控制难点和设计原则的基础上，充分利用模糊PID控制的动态特性好和PI调节能消除静态偏差的特性，通过调整模糊PID控制器的控制规则，改善了控制系统的系能。
本文设计了一种基于AT89C52单片机的锅炉过热蒸汽温度监控系统,这种方案可大大提高锅炉工作效率和控制精度，使锅炉过热蒸汽温度按实际生产稳定在一定范围，提高锅炉工作的安全性，有助于自动化水平的提高。
并且利用单片机实现温度监控，具有成本低廉、可靠性高、结构简单等特点。
关键词：过热蒸汽；温度；模糊PID控制；单片机ABSTACTSuperheated steam temperature is an important parameter in the operate course of the industry boiler, it reflects the security and efficiency of the equipment operate. The boiler superheated steam temperature is excessively high or excessively low, will all bring disadvantage effect to the safe production, so we must control the temperature in the round of initialization. The boiler superheated steam temperature object is a mini-container element, it has a big delay characteristic and a variety model with variety time characteristic, it also has many disturbances, it belongs to a more difficult adjust object.According to the above features of boiler superheated steam temperate, this dissertation studied the application of Fuzzy-PI composite serial control in the boiler temperature system of boiler by the fully use of both the good dynamic characteristics of fuzzy PID control and eliminating static deviation of PI control on the base of analysis to the adjust mission of the boiler temperature , the static characteristics and the dynamic characteristics of the boiler temperature object, the difficulty to control it and its design principle. Then control rules of the fuzzy PID controller were adjusted, so it improves the performance of control system.This paper introduces a design based on the boiler AT89C52 SCM temperature monitoring system, this project can greatly improve the efficiency and accuracy, the boiler superheated steam temperature stables in certain scope accord to actual production, it also can improve the safety of boiler, it helps to raise the level of automation. This design is low cost, simple structure high reliability.Keywords: Superheated Steam; Temperature; Fuzzy PID Control; Single Chip目录1 