CN101033838B - 废物燃烧过程的控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在线控制进料可变组成的废物的废物焚化装置的蒸汽输出的方法。在工厂操作期间的不同时间，重复地测量过程或系统的量(u₂，u₃，x_GC，x_LL，w₀)，通过计算所述测量值，建立用线性参数(θ_i)作为过程量的非线性数学式

的系数的关系。由此关系，确定得到所需蒸汽输出

的最佳废物进料速度，并应用于废物焚化装置的废物进料执行机构。

Description

废物燃烧过程的控制

技术领域

本发明涉及废物燃烧领域。其源于废物焚化装置的蒸汽输出的控制方法。

背景技术

废物是任何人类活动之后残存的任何类型的残余物质，比如商品的生产和消费、或建筑物和交通路线的建造。除了其纯粹的量和体积以外，大多数残余物质并不是对环境潜在的威胁，但是正确的处理它们可有助于最小化或避免相关的长期风险。完善的城市废物管理也有助于降低废物处理的成本，并有助于避免破坏大面积区域，否则废料堆积需要大面积区域。因此，废物的热处理，即废物的焚化或燃烧是任何城市废物管理概念中必不可少的部分。焚化理解为有意地点燃、控制和、在更广泛的意义上监测的任何物质的自保持氧化。如同在固体燃料的任何燃烧中一样，烟气和灰是这种废物焚化过程的产物。灰是主要含有二氧化硅及其他矿物的不同组成的残余物质。由于它们的化学惰性，它们往往用于填埋和土木工程。

在废物焚化装置中处理城市废物和工业废物，以减小待堆积的废物的体积，并用于将废物的环境有害组分转化为无害的化合物。待处理废物量的增加导致设计出具有多通道的焚化装置，其每小时能焚化数十吨废物。所谓的废物能量转化装置不仅将废物燃烧成灰，它们也使用燃烧能产生蒸汽，例如，用区域供热，和/或发电，并因此改善该装置的整体效率。

用于烟气和灰处理以及能量转换的完善的设施增加装置的复杂度，并需要适当的控制技术。然而，迄今为止没有足够的整体控制方案以代替有经验的操作人员，这基本上是因为复杂的化学过程和不稳定的燃料质量导致燃烧温度和烟气组成与流量的波动。废物组成的可变性尤其涉及废物的热值或含水量，或废物中砂子、砂砾或其它不可燃物质比如金属的量。

在废物焚化装置中，可用于影响燃烧过程的最显著的控制参数是：一次与二次助燃空气的质量流、空气温度、返回的烟气量、废物或燃料供给的量、和炉床的输送速度或加燃料速度。必须根据废物含水量与热值的预期的和非预期的变化，与最大化可处理的废物量或可生成的蒸汽量，和/或最小化大气污染物排放量的目标，最优化这些参数。在许多工业应用中，通过单回路和PID控制器彼此独立地控制不同的控制变量。

最近引入的红外摄象机或类似装置使得能够得到废物燃烧过程的内部或过程状态。根据专利US 5 606 924，可以根据通过红外摄象机确定的燃料块的温度分布、在烟气中检测的氧含量、或生成的蒸汽的质量流量，调节燃烧过程。为改善炉性能对蒸汽输出要求的适应性，和对废气组成的影响，建议在至少一部分炉床上检测燃料块的三维分布。通过雷达或通过以不同的角度将多部摄像机对准燃料块扫描燃料块的轮廓，并推导出各个区域中的燃烧局部释放的能量。通常，相应的在线温度测量的实现，为新型控制方案开辟了道路，其试图模拟燃烧装置的操作，并基于如Krause等人的论文″A neuro-fuzzy adaptivecontrol strategy for refuse incineration plants″Fuzzy Sets andSystems 63，pp 329-338，1994中所述的神经网络或模糊逻辑。

发明内容

本发明的目的是考虑保持需要的蒸汽设定点或蒸汽输出水平，实现处理可变组成的废物的废物焚化装置的自动化的实时控制。该目的通过如下所述的控制废物燃烧过程的方法和系统实现。

本发明的一个实施方案涉及控制废物燃烧过程的方法，包括

a)提供多个数据集，其每个由燃烧过程的许多操作参数(u₂，u₃，x_GC，x_LL，w₀)的操作值和由该燃烧过程产生的蒸汽流量

的相应值组成，

b)计算所述多个数据集，并导出蒸汽流量和操作参数(u₁，u₂，x_GC，x_LL，w₀)之间的关系，和

c)对于给定的所需蒸汽流量设定点

从所述关系解出废物进料速度(w₀)的控制值，并将所述控制值施加到燃烧工艺的废物进料执行机构(10)，

其中，步骤b)包括

b′)导出许多回归系数(θ_i)的值，所述回归系数在形式为(eq.3)

