專利名稱：用于優(yōu)化蒸汽鍋爐系統(tǒng)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有以氣體(例如天然氣或填埋氣體)或液體(例如油)或其混合物為燃料的單燃料或雙燃料燃燒器的鍋爐和油加熱器，具體而言，涉及用于優(yōu)化這種鍋爐和油加熱器中的燃料燃燒的方法和裝置，更具體而言，涉及用于通過系統(tǒng)地找出最節(jié)能的輸入控制值的組合，然后控制在這些值附近以滿足主過程輸出設(shè)定點，從而來控制蒸汽鍋爐或油加熱器的方法和裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，鍋爐用來由水產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通常用來推動蒸汽發(fā)動機或蒸汽渦輪機，用于供熱，用于制冷，用于清潔和消毒、以及用于許多其他的用途。同樣眾所周知，油加熱器用來提供熱油，作為能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)。本文中所使用的術(shù)語“鍋爐”意思是指鍋爐或油加熱器，因而，除非另外指出，所描述的用于鍋爐的本發(fā)明應(yīng)理解為也適用于油加熱器。公知地，鍋爐可以以多種能源為燃料，例如核衰變和碳氫化合物燃燒。一些典型的碳氫化合物燃料源為木材、煤、燃油、以及天然氣。
一種特定類別的鍋爐系統(tǒng)采用可噴射的碳氫化合物流體燃料，如燃油或天然氣，其在壓力下可以通過管道很容易地供應(yīng)到鍋爐，并且其可以通過與設(shè)置在鍋爐內(nèi)的燃燒器相通的燃料控制閥進行可靠地計量。通過輔助蒸汽噴射器可以有助于燃油噴射。典型地，燃油在通常為圓柱形或矩形的長形燃燒室的第一端沿軸向噴射。大容量鼓風(fēng)機或空氣泵將助燃空氣經(jīng)由空氣流量控制閥或氣流調(diào)節(jié)器(風(fēng)門)，在噴射器附近引入燃燒室，燃料和空氣沿燃燒室軸向流動。通過獨立的引火系統(tǒng)啟動點火，以產(chǎn)生長的燃燒器火焰?？諝饬魍ǔＶ辽俜譃檠鼗鹧孑S向引入的主氣流和在火焰周圍引入的副氣流，借此可以改變?nèi)紵屎突鹧嫘螤睢Ｈ紵彝ǔ@著一系列的連續(xù)供應(yīng)水的鍋爐輸水管道，并與這些管道接觸。燃燒產(chǎn)生的熱量通過燃燒室的壁和管道，借助傳導(dǎo)、對流和輻射進行傳遞，以加熱并最終使水沸騰，從而產(chǎn)生蒸汽。產(chǎn)生的蒸汽在鍋爐鍋筒處被收集，并通過蒸汽主管(steam header)輸送到使用地點。冷卻的火焰氣體通過煙道被排出，通常排放到大氣中。
在某些現(xiàn)有技術(shù)的鍋爐系統(tǒng)中，燃料控制閥和空氣流量控制閥通過機械或電裝置連接起來，使得燃料和空氣流一起以明顯固定的比率變化，該比率通常實驗確定以產(chǎn)生“可接受的”火焰?？山邮艿幕鹧媸侵府a(chǎn)生需要量的蒸汽以及環(huán)境可接受的排放的火焰，其與產(chǎn)生蒸汽時火焰的燃料效率并不特別有關(guān)。然而，該比率并非真正固定，因為通常的閥和氣流調(diào)節(jié)器的作用函數(shù)不是線性的。
在某些現(xiàn)有技術(shù)的鍋爐系統(tǒng)中，通常沒有裝置用來優(yōu)化各種工藝參數(shù)，以用最少的燃料產(chǎn)生最多的蒸汽。例如，沒有裝置用來系統(tǒng)地優(yōu)化總空氣流量或空氣-燃料比；太多的空氣可以導(dǎo)致排放過多的加熱空氣，這是一種浪費；太少的空氣會導(dǎo)致燃燒不理想、鍋爐管道結(jié)焦、以及在排放物中殘留碳氫化合物。另外，不合適的主副空氣控制以及不合適的總體空氣控制和燃料控制會導(dǎo)致a)在沿燃燒室長度的相對較短的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)高度局部燃燒，因而不能利用全部熱交換表面積中的絕大部分，以及b)無規(guī)則、不穩(wěn)定的火焰，其只能部分地附著到燃燒室的壁上，因而允許絕大部分的火焰穿過系統(tǒng)而不與熱傳遞表面接觸。