绪论 (5)1.1 课题研究的背景和意义 (5)1.2 国内外研究现状 (6)1.3 本课题研究所采用的方法 (9)1.4 本论文研究的主要内容 (9)2 锅炉过热蒸汽温度控制系统的概述 (11)2.1 锅炉系统的工艺流程简介 (11)2.2 锅炉过热蒸汽温度调节的任务 (13)2.3自动控制系统的组成及框图 (14)2.4 锅炉过热蒸汽温度控制的难点及设计原则 (15)2.5串级控制系统 (16)3控制系统的设计 (18)3.1 被控对象的静、动态特性及控制参数选择原则 (18)3.1.1 被控调节对象的静态特性 (18)3.1.2 被控调节对象的动态特性 (18)3.1.3选择控制参数的原则 (18)3.2检测、变送器选择 (19)3.2.1温度传感器的选择 (19)3.2.2 A/D转换模块 (22)3.3执行器选择 (27)3.4控制器的设计 (28)3.4.1模糊控制基本原理 (29)3.4.2模糊自适应PID控制器 (30)3.4.3控制器参数自整定 (31)3.4.4控制规则的设计 (33)3.4.5采样周期的选取 (36)4控制系统的硬件设计 (38)4.1系统总体方案设计 (38)4．2系统硬件设计 (39)4.2.1 AT89C52单片机的特点 (39)4.2.2电源模块设计 (40)4.2.3 模拟信号放大模块 (41)4.2.4报警电路设计 (42)4.2.5显示电路模块 (43)5控制系统的软件设计 (45)5.1 DS18B20程序模块设计 (47)5.2 报警程序设计 (47)5.3 A/D转换程序设计 (48)5.4模糊PID参数整定设计 (50)6结论与展望 (52)参考文献 (54)致谢 (55)附录1 系统硬件原理图 (56)1 绪论1.1 课题研究的背景和意义锅炉系统是一个复杂的控制系统，它是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强耦合的控制系统。
船用蒸汽锅炉的故障诊断与预测模型船用蒸汽锅炉是船舶上重要的动力设备之一，负责为船舶提供蒸汽动力。
然而，由于船舶环境的特殊性以及长时间的运行，船用蒸汽锅炉往往会出现各种故障，影响船舶的正常运行。
为了迅速识别和解决这些故障，以及提前预测故障的发生，船用蒸汽锅炉故障诊断与预测模型应运而生。
故障诊断模型是通过分析锅炉的传感器数据、操作数据以及历史故障数据，以比较和确认发生的故障类型。
它基于机器学习和数据挖掘技术，对数据进行处理和分析，通过建立故障模式和特征提取的方法，识别出具体的故障类型。
故障诊断模型可以利用现有的历史故障数据训练出一个分类器，通过使用新的数据输入，判断锅炉是否存在故障，并指示可能的故障类型。
预测模型是通过建立锅炉的运行模型，借助历史数据和现有数据，预测未来可能发生的故障。
预测模型基于统计学和数学方法，通过分析数据中的趋势和模式来预测故障的发生概率。
它可以在锅炉运行正常时，提前发现潜在的故障，并采取相应的措施避免故障的发生。
预测模型对于提前维护和保养以及避免突发故障具有重要意义，能够提高船舶的安全性和经济性。
船用蒸汽锅炉的故障诊断与预测模型的研发离不开大量的数据采集和处理。
首先，需要选择适当的传感器来采集锅炉的各种参数和指标，如温度、压力、流量等。
这些数据将被传输到控制系统中进行存储和分析。
其次，通过数据预处理和特征工程的方法，对原始数据进行清洗和转换，提取有用的信息用于模型训练。
然后，通过机器学习算法，建立故障诊断模型和预测模型，对锅炉进行分类和预测。
在故障诊断与预测模型的建立过程中，需要考虑以下几个方面的因素。
首先，数据的质量和完整性对模型的准确性和可靠性至关重要。
因此，在数据采集的过程中，应确保传感器的精度、稳定性和一致性，并采取必要的措施消除数据中的噪声和异常值。
同时，需要尽可能获取大量的历史故障数据，以便更好地训练模型。
其次，模型的选择和参数调优对于模型的性能和鲁棒性具有重要影响。
基于PCS7的锅炉顺序控制系统设计史冬琳;李峰;蔡子强;刘剑钊【摘要】针对火力发电机组启动和停运过程中的诸多复杂问题,基于西门子过程控制系统PCS7,设计了锅炉自启停顺序控制系统.利用PCS7中顺序功能图(SFC)及SMPT-1000,实现锅炉开车、停车及保护控制.结果表明,所设计的系统能够实现一键式启、停,具有较好的安全性、稳定性、简便性,控制效果良好.【期刊名称】《东北电力大学学报》【年(卷),期】2015(035)006【总页数】5页(P45-49)【关键词】锅炉自启停控制系统;PCS7;SMPT-1000;顺序控制【作者】史冬琳;李峰;蔡子强;刘剑钊【作者单位】东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TP273锅炉作为单元机组中的重要组成部分，锅炉自启停控制系统的设计显得尤为重要。
