一种生物质振动炉排锅炉的负荷控制方法

专利名称：：一种生物质振动炉排锅炉的负荷控制方法
技术领域：
：本发明属于热工控制领域，具体涉及一种生物质振动炉排锅炉的负荷控制方法。
背景技术：
：近几年，我国生物质直燃发电技术发展较快，主要引进了水冷振动炉排技术及设备，已有十几家电厂相继投产发电。但是秸秆等生物质燃料的性质随天气变化和环境温湿度变化发生较大变化，其最主要的变化就是燃料热值的变化。在电厂实际运行过程中，其收购燃料的水分也是在较大范围内变化。表1是某秸秆发电项目燃料水分与热值情况统计，从列表可知燃料的热值基本随其水分的上升而线性下降。表1某秸秆发电项目燃料水分和热值燃料燃料l燃料2燃料3燃料4水分(％)14.172433低位热值(kj/kg)1468016024124310845目前大部分电厂一般不配备生物质燃料预处理设备，因此如果遇到天气不好或者燃料本身含水率比较高，则投入锅炉的燃料性质很不稳定，锅炉的负荷很难维持稳定。而且电厂一般不配备在线测量燃料水分含量或者热值的设备，这种由于燃料热值变化引起的负荷波动并不能够预测，带有很强的随机性，因此给机组的稳定运行、负荷的自动控制带来了很大的困难。
发明内容本发明针对生物质燃料特性变化对锅炉负荷的影B向，图1为现有技术中的某生物质电厂燃烧系统简图。燃料储存在料仓6，经过螺旋给料机7将燃料送入炉膛10并落于炉排9上。送风机1将空气送入系统，空气经过空预器2加热到190。C左右，被分配成炉排风、点火风和二次风三部分，炉排风经过炉排风门5进入风室，再穿过炉排进入炉膛，炉排风量由炉排风门进行调节；点火风经过点火风门4进入炉膛；二次风在炉膛炉拱束腰处进入炉膛并由二次风门3进行控制。燃料经过炉排振动逐渐分布到炉排上并与热空气充分混合，逐步干燥、着火、燃烧，炉渣在炉排下方排入渣池，燃烧产生的烟气穿过炉膛和烟道受热面14，由引风机15抽出送入烟闺排出系统。锅炉给水经过部分烟道受热面加热后进入汽包11，再经过炉膛水冷壁的加热成为饱和蒸汽，蒸汽经过过热器12加热成为符合压力、温度要求主蒸汽，经过主蒸汽阀13供给汽轮机用汽。在对生物质锅炉运行数据研究的基础上，本发明还进行了深入的模型分析研究，对负荷随燃料水分、热值的变化而波动的原理进行了分析，提出了稳定锅炉负荷的若干措施，并利用模糊控制理论对锅炉的总风量和炉排风量进行模糊控制，达到快速调整炉膛温5度、稳定锅炉负荷的目的。本发明的振动炉排锅炉的负荷控制方法，包括以下步骤①通过对生物质燃料的特性变化对锅炉负荷的影响进行模型分析研究，得出负荷随燃料水分和热值的变化而波动规律，其中燃料的热值随燃料水分的变化呈线性变化，负荷受到包括燃料热值、燃料量和给风量因素的综合影响。②当锅炉负荷与炉膛温度下降时的处理措施一方面要尽量提高各路进风的温度，另一方面就是要提高锅炉的燃料量Br，提高燃料的反应速度系数kB，而提高燃料的反应速度系数ke的方法就是提高炉排风的风速和风量以提高氧气扩散系数，增加炉排风的温度以提高燃料温度，适当加快炉排振动频率以增加灰粉代谢而减小灰层厚度；③设计模糊控制器，以炉膛温度的偏差E和汽包压力变化率EC为输入变量，以总风量PID控制器的设定值偏差A&和炉排风量PID控制器的设定值偏差Ag，实现对锅炉的总风量和炉排风量的模糊控制，进而实现对锅炉实时燃料量Br的控制。1.模型分析锅炉的负荷可以通过汽包压力直接反映，汽包压力的变化率反映了负荷的变化趋势。但是汽包压力一般变化较慢而且有一定惯性，而炉膛温度可以直接反映出燃料的燃烧状况，燃料充分燃烧释放热量，是锅炉负荷能够保持稳定的源动力。因此本发明选择炉膛温度的绝对值和汽包压力的变化率作为控制系统维持负荷稳定的反馈量对其进行模型分析。(1)燃料量计算振动炉排锅炉与一般煤粉炉不同，其给入炉膛的燃料并不是马上燃烧释放热量，而是随着炉排的振动，燃料逐渐分布在炉排上，分阶段分区域燃烧，实践证明燃料在炉排上分为干燥区、燃烧区、燃尽区，燃料进入炉膛后首先要在干燥区吸收热量蒸发水分，之后随着挥发份的析出着火开始剧烈燃烧，最后固定碳在炉排燃尽区逐渐燃尽后排入渣池，炉排燃料量模型为dB。