BR112020004709A2

BR112020004709A2 - cálculo de liberação de calor dinâmico para controle de retorno aperfeiçoado de processos de combustão baseados em combustível em sólido

Info

Publication number: BR112020004709A2
Application number: BR112020004709-0A
Authority: BR
Inventors: Benoît Janvier
Original assignee: Enero Solutions Inc.
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-12-01
Also published as: CA3075553A1; EP3682168A1; JP7427154B2; JP2021501867A; WO2019046972A1; CN111727347A; US11867391B2; US20200271311A1; EP3682168A4

Abstract

A presente invenção refere-se a métodos e sistemas para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido. Uma liberação de calor instantânea corrente para um gerador de calor baseado em combustível sólido é determinada em um sensor virtual. A liberação de calor instantânea corrente é comparada com uma demanda de taxa de queima corrente. Quando a liberação de calor instantânea corrente não corresponde com a demanda de taxa de queima corrente, um fluxo de ar de subqueima do gerador de calor é ajustado.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CÁLCULO DE LIBERAÇÃO DE CALOR DINÂMICO PARA

CONTROLE DE RETORNO APERFEIÇOADO DE PROCESSOS DE COMBUSTÃO BASEADOS EM COMBUSTÍVEL EM SÓLIDO". REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELATIVO

[0001] O presente pedido reivindica prioridade sob 35 USC $119(e) do Pedido de Patente Provisória com Número de Série 62/557.120 depositado em 11 de Setembro de 2017, o conteúdo do qual está por meio disto incorporado por referência.

CAMPO TÉCNICO

[0002] A presente descrição refere-se a geradores de calor e, mais especificamente, ao controle de gerador de calor baseado em biomassa.

ANTECEDENTES

[0003] Os combustíveis sólidos, tal como biomassa, resíduos ou carvão, há muito têm sido utilizados como uma fonte de combustível para geração de energia. Tradicionalmente, o combustível sólido é queimado dentro de um espaço fechado ou semifechado, e a combustão do combustível sólido gera energia na forma de calor. Na história mais recente, esforços na direção de energia verde, eficiência de energia, e redução de resíduos levaram a um ressurgimento da geração de energia baseada em combustível sólido. Um moderno gerador de calor de combustível sólido queima combustível sólido dentro de uma fornalha ou outro recinto, e o calor produzido pela combustão e pirólise é utilizado para gerar vapor. O vapor é utilizado para fornecer calor para dissipadores de calor, ou alimentado através de uma turbina para gerar energia, ou utilizado para produzir outros trabalhos úteis.

[0004] Devido às características inerentes a combustíveis sólidos, o processo de combustão de combustíveis sólidos é um tanto irregular e imprevisível. Realmente, ao contrário de combustíveis gasosos onde as reações de combustão são rápidas devido à íntima mistura de gás com ar, a queima de combustível sólido é mais lenta e menos previsível devido a graus variados de conteúdo de umidade, densidade, razão de área de superfície para volume, área de superfície de combustível para ar exposta, composição química, e similares. Além disso, o processo de alimentação de combustível sólido dentro do gerador de calor é frequentemente irregular, e pode levar a picos ou quedas em produção de calor. Estas características variam ao longo do tempo, não podem tipicamente ser medidas precisamente com sensores, e mudarão através de todo o processo de combustão, tornando muito difícil manter a liberação de calor no seu alvo desejado. Devido a esta difícil dinâmica de combustão, estratégias de controle de gerador de calor combustível sólido tradicionais são projetadas para responder a variações em liberação de calor modulando a entrada de combustível de combustível sólido para o gerador de calor. Modulação da entrada de combustível resultará em uma lenta correção em liberação de calor, tornando muito difícil manter a liberação de calor de gerador em seu alvo e forçando o sistema a basear-se em outros atuadores mais rápidos para um equilíbrio de calor de processo total, tal como condensação de vapor, ventilação de vapor, e queima de gás suplementar.

[0005] Como tal, existe uma necessidade para controles de gerador de calor de combustível sólido aperfeiçoados.

SUMÁRIO

[0006] A presente descrição está direcionada a métodos e sistemas para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido.

[0007] De acordo com um amplo aspecto, está provido um método para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido. Uma liberação de calor instantânea corrente para um gerador de calor baseado em combustível sólido é determinada em um sensor virtual. A liberação de calor instantânea corrente é comparada com uma demanda de taxa de queima corrente. Quando a liberação de calor instantânea corrente não corresponde com a demanda de taxa de queima corrente, um fluxo de ar de subqueima do gerador de calor é ajustado.

[0008] Em algumas modalidades, a liberação de calor instantânea corrente está baseada em uma taxa de fluxo de vapor produzido pelo gerador de calor e uma mudança de pressão no gerador de calor.

[0009] Em algumas modalidades, a liberação de calor instantânea corrente está ainda baseada em pelo menos uma de uma composição de um gás de descarga emitido pelo gerador de calor, um perfil de temperatura para o gerador de calor, um diferencial de transferência de calor medido entre um primeiro e segundo pontos dentro do gerador de calor, e um parâmetro de um tambor de água associado com o gerador de calor.

[0010] Em algumas modalidades, o método ainda compreende ajustar um fluxo de ar excessivo do gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

[0011] Em algumas modalidades, o método ainda compreende ajustar uma taxa de fluxo de combustível para o gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

[0012] Em algumas modalidades, o método ainda compreende ajustar uma taxa de vibração de uma grade do gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

[0013] Em algumas modalidades, comparar a liberação de calor instantânea corrente com uma demanda de taxa de queima corrente compreende determinar se a liberação de calor instantânea corrente está além de uma tolerância predeterminada; e a liberação de calor instantânea corrente que não corresponde com a demanda de queima corrente compreende a diferença estando além da tolerância predeterminada.