如何设计和完善锅炉自启停控制系统，使其功能更强大，更完善，得到充分发挥，是值得深入研究的问题[1]。
锅炉自启停控制系统要求实现全程自动化，全工况、全过程、全自动地控制锅炉，从冷状启动、开车运转到既定目标负荷，或在规定负荷之上续减出力直至停炉，即在锅炉的过程自动控制中达到了“一键启、停”的控制水准[2]。
锅炉自启停控制系统的主要目的是实现锅炉的自动启动或停止，要达到这一目的必须实现给水控制、燃料控制、过热蒸汽出口压力控制、过热蒸汽出口温度控制、炉膛负压控制等回路，并保证各个回路之间协同工作，保证锅炉设备的安全运行。
本文针对SMPT-1000实验平台中的锅炉系统，设计了包含上述所有全程控制回路的启停顺序控制策略。
SIMATIC PCS7是西门子新一代的DCS产品，硬件和软件都基于统一的平台，采用Profibus现场总线技术将现场设备集成，保持了PLC和DCS两者的优点，控制性能高，稳定性好，是一种全集成自动化的开放型过程控制系统[3-4]。
锅炉自动控制系统的设计与调试锅炉自动控制系统是现代工业中常见的关键设备之一，它能够确保锅炉能够高效、安全地运行。
设计和调试这样一个复杂的系统需要综合考虑多个因素，包括控制策略、传感器选择、控制器配置等等。
本文将深入探讨锅炉自动控制系统的设计与调试过程。
首先，设计一个合理的控制策略是锅炉自动控制系统的关键。
常见的控制策略包括比例控制、比例积分控制、模糊控制和模型预测控制等。
在选择控制策略时，需要考虑锅炉的特性、工艺要求以及可用的控制器等因素。
比例控制是最简单的控制策略，它根据当前错误信号的大小来控制执行机构输出。
比例积分控制在比例控制的基础上增加了积分部分，用于消除静态偏差。
模糊控制则通过模糊规则和模糊集合来实现控制，它能够应对非线性系统。
模型预测控制基于数学模型预测未来的系统行为，并制定最优的控制策略。
根据具体的需求和实际情况选择合适的控制策略非常重要。
其次，选择合适的传感器对于控制系统的稳定性和精确度来说也至关重要。
常用的锅炉传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器等。
压力传感器用于监测锅炉内部压力的变化，温度传感器则用于测量锅炉内部温度的变化。
流量传感器可用于测量锅炉进出口的流量，以便精确控制水的供给。
传感器的选择需要考虑其精确度、响应速度和适应环境等因素。
同时，还需要考虑传感器与控制器之间的数据传输方式，如4-20mA信号或数字信号等，以确保数据准确传递。
控制器的配置也是锅炉自动控制系统设计中不可忽视的一环。
现代控制器提供了更多的功能和选项，如PID参数调整、通信接口、报警功能等。
PID控制器是最常见的控制器类型，通过调整比例、积分和微分参数来实现控制。
在配置PID控制器时，需要首先根据实际情况调整比例、积分和微分参数，以达到理想的控制效果。
另外，现代控制器通常具有通信接口，可以与上位机或网络连接，以实现远程监控和数据采集。
此外，控制器还应具备相应的报警功能，在发生异常情况时及时报警，保障安全运行。
本科毕业设计论文题目电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间毕业设计任务书一、题目电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和专业理论加深理解，掌握工业生产过程控制系统设计和仿真的基本方法，培养独立开展设计工作的能力。
要求在毕业设计中：1.分析研究火力发电厂锅炉蒸汽温度控制要求，特点及控制系统设计方法，设计电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统，达到要求的主要技术指标；2.开展控制系统方案论证，建立系统数学模型，进行温度控制系统分析；3.设计串级控制系统控制规律，进行参数整定；4.进行数学仿真，验证设计；5.撰写毕业设计论文。