其中，Bg为炉排上实时燃料总量，Bin为给料量，Br为炉膛燃烧所消耗的燃料量，A为燃料收到基灰分含量，Dash为灰渣量，其中Br与炉排上总燃料量和燃料的反应速度系数kB成正比Br=BgkB燃料的反应速度系数kB是氧气扩散速率、、燃料化学反应速度ks和灰层扩散传质阻力系数ka的函数，其数学表达式为!/111、-1kB=(「+「+r)KdKsKa式中kd与风速有关，ka与灰层厚度成反比，ks=AeXp(_^)其中A为频率因子，E为表观活化能，R为气体常数，TB为燃料温度；从而可得出，决定锅炉实时负荷的不是给料量Bin，而是实时燃料量Br，燃料量与炉排上实时燃料量和燃料的反应速度系数成正比，炉排实时燃料量需要稳定的给料量保证，燃料的反应速度系数与炉排风的风速风量有关，也与燃料的化学反应速度有关，还与灰渣的代谢有关；6(2)炉膛燃烧传热计算锅炉的运行状态参数是通过能量守恒方程得到的，炉膛燃烧传热的计算过程对模型进行了简化模型采用集总参数方法，以炉膛出口温度为特征温度参数；由于炉膛内部主要是燃烧火焰对水冷壁、屏式过热器等受热面的辐射传热，对流传热量占比很小，因此可忽略炉膛内部的对流换热；炉膛水冷壁为模式水冷壁，忽略炉膛漏风；燃料燃烧动态过程相比受热面内介质焓温变化过程快很多，因此炉内燃烧过程采用稳态方程计算，水冷壁内介质温度保持不变；于是得到炉内传热平衡方程为Q=cpBrCp(Ta—i;)=d0axtFb(T;—Tb4)(p为锅炉保热系数，Cpj为烟气平均比热，1\为炉膛出口烟气温度，o。为黑体辐射为系统黑度，Fb为炉膛受热面积，Thy火焰温度，Tb为水冷壁温度，Ta为绝热燃烧温系数，ax—度Ta=Qi/Cpj=(BrQar+Hair)/Cpj其中，为送入炉膛热量，Q为燃料地位发热量，为空气焓；经过相似理论处理简化计算得到炉膛出口温度计算公式71式中M为与火焰高度相关的系数，K为比例系数，由模型分析可知，生物质燃料水分的增加直接降低了燃料的低位发热量Q，导致入炉热量的降低，从而降低了燃料的绝热燃烧温度，根据上述公式计算可知在炉膛温度所在的范围内，炉膛出口温度1\随Ta的下降有明显下降，如果炉温上升，一方面可以增加炉排风温度以提高Qair，另一方面可提高燃料量Br;(3)汽包压力模型汽包压力取决于锅炉的有效吸热量与主蒸汽流量Ds，以及锅炉的蓄热系数Cb，将在燃料量Br下锅炉汽水系统的有效吸热量换算为此热量所能产生的蒸汽量DQ，则汽包压力模型可以写为如下形式^:cd。-a)/c;蓄热系数Cb在锅炉运行状态变化不大时可近似为常数，则在外界负荷需求变化不大时，即Ds变化不大时，锅炉汽包压力基本取决于D。，在锅炉效率变化不大的情况下，D。基本取决于Br与燃料热值Q，因此在水分增加热值降低的情况下，增加Br就可以增加DQ。本发明的有益效果是本发明对生物质燃料特性变化对锅炉负荷的影响进行了深入的模型分析研究，对负荷随燃料水分、热值的变化而波动的原理进行了分析，提出了稳定锅炉负荷的若干措施，并利用模糊控制理论对锅炉的总风量和炉排风量进行模糊控制，达到快速调整炉膛温度、稳定锅炉负荷的目的。提高了控制系统的效率，改善了控制的效果，7有利于锅炉燃烧状态的稳定，提高锅炉运行效率。下面结合附图对本发明进一步说明。图1是应用本发明控制方法的生物质振动炉排锅炉系统简图2是本发明总风量自动控制的控制流程示意图3是本发明炉排风自动控制的控制流程示意图。具体实施例方式基于以上的锅炉负荷及炉膛温度的模型分析，我们发现由于生物质燃料的水分和热值的变化有较强的随机性，锅炉负荷随之波动的情况难以预料并且很难进行精确控制，因此考虑弓I入模糊控制方案予以解决。由模型分析可知，要克服锅炉负荷的波动主要对投入锅炉的热量进行有效控制。