另外，在現(xiàn)有技術(shù)中，過程控制器由反饋控制開始啟動時，從任意的控制執(zhí)行機構(gòu)(控制操作裝置或操作人員)的位置操作，當控制器識別出指定的工藝控制輸入?yún)?shù)值但還未匹配設(shè)定點值時，重復(fù)改變每個輸入設(shè)置?？刂破鳑]有關(guān)于什么是最終正確的設(shè)置的先驗“知識”，因此在每次啟動工藝過程時，這種設(shè)置基本上都是根據(jù)經(jīng)驗預(yù)先確定的。而且，控制器沒有預(yù)定的裝置用來通過每個輸入執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)置來相互優(yōu)化整個過程。因此，雖然通過對過程控制的限定，輸出值最終與設(shè)定點相匹配，但是，對于燃料效率最適宜的設(shè)定組合不大可能已經(jīng)被確定。例如，在蒸汽鍋爐生火以實現(xiàn)蒸汽流量和/或蒸汽壓力的設(shè)定點值時，在適當?shù)膲毫ο?，燃料流、主空氣流、副空氣流、調(diào)整空氣流(trim air flow)、總氣流以及燃料氣體循環(huán)流的設(shè)定和條件可能會有數(shù)千種組合。然而，只有一種或至多少數(shù)幾種這類組合包括最小的燃料流?，F(xiàn)有技術(shù)的控制器沒有確定組合是什么的裝置，因此沒有用來使過程向這種組合移動的裝置。
另外，某些現(xiàn)有技術(shù)的鍋爐控制模式采用比例積分微分(PID)邏輯來控制到達燃燒器的燃料和/或空氣流，這可以導(dǎo)致在啟動過程中出現(xiàn)實質(zhì)的處理過度和循環(huán)處理，或者在其他點出現(xiàn)嚴重的處理不穩(wěn)定。
另外，某些現(xiàn)有技術(shù)的鍋爐控制系統(tǒng)在查找故障以確定處理失敗的原因時非常麻煩、費時并且費用很高。
因此，需要一種方法和裝置用來控制流體燃料蒸汽鍋爐中蒸汽的產(chǎn)生，其中至少獨立地和優(yōu)化地控制燃料流、主空氣流和副空氣流，能夠在給定的管道壓力下，滿足環(huán)境質(zhì)量標準的煙道排放，同時利用最小的燃料流量，產(chǎn)生給定的蒸汽流。
還需要一種控制邏輯，其快速地對蒸汽鍋爐系統(tǒng)進行過程控制，使過程啟動時的處理過度和循環(huán)最小。
還需要一種蒸汽鍋爐過程控制系統(tǒng)，其能夠立即確定處理失敗的原因。
本發(fā)明的主要目的是使蒸汽鍋爐系統(tǒng)運行的燃料費用最小。
本發(fā)明的另一目的是提高蒸汽鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而延長其運行時間。
本發(fā)明的再一目的是使蒸汽鍋爐系統(tǒng)運行中的過程異常和失敗容易進行故障查找和排除。
本發(fā)明的又一目的是使蒸汽鍋爐系統(tǒng)迅速進入穩(wěn)定狀態(tài)控制，并且使過程循環(huán)最小化。

發(fā)明內(nèi)容
以下簡要描述根據(jù)本發(fā)明的用于控制蒸汽鍋爐系統(tǒng)的方法。
在使系統(tǒng)處于生產(chǎn)操作之前，可變化的獨立過程輸入，例如，燃料流率、主空氣流率和副空氣流率，是確定的。對于每個過程輸出參數(shù)，例如蒸汽壓力、蒸汽溫度、煙道CO、煙道O2等等，可接受性范圍是特定的。然后，通過產(chǎn)生輸入和輸出值的特定的多維矩陣或查詢表來描述所述過程，其中，對該過程以其輸入控制可變設(shè)定的所有可能的因子組合進行逐步操作，并記錄所有有關(guān)輸出參數(shù)的所得到的過程輸出值。將非函數(shù)組合從表中省略。
在過程起動時，要選定主輸出參數(shù)如蒸汽流量的理想值。然后，從表中選擇優(yōu)化的或接近優(yōu)化的輸入設(shè)定的組合，這種組合已經(jīng)示出以提供近似理想的過程輸出值，這種組合還導(dǎo)致所有其他輸出參數(shù)的可接受結(jié)果，并且該組合還使用最小燃料流率。
在進行控制的兩步法中，第一，所有輸入控制執(zhí)行機構(gòu)初始以優(yōu)化的表中選定的輸入值進行設(shè)定，而不象現(xiàn)有技術(shù)那樣以任意設(shè)定開始。第二，反饋控制系統(tǒng)對以這些設(shè)定(其非常接近穩(wěn)定狀態(tài)操作所要求的設(shè)定)開始的輸入執(zhí)行機構(gòu)進行動態(tài)控制，使得可以迅速和受控地對穩(wěn)定狀態(tài)條件進行調(diào)整，并且使控制過度最小化。
該用來實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)過程控制的兩步法是對現(xiàn)有技術(shù)方法的重大改進，因為在鍋爐系統(tǒng)起動時控制輸入設(shè)定和輸出參數(shù)是遠離其穩(wěn)定狀態(tài)值的。
另外，單個閥和氣流調(diào)節(jié)器的致動優(yōu)選以體現(xiàn)出對現(xiàn)有技術(shù)改進的兩個重要途徑來校正。
