專利名稱：：一種燃料水分對鍋爐負(fù)荷影響進(jìn)行修正控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于熱工控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于生物質(zhì)燃料水分含量對鍋爐負(fù)荷影響進(jìn)行修正控制的方法。
背景技術(shù)：
：1.生物質(zhì)燃料性質(zhì)的不穩(wěn)定生物質(zhì)燃料成分的組成與煤相似，都包含了水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳。幾種常見的生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析及熱值如下表1所示。表l中的生物質(zhì)燃料水分含量并不高，但是這是經(jīng)過干燥的設(shè)計燃料樣品，電廠實際采用的燃料水分并沒有這么理想。表1生物質(zhì)燃料工業(yè)分析(％)和熱值(kJ/kg)<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>由于生物質(zhì)燃料的結(jié)構(gòu)比較松散，孔隙率和比表面積大，同時生物質(zhì)各組分都有較好的吸水性，因此生物質(zhì)燃料的水分含量變化很大。剛采伐的木材或者剛收獲的秸稈水分可達(dá)5060%，經(jīng)過自然干燥后可以降到10%以下，但是遇到雨季或者空氣濕度很大時，生物質(zhì)燃料的水分又會有較大升高。表2為某秸稈發(fā)電項目實際采用燃料的水分和熱值。表2某秸稈發(fā)電項目燃料水分和熱值<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>目前生物質(zhì)電廠并不配備電加熱干燥設(shè)備，這主要因為配備電加熱干燥設(shè)備會增加項目投資和電廠用電成本，而且一種干燥設(shè)備可能不能適應(yīng)不同的燃料，因此生物質(zhì)燃料入爐燃燒前只通過晾曬進(jìn)行干燥處理，如果天氣不理想，或者在收購燃料過程中處理不規(guī)范，那么燃料的水分含量就很可能在很大的一個范圍內(nèi)波動，甚至可能會接近或者超出40%這一鍋爐設(shè)計的燃料水分高限。從表2可知燃料的水分與燃料的熱值密切相關(guān)。水分的變化造成燃料熱值的波動，進(jìn)而導(dǎo)致投入爐膛的熱量不穩(wěn)定，這不利于鍋爐給料量的自動控制，容易造成鍋爐負(fù)荷的波動。2.生物質(zhì)燃料水分變化對鍋爐控制的影響目前，生物質(zhì)電廠采用機(jī)跟爐的控制方式，機(jī)組負(fù)荷由鍋爐決定，電廠鍋爐負(fù)荷的控制原理如附圖l所示。運行人員通過調(diào)整負(fù)荷設(shè)定點確定鍋爐負(fù)荷，經(jīng)過斜坡函數(shù)防止負(fù)荷階躍變化。在使用設(shè)計燃料的情況下，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定負(fù)荷由函數(shù)&(x)、f2(x)計算出該負(fù)荷下對應(yīng)的給風(fēng)量和主蒸汽流量，其中x為鍋爐負(fù)荷。在鍋爐出口測量的實際主蒸汽流量作為反饋，與函數(shù)f2(X)的輸出(計算蒸汽量)進(jìn)行比較，經(jīng)過比例積分微分控制器(PID)計算出給風(fēng)量調(diào)整系數(shù)，與函數(shù)&(x)的輸出(計算給風(fēng)量)相乘，進(jìn)行給風(fēng)量的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)鍋爐負(fù)荷直接確定給料機(jī)的轉(zhuǎn)速(給料量)并由函數(shù)f3(X)計算出該負(fù)荷下對應(yīng)的尾部煙道氧量，其中x為鍋爐負(fù)荷，在煙道省煤器出口測量實際氧量作為反饋與函數(shù)f3(X)的輸出(計算氧量)進(jìn)行比較，經(jīng)過PID控制器計算出給料量調(diào)整系數(shù)，與給料量相乘進(jìn)行給料量的閉環(huán)控制，保證風(fēng)料配比處于最佳狀態(tài)。