当负荷与炉膛温度下降时，一方面要尽量提高各路风的温度，另一方面就是要提高锅炉燃料量Br，保持炉排实时燃料量Bg，提高燃料的反应速度系数kB。保持实时燃料量的方法就是维持给料量与排渣量的动态平衡，这可以通过已有的控制系统来完成。而提高kB的方法主要就是提高炉排风的风速风量以提高氧气扩散系数，增加炉排风温以提高燃料温度，适当加快炉排振动频率以增加灰分代谢而减小灰层厚度。由于提高炉排的振动频率可能造成燃料无法充分燃尽，而燃尽状态无法由控制系统自动辨别，因此本发明并不涉及炉排振动频率的变化。增加风温可以通过提高风温控制器温度设定值，调节空预器进水量来实现。本发明主要设计以下技术方案实现对总风量和炉排风量的控制。对风量的调整还需要常规自动控制系统完成各子系统自动控制，主要包括炉膛压力的自动控制，使锅炉维持在微负压运行；二次风对氧量的自动控制，以保证燃料的完全燃烧；汽包水位的自动控制，使蒸发受热面保持稳定、较低的过冷度。本发明应用模糊控制理论设计模糊控制器，通过修正总风量PID控制器的设定值偏差A&和炉排风量PID控制器的设定值偏差Ag实现对锅炉的总风量和炉排风量的模糊控制。控制器以炉膛温度的偏差E和汽包压力变化率为EC系统输入变量，A&和Ag为输出变量，应用模糊集合理论建立两入两出的控制模型，以期在锅炉负荷和炉膛温度波动时对风量进行有效调整，改善燃烧提高Br。对于需要调整的两个参数，设计两个模糊控制器，每个控制器的输入都为E和EC，对每个输入变量定义7个模糊子集，则模糊控制规则有49条，每条控制规则对应2输入1输出。控制器采用三角形隶属函数来定义输入输出变量，隶属度函数的中心点和宽度根据现场调试情况进行不同设定。设定炉膛温度偏差E的基本论域为[-250，250]，汽包压力变化率EC的基本论域为[-l，l]，再通过各自量化因子K。K^进行标准化变换，变换后的论域如下E:{_6，_5，".，_0，+0，…，+5，+6}EC:{-6，-5，…，-l，+l，".，+5，+6}每个输入变量定义7个模糊子集，分别为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，用{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}表示。输出量A&禾PAg的论域分别为(-10，10)和(-5，5)，定义七个语言变量为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。根据模型仿真情况和现场运行调试，确定每个控制器的模糊控制规则，控制规则表如表2、3所示表2A&控制规则表E<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>利用Mamdani推理法则进行模糊推理，并依据重心法进行去模糊推理运算，最终将输出语言值转换成对应的精确输出量，从而对相应PID控制器的设定值进行修订。再经过各自PID控制器的运算，实现对送风机和炉排风调节挡板的调节。总风量和炉排风量自动控制的控制流程示意图如附图2，附图3所示。图中Fuzzy模块为模糊控制器，以炉膛温度和汽包压力变化率为输入，以总风量或者炉排风量设定值偏差为输出。负荷控制方法抑制负荷由于燃料水分增加热值降低而下降，按照以下步骤实现①燃料的水分增加，热值降低，导致锅炉的炉膛温度快速下降，炉膛温度的偏差E为负并且绝对值逐渐增大，汽包压力逐渐下降，下降速度加快，汽包压力变化率EC为负并且绝对值逐渐增大；②模糊控制器经过模糊推理计算，提高总风量和炉排风量设定值偏置，增加总风量和炉排风量；③炉排风量的增加提高了氧气扩散系数，进而提高了燃料的反应速度系数ke，使炉膛温度回升，炉膛温度的偏差E仍为负，但是其绝对值逐渐减小，汽包压力仍在下降，下降速度趋缓，汽包压力变化率EC仍为负并逐渐接近于零；④模糊控制器经过模糊推理计算，总风量和炉排风量设定值偏置不再提高，总风量和炉排风量保持在较高水平，这有助于汽包压力和负荷的回升；⑤炉膛温度继续回升，炉膛温度的偏差E回零，甚至变为正值，汽包压力达到最低点后开始回升，汽包压力变化率EC变为正值并逐渐变大；⑥模糊控制器经过模糊推理计算，开始逐渐减小总风量和炉排风量设定值的偏置，总风量和炉排风量逐渐接近正常状态的设定值，这可以避免汽包压力和负荷的超调；⑦炉膛温度稍有下降，并回到稳定运行状态，汽包压力逐渐回升并稳定在正常状态，负荷恢复到设定值，炉膛温度的偏差E和汽包压力变化率EC都趋于零，模糊控制器输出的总风量和炉排风量设定值偏置为零。