首先，由在所產(chǎn)生的查詢表中所確定的關(guān)系，對每個機構(gòu)進行校正，對于控制器進行線性響應(yīng)，使控制輸出信號的給定百分比的增量導(dǎo)致通過機構(gòu)的流量有相同百分比的增量。這是非常重要的改進，因為通常使用的大多數(shù)調(diào)節(jié)裝置，例如蝶形閥和氣流調(diào)節(jié)器，其流量相對于致動位置呈高度非線性。
第二，因為每個閥和氣流調(diào)節(jié)器的致動器系統(tǒng)具有特定的響應(yīng)速度，發(fā)送給每個這類系統(tǒng)的驅(qū)動信號要調(diào)整和協(xié)調(diào)，使所有控制裝置都以相同的百分比速度運動，從而在控制轉(zhuǎn)變過程中使流率保持恒定。


通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的特定典型實施例的描述，將可以更全面地理解和認識本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)點，在圖中
圖1是簡化的流程示意圖，示出了過程操作系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)之間的關(guān)系；以及圖2a、2b和2c是根據(jù)本發(fā)明的用于控制蒸汽鍋爐的原料和信息流程示意圖(過程操作系統(tǒng))的相鄰示圖。
具體實施例方式
圖1用來使本發(fā)明中包括的主要元件之間的關(guān)系以及描述這種關(guān)系的術(shù)語清楚。參見圖1，示意性示出的過程10包括過程控制系統(tǒng)(PCS)500，其優(yōu)選包括計算機CPU或大容量可編程控制器；以及過程操作系統(tǒng)(POS)600，其包括多個控制操作裝置或機構(gòu)，例如閥、氣流調(diào)節(jié)器(風(fēng)門，damper)、開關(guān)、轉(zhuǎn)換器，等等。狀態(tài)信號502可以從POS 600中的元件直接發(fā)送，或者可以經(jīng)由中間的燃燒器管理系統(tǒng)(BMS)34發(fā)送，燃燒器管理系統(tǒng)在本圖及圖2a、2b和2c中以菱形在流程邏輯圖中表示，但實際上是PCS 500的一部分。類似地，控制信號602可以從PCS 500直接發(fā)送到POS600，或者可以經(jīng)由中間的BMS 34發(fā)送控制信號604。可以理解，如這里所使用的，過程輸出也是計算機輸入，而計算機輸出也是過程輸入。
參見圖2a、2b和2c，這三幅圖應(yīng)理解為分別在參照點AB和BC處連接起來，相當于一個單幅的寬圖，即圖2。還應(yīng)該理解，所有的邏輯優(yōu)選都由PCS 500控制，為清晰起見，將其從圖中省略。
根據(jù)本發(fā)明的過程操作控制示意圖600a、600b和600c包括燃燒器12、助燃空氣風(fēng)扇14和鍋爐鍋筒16。燃燒器12可以由氣體供應(yīng)裝置18和燃油供應(yīng)裝置20中的任一個或者這兩者來運行。
當燃燒器12以氣體為燃料時，經(jīng)由管線21流向燃燒器12的氣體流速可以通過跨過孔板流量計24的壓降22來測量，將流量信號26發(fā)送到PCS 500。氣流響應(yīng)來自PCS 500的輸出信號30，通過控制閥28來控制。低的燃料氣體壓力通過燃燒器管理系統(tǒng)(BMS)34中的壓力報警開關(guān)32a感測，并向PCS 500發(fā)送信號36a。優(yōu)選地，還可以在管線內(nèi)設(shè)置可視的壓力計38。同樣，高的燃料氣體壓力通過BMS 34中的壓力報警開關(guān)32b感測，并向PCS 500發(fā)送信號36b。由于天然氣的質(zhì)量和成份會有明顯變化，影響燃燒所需的氣體量，優(yōu)選地，引入氣體的單位生熱熱值40被確定，并提供42到PCS 500。
當燃燒器12供油時，油流速率同樣可以通過跨過孔板流量計46的壓降44來控制和監(jiān)視，將信號48發(fā)送到PCS 500，并且響應(yīng)來自POS 600的輸出信號，通過控制閥50控制。高的和低的燃油壓力會被報警51、53，相應(yīng)的信號55、57通過BMS 34被發(fā)送到PCS。燃油可以通過三路電磁閥54和回流管線56再循環(huán)，以防止當燃燒器12以氣體為燃料時或被關(guān)閉時在供料管線58中出現(xiàn)滯流和沉積。
在目前優(yōu)選的操作模式中，油噴入燃燒器以及其燃燒是由從蒸汽源60經(jīng)由管線62的蒸汽噴射幫助進行的。蒸汽噴射壓力根據(jù)供油壓力，由不同的控制閥64進行控制，當由供油管線58中的控制閥66控制時，兩個閥通過管線68連接起來。響應(yīng)BMS 34，通過阻流閥70控制蒸汽流。蒸汽流低壓報警器61通過BMS 34向PCS發(fā)送信號63。另外，低抽吸壓力條件被報警65，并通過BMS 34向PCS發(fā)送信號67。