[0014] Em algumas modalidades, o método ainda compreende receber a demanda de taxa de queima.

[0015] Em algumas modalidades, o método ainda compreende: receber uma subsequente demanda de taxa de queima; determinar uma subsequente liberação de calor instantânea; comparar a subsequente liberação de calor instantânea com a subsequente demanda de taxa de queima; e quando a subsequente liberação de calor instantânea não corresponde com a subsequente demanda de queima corrente, ajustar o fluxo de ar de subqueima do gerador de calor.

[0016] Em algumas modalidades, determinar a liberação de calor instantânea está ainda baseada na pelo menos uma liberação de calor instantânea previamente determinada.

[0017] De acordo com outro amplo aspecto, está provido um sistema para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido. O sistema compreende uma unidade de processamento e a memória legível por computador não transitória. À memória legível por computador tem armazenada nesta instruções de programa executáveis pela unidade de processamento for determinar, em um sensor virtual, a liberação de calor instantânea corrente de um gerador de calor baseado em combustível sólido; comparar a liberação de calor instantânea corrente com uma demanda de taxa de queima corrente; e quando a liberação de calor instantânea corrente não corresponde com a demanda de taxa de queima corrente, ajustar um fluxo de ar de subqueima do gerador de calor.

[0018] Em algumas modalidades, a liberação de calor instantânea corrente está baseada em uma taxa de fluxo de vapor produzido pelo gerador de calor e uma pressão dentro do gerador de calor.

[0019] Em algumas modalidades, a liberação de calor instantânea corrente está ainda baseada em pelo menos uma de uma composição de um gás de descarga emitido pelo gerador de calor, um perfil de temperatura para o gerador de calor, um diferencial de transferência de calor medido entre um primeiro e segundo pontos dentro do gerador de calor, e um parâmetro de um tambor de água associado com o gerador de calor.

[0020] Em algumas modalidades, as instruções de programa são ainda executáveis para ajustar um fluxo de ar excessivo do gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

[0021] Em algumas modalidades, as instruções de programa são ainda executáveis para ajustar uma taxa de fluxo de combustível para o gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

[0022] Em algumas modalidades, as instruções de programa são ainda executáveis para ajustar uma taxa de vibração de uma grade do gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

[0023] Em algumas modalidades, comparar a liberação de calor instantânea corrente com uma demanda de taxa de queima corrente compreende determinar se a liberação de calor instantânea corrente está além de uma tolerância predeterminada; e a liberação de calor instantânea corrente que não corresponde com a demanda de queima corrente compreende a diferença estando além da tolerância predeterminada.

[0024] Em algumas modalidades, as instruções de programa são ainda executáveis para receber a demanda de taxa de queima.

[0025] Em algumas modalidades, as instruções de programa são ainda executáveis para: receber uma subsequente demanda de taxa de queima; determinar uma subsequente liberação de calor instantânea; comparar a subsequente liberação de calor instantânea com a subsequente demanda de taxa de queima; e quando a subsequente liberação de calor instantânea não corresponde com a subsequente demanda de queima corrente, ajustar o fluxo de ar de subqueima do gerador de calor.

[0026] Em algumas modalidades, determinar a subsequente liberação de calor instantânea está ainda baseada na pelo menos uma liberação de calor instantânea previamente determinada.

[0027] Características dos sistemas, dispositivos, e métodos aqui descritos podem ser utilizados em várias combinações, e podem também ser utilizados para o sistema e meio de armazenamento legível por computador em várias combinações.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0028] Características e vantagens adicionais das modalidades aqui descritas podem se tornar aparentes da descrição detalhada seguinte, tomada em combinação com os desenhos anexos, nos quais:

[0029] Figura 1 é um diagrama de um sistema de gerador de calor de combustível sólido exemplar.

[0030] Figura 2 é um diagrama de um sistema de controle para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido de acordo com uma modalidade.

[0031] Figura 3 é um diagrama de blocos de um sistema de computação exemplar.

[0032] Figura 4 é um diagrama de blocos de um sistema de controle exemplar para o sistema de gerador de calor de combustível sólido da Figura 1.

[0033] Figura 5 é um fluxograma que ilustra um método exemplar para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido de acordo com uma modalidade.

[0034] Será notado que através de todos os desenhos anexos, características iguais são identificadas por números de referência iguais.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0035] Com referência à Figura 1, um sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 está mostrado. O sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 serve para executar combustão de combustível sólido 102, por meio disto produzindo calor 104. O sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 inclui uma fornalha 110, uma caldeira 120, e um sistema de distribuição de vapor 130. A fornalha 110 e a caldeira 120 estão acopladas de modo que o calor produzido dentro da fornalha 110, através da combustão de combustível sólido 102, aquece a água dentro da caldeira 120, produzindo vapor.

[0036] A caldeira 120 inclui um tambor de caldeira 122, o qual está provido com água para a produção de vapor através da ação de aquecimento da fornalha 110. A caldeira 120 também inclui uma saída de vapor 124, através da qual o vapor produzido dentro do tambor de caldeira 120 sai do tambor de caldeira 122. A caldeira 120 e o sistema de distribuição de vapor 130 estão acoplados de modo que o vapor produzido dentro da caldeira 120 é roteado na direção do sistema de distribuição de vapor 130 através da saída de vapor 124. O sistema de distribuição de vapor 130 então roteia o vapor produzido pelo sistema de gerador de combustível sólido 100 para turbinas ou outros consumidores de energia baseados de vapor. Deve ser notado que apesar da discussão acima focalizar primeiramente em caldeiras de vapor, os sistemas e métodos aqui descritos podem também ser aplicados a caldeiras de água quente ou qualquer outro tipo adequado de caldeira.