经过模糊控制器对总风量和炉排风量进行调整，可以在一定程度上提高锅炉实时燃料量B^有效抑制燃料水分、热值的变化对负荷的不利影B向，降低炉膛温度和汽包压力的波动幅度，实现生物质振动炉排锅炉的负荷自动控制。此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。权利要求一种振动炉排锅炉的负荷控制方法，其特征在于包括以下步骤①通过对生物质燃料的特性变化对锅炉负荷的影响进行模型分析研究，得出负荷随燃料水分和热值的变化而波动规律，其中燃料的热值随燃料水分的变化呈线性变化，负荷受到包括燃料热值、燃料量和给风量因素的综合影响。②当锅炉负荷与炉膛温度下降时的处理措施一方面要尽量提高各路进风的温度，另一方面就是要提高锅炉的燃料量Br，提高燃料的反应速度系数kB，而提高燃料的反应速度系数kB的方法就是提高炉排风的风速和风量以提高氧气扩散系数，增加炉排风的温度以提高燃料温度，适当加快炉排振动频率以增加灰粉代谢而减小灰层厚度；③设计模糊控制器，以炉膛温度的偏差E和汽包压力变化率EC为输入变量，以总风量PID控制器的设定值偏差Δair和炉排风量PID控制器的设定值偏差Δg，实现对锅炉的总风量和炉排风量的模糊控制，进而实现对锅炉实时燃料量Br的控制。2.如权利要求1所述的负荷控制方法，其特征在于，所述对生物质燃料的特性变化对锅炉负荷的影响进行的模型分析研究包括锅炉的负荷可以通过汽包压力直接反映，汽包压力的变化率反映了负荷的变化趋势，但是汽包压力一般变化较慢而且有一定惯性，而锅炉的炉膛温度直接反映出燃料的燃烧状况，燃料充分燃烧释放热量，是锅炉负荷能够保持稳定的源动力，因此选择炉膛温度的绝对值和汽包压力的变化率作为控制系统维持负荷稳定的反馈量对其进行模型分析；(1)燃料量计算振动炉排锅炉与一般煤粉炉不同，其给入炉膛的燃料并不是马上燃烧释放热量，而是随着炉排的振动，燃料逐渐分布在炉排上，分阶段分区域燃烧，实践证明燃料在炉排上分为干燥区、燃烧区、燃尽区，燃料进入炉膛后首先要在干燥区吸收热量蒸发水分，之后随着挥发份的析出着火开始剧烈燃烧，最后固定碳在炉排燃尽区逐渐燃尽后排入渣池，炉排燃料量模型为其中，Bg为炉排上实时燃料总量，Bin为给料量，Br为炉膛燃烧所消耗的燃料量，Aar为燃料收到基灰分含量，Dash为灰渣量，其中Br与炉排上总燃料量和燃料的反应速度系数kB成正比<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>燃料的反应速度系数kB是氧气扩散速率kd、燃料化学反应速度ks和灰层扩散传质阻力系数ka的函数，其数学表达式为式中kd与风速有关，ka与灰层厚度成反比，ks=AexP(-^")其中A为频率因子，E为表观活化能，R为气体常数，TB为燃料温度；从而可得出，决定锅炉实时负荷的不是给料量Bin，而是实时燃料量Bp燃料量与炉排上实时燃料量和燃料的反应速度系数成正比，炉排实时燃料量需要稳定的给料量保证，燃料的反应速度系数与炉排风的风速风量有关，也与燃料的化学反应速度有关，还与灰渣的代谢有关；(2)炉膛燃烧传热计算锅炉的运行状态参数是通过能量守恒方程得到的，炉膛燃烧传热的计算过程对模型进行了简化模型采用集总参数方法，以炉膛出口温度为特征温度参数；由于炉膛内部主要是燃烧火焰对水冷壁、屏式过热器等受热面的辐射传热，对流传热量占比很小，因此可忽略炉膛内部的对流换热；炉膛水冷壁为模式水冷壁，忽略炉膛漏风；燃料燃烧动态过程相比受热面内介质焓温变化过程快很多，因此炉内燃烧过程采用稳态方程计算，水冷壁内介质温度保持不变；于是得到炉内传热平衡方程为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>cp为锅炉保热系数，Cpj为烟气平均比热，1\为炉膛出口烟气温度，o。