用于燃燒器12的引火系統(tǒng)72通過管線74將供應(yīng)裝置18的氣體吸入與燃燒器12相鄰設(shè)置的點火器76。火焰檢測器系統(tǒng)78確定在燃燒器中的引火被點燃。氣體流由第一和第二閥80控制，并向PCS發(fā)送信號81。BMS 34通過PCS與檢測器系統(tǒng)78連通，如果點火未被確認，PCS就向BMS 34發(fā)送信號79，使引火氣體流通過閥82排放到大氣中。
經(jīng)由管線85從空氣源84向助燃空氣風(fēng)扇14供應(yīng)空氣。對引入空氣的溫度和絕對濕度進行測量86、87，并發(fā)送88、89到PCS。風(fēng)扇速度90通過來自PCS的信號92來設(shè)置。對總空氣流量進行計量94，并向PCS發(fā)送信號96。對來自風(fēng)扇14的低的輸出壓力進行感測98，并通過BMS 34向PCS發(fā)送信號100；類似地，對風(fēng)箱102中的壓力進行感測104，并且也向PCS發(fā)送105。風(fēng)扇14向燃燒器12提供主、副和調(diào)整空氣，每種空氣的流量都分別通過電動機械空氣氣流調(diào)節(jié)器(空氣風(fēng)門)106、108和110進行計量，這些氣流調(diào)節(jié)器的位置分別由PCS輸出112、114和116控制。
風(fēng)扇14還設(shè)置有限制控制器和報警器。BMS 34確定鼓風(fēng)機電機起動器控制繼電器118的閉合并向PCS傳遞運行觸點信號120。BMS 34還確定鼓風(fēng)機電機起動器122是否被賦能和向PCS傳遞鼓風(fēng)機故障觸點信號124。
燃燒器12的排放通過鍋爐煙道126釋放到大氣中。優(yōu)選地，輔助排放器鼓風(fēng)機128將空氣釋放到煙道126中，以確保其中為正向流。鼓風(fēng)機128的速度由來自PCS的信號130設(shè)置；類似地，排放器氣流調(diào)節(jié)器132的位置由PCS信號134設(shè)置。在煙道126中，對數(shù)個排放參數(shù)進行感測并向PCS傳遞，包括煙道底部溫度134、136，煙道出口溫度138、140，煙道NOX142、144，煙道CO2146、148，煙道CO 150、152，煙道O2154、156。煙道排放速度由引火管道155感測，并向PCS發(fā)送157。其他煙道參數(shù)的測量，例如煙道SOX和煙道VOC，雖然在此沒有詳細說明，但通過本發(fā)明，也完全可以領(lǐng)會。
通過助燃空氣風(fēng)扇使部分煙道排放廢氣再循環(huán)到燃燒器中以調(diào)節(jié)燃燒和/或燃燒殘留碳氫化合物，這在本領(lǐng)域中是已知的。在本實例中，管線158從鍋爐煙道126經(jīng)由煙道氣再循環(huán)氣流調(diào)節(jié)器160延伸到風(fēng)扇14的入口。響應(yīng)由引火管道164測量并由信號166發(fā)送到PCS的煙道氣流量測量結(jié)果，通過來自PCS的信號162設(shè)置氣流調(diào)節(jié)器160的位置。對傳遞到風(fēng)扇中的煙道氣的溫度進行感測168，并向PCS發(fā)送170。
由水源172對鍋爐鍋筒16供以補給水。水流可以在經(jīng)由管線174通向鍋筒16的直接水流和經(jīng)由管線176穿過設(shè)置在鍋爐煙道126中的熱交換器178的交替流之間分流，其中廢熱用來對流入鍋爐的水預(yù)熱，然后兩個流匯集成一條管線180。經(jīng)過熱交換器178的流量通過跨過孔板流量計182的壓降進行測量，將流量信號184向PCS發(fā)送，并且響應(yīng)來自PCS的信號188，通過控制閥186進行調(diào)節(jié)。對穿過熱交換器178的水的入口和出口溫度190、192進行測量，并向PCS發(fā)送相應(yīng)的信號194、196。響應(yīng)來自PCS的信號200，通過閥198，經(jīng)由管線174對水旁路熱交換器178進行控制。補給水的總流量通過跨過孔板流量計202的壓降進行計量，將流量信號204向PCS發(fā)送，并響應(yīng)來自PCS的信號208，通過控制閥206進行調(diào)整，以保持鍋爐中的水位。微分傳感器(differential sensor)207向PCS提供水位信號209。優(yōu)選地，需要正壓型儀表空氣供應(yīng)裝置221的鍋爐中多余的高/低位開關(guān)210也能不依賴于計算機而控制閥206。開關(guān)210還分別經(jīng)由BMS 34，通過PCS與高和低位211、213連通。對補給水溫度和壓力進行感測212、214，并分別向PCS發(fā)送信號216、218。低的傳感器220監(jiān)視過低的水位，以防止在水流故障的情況下對鍋爐造成損害，并通過BMS 34向PCS發(fā)送信號222。鍋筒壓力在儀表224上可視地示出，通過轉(zhuǎn)換器226感測，并向PCS發(fā)送228。如果跳閘，高壓安全開關(guān)230還通過BMS 34與PCS連通232。