[0037] A fornalha 110 é uma estrutura substancialmente fechada a qual pode ser cilíndrica, oblonga, retangular ou qualquer outra forma adequada. A fornalha 110 pode ser feita de qualquer material resistente ao calor adequado, por exemplo aço carbono. A fornalha 110 tem definido na mesma uma abertura através da qual o combustível sólido 102 é alimentado para a fornalha 110, por exemplo, através de uma correia transportadora 106. A correia transportadora 106 está configurada para transportar combustível sólido 102 na direção da fornalha 110 para combustão. A correia transportadora 106 pode ser qualquer mecanismo adequado para transportar o combustível sólido e para depositá-lo dentro da fornalha 110, por exemplo, através de uma abertura na fornalha 110. A correia transportadora 106 pode adquirir o combustível sólido 102 através de qualquer mecanismo adequado, e pode interagir com uma reserva de combustível sólido em qualquer modo adequado. Deve ser notado que outras propostas para prover combustível para a fornalha 110 são também consideradas.

[0038] A fornalha 110 tem disposta na mesma uma grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112, por exemplo uma grade, sobre a qual o combustível sólido 102 repousa para combustão. A grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112 pode abranger a largura inteira da fornalha 110 e pode ser inclinada com relação a um piso da fornalha 110 em qualquer inclinação adequada. A grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112 pode ser feita de qualquer material resistente ao calor adequado, por exemplo aço, e pode ser provida com um sistema de resfriando que utiliza ar ou água para propósitos de resfriamento. Em algumas modalidades, a grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112 tem definida na mesma uma ou mais aberturas ou furos através da qual ar ou outros elementos oxidantes podem ser direcionados sob o combustível sólido

102. Em algumas modalidades, a grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112 está acoplada a um ou mais motores ou elemento similares os quais causam o movimento na grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112. Por exemplo, os motores podem ajustar a velocidade da grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112 e/ou imprimir um movimento vibratório na grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112 o que faz com que o combustível sólido 102 mova ao longo da grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112. Em algumas outras modalidades, a grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112 é estacionária.

[0039] A fornalha 110 também tem tipicamente duas ou mais entradas de ar, que incluem pelo menos uma entrada de ar de subqueima 114 e opcionalmente uma entrada de ar excessivo 116. As entradas de ar 114, 116 estão configuradas para prover ar ou outros elementos oxidantes para a fornalha 110, por disto ajudando a combustão do combustível sólido 102. A entrada de ar de subqueima 114 pode estar localizada em qualquer localização adequada sob ou dentro da grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112, e assim abaixo ou aproximadamente no nível com o processo de combustão do combustível sólido 102. Em algumas modalidades, a entrada de ar de subqueima 114 impinge substancialmente diretamente sobre a grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112. A entrada de ar em excesso 116 pode estar localizada em qualquer localização adequada acima do processo de combustão do combustível sólido 102. Em algumas modalidades, cada uma das entradas de ar 114, 116 é uma série de entradas de ar. Por exemplo, a entrada de ar em excesso 116 pode incluir uma pluralidade de entradas de ar localizada em diferentes posições dentro da fornalha 110. Em algumas modalidades, as entradas de ar 114, 116 estão providas com defletores, os quais podem ser manuais ou automáticos, para ajustar o fluxo de ar para dentro da fornalha 110. Em algumas modalidades, a entrada de ar em excesso 116 é evitada.

[0040] A fornalha 110 também tem uma ou mais saídas de ar, que incluem pelo menos uma saída de gás de descarga 118. A saída de gás de descarga 118 provê um percurso de ventilação para fumos e outros gases produzidos pela combustão de combustível sólido 102, coletivamente denominados "gás de descarga", para ventilar da fornalha

110. Em algumas modalidades, a saída de gás de descarga 118 ventila o gás de descarga para um ambiente externo. Em algumas outras modalidades, a saída de gás de descarga 118 ventila o gás de descarga para um estágio ou sistema de processamento subsequente. Por exemplo, parte ou todo o gás de descarga é utilizado como parte de processos de recuperação de calor adicionais. Em outro exemplo, o gás de descarga é processado para remover certos produtos químicos ou particulados encontrados neste antes de ser ventilado para o ambiente externo. Em algumas modalidades, a saída de gás de descarga 118 é uma pluralidade de saídas de gás de descarga localizadas em várias posições ao redor da fornalha 110.

[0041] Localizada dentro e próxima do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 está uma pluralidade de sensores 140. Os sensores 140 são utilizados para rastrear, medir, e controlar vários pontos de dados referentes a características dos componentes do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100, que inclui a fornalha 110, a caldeira 120, e o sistema de distribuição de vapor 130. Alguns dos sensores 140 podem ser utilizados para inferir características de entrada de combustível, medir mudanças de equilíbrio de entrada para saída de calor, rastrear características da grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112, por exemplo, a altura relativa do combustível sólido 102 sobre a grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112, medindo a pressão diferencial entre a base da grade 112 e a fornalha 110, uma temperatura da grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112 ou na vizinhança na grade de grade de grade de grade de grade de superfície 112, e similares. Além disto, alguns dos sensores 140 podem ser utilizados para medir um nível de pressão dentro do tambor de caldeira 122, uma taxa de fluxo de vapor através da saída de vapor 124, e similares. Ainda outros tipos de sensores são considerados.