三、主要技术指标1．350MW机组锅炉过热蒸汽温度保持在00C±；5505在减温水流量变化时，锅炉过热蒸汽温度控制系统能稳定运行，衰减系数9.0ϕ；=75~.02．过程动态性能指标为：1)温度波动最大偏差不超过04C；2)过渡过程时间不大于min2；3. 锅炉稳定运行时，过热蒸汽温度应在给定值的02C范围内四、进度和要求1.1-3周：收集查阅资料；2.4-6周：完成总体方案设计和建模；3.7-8周：完成系统分析和控制规律设计；4.9-11周：完成仿真验证及修改；5.12-13周：完成毕业设计论文.五、主要参考书及参考资料⑴金以慧等，《过程控制》，清华大学出版社，2000年；⑵张栾英，孙万云，《火电厂过程控制》，中国电力出版社，2004年；⑶于希宁，刘红军，《火电场自动控制理论》，中国电力出版社，2004年.学生指导教师系主任电厂锅炉温度串级控制系统设计摘要本文是针对锅炉蒸汽温度控制系统进行的分析和设计，而对锅炉蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提，所以本系统采用串级控制系统，这样可以极大的消除控制系统工作中的各种干扰因素，是系统能在一个较为良好的状态下工作，同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
开题报告-锅炉蒸汽温度模糊控制器的设计开题报告电气工程及自动化锅炉蒸汽温度模糊控制器的设计一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义随着科学技术的日益发展我国的电力系统正在发生着一场巨大的改革。
计算机技术的不断成熟，通信技术所覆盖的领域越来越大，控制理论及信息处理技术也在不停地向前发展，新材料、新工艺正在代替传统的材料与工艺。
这些都推动了电厂控制技术的进步，各种技术之间的联系越来越紧密，给电厂自动化控制带来了前所未有的机遇。
众所周知，电能不仅是现代工业生产的主要能源和动力，也是保障日常生活秩序的重要依靠。
随着近些年我国经济的高速发展，对电的需求也是越来越大，电力系统的不断扩大，对电力系统的自动化控制技术水平的要求也越来越高，其中对电厂锅炉蒸汽温度的控制精度的要求也是越来越高。
锅炉蒸汽温度在电厂安全经济运行方面有着相当重要的地位，同样对防止锅炉超温也有很大的作用。
为了保证电厂在运行当中的安全，也为了保证对现代化生产与日常生活的电量供给，所以对电厂锅炉蒸汽温度控制的研究是一项重要的任务。
到目前为止我国的发电厂还是主要以火电厂为主，在我国电力工业中占据着重要的地位，是我国重点能源工业之一。
在我国火电厂锅炉中燃煤炉占有最大的比重，生产蒸汽的主要设备还是以锅炉为主。
精确控制电厂锅炉蒸汽温度有以下几方面的好处：（1）提高电厂汽轮机组可靠运行。
保证机组可靠地、安全地工作是电厂的首要任务，电厂热力系统的复杂性，在平时如果单靠工作人员来进行管理与监测的话，是一项很难完成的任务，而且也很有可能因为人员的误操作引起事故，对电厂造成损失。
（2）提高电厂汽轮机组经济运行。
电厂装上自动化装置后能使机组运行地更加稳定与安全，所以对电厂的经济性也有很大程度的帮助，可以为电厂减少一些维修与检修的费用支出，也可提高电厂的热效率，降低煤耗与热耗。
（3）改善劳动条件。
在生产过程中实现自动化，可以减少工作人员的日常工作量，为工作人员减少了不少负担。
学号：毕业设计说明书G RADUATE D ESIGN设计题目：锅炉水位控制系统的设计学生姓名：专业班级：学院：指导教师：摘要锅炉是多数工业过程中常用的热能动力设备，工业锅炉控制系统是复杂的控制系统。
由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好的工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。
为确保安全，稳定生产，对锅炉的自动控制十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。
由于锅炉的水位调节过程具有非线性、不稳定性、时滞性等特点，对锅炉汽包水位的控制提出了更高的要求。
锅炉汽包水位控制系统的设计方案主要有三种，即单冲量、双冲量、三冲量：前两种方案有系统结构简单，成本低，不能有效的控制“虚假水位”现象等特点；与前两种方案相比，最后一种方案有系统结构复杂，成本高但能抑制“虚假水位”现象，控制效果好等特点。
本文在三种汽包水位控制系统方案的基础上较为系统地分析了PID控制、前馈控制和串级控制的基本原理、理论和实现，并且在串级三冲量汽包水位控制系统中做了三种控制算法的MATLAB仿真，最后对以上三种控制算法做了比较。