为黑体辐射系数，axt为系统黑度，Fb为炉膛受热面积，Thy火焰温度，Tb为水冷壁温度，Ta为绝热燃烧温度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，为送入炉膛热量，Q为燃料地位发热量，为空气焓；经过相似理论处理简化计算得到炉膛出口温度计算公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>式中M为与火焰高度相关的系数，K为比例系数，由模型分析可知，生物质燃料水分的增加直接降低了燃料的低位发热量Q，导致入炉热量的降低，从而降低了燃料的绝热燃烧温度，根据上述公式计算可知在炉膛温度所在的范围内，炉膛出口温度1\随Ta的下降有明显下降，如果炉温上升，一方面可以增加炉排风温度以提高Q&，另一方面可提高燃料量Br;(3)汽包压力模型汽包压力取决于锅炉的有效吸热量与主蒸汽流量Ds，以及锅炉的蓄热系数Cb，将在燃料量Br下锅炉汽水系统的有效吸热量换算为此热量所能产生的蒸汽量DQ，则汽包压力模型可以写为如下形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>蓄热系数cb在锅炉运行状态变化不大时可近似为常数，则在外界负荷需求变化不大时，即Ds变化不大时，锅炉汽包压力基本取决于DQ，在锅炉效率变化不大的情况下，D。基本取决于Br与燃料热值Q，因此在水分增加热值降低的情况下，增加Br就可以增加DQ。3.如权利要求2所述的负荷控制方法，其特征在于锅炉负荷由于燃料水分增加热值降低而下降时，采取以下步骤进行调整①燃料的水分增加，热值降低，导致锅炉的炉膛温度快速下降，炉膛温度的偏差E为负并且绝对值逐渐增大，汽包压力逐渐下降，下降速度加快，汽包压力变化率EC为负并且绝对值逐渐增大；②模糊控制器经过模糊推理计算，提高总风量和炉排风量设定值偏置，增加总风量和炉排风量；③炉排风量的增加提高了氧气扩散系数，进而提高了燃料的反应速度系数ke，使炉膛温度回升，炉膛温度的偏差E仍为负，但是其绝对值逐渐减小，汽包压力仍在下降，下降速度趋缓，汽包压力变化率EC仍为负并逐渐接近于零；④模糊控制器经过模糊推理计算，总风量和炉排风量设定值偏置不再提高，总风量和炉排风量保持在较高水平，这有助于汽包压力和负荷的回升；⑤炉膛温度继续回升，炉膛温度的偏差E回零，甚至变为正值，汽包压力达到最低点后开始回升，汽包压力变化率EC变为正值并逐渐变大；⑥模糊控制器经过模糊推理计算，开始逐渐减小总风量和炉排风量设定值的偏置，总风量和炉排风量逐渐接近正常状态的设定值，这可以避免汽包压力和负荷的超调；⑦炉膛温度稍有下降，并回到稳定运行状态，汽包压力逐渐回升并稳定在正常状态，负荷恢复到设定值，炉膛温度的偏差E和汽包压力变化率EC都趋于零，模糊控制器输出的总风量和炉排风量设定值偏置为零。全文摘要本发明对生物质燃料特性变化对锅炉负荷的影响进行了深入的模型分析研究，对负荷随燃料水分、热值的变化而波动的原理进行了分析，提出了稳定锅炉负荷的措施为保证稳定的入炉燃料量，适当增加总风量和炉排风量，增加炉排振动频率，增加风温等，并利用模糊控制理论对锅炉的总风量和炉排风量进行模糊控制，达到快速调整炉膛温度、稳定锅炉负荷的目的。文档编号F23N5/00GK101725999SQ20091024186公开日2010年6月9日申请日期2009年12月11日优先权日2009年12月11日发明者王乐,王志凯申请人:中国电力科学研究院