[0042] O sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 está também provido com um sistema de controle de 150 o qual regula a operação do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 com base em informações coletadas pelos sensores 140 e outras entradas, por exemplo, de uma interface de controle utilizada por um ou mais operadores do sistema de gerador de calor de combustível sólido

100. Em algumas modalidades, o sistema de controle 150 está comunicativamente acoplado nos sensores 140 para obter dados dos sensores sobre as características do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100. Em outras modalidades, os sensores 140 estão comunicativamente acoplados na interface de controle ou outro controlador central de alto nível, o qual então provê o sistema de controle 150 com as informações necessárias.

[0043] O sistema de controle 150 regula a operação do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 com o objetivo de fazer com que a caldeira 120 produza vapor em uma taxa substancialmente estável e constante com base em um nível desejado de demanda para vapor. Uma geração de vapor estável e controlável pela caldeira 120 significa um fornecimento de vapor confiável para o sistema de distribuição de vapor 130. Isto, por sua vez, significa que a quantidade de vapor disponível para o sistema de distribuição de vapor 130 não é restringida pela capacidade do gerador de vapor de combustível sólido 100 seguir a demanda de vapor total ajustada pelas diferentes turbinas e dissipadores de calor. Para fazer isto, o sistema de controle 150 está configurado para alterar o processo de combustão dentro da fornalha 110 para manter uma liberação de calor instantânea (IHR) no alvo e atenuar quaisquer variações de liberação de calor descontroladas.

[0044] Com referência à Figura 2, está mostrado um diagrama de um sistema de controle 200 para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido. O sistema de controle 200 pode, por exemplo, ser uma implementação do sistema de controle 150. O sistema de controle 200 inclui um controlador de baixa velocidade 202, um sensor virtual de IHR 204, um controlador de alta velocidade 206, e um ajustador de ponto de ajuste 208.

[0045] O controlador de baixa velocidade 202 está configurado para obter um primeiro conjunto de valores de sensor de um ou mais dos sensores 140, e pode incluir fluxo de vapor, pressão de tambor de vapor, e similares. O controlador de baixa velocidade 202 mede um nível de energia do sistema de coletor de vapor 130, por exemplo, com base na pressão do vapor.

[0046] O sensor virtual de IHR 204, recebe uma demanda de taxa de queima corrente para a fornalha 110 do controlador de baixa velocidade 202 com base no primeiro conjunto de valores de sensor. Em algumas modalidades, a demanda de taxa de queima corrente é estabelecida como um valor de requisito para a IHR para a fornalha 110. A demanda de IHR da fornalha 110 é a quantidade total requerida de calor instantâneo a ser produzido pela combustão do combustível sólido 102 dentro da fornalha 110.

[0047] O sensor virtual de IHR 204 está configurado para obter um segundo conjunto de valores de sensor de um ou mais dos sensores 140, e pode incluir temperatura de fornalha, pressão de fornalha, composição de gás de descarga, temperatura de tambor, pressão de tambor e similares. Em algumas modalidades, o sensor virtual de IHR 204 calcula uma estimativa da IHR de processo para a fornalha 110 com base no segundo conjunto de valores de sensor.

[0048] De modo a medir ou estimar a IHR, o sensor virtual de IHR 204 é utilizado para produzir um valor para a IHR corrente com base em uma variedade de informações, incluindo aquelas recebidas dos sensores 140. Em algumas modalidades, o sensor virtual de IHR 204 determina a IHR com base em uma taxa de fluxo de vapor da caldeira 120 e uma pressão dentro do tambor de caldeira 122. Por exemplo, a IHR pode ser expressa através da seguinte equação: IHR = Fsteam + K Pam onde Fsteam É UMa taxa de vaporização da caldeira 120 (por exemplo, em unidades de massa sobre tempo), K é uma constante predeterminada, e Fam é um diferencial de pressão para o tambor de caldeira 122 (por exemplo, em unidades de pressão sobre tempo). Em algumas modalidades, K é selecionado de modo que qualquer variação na taxa de vaporização causada por mudança de pressão a jusante da caldeira 120, por exemplo, no sistema de distribuição de vapor 130, é descartada como indicações falsas de mudança de liberação de calor. Por exemplo, uma fórmula mais complexa para IHR, com um ou mais parâmetros não lineares e onde variáveis e taxas de mudança de variáveis são combinadas dinamicamente, pode ser utilizada. Em outro exemplo, uma rede neural ou outro sistema de aprendizado de máquina é utilizado dentro do sensor virtual para computar e estimar um valor de processo para IHR que pode ser utilizado como uma ou mais variáveis de controle com base na IHR alvo recebida pelo controlador de baixa velocidade 202

[0049] Em algumas modalidades, o sensor virtual de IHR 204 utiliza informações adicionais para determinar a IHR. Por exemplo, a composição química do gás de descarga expelido na saída de gás de descarga 118, por exemplo, uma concentração de O2 no mesmo, é utilizada como um fator adicional para o sensor virtual de IHR 204. Em outro exemplo, uma temperatura da grade de grade de grade de grade de superfície 112 e/ou uma distribuição de massa de combustível sólido 102 sobre a grade de grade de grade de grade de superfície 112 é utilizada como um fator adicional para o sensor virtual de IHR 204. Ainda outros fatores podem ser utilizados para suplementar ou aumentar o sensor virtual de IHR 204, incluindo qualquer um dos fatores aqui acima listados.