关键词：锅炉汽包水位；虚假液位；PID控制；MATLAB；AbstractBoiler is thermal power plant usually used in most industrial processes and Industrial boiler’s control system is a complex control system. Because of scattered equipment, poor management or technical reason, it is difficult to work in good condition for the majority of boilers and increased their fuel consumption and reduced the work efficiency. It is very important to control boiler automatically in safety and stabilization, and boiler’s drum water-level is an important variable to be controlled. Boiler’s water adjusting process has nonlinearity, instability and delay characters, so it makes higher demand for boiler’ s drum water-level control system.Designing models of boiler drum water-level control system mainly includes single-impulse, double-impulse and three-impulse: two former models of which have the features of simplicity and low-cost, but can not control false-water-level; last model of which has the features of complexity and high-cost compared with the two former models, but can control false-water-level and can reach good effective control. The author analyses the principle, theory and realization of the algorithms of PID control, feed forward control and cascade control systematically based on the model of three-impulse boiler's drum water-level control system and ; These algorithms in cascade three-impulse boiler's drum water-level control system are simulated with Simulink; Finally, above-mentioned three algorithms are compared.Key words: boiler's drum water-level; false-water-level; PID control; MATLAB;目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1.1锅炉概述[3] (2)1.2目前锅炉控制的研究现状 (3)1.3课题提出及意义 (5)1.3.1“虚假水位”现象 (5)1.3.2课题提出的意义及背景 (6)1.4 本文的主要工作 (7)第2章锅炉汽包水位PID控制系统的设计 (8)2.1锅炉控制系统[4][5][6] (8)2.1.1锅炉控制系统结构总图[7] (8)2.1.2锅炉燃烧控制系统 (9)2.1.3锅炉气温控制系统 (9)2.1.4锅炉给水控制系统 (10)2.1.5辅助控制系统 (10)第3章PID控制理论 (11)3.1 PID理论概述 (11)3.2 PID控制及其控制算法 (11)3.2.1PID控制概述 (11)3.2.2 PID控制 (12)3.2.2.1比例（P）控制 (12)3.2.2.2比例微分(PD)控制环节 (13)3.2.2.3积分(I)控制 (14)3.2.2.4比例积分(PI)控制 (15)3.2.2.5比例积分微分(PID)控制 (15)4.3本章小结 (16)第4章锅炉汽包水位特性及其控制 (17)4.1锅炉汽包水位系统介绍 (17)4.2锅炉汽包水位的特性 (18)3.2.1 汽包水位在给水流量W作用下的动态特性 (20)3.2.2 