鍋爐16中產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽管線234排出到蒸汽主管236中。流入主管236中的蒸汽通過孔板流量計238進行計量，將其流量值信號240向PCS發(fā)送242。對主管中的蒸汽壓力進行感測244，并向PCS發(fā)送245。主管236中的低壓觸發(fā)低蒸汽壓力觸點246，并向PCS發(fā)送信號248。
在用來控制剛剛描述過的鍋爐系統(tǒng)的方法中，首先該過程的特征在于通過在所有可能的過程因子組合下臨時運行該過程，輸入控制可變的設(shè)定(優(yōu)選地，對于每個輸入執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)定，是從一個極端到另一個極端)，并記錄在每種過程運行組合下產(chǎn)生的所有相關(guān)的過程輸出參數(shù)的過程輸出值，產(chǎn)生獨特的多維矩陣(multi-dimensional matrix)，其可以顯示為二維查詢表。每個輸入執(zhí)行機構(gòu)限定了矩陣的一個維度。所有未能運行系統(tǒng)的輸入組合(例如燃燒器未能維持火焰)都被從查詢表中刪除。另外，所有產(chǎn)生特定范圍之外的輸出參數(shù)值的輸入組合都被從查詢表中刪除。因此，所有在表中保留的輸入組合都能操作該過程，并能導(dǎo)致可接受的輸出值。
在圖2a、2b和2c中所示的實例中，矩陣化的輸入執(zhí)行機構(gòu)信號至少為燃油流48和/或燃氣流26、總空氣流96、主空氣流112、副空氣流114、調(diào)整空氣流116、以及燃料氣體再循環(huán)空氣流166?？梢詰?yīng)用偏離因子，諸如燃料的生熱熱值42、空氣絕對濕度89、再循環(huán)煙道氣溫度170、補給水流量204以及補給水溫度218。測量和記錄的輸出參數(shù)至少為蒸汽流量242、蒸汽壓力248、煙道出口溫度140、煙道NOX144、煙道CO2148、煙道CO 152、煙道O2、鍋筒壓力228以及風(fēng)箱壓力105。
優(yōu)選地，每個執(zhí)行機構(gòu)都從其操作范圍的0至100％以離散的步級變化，并且在每個步級都記錄輸出值。優(yōu)選地，每個步級在操作范圍的約1％到約50％之間。(注意，對于開關(guān)條件，操作范圍明顯是從0％到100％的單個步級，中間沒有步級。)剛才描述的七個控制執(zhí)行機構(gòu)導(dǎo)致七維矩陣，這種矩陣至少在原理上可以表達為非常大的電子數(shù)據(jù)表或查詢表。這種電子數(shù)據(jù)表很容易通過商業(yè)上可獲得的計算機進行訪問和檢索，如果每個執(zhí)行機構(gòu)以例如10％的增量進行調(diào)整，那么得到的矩陣就有107種可能的組合，要產(chǎn)生這些組合看起來是可怕的。然而，沿每個矩陣維度(matrix dimension)，當過程變成非函數(shù)的(non-functional)或者一個輸出參數(shù)超出范圍時，其余的維度不再計算。因此，數(shù)值的實際表格會變得相對較小。
在建立起特定的查詢表后，根據(jù)本發(fā)明的用來操作該過程的方法如下所述。
首先，選定主要過程輸出過程參數(shù)，優(yōu)選為蒸汽流速242，并將該參數(shù)的目標值描述為用于過程控制系統(tǒng)500的主要控制設(shè)定點。對于控制蒸汽鍋爐系統(tǒng)，蒸汽流速242優(yōu)于蒸汽壓力248，因為在過程狀態(tài)方面流速可以提供更多可感測的反饋；在反應(yīng)為蒸汽主管壓力的變化之前流速就可以明顯地改變。當然，查詢表沒有區(qū)別輸出參數(shù)，因此在原理上，只要需要，過程基于任何其他的這類參數(shù)，完全可以等同地控制。如果查詢表中的幾個輸入執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定的組合可以滿足主控制設(shè)定點(蒸汽流242的目標值)，那么根據(jù)另外的輸入標準，例如燃料流48和/或26的最小值，可以在這些組合中進一步選擇，以達到用于過程控制的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定的優(yōu)化組合。