[0050] O controlador de alta velocidade 206, está configurado para receber a demanda de taxa de queima corrente do controlador de baixa velocidade 202 e a IHR do sensor virtual de IHR 204. Em algumas modalidades, o controlador de alta velocidade está configurado para operar substancialmente em tempo real, por exemplo, pelo menos em uma taxa de execução mais rápida do que 5 segundos. Em algumas modalidades, a demanda de taxa de queima é representativa de um valor de requisito para a IHR da fornalha 110. A demanda de taxa de queima e a IHR podem ser providas em qualquer formato adequado e podem ser recebidas pelo segundo controlador através de qualquer meio com ou sem fio adequado. Em algumas modalidades, o segundo controlador está provido com uma demanda de taxa de queima padrão a qual permanece substancialmente inalterada, por exemplo, devido a longos tempos de resposta para pressão de vapor e fluxo de vapor a mudanças em fluxo de ar e entrada de combustível, e assim as etapas 202 e 204 podem ser puladas.

[0051] O controlador de alta velocidade 206 está também configurado para comparar a IHR, obtida do sensor virtual de IHR 204, com a demanda de taxa de queima corrente obtida do controlador de baixa velocidade 202. Mudanças na IHR em relação à demanda de taxa de queima ocorrem conforme o processo de combustão acontece dentro da fornalha 110, e podem ser atribuíveis a uma variedade de fatores que são ou difíceis ou impraticáveis de medir diretamente. No entanto, efeitos mensuráveis através de todo o sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 podem servir como um proxy para determinar ou estimar a IHR e/ou mudanças na IHR, através do sensor virtual. Em algumas modalidades, o controlador de alta velocidade 206 está também configurado para projetar mudanças na IHR e/ou estabelecer tendências na IHR com base em um ou mais valores passados da IHR.

[0052] Por exemplo, mudanças na IHR resultam em mudanças na composição de gás de descarga (H2O, concentração de excesso de O», CO, NOx, e similares) e um perfil de temperatura de fornalha, por exemplo, do local de combustão na grade de grade de grade de superfície 112 até os gases de descarga na saída de gás de descarga

118. Além disso, diferenças de transferência de calor podem ser observadas, por exemplo, através de cálculos de equilíbrio de energia, em elementos posteriores como superaquecedores de vapor, economizadores, aquecedores de ar, ou outros trocadores de calor que utilizam os gases de descarga.

[0053] Além disso, mudanças na IHR resultam em diversos efeitos mensuráveis dentro da caldeira 120, por exemplo, mudanças na pressão e/ou temperatura dentro do tambor de caldeira 122, taxa de produção de vapor na caldeira 120, e um nível de água dentro do tambor de caldeira 122. Por exemplo, um aumento na IHR vaporizará alguma água contida no tambor de caldeira 122, causando um aumento mensurável em um nível de vapor dentro do tambor de caldeira 122, uma mudança na pressurização do tambor de caldeira 122, assim como uma taxa de vaporização aumentada pela caldeira 120. Ao contrário, uma redução em liberação de calor despressuriza o tambor de caldeira 122, causa uma contração do nível de água dentro do tambor de caldeira 122 devido à súbita redução de volume de vapor dentro do banco, e diminui a taxa de vaporização da caldeira 120.

[0054] Em algumas modalidades, o controlador de alta velocidade 206 também compara a IHR corrente com pelo menos uma IHR previamente determinada. Em algumas modalidades, a comparação é medida em termos de uma variação relativa da IHR corrente com relação à IHR previamente medida. Em outras modalidades, a comparação é medida em termos de uma variação absoluta da IHR corrente em relação à IHR previamente medida. Ainda outras comparações são consideradas.

[0055] O ajustador de ponto de ajuste 208 está configurado para receber instruções do controlador de alta velocidade 206 para ajustar o fluxo de ar de subqueima, provido pela entrada de ar de subqueima 114, com base na comparação entre a IHR e a demanda de taxa de queima corrente, ou quaisquer outros fatores adequados, como executados pelo segundo controlador. Ajustando o fluxo de ar de subqueima, o processo de combustão do combustível sólido 102 é alterado, por meio disto ajustando a IHR para compensar por desvios na IHR.

[0056] Por exemplo, se o controlador de alta velocidade 206 determinar que a IHR é mais baixa do que a demanda de taxa de queima corrente, por exemplo, como ajustada pelo primeiro controlador, o fluxo de ar de subqueima é rapidamente aumentado, forçando mais ar para dentro do combustível sólido 102, o que levará a um da reação de combustão e liberação de calor aumentas. Ao contrário, se a IHR estiver acima da demanda de taxa de queima, por exemplo, como ajustada pelo primeiro controlador, o fluxo de ar de subqueima é rapidamente diminuído para reduzir a quantidade de oxigênio que flui para o combustível sólido 102, por meio disto reduzindo a combustão dentro da fornalha.

[0057] Em algumas modalidades, uma certa tolerância para a IHR é permitida para o controlador de alta velocidade 206. Por exemplo, a IHR é somente considerada requerer ajuste do fluxo de ar de subqueima quando a IHR corrente flutua da demanda de taxa de queima corrente por mais do que uma tolerância predeterminada. A tolerância predeterminada pode ser um desvio percentual, um número de desvios padrões ou qualquer outro valor adequado.

[0058] Opcionalmente, o ajustador de ponto de ajuste 208 está configurado para ajustar uma ou mais outras características de operação do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 com base na IHR corrente. Isto pode incluir ajustar a taxa de fluxo de ar excessivo provida pela entrada de ar excessivo 116, ajustando a taxa de fluxo de combustível sólido 102 para a fornalha 110, e/ou uma taxa de movimento da grade de grade de superfície 112 quando o nível de flutuação não corresponde à demanda de taxa de queima corrente. Por exemplo, quando a grade de grade de superfície 112 é uma grade, uma taxa de vibração da grade é ajustada pelo ajustador de ponto de ajuste

208. Em outro exemplo, quando a entrada de ar excessivo 116 inclui uma entrada de gás de descarga reciclado, a taxa de fluxo de gás de descarga reciclado é ajustada pelo ajustador de ponto de ajuste 208. Ainda outras modalidades são consideradas.