汽包水位在蒸汽流量D作用下的动态特性 (21)3.2.3 汽包水位在燃烧量B扰动下的动态特性 (23)3.3锅炉水位控制系统 (23)3.3.1 汽包水位单冲量控制系统 (23)3.3.2 汽包水位双冲量控制系统 (25)3.3.3 汽包水位三冲量控制系统 (26)4.4汽包水位常用控制方式的综合比较及结论 (30)第5章锅炉汽包水位控制的仿真实现 (32)5.1仿真工具简介 (32)5.1.1 关于MA TLAB (32)5.1.2 关于SIMULINK (33)5.2锅炉汽包水位的单冲量PID控制系统仿真 (34)5.3锅炉汽包水位的双冲量PID控制系统仿真 (36)5.4锅炉汽包水位的三冲量串级PID控制系统仿真 (39)结束语 (43)参考文献 (44)谢辞 (46)第1章绪论1.1锅炉概述[3]锅炉，简言之，由汽锅和炉子组成。
智慧锅炉系统运营方案设计方案智慧锅炉系统是一种利用先进的物联网、人工智能等技术，实现对锅炉系统进行监控、控制和优化管理的智能化系统。
为了确保智慧锅炉系统的高效运营，设计一个全面的运营方案至关重要。
一、系统监控和数据分析1. 安装传感器和监测设备，实时监控锅炉运行状态、温度、压力等参数，并将数据传输至云端服务器。
2. 借助人工智能和大数据技术，对采集的数据进行分析和预测，提前发现可能存在的问题，避免故障和事故的发生。
3. 设计用户友好的监控界面，可以实时查看锅炉运行状态、能耗情况等，以便及时调整和优化。
二、节能优化和智能调控1. 基于数据分析的结果，制定合理的运行策略，通过智能调控来实现节能减排目标。
2. 采用最佳化算法，对锅炉运行参数进行优化调整，提高能源利用效率。
3. 结合外部环境因素（如气温、湿度等），调整锅炉的工作模式和运行参数，以实现最佳的能耗效率。
三、故障自诊断和快速维修1. 建立故障诊断模型和数据库，通过数据分析和比对，快速判断故障原因和位置。
2. 利用远程监控和远程操作技术，可对锅炉进行远程诊断和维修，减少维修时间和成本。
3. 设计定期维护计划和自动检修机制，提前预防故障和保证锅炉的长期稳定运行。
四、安全管理和数据保护1. 建立完善的安全管理机制，确保系统的稳定性和可靠性。
2. 对数据进行加密和备份，保护用户隐私和机密信息的安全。
3. 针对可能的网络攻击和黑客入侵，进行及时监测和防范，保障系统的正常运行。
五、运营和维护服务1. 提供24小时的运营和技术支持服务，及时处理用户反馈和问题。
2. 定期对系统进行维护和升级，改进系统性能和功能，提升用户体验。
3. 结合锅炉系统特点和用户需求，提供个性化的定制化服务。
六、培训和指导1. 设计培训计划和教材，对运营人员进行培训，提高其智慧锅炉系统的运维能力和技术水平。
2. 提供操作指南和技术支持，帮助用户熟悉系统的使用和管理。
综上所述，一个完善的智慧锅炉系统运营方案应包括系统监控和数据分析、节能优化和智能调控、故障自诊断和快速维修、安全管理和数据保护、运营和维护服务以及培训和指导等方面。
基于不确定蒸汽需求和设备故障的锅炉系统随机规划设计刘畅;孙力;贺高红;盖丽梅【摘要】The utility system design would consider the reliability to respond to boiler failure even shut down. The design would ensure system flexibility for the fluctuation of process steam demand as well. In this work, boiler system design was studied considering both the uncertainty of process steam demand and equipment failure based on mathematical programming. Probability distribution was used for fluctuation of process steam demand and the Markov model was used to deal with boiler failure to express uncertain parameter with probability. The approach of two-stage stochastic programming was to compensate the constraint violations caused by uncertain steam