選定最佳組合后，按照那些輸入設(shè)定來驅(qū)動(例如驅(qū)動電機或其他致動器)執(zhí)行機構(gòu)(例如調(diào)節(jié)輸入變量的閥和氣流調(diào)節(jié)器)。如上面提到的，與現(xiàn)有技術(shù)的起動形成對比的重要一點是，所有的輸入控制執(zhí)行機構(gòu)在一開始時就直接設(shè)置在從查詢表中選定的優(yōu)化或接近優(yōu)化的輸入值，而不是開始于任意的設(shè)定。因而過程控制開始于或非常接近于優(yōu)化設(shè)定。在另一方面，現(xiàn)有技術(shù)的起動最終會接受任何設(shè)定的組合，這些設(shè)定的組合提供設(shè)定點蒸汽流的值，但是達到的受控組合同樣也是優(yōu)化的用于燃料消耗組合的可能性卻非常低。
當然，在本控制方法中，所要求的設(shè)定點值可以不精確對應(yīng)于表中的離散輸入值，在這種情況下，正確的輸入設(shè)定可以通過用于相鄰的并列(定標，bracketing)輸出值的相鄰的并列設(shè)定之間的線性插值來推知。
在執(zhí)行機構(gòu)設(shè)置在其正常的初始位置后，該機構(gòu)在PCS 500中通過閉環(huán)控制中的輸出驅(qū)動信號和輸入狀態(tài)信號進行動態(tài)控制。雖然適度水平的過程控制可以從向前的該點使用傳統(tǒng)的PID控制來進行，但是采用改進的反饋控制邏輯，如下所述，使用所要求的主輸出值(蒸汽流)作為控制器輸入設(shè)定點，優(yōu)選使用過程輸出與時間的函數(shù)來重新計算和調(diào)節(jié)驅(qū)動信號，使過程進入控制，這是非?？扇〉?。
改進的過程控制邏輯為過程速率時延(PROcess+RAte+TIme+Delayed)，文中以字母縮略詞PRORATID表示。根據(jù)本發(fā)明的一種改進的控制器可以通過算法非線性地調(diào)節(jié)其輸出，以對控制裝置進行補償。例如，如果閥不能隨電信號的線性變化而線性打開，那么PRORATID控制器就可以對其本身的輸出進行非線性化(de-1inearize)，使閥可以受控打開，從而使流量與輸出百分比成線性。例如，對于具有非線性流函數(shù)的閥，改變控制器輸出，以反相模擬閥的流量函數(shù)，從而使PRORATID控制輸出增加10％就會使管道中的流量增加10％。
另外，PRORATID控制器可以調(diào)節(jié)其輸出速度以與系統(tǒng)中的任何其他裝置的輸出同步或匹配。例如，如果系統(tǒng)中的第一閥可以在10秒內(nèi)從靠近打開處離開，而第二閥需要30秒，那么控制第一閥的輸出就要慢下來，使第一和第二閥以相同的速率(較慢的第二閥的速率)變化，從而使通過兩個閥的流率在流量轉(zhuǎn)換過程中保持不變。
蒸汽鍋爐系統(tǒng)如此操作和控制會產(chǎn)生特定的蒸汽流，并可以滿足所有其他的輸出目標，同時使用最小的燃料流量?，F(xiàn)有技術(shù)的鍋爐系統(tǒng)利用本發(fā)明的方法和裝置進行改造和控制后，在隨后的運行中有望節(jié)省燃料20％以上。
雖然本發(fā)明參照各種具體實施例進行了描述，可以理解，在不脫離所述本發(fā)明原理的精神和范圍的情況下可以進行各種改變。因此，本發(fā)明并不限于所描述的實施例，而是擁有權(quán)利要求書的語言所限定的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種用來控制過程的方法，所述過程中具有多個輸入執(zhí)行機構(gòu)，每個執(zhí)行機構(gòu)在其自身設(shè)定范圍內(nèi)可獨立地改變，以及多個過程輸出參數(shù)，每個參數(shù)具有可接受的值的范圍，所述方法使得可以得到用于主過程輸出參數(shù)的特定值，并且所有其他過程輸出參數(shù)值都位于其相應(yīng)的可接受范圍內(nèi)，所述方法包括如下步驟a)通過依經(jīng)驗確定所述多個輸入執(zhí)行機構(gòu)與所述多個輸出參數(shù)值之間的操作關(guān)系，描述所述過程，以產(chǎn)生查詢特性表，用于將導(dǎo)致所述過程的操作和導(dǎo)致輸出參數(shù)值處于所述可接受的值的范圍內(nèi)的所述輸入執