[0059] Em algumas modalidades, o fluxo de ar de subqueima 116 e, opcionalmente outras características de operação do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 são substancialmente continuamente ajustadas em resposta à IHR e/ou mudanças na demanda de taxa de queima corrente. O sistema de controle 200 está configurado para iterativamente ajustar os vários pontos de ajuste da fornalha 110 em resposta a mudanças adicionais na IHR e/ou na demanda de taxa de queima corrente. Por exemplo, uma demanda de taxa de queima subsequente pode ser obtida, e o sistema de controle 200 adicionalmente ajustar o fluxo de ar e opcionalmente as outras características de operação do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 com base em mudanças adicionais na IHR.

Mudanças na IHR ocorrem após mudanças no processo de queima de combustível, e devido a alguns ajustes executados pelo ajustador de ponto de ajuste 208.

[0060] Em algumas modalidades, o sistema de controle 200 opera periodicamente em qualquer intervalo adequado. Por exemplo, a operação do sistema de controle 200 é repetida diversas vezes por segundo, cada segundo, cada poucos segundos, diversas vezes por minuto, cada minuto, cada poucos minutos, diversas vezes por hora, cada hora, cada poucas horas, diversas vezes por dia, ou qualquer outro intervalo adequado. Em algumas outras modalidades, o sistema de controle 200 é operado em resposta ao sistema de controle 200 recebendo uma solicitação para executar várias operações, ou qualquer outro gatilho adequado.

[0061] Em algumas modalidades, um retardo de tempo mínimo entre as IHRs previamente determinadas e a IHR corrente é ajustado. O retardo de tempo pode ser utilizado para ignorar ou filtrar variáveis de processo 140 para validá-las e eliminar valores discrepantes para sua utilização como variáveis de entrada quando determinando o nível corrente de flutuação.

[0062] O sistema de controle 200 provê um rápido loop de retorno o qual pode ser utilizado para estabilizar a liberação de calor do sistema de combustão de biomassa 100, ajustando o fluxo de ar de subqueima provido pela entrada de ar de subqueima 114, e opcionalmente outros parâmetros operacionais, com base na flutuação da IHR. O método 200 pode reduzir a variabilidade de curto prazo de produção de vapor. Em algumas modalidades, o método 200 é utilizado para ajustar a operação do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 em uma escala de minutos, por exemplo, tendo uma constante de tempo de loop fechado menor do que dois minutos.

[0063] Com referência à Figura 3, os sistemas de controle 150 e

200 podem ser implementados por um dispositivo de computação 310, que compreende uma unidade de processamento 312 e uma memória 314 a qual tem armazenada nestas instruções executáveis por computador 316. A unidade de processamento 312 pode compreender quaisquer dispositivos adequados configurados para fazer com que uma série de etapas sejam executadas de modo a implementar a funcionalidade dos sistemas de controle 150 e 200, de modo que as instruções 316, quando executadas pelo dispositivo de computação 310 ou outro aparelho programável, podem fazer com que as funções / atos / etapas especificados nos métodos aqui descritos sejam executados. À unidade de processamento 312 pode compreender, por exemplo, qualquer tipo de microprocessador de uso geral ou microcontrolador, um processador de processamento de sinal digital (DSP), uma unidade de processamento central (CPU), um circuito integrado, uma rede de portas programáveis no campo (FPGA), um processador reconfigurável, outros circuitos lógicos programados ou programáveis adequados, ou qualquer sua combinação.

[0064] A memória 314 pode compreender qualquer meio de armazenamento legível por máquina conhecido ou outro. A memória 314 pode compreender um meio de armazenamento legível por computador não transitório tal como, por exemplo, mas não limitado a, um sistema, aparelho, ou dispositivo eletrônico, magnético, ótico, eletromagnético, infravermelho, ou de semicondutor, ou qualquer combinação adequada dos acima. A memória 314 pode incluir uma combinação adequada de qualquer tipo de memória de computador que está localizada ou internamente ou externamente ao dispositivo tal como, por exemplo, memória de acesso randômico (RAM), memória somente de leitura (ROM), memória somente de leitura de disco compacto (CDROM), memória eletro-ótica, memória magneto-ótica, memória somente de leitura programável apagável (EPROM), e memória somente de leitura programável eletricamente apagável (EEPROM), RAM ferroelétrica (FRAM) ou similares . A memória 314 pode compreender qualquer meio de armazenamento (por exemplo, dispositivos) adequado para armazenar recuperáveis as instruções executáveis por computador 316 executáveis pela unidade de processamento 312.

[0065] Deve ser notado que vários tipos de sistemas de computador e propostas lógicas podem ser empregados, conforme apropriado. Isso inclui lógica fuzzy, desvio, controladores preditivos de modelo, controle de PID adaptável, e similares. Além disso, qualquer tipo adequado de sistema de aprendizado de máquina ou de inteligência artificial pode ser utilizado, incluindo tanto redes neurais supervisionadas quanto não supervisionadas, e similares.

[0066] Com referência à Figura 4, uma modalidade do sistema de controle 150 está configurada para interfacear com os sensores 140, uma interface de controle 402, e um banco de dados ou outro meio de armazenamento 404. Os sensores 140 estão configurados para obter informações sobre as características de operação do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 e para prover as informações para o sistema de controle 150, e opcionalmente para a interface de controle 402. A interface de controle 402 está configurada para prover o sistema de controle 150 com a demanda de taxa de queima, e opcionalmente com as informações dos sensores 140. O banco de dados 404 está configurado para armazenar uma rede de IHRs previamente determinados, ações de controle passadas, para receber e armazenar a IHR corrente, e para prover a IHR previamente determinada para o sistema de controle 150.