demand and boiler failure to reduce the effect on optimization and constraints. A mixed integer linear programming model (MILP) was formulated with the objective of minimum annual cost to design system configuration, equipment modes and operation of compensating flexible steam demand and equipment failure.%公用工程系统中锅炉系统设计不仅要考虑锅炉应对发生的故障的可靠性，还要保证系统具有一定应对蒸汽需求的波动的可操作性。
本研究针对满足不确定蒸汽需求和考虑设备故障的锅炉系统设计，提出基于数学规划法的设计模型：对生产过程波动引起的不确定蒸汽需求以概率表达，采用 Markov 模型分析锅炉故障，表达为以一定概率发生的不确定参数。
优化模型采用二阶段随机规划策略对蒸汽需求不确定波动和锅炉故障实现引起的约束违背进行补偿，以降低不确定变量对目标函数和约束条件的影响。
以年总费用最小为目标，建立混合整数线性模型(MILP)，实现锅炉系统配置，设备模式确定以及应对蒸汽需求波动和设备故障发生的补偿操作的优化设计。
【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】7页(P3512-3518)【关键词】不确定性;两阶段随机规划;系统工程;模拟;优化设计【作者】刘畅;孙力;贺高红;盖丽梅【作者单位】大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开发中心，辽宁大连116024;大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开发中心，辽宁大连116024; 曼彻斯特大学过程集成中心，英国曼彻斯特 M139PL;大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开发中心，辽宁大连116024;大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开发中心，辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TQ021.8引言公用工程系统在担负保障过程系统的蒸汽和动力供应的同时，还要保持较高的转化效率，达到节能减排的目标。
实际过程工业中，由于设备故障的不可避免性和不确定性，公用工程系统组件的可靠性和可用性无法达到百分之百，在操作过程中必然会遇到设备随机故障，从而引起公用工程系统产生的蒸汽发生波动，严重情况下可能导致整个系统停车。
当设备发生故障后，公用工程系统可以提高未故障组件负载或切换冷、热备用件至工作模式，甚至外购蒸汽来保障整个系统的正常操作，因此，锅炉的操作模式及冷热备用模式的设计影响锅炉系统可靠性。
一方面若增加备用件提高系统的可靠性，会造成投资费用过高；反之，系统的可靠性偏低，发生故障的概率就会增大。
因此考虑其对经济性和操作性的负面影响，组件的故障概率必须集成到优化框架中。
传统的方法论是首先进行系统的设计，然后对最优的设计进行可靠性评估。
近年来可靠性分析集成于公用工程系统的研究逐渐得到发展。
Frangopoulos等[1]在公用工程系统的优化设计中，将蒸汽和电力未达到指定要求所带来的补偿损失作为评价系统可用性的指标。
Frank等[2]除计算最低工厂维护支出，还计算了额外的停车时间并将其作为补偿费用；同时在多级制冷循环过程中，将压缩机的生产损失附加到投资和燃料成本，基于此进行动力和电力设计。
Smith等[3]提出了系统组件发生故障时引起的停车补偿费用，这种系统的可靠性优化方法不仅适用于一个特定的系统状态，而且适用于整个公用工程系统的操作优化。
Aguilar等[4-5]和 Luo等[6]考虑设备故障建立了蒸汽动力系统操作和设计优化模型，在实际和虚拟工况下分析设备发生的故障。
但是整个方法论通过指定设备故障的状况，忽略了设备故障的随机性。
Yin[7]提出了同时进行系统的设计和可靠性评估，在整个概念设计中，集成了设备的故障分布和预防维护。
Nabena[8]考虑了设备的模式，例如故障、修复和启动等。
Lin等[9-10]基于 Monte Carlo和Markov模型来建立模型框架，在权衡整个系统的补偿费用、投资费用和操作费用中首次考虑了设备不同的操作模式。