為了保證鍋爐系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，控制系統(tǒng)還包括爐膛壓力控制、燃料分配控制、送風(fēng)分配控制、過熱蒸汽溫度控制和汽包水位控制等部分。這幾部分自動控制的投入使鍋爐按照設(shè)計的燃燒方式組織燃燒，使主蒸汽的溫度、壓力符合設(shè)計的要求，使鍋爐的汽水系統(tǒng)保持平衡、保持汽包水位在合理的位置，保證鍋爐在安全高效的狀態(tài)下運行。當(dāng)生物質(zhì)燃料的水分與設(shè)計燃料有較大差異時，則容易產(chǎn)生入爐熱量的波動以及燃燒的不穩(wěn)定等情況。當(dāng)生物質(zhì)燃料中水分增加引起燃料熱值下降，控制系統(tǒng)仍按照設(shè)計燃料計算給料量就會造成入爐熱量的降低，必然導(dǎo)致鍋爐實際出力不足的情況。如果等到鍋爐的蒸汽量下降時再調(diào)節(jié)給風(fēng)量或者尾部煙道氧量上升再增加給料量，由于鍋爐系統(tǒng)的大慣性遲滯特性，這個過程會經(jīng)歷比較長的時間，導(dǎo)致鍋爐負(fù)荷有較大波動，使鍋爐運行效率降低?？梢?，生物質(zhì)燃料的水分含量是燃料性質(zhì)中變化最頻繁、波動范圍最大、對鍋爐的穩(wěn)定運行與控制影響最大的因素。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種燃料水分對鍋爐負(fù)荷影響進(jìn)行修正控制的方法，其特征在于包括以下步驟(1)構(gòu)造一個關(guān)于熱量的閉環(huán)比例積分微分控制器(PID)來修正生物質(zhì)燃料鍋爐的負(fù)荷控制系統(tǒng)，以鍋爐運行負(fù)荷下所需的熱量為所述控制系統(tǒng)的設(shè)定值，此含水的生物質(zhì)燃料所能提供的熱量為所述控制系統(tǒng)的反饋值，經(jīng)過PID運算得到生物質(zhì)燃料水分的修正系數(shù)，修正給料機(jī)轉(zhuǎn)速從而調(diào)整給料量，使得所述控制系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確的對生物質(zhì)燃料的變化做出實時反應(yīng)，穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷；(2)根據(jù)實際測得的送風(fēng)量、給料量和引風(fēng)量計算得出生物質(zhì)燃料的水分含量，實現(xiàn)對生物質(zhì)燃料水分的實時監(jiān)測；(3)利用生物質(zhì)燃料的水分含量與該生物質(zhì)燃料的低位熱值近似線性的關(guān)系，標(biāo)定出生物質(zhì)燃料發(fā)熱量隨水分含量的變化曲線，根據(jù)水分含量計算出生物質(zhì)燃料實時的熱值，得到入爐的生物質(zhì)燃料所提供的熱量；(4)根據(jù)能量平衡計算鍋爐運行負(fù)荷下所需的熱量；(5)以鍋爐運行負(fù)荷下所需熱量為控制器的設(shè)定值，此含水的生物質(zhì)燃料所能提供的熱量為控制器的反饋值，進(jìn)行PID運算，得到水分修正系數(shù)，將水分修正系數(shù)與給料機(jī)轉(zhuǎn)速指令相乘，實現(xiàn)鍋爐給料量根據(jù)生物質(zhì)燃料的水分含量做出實時準(zhǔn)確的調(diào)整。本發(fā)明的優(yōu)點為，在不影響原自動控制系統(tǒng)的正常運行的前提下，僅在原來的控制系統(tǒng)中做很小的改動，即根據(jù)鍋爐運行參數(shù)與燃料水分含量的關(guān)系以及燃料水分含量和低位發(fā)熱量的關(guān)系，構(gòu)造了一個關(guān)于熱量的閉環(huán)PID控制器，從而實時的準(zhǔn)確的對給料機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。