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定進行組合；b)指定所述過程輸出參數(shù)中的一個作為主控制參數(shù)；c)提供所述指定的主控制參數(shù)的理想值作為過程控制設(shè)定點；d)按照從所述查詢表確定的相應(yīng)設(shè)定的組合來設(shè)定所述輸入執(zhí)行機構(gòu)，使所述過程以接近所述過程控制設(shè)定點的所述指定控制參數(shù)進行操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述表包括多個這種輸入執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定的組合，其能使所述過程以接近所述過程控制設(shè)定點的所述指定控制參數(shù)進行操作，并且其中所述多個設(shè)定中優(yōu)選的一個是基于過程輸入標準而被選定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述過程選自由蒸汽鍋爐系統(tǒng)和油加熱器系統(tǒng)構(gòu)成的組，所述指定的主控制參數(shù)選自由蒸汽流量、蒸汽壓力和油溫構(gòu)成的組，并且所述過程輸入標準是最小燃料流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟與用于所述輸入執(zhí)行機構(gòu)的閉環(huán)反饋控制裝置接合，以使所述過程以與所述過程控制設(shè)定點值相匹配的所述指定控制參數(shù)的輸出值進行操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述閉環(huán)反饋控制裝置包括所述過程輸出與時間的函數(shù)，用以計算和調(diào)節(jié)所述驅(qū)動信號，使所述過程進入控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟a)由所述表確定最接近所述理想值并與其并列的所述指定控制參數(shù)的值；b)確定所述理想值在所述并列的表值之間的插入位置；c)使用所述插入位置在所述表中的相應(yīng)的所述執(zhí)行機構(gòu)輸入設(shè)定的并列設(shè)定之間形成插值；以及d)按照所述插值調(diào)整所述多個執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)定，使得所述過程以所述設(shè)定點操作，并且所有其他的所述輸出參數(shù)的值都處于其相應(yīng)的可接受的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述描述步驟包括如下步驟a)將所有輸入執(zhí)行機構(gòu)的位置設(shè)定在其可操作性范圍的預(yù)定限度內(nèi)；b)在第一所述執(zhí)行機構(gòu)的可操作性范圍內(nèi)以多個離散步級改變其設(shè)定，同時保持每個所述其他執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)定不變；c)在每個所述離散的執(zhí)行機構(gòu)輸入設(shè)定下記錄每個所述輸出參數(shù)的值；d)通過離散步級改變第二所述輸入執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)定，使之離開所述可操作性的限定；e)以連續(xù)的離散步級重復(fù)步驟b)到d)，直到所述第二執(zhí)行機構(gòu)達到其預(yù)定的可操作性范圍的相反限度；f)對每個另外的執(zhí)行機構(gòu)重復(fù)步驟d)和e)，從而創(chuàng)建執(zhí)行機構(gòu)輸入設(shè)定的所述特性多維查詢表，以及對應(yīng)于所述查詢表中的每個所述步級的參數(shù)輸出值數(shù)據(jù)庫；以及g)從所述查詢表中刪除所有既不能使所述過程操作也不能提供位于所述可接受值的范圍內(nèi)的輸出值的輸入設(shè)定，得到調(diào)整后的輸入設(shè)定的查詢表，按照該調(diào)整后的輸入設(shè)定的查詢表，所述過程將會操作，并且將會提供位于所述可接受值的范圍內(nèi)的輸出值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中每個所述輸入執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)來自所述反饋控制裝置的驅(qū)動信號，通過電動機械致動器進行控制，其中每個所述致動器均可以離散步級操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中離散步級包括從百分之零到百分之一百的可操作性范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中每個所述離散步級包括所述可操作性范圍的約百分之一至約百分之五十。