在公用工程系统的操作和设计优化中，确定性方法已经发展成熟并被广泛运用。
然而，一些不确定因素，如产品和原材料价格、设备故障、市场的供应和需求等可能会导致设计保守与经营成本过高，甚至不稳定运行[11]。
罗向龙等[12]、李晖等[13]考虑汽电需求不确定性进行蒸汽动力设计和操作优化，但是整个方法论中未考虑设备故障及对应的调度决策。
随机规划是解决不确定性问题的重要优化策略，在金融领域、随机网络、车辆路线规划、生产设备布局等有许多应用[14-16]。
在蒸汽动力系统和电力系统中，应用于整个系统改造[17-18]。
由于设备故障和蒸汽需求波动都是随机发生的，应当采用随机规划法进行分析。
目前同时研究不确定蒸汽需求和设备故障的蒸汽动力系统设计研究较少。
本文提出满足不确定蒸汽需求的可靠锅炉系统设计策略，采用Markov模型以及锅炉5种设备模式（工作模式，热备模式，冷备模式，启动模式和故障模式）分析锅炉故障对系统可靠性影响。
采用随机规划策略，基于不确定蒸汽需求和设备故障的实现概率引起的约束违背进行补偿，并建立MILP优化模型，实现锅炉系统配置和操作调度的同时优化，其中系统配置包括锅炉尺寸、个数及锅炉模式，调度决策主要针对设备发生故障或蒸汽需求发生波动的补偿操作。
1 优化模型基于不确定蒸汽需求和锅炉故障发生的随机分布特性，本研究采用随机规划模型建立锅炉系统设计模型。
设计问题分为两个阶段：在不确定参数实现之前优化系统配置，确定设备的型号、个数及尺寸等设备决策变量；第二阶段设计针对生产过程不确定蒸汽需求和锅炉设备故障发生引起约束违背进行补偿，即优化调度方案，包括锅炉流量调节，锅炉5种设备模式转换，外购蒸汽和维修设备。
优化模型见式(1)，优化目标是年总费用最小，包括投资费用Cap、补偿费用Pe 的期望值。
投资费用包括设备购买费用和安装费用，见式(2)。
补偿费用包括操作费用和外购蒸汽费用，见式(3)。
设计针对生产过程不确定蒸汽需求和锅炉设备故障发生引起约束违背进行的补偿主要有两种方式：调节操作和外购蒸汽补充生产不足。
其中调节方案包括锅炉流量调节，锅炉5种设备模式转换和维修设备。
若调节操作仍无法满足蒸汽生产需求，需要高价外购蒸汽Cimport来惩罚生产不足。
补偿阶段应调整调度决策变量使补偿费用 Pe最优。
操作费用包括燃料费和锅炉给水费。
采用Shang等[19]建立的锅炉性能模型（BHM）计算锅炉的燃料消耗；蒸汽需求量和排污率决定锅炉给水量。
优化模型中设备决策变量包括离散变量 wz表示锅炉的尺寸，t·h-1；yz表示锅炉的设备模式；z表示锅炉编号。
调度决策变量包括连续变量x表示锅炉的蒸汽流量，t·h-1；t表示外购蒸汽流量, t·h-1。
θ为蒸汽需求，其不确定性用概率表达；设备故障用Markov模型表达。
本文重点研究不确定蒸汽需求和设备故障对目标函数和约束的影响。
1.1 不确定蒸汽需求和设备故障概率分析及对优化目标的影响按实际运行经验，工艺过程蒸汽需求在需求标称值附近波动，且大部分时间处于需求标称值。
根据历史数据，对不确定的蒸汽需求进行概率统计，其不确定性的概率分布为正态分布，将每个不确定变量随机构成蒸汽需求工况，用带概率σj的随机蒸汽需求工况j近似权衡不确定蒸汽需求。
根据设备不确定故障的历史数据（例如平均无故障时间MTTF，平均维修时间MTTR等），运用Markov模型[4]对整个系统进行分析，求出各个系统状态发生的概率Pi。
Markov模型认为锅炉系统处于若干状态中的一种。
例如，一种可能的状态是系统所有设备处于操作状态，另一种可能的状态是系统有一个设备进行维修，其余设备处于操作状态。
Markov模型最基本的假设是系统从当前状态转移到下一个状态的概率只取决于当前状态，跟之前经历过的任何状态都没有关联。
在锅炉系统设计中，锅炉共存在5种模式：操作模式（O），冷备用模式（C），热备用模式（H），启动模式（S）和故障模式（F）。
对于包含 n个组件的系统，其可能存在的系统状态为 N sy stem= 5 n。
由 Markov理论可得，从其他系统状态转移至系统状态i的概率等于离开系统状态i的概率，系统状态存在的概率与状态之间的转移速率密切联系，见式(4)。
所有系统状态存在的概率之和为1，见式(5)。
锅炉模式之间的转换速率α由 MTTF和MTTR计算。
基于第一阶段优化确定的设备尺寸、个数及设备模式，求出可能存在的系统各状态Nsystem的费用，包括正常操作费用、热备用维持费用，故障引起的维修费用，启动费用和外购蒸汽费用。
因此补偿费用中包含随机工况j下各系统状态i的操作费用 Ope，外购费用 Cimport和维修费用 CM及其概率，具体见式(6)。