這使得控制系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確的對燃料的變化做出實時反應(yīng)，提高控制系統(tǒng)的效率，改善控制的效果，在很大程度上消除鍋爐負(fù)荷隨燃料水分含量的波動，有利于穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷，提高鍋爐運行效率。圖1是生物質(zhì)燃料鍋爐負(fù)荷控制原理圖圖2是部分生物質(zhì)燃料的低位熱值和其水分含量的關(guān)系圖；圖3是生物質(zhì)燃料鍋爐負(fù)荷控制的水分修正控制的原理圖。具體實施例方式本發(fā)明針對生物質(zhì)燃料水分含量對鍋爐負(fù)荷控制造成的不良影響，引入生物質(zhì)燃料水分含量作為改進(jìn)鍋爐負(fù)荷控制的切入點，根據(jù)燃料水分和熱值的關(guān)系，構(gòu)造一個關(guān)于熱量的閉環(huán)PID控制器，如附圖3所示。根據(jù)鍋爐負(fù)荷可計算出將鍋爐給水加熱到額定參數(shù)所需要的熱量，將此熱量作為閉環(huán)控制的設(shè)定值；根據(jù)設(shè)計燃料的性質(zhì)以及鍋爐設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，由現(xiàn)場采集鍋爐的給料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量，利用熱力學(xué)計算方法計算出生物質(zhì)燃料的水分含量，再根據(jù)燃料水分含量和低位發(fā)熱量的關(guān)系計算出所投入的燃料所能提供的熱量，將此熱量作為閉環(huán)控制的反饋值；PID控制器輸出一個燃料水分修正系數(shù)，對鍋爐給料量進(jìn)行修正，使鍋爐負(fù)荷所需熱量與投入爐膛燃料所提供的熱量相平衡，消除鍋爐負(fù)荷隨燃料水分含量的波動，保證鍋爐的穩(wěn)定運行，提高鍋爐運行效率。依據(jù)本發(fā)明的一種對鍋爐負(fù)荷影響進(jìn)行修正控制的方法，具體步驟如下1.鍋爐在某負(fù)荷下所需的熱量鍋爐的負(fù)荷即在額定蒸汽參數(shù)下蒸汽的流量，根據(jù)能量平衡關(guān)系式(1)就可以計算出在某一個鍋爐負(fù)荷與運行工況下，鍋爐所需要吸收的熱量。BQDWTi=Dgrigr+DpWipW—(Dgr+Dpw)igs(1)式中B為燃料量，QDW為燃料的低位發(fā)熱量，T!為鍋爐效率，D^、ig為主蒸汽的流量和焓，Dpw、ipw為排污水流量和焓，igs為給水焓。等式右邊為主蒸汽吸收的熱量與排污水吸收的熱量，即鍋爐的有效吸收熱量，等式左邊為燃料燃燒放出的熱量與鍋爐效率的乘積，即燃料釋放的有效熱量。等式右邊的各個流量和焓以及鍋爐效率都可以直接測量或者計算得出。因此，根據(jù)(2)式得到的B'QDw即為閉環(huán)控制器的設(shè)定值。此小結(jié)運算過程即為附圖3中函數(shù)f4(X)的內(nèi)容，函數(shù)以鍋爐負(fù)荷為輸入，以所需熱量為輸出。2.生物質(zhì)燃料收到基水分的計算根據(jù)鍋爐設(shè)計規(guī)范可以得到在設(shè)計燃料的空氣干燥基以及爐膛煙道的漏風(fēng)系數(shù)。設(shè)計燃料空氣干燥基MSjCSjHsjOsjSsjNsjAsj%實際燃料收到基MsdCsdHsdOsdSsdNsdAsd%其中M為燃料水分含量，C為炭元素含量，H為氫元素含量，O為氧元素含量，S為硫元素含量，N為氮元素含量，A為灰分含量。角標(biāo)sj表示設(shè)計燃料空氣干燥基，sd表示實際燃料收到基。