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述過程控制裝置包括計算機。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括如下步驟校正所述計算機，使從所述計算機到所述過程執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動信號在至少一個所述執(zhí)行機構(gòu)中產(chǎn)生線性響應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括如下步驟調(diào)整來自所述計算機的所述驅(qū)動信號，使每個過程執(zhí)行機構(gòu)與其全部可操作性范圍有關(guān)的瞬間變化率與所有這種執(zhí)行機構(gòu)相同。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括如下步驟a)對每個所述輸入執(zhí)行機構(gòu)的所述驅(qū)動信號形成過程響應(yīng)時延表，作為系統(tǒng)操作百分比的函數(shù)；b)在向輸入執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送驅(qū)動信號時，由所述表確定所述響應(yīng)時延；以及c)在向所述輸出執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送另一驅(qū)動信號前，等待至少一段所述預(yù)定的響應(yīng)時延，以使所述過程響應(yīng)的過度和振蕩最小化。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括如下步驟使所述計算機按照熱動力學(xué)模型連續(xù)校驗所述過程輸入和輸出參數(shù)，以確定何時發(fā)生過程故障。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括如下步驟使用所述計算機，確定在所述過程中何處發(fā)生了所述故障。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輸入執(zhí)行機構(gòu)選自由燃料流量閥、主空氣流氣流調(diào)節(jié)器、次空氣流氣流調(diào)節(jié)器、調(diào)整空氣氣流調(diào)節(jié)器、給水控制閥、主空氣鼓風(fēng)機、排放氣流調(diào)節(jié)器、燃料氣體再循環(huán)氣流調(diào)節(jié)器、蒸汽霧化閥、用于排放煙道的排放器風(fēng)扇、鍋爐出煙口定位器、以及其組合構(gòu)成的組。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述過程輸出參數(shù)選自由蒸汽流量、蒸汽壓力、鍋筒水位、主鼓風(fēng)機速度、副空氣流量、調(diào)整空氣流量、燃燒室壓力、一氧化碳排放含量、氧排放含量、氮氧化物排放含量、硫氧化物排放含量、排放氣體流量、煙道氣再循環(huán)流量、輸入燃料蒸汽BTU閥、火焰?zhèn)鞲衅?、以及排放溫度?gòu)成的組。
全文摘要
一種用于控制蒸汽鍋爐600或油加熱器的方法，通過系統(tǒng)地找出輸入控制值26、48、89、96、112、114、116、166、170、204和208的燃料效率最佳的組合，使燃料效率最大化。通過以多個輸入執(zhí)行機構(gòu)的所有可能的函數(shù)關(guān)系的組合設(shè)定來臨時操作該過程，并對每個設(shè)定組合記錄多個過程參數(shù)，例如蒸汽流量242、蒸汽壓力248、以及排放成分144、148、152產(chǎn)生的輸出值602、604，創(chuàng)建特性多維查詢表。
文檔編號F22D5/26GK1918429SQ200480024998
公開日2007年2月21日 申請日期2004年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者邁克爾·羅韋, 約翰·P·格奇 申請人:Tti技術(shù)公司