[0067] O sistema de controle 150 inclui um módulo de IHR 410 e um módulo de ajuste 420. O módulo de ajuste 420 pode ser provido com uma pluralidade de unidades as quais estão cada uma configuradas para ajustar a operação de um elemento específico do sistema de gerador de calor de combustível sólido. Por exemplo, o módulo de ajuste 420 inclui uma unidade de fluxo de ar de subqueima 422 a qual controla a taxa de fluxo de ar de subqueima através da entrada de ar de subqueima 114, uma unidade de fluxo de ar excessivo 424, a qual controla a taxa de fluxo de ar excessivo através da entrada de ar excessivo 116, uma unidade de fluxo de combustível 426, a qual controla a taxa de fluxo de combustível sólido 106 para a fornalha 110, e uma unidade de controle de superfície 428, a qual controla o movimento da grade de superfície 112. Em outros exemplos, o módulo de ajuste 420 pode incluir menos unidades, ou unidades adicionais, como apropriado.

[0068] O módulo de IHR 410 está configurado para opcionalmente receber a demanda de taxa de queima corrente, por exemplo, da interface de controle 402. O módulo de flutuação 410 pode receber a demanda de taxa de queima corrente sobre qualquer percurso de comunicação com fio ou sem fio adequado, e em qualquer formato adequado.

[0069] O módulo de IHR 410 também está configurado para determinar a IHR corrente e a IHR previamente determinada. O módulo de IHR 410 utiliza as informações recebidas dos sensores 140 e/ou da interface de controle 402 para determinar a IHR corrente e, opcionalmente obtém a IHR previamente determinada do banco de dados 404. O módulo de IHR 410 então compara a IHR corrente com a demanda de taxa de queima corrente, e quaisquer outros valores, como apropriado.

[0070] Quando a IHR corrente não corresponde à demanda de taxa de queima corrente, o módulo de IHR 410 envia uma indicação para o módulo de ajuste 420 e instrui o módulo de ajuste 420 para ajustar o fluxo de ar de subqueima. O módulo de ajuste 420, através da unidade de ar de subqueima 422, ajusta o fluxo de ar de subqueima em resposta à indicação recebida do módulo de flutuação 410, como pela etapa 208.

[0071] Opcionalmente, a indicação do módulo de IHR 410 para o módulo de ajuste 420 também instrui o módulo de ajuste 420 para ajustar outros parâmetros operacionais do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100. O módulo de ajuste 420 então efetua as mudanças nos parâmetros operacionais do sistema de gerador de calor de combustível sólido 100 através das unidades apropriadas 424, 426,

428. Por exemplo, o módulo de ajuste 420 efetua uma mudança no fluxo de ar excessivo através da unidade de fluxo de ar excessivo 424. Em outro exemplo, o módulo de ajuste 420 efetua uma mudança na taxa de vibração da grade dentro da fornalha 110 através da unidade de controle de superfície 428.

[0072] Com referência à Figura 5, em algumas modalidades o sensor virtual de IHR 204 e o controlador de alta velocidade 206 colaboram para implementar um método 500. Deve ser notado que em outras modalidades, o método 500 é implementado por mais ou menos componentes.

[0073] Na etapa 502, opcionalmente uma demanda de taxa de queima corrente é recebida. Na etapa 504, uma IHR é determinada através de um sensor virtual. Na etapa 506, a IHR é comparada com a demanda de taxa de queima corrente. Na etapa 508, um fluxo de ar de subqueima é ajustado quando a liberação de calor instantânea não corresponde com a demanda de taxa de queima corrente. Na etapa 510, pelo menos um fluxo de ar excessivo, uma taxa de fluxo de combustível, e uma taxa de movimento de uma superfície são ajustados quando a liberação de calor instantânea não corresponde com a demanda de taxa de queima corrente.

[0074] Os métodos e sistemas para modular o processo de combustão baseado em combustível sólido aqui descritos podem ser implementados em um procedimento de alto nível ou programação orientada em objetos ou linguagem script, ou lógica de bloco de função ou lógica em escada, ou algoritmos baseados em estado, ou uma sua combinação, para comunicar com ou ajudar na operação de um sistema de computador, por exemplo, o dispositivo de computação 310. Alternativamente, os métodos e sistemas para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido aqui descrito podem ser implementados em linguagem de montagem ou de máquina. À linguagem pode ser uma linguagem compilada ou interpretada. Um código do programa para implementar os métodos e sistemas para gerar energia baseada em combustível sólido aqui descritos pode estar armazenado em um meio ou um dispositivo de armazenamento, por exemplo, uma ROM, um disco magnético, um disco ótico, uma unidade instantânea, ou qualquer outro meio ou dispositivo de armazenamento adequado. O código do programa pode ser legível por um computador programável de uso geral ou especiais para configurar e operar o computador quando o meio ou dispositivo de armazenamento é lido pelo computador para executar os procedimentos aqui descritos. As modalidades dos métodos e sistemas para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido aqui descritos podem também ser considerados serem implementados por meio de um meio de armazenamento legível por computador não transitório que tem um programa de computador armazenado neste. O programa de computador pode compreender instruções legíveis por computador as quais fazem com que um computador, ou mais especificamente a pelo menos uma unidade de processamento do computador, opere em um modo específico e predefinido para executar as funções aqui descritas.

[0075] As instruções executáveis por computador podem estar em muitas formas, incluindo módulos de programa, executadas por um ou mais computadores ou outros dispositivos. Geralmente, os módulos do programa incluem rotinas, programas, objetos, componentes, estruturas de dados, etc., que executam tarefas específicas ou implementam tipos de dados abstratos específicos. Tipicamente a funcionalidade dos módulos de programa pode ser combinada ou distribuída como desejado em várias modalidades.