實際燃料的收到基與設(shè)計燃料的空氣干燥基有如下關(guān)系&=XS/(100-MJ/(100-MS》％(2)爐膛煙道漏風(fēng)系數(shù)Aa6爐膛入口過量空氣系數(shù)OCin鍋爐出口過量空氣系數(shù)aout=ain+AocBkg/spa=1.29(3)鍋爐燃料量:空氣密度理論空氣量:kg/m送風(fēng)機(jī)質(zhì)量流」三原子氣體產(chǎn)物:理論氮氣:理論水蒸氣理論煙氣體積:實際水蒸氣:實際煙氣體積:煙氣體積流jr0=0.0889(Csrf+0.0375&J+0.265&-0.0333OwNm3/kg(4)々=r0、M、&。，=1.866(C,rf+0.375。/100^20=0，0+0.81謂C=0.11+0.0124M"+0.016、_卞Kw2卞、om^o+o馬i(","-iFokg/s(5)Nm3/kg(6)Nm3/kg(7)Nm3/kg(8)Nm3/kg(9)Nm3/kg(10)F=J/°+-1)K0+0.016-l)r0Nm3/kg(11)Nm3/s(12)kg/m根據(jù)煙氣成分可以求得煙氣密度Py煙氣質(zhì)量流量,即引風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量聯(lián)立式(2)(13)可知，在現(xiàn)場采集給料量、送風(fēng)質(zhì)量流J就可以計算得到實際燃料收到基的水分。kg/s(13)t和引風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量后，3.生物質(zhì)燃料水分與低位發(fā)熱量的關(guān)系試驗證明，燃料的低位發(fā)熱量和水分有密切關(guān)系，在燃料不變的情況下，低位發(fā)熱量可以由(14)式通過計算得出Qdw=Qgw—25(9H+W)(14)其中Qcw為高位發(fā)熱量，Qow為低位發(fā)熱量，H為燃料的氫元素含量，W為燃料的水分含量。在燃料水分含量在一定范圍內(nèi)波動時，燃料的Qgw和H的變化都相對較小，而Qdw隨W的變化近似成線性關(guān)系。附圖2為部分生物質(zhì)燃料的低位熱值和其水分含量的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著燃料水分的增加其低位發(fā)熱量呈下降趨勢并基本按線性規(guī)律變化。因此在電廠燃用某種特定燃料的情況下，可以人為的在燃料樣品中加入水分，通過試驗的方法測得該燃料樣品的低位發(fā)熱量，標(biāo)定出對于該種燃料，其水分含量與低位發(fā)熱量的曲線關(guān)系。那么在計算得到生物質(zhì)燃料水分含量的情況下，可以通過標(biāo)定的曲線得到燃料的低位發(fā)熱量變化。此熱量與鍋爐給料量相乘即為閉環(huán)控制器的反饋值。第2和第3步運算過程即為附圖3中函數(shù)f5(x)的內(nèi)容，函數(shù)以鍋爐燃料量、送風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量和引風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量為輸入，以燃料提供的熱量為輸出。4.燃料水分修正系數(shù)PID控制器輸出一個值在1左右的系數(shù)，稱之為燃料水分修正系數(shù)。此系數(shù)與原控制系統(tǒng)中的給料量指令相乘，修正給料機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)計算得到燃用燃料的水分含量大于設(shè)計燃料水分含量時，燃料所提供的熱量小于為保持該負(fù)荷所需要的熱量，PID輸出燃料水分修正系數(shù)大于1，提高給料機(jī)轉(zhuǎn)速，增加給料量，使入爐熱量滿足負(fù)荷的需求。反之，則PID輸出燃料水分修正系數(shù)小于1，降低給料機(jī)轉(zhuǎn)速，減少給料量。綜上所述，本發(fā)明構(gòu)造了一個關(guān)于熱量的閉環(huán)PID控制器來修正生物質(zhì)燃料鍋爐負(fù)荷控制系統(tǒng)。首先根據(jù)附圖2標(biāo)定出燃料的低位發(fā)熱量隨水分含量的變化曲線，然后根據(jù)實際測得的送風(fēng)量、給料量和引風(fēng)量計算得出燃料水分含量，再根據(jù)標(biāo)定曲線得到投入到爐膛中的燃料所能提供的熱量。以此熱量為控制器的反饋值，以鍋爐運行負(fù)荷下所需熱量為控制器的設(shè)定值，經(jīng)過PID運算得到燃料水分修正系數(shù)，修正給料機(jī)轉(zhuǎn)速。此處己經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。權(quán)利要求1、一種燃料水分對鍋爐負(fù)荷影響進(jìn)行修正控制的方法，其特征在于包括以下步驟(1)構(gòu)造一個關(guān)于熱量的閉環(huán)比例積分微分控制器PID來修正生物質(zhì)燃料鍋爐的負(fù)荷控制系統(tǒng)，以鍋爐運行負(fù)荷下所需的熱量為所述控制系統(tǒng)的設(shè)定值，此含水的生物質(zhì)燃料所能提供的熱量為所述控制系統(tǒng)的反饋值，經(jīng)過PID運算得到生物質(zhì)燃料水分的修正系數(shù)，修正給料機(jī)轉(zhuǎn)速從而調(diào)整給料量，使得所述控制系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確的對生物質(zhì)燃料的變化做出實時反應(yīng)，穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷；(2)根據(jù)實際測得的送風(fēng)量、給料量和引風(fēng)量計算得出生物質(zhì)燃料的水分含量，實現(xiàn)對生物質(zhì)燃料水分的實時監(jiān)測；(3)利用生物質(zhì)燃料的水分含量與該生物質(zhì)燃料的低位熱值近似線性的關(guān)系，標(biāo)定出生物質(zhì)燃料發(fā)熱量隨水分含量的變化曲線，根據(jù)水分含量計算出生物質(zhì)燃料實時的熱值，得到入爐的生物質(zhì)燃料所提供的熱量；(4)根據(jù)能量平衡計算鍋爐運行負(fù)荷下所需的熱量；(5)以鍋爐運行負(fù)荷下所需熱量為控制器的設(shè)定值，此含水的生物質(zhì)燃料所能提供的熱量為控制器的反饋值，進(jìn)行PID運算，得到水分修正系數(shù)，將水分修正系數(shù)與給料機(jī)轉(zhuǎn)速指令相乘，實現(xiàn)鍋爐給料量根據(jù)生物質(zhì)燃料的水分含量做出實時準(zhǔn)確的調(diào)整。全文摘要生物質(zhì)燃料的水分含量是燃料性質(zhì)中變化最頻繁、波動范圍最大、對鍋爐負(fù)荷影響最大的影響因素，本發(fā)明提出了一種基于生物質(zhì)燃料水分含量對鍋爐負(fù)荷影響進(jìn)行修正控制的方法，首先根據(jù)標(biāo)定出燃料的低位發(fā)熱量隨水分含量的變化曲線，然后根據(jù)實際測得的送風(fēng)量、給料量和引風(fēng)量計算得出燃料水分含量，再根據(jù)標(biāo)定曲線得到投入到爐膛中的燃料所能提供的熱量。以此熱量為控制器的反饋值，以鍋爐運行負(fù)荷下所需熱量為控制器的設(shè)定值，經(jīng)過PID運算得到燃料水分修正系數(shù)，修正給料機(jī)轉(zhuǎn)速。通過實現(xiàn)對生物質(zhì)燃料量實時準(zhǔn)確的控制，消除鍋爐負(fù)荷隨燃料水分含量的波動，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運行，提高鍋爐運行效率。文檔編號F23N5/18GK101446418SQ20081022784公開日2009年6月3日申請日期2008年12月1日優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日發(fā)明者劉婷婷,潔宋,樂王,王志凱申請人:中國電力科學(xué)研究院