[0076] Vários aspectos dos métodos e sistemas para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido aqui descrito podem ser utilizados sozinhos, em combinação, ou em uma variedade de disposições não especificamente discutidas nas modalidades descritas acima e, portanto, não estão limitados em sua aplicação aos detalhes e disposição de componentes apresentados na descrição acima ou ilustrados nos desenhos. Por exemplo, aspectos descritos em uma modalidade podem ser combinados em qualquer modo com os aspectos descritos em outras modalidades. Apesar de modalidades específicas tenham sido mostradas e descritas, será óbvio para aqueles versados na técnica que mudanças e modificações podem ser feitas sem afastar desta invenção em seus aspectos mais amplos. O escopo das reivindicações seguintes não deve ser limitado pelas modalidades preferidas apresentadas nos exemplos, mas deve ser dada a mais ampla interpretação razoável consistente com a descrição como um todo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido, caracterizado pelo fato de compreender: determinar, em um sensor virtual, uma liberação de calor instantânea corrente para um gerador de calor baseado em combustível sólido; comparar a liberação de calor instantânea corrente com uma demanda de taxa de queima corrente; e quando a liberação de calor instantânea corrente não corresponde com a demanda de taxa de queima corrente, ajustar um fluxo de ar de subqueima do gerador de calor.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a liberação de calor instantânea corrente está baseada em uma taxa de fluxo de vapor produzido pelo gerador de calor e uma mudança de pressão no gerador de calor.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a liberação de calor instantânea corrente está ainda baseada em pelo menos uma de uma composição de um gás de descarga emitido pelo gerador de calor, um perfil de temperatura para o gerador de calor, um diferencial de transferência de calor medido entre um primeiro e segundo pontos dentro do gerador de calor, e um parâmetro de um tambor de água associado com o gerador de calor.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a3, caracterizado pelo fato de ainda que compreende ajustar um fluxo de ar excessivo do gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de ainda que compreende ajustar uma taxa de fluxo de combustível para o gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de ainda que compreende ajustar uma taxa de vibração de uma grade do gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que comparar a liberação de calor instantânea corrente com a demanda de taxa de queima corrente compreende determinar se a liberação de calor instantânea corrente está além de uma tolerância predeterminada; e em que a liberação de calor instantânea corrente que não corresponde com a demanda de queima corrente compreende a diferença estando além da tolerância predeterminada.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de ainda que compreende receber a demanda de taxa de queima.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de ainda que compreende: receber uma subsequente demanda de taxa de queima; determinar uma subsequente liberação de calor instantânea; comparar a subsequente liberação de calor instantânea com a subsequente demanda de taxa de queima; e quando a subsequente liberação de calor instantânea não corresponde com a subsequente demanda de queima corrente, ajustar o fluxo de ar de subqueima do gerador de calor.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que determinar a liberação de calor instantânea está ainda baseada na pelo menos uma liberação de calor instantânea previamente determinada.

11. Sistema para modular um processo de combustão baseado em combustível sólido, caracterizado pelo fato de compreender: uma unidade de processamento; e uma memória legível por computador não transitória que tem armazenado nestas instruções de programa executáveis pela unidade de processamento para: determinar, em um sensor virtual, uma liberação de calor instantânea corrente de um gerador de calor baseado em combustível sólido; comparar a liberação de calor instantânea corrente com uma demanda de taxa de queima corrente; e quando a liberação de calor instantânea corrente não corresponde com a demanda de taxa de queima corrente, ajustar um fluxo de ar de subqueima do gerador de calor.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a liberação de calor instantânea corrente está baseada em uma taxa de fluxo de vapor produzido pelo gerador de calor e pressão dentro do gerador de calor.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a liberação de calor instantânea corrente está ainda baseada em pelo menos uma de uma composição de um gás de descarga emitido pelo gerador de calor, um perfil de temperatura para o gerador de calor, um diferencial de transferência de calor medido entre um primeiro e segundo pontos dentro do gerador de calor, e uma parâmetro de um tambor de água associado com o gerador de calor.

14. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que as instruções de programa são ainda executáveis para ajustar um fluxo de ar excessivo do gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

15. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo fato de que as instruções de programa são ainda executáveis para ajustar uma taxa de fluxo de combustível para o gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

16. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, caracterizado pelo fato de que as instruções de programa são ainda executáveis para ajustar uma taxa de vibração de uma grade do gerador de calor quando o nível de flutuação não corresponde com a demanda de queima corrente.

17. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16, caracterizado pelo fato de que comparar a liberação de calor instantânea corrente com uma demanda de taxa de queima corrente compreende determinar se a liberação de calor instantânea corrente está além de uma tolerância predeterminada; e em que a liberação de calor instantânea corrente que não corresponde com a demanda de queima corrente compreende a diferença estando além da tolerância predeterminada.

18. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 17, caracterizado pelo fato de que as instruções de programa são ainda executáveis para receber a demanda de taxa de queima.

19. Sistema de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que as instruções de programa são ainda executáveis para: receber uma subsequente demanda de taxa de queima; determinar uma subsequente liberação de calor instantânea; comparar a subsequente liberação de calor instantânea com a subsequente demanda de taxa de queima; e quando a subsequente liberação de calor instantânea não corresponde com a subsequente demanda de queima corrente, ajustar o fluxo de ar de subqueima do gerador de calor.

20. Sistema de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que determinar a subsequente liberação de calor instantânea está ainda baseada na pelo menos uma liberação de calor instantânea previamente determinada.

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