的多项式关系中乘以取决于操作参数的许多蒸汽分量

在一个优选实施方案中，本发明的上述方法还包括测量燃烧过程的温度(x_GC，x_LL)的操作值，并提供包括后者的数据集。

在另一个优选实施方案中，本发明的上述方法还包括估算应用所述控制值到废物进料执行机构(10)和对蒸汽生产的影响之间的时间延迟的延迟时间(Δ)特征，并提供每个包括在时间t测量的许多操作参数(u₂，u₃，x_GC，x_LL)的操作值和在时间t之前延迟时间(Δ)的时间t-Δ测量的废物进料速度(w₀)值的数据集。

在另一个优选实施方案中，本发明的上述方法还包括在废物焚化装置的操作期间，在线提供数据集并导出回归系数(θ_i)的更新值。

本发明的另一实施方案涉及控制废物燃烧过程的系统，包括

-装置，其用于从多个数据集导出许多回归系数(θ_i)的值，所述回归系数在形式为(eq.3)

的多项式关系中乘以取决于操作参数(u₁，u₂，x_GC，x_LL，w₀)的许多蒸汽分量

其中每个数据集由燃烧过程的多个操作参数(u₂，u₃，x_GC，x_LL，w₀)的操作值和由该燃烧过程产生的蒸汽流量

的相应值组成，和

-装置，其用于对于给定所需的蒸汽流量设定点

从所述关系解出废物进料速度(w₀)的控制值，并将所述控制值应用于燃烧过程的废物进料执行机构(10)。

在一个优选实施方案中，上述控制废物燃烧过程的系统还包括测量燃烧过程的温度(x_GC，x_LL)的操作值的装置。

根据本发明，通过从将蒸汽流量近似为单独蒸汽分量(contribution)的总和的关系确定废物进料速度控制值，来控制废物燃烧过程中的蒸汽产生，其中单独的蒸汽组分取决于可实时得到的操作参数。操作参数包括工艺输入比如一次与二次助燃空气的质量流量，和工艺状态比如废物和火焰温度。在操作参数下，独立蒸汽的分量由实际物理部分-过程产生并是燃烧过程的强烈非线性的原因。它们乘以过程特定的、先验未知的回归系数，所述回归系数解释了燃烧过程中所有的不稳定性或变化。因此，提出的蒸汽流量的多项式近似法，将以非线性方式基于测量的工艺输入和状态的分量与有限个数的线性回归系数分离，如果适当地选择，所述线性回归系数能得到废物组成的所有可能的变化。在调整步骤中，从包括操作值的N数据集推导或调整N′个系数的过程特定的值，其中所述操作值为在具体的焚化装置的操作期间测量的操作参数和相应蒸汽流量的值。

在本发明的有利的实施方式中，为导出涉及蒸汽流量与操作参数的关系或数学式而计算的数据集的操作值，包括废物温度或燃烧温度的值。

在本发明的一种优选实施方案中，通过将废物进料量的相应的早期值包括于数据集中，估计和确定废物进料控制动作与其对蒸汽产生的影响之间的时间延迟。

优选，根据本发明方法的各个步骤或功能模块作为编程的软件模块或步骤实现。软件模块的计算机程序代码存储于控制废物焚化控制系统的一个或多个处理器的计算机程序产品中，特别是存储于包括含有计算机程序代码装置的计算机可读介质的计算机程序产品中。

附图说明

以下将参考在所附的附图中说明的示例性实施方案，更详细地解释本发明的主题，其中：

图1示意性地显示了废物焚化装置；

图2显示了确定废物进料量的方法的流程图，和

图3是显示相对于蒸汽流量设定点的所控制的蒸汽流量的图。

用于附图的附图标记及其含义以概括的形式列于附图标记列表中。原则上，相同的部件在图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地显示了具有许多基本部件的废物焚化装置。输入进料机构或执行机构10将城市的或工业的废物、垃圾或其他的碎片引入炉11，并将前者置于在特定的废物进料速度w₀的支撑的可移动的炉床12上，从而形成废物床。炉床12通常包括一些相对移动的炉床板，以分布和混合废物并将其沿炉床12传送。可以提供辅助燃烧器13以开始或维持燃烧过程。在炉11上游的烟气管道或烟气通道14中收集燃烧的烟气，并被引导至锅炉或蒸汽发生器15。

不失一般性地，焚化工艺被分成废物将要顺次穿过的四个区域：干燥区20，用于高温分解和气化/挥发的第一燃烧区21，用于碳氧化或固体燃烧的残余区22，和灰处理/烧结区23。事实上这些区域在炉中没有很好地分开，并可在某程度上重叠。废物床以上认定为第二燃烧区或火焰区24，其中发生高温分解气体的均匀的气相燃烧。在炉床之下通常以不同的量向上述四个区域20、21、22、23送入一次空气30。在炉床以上送入二次空气31，以确保第二燃烧区24中气化和高温分解产物的完全燃烧。

为以较为系统的方法估计蒸汽流量，而考虑各种能量平衡。首先，假定燃料完全燃烧，没有损失和一致的锅炉效率，那么蒸汽中包含的总能量等于废物中的能量和燃烧空气的能量的总和。因此，能量平衡可以写为：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{steam}}{H}_{\mathrm{steam}}(T_{\mathrm{steam}},P_{\mathrm{steam}})=[w_0\·\mathrm{\ηLHV}+u_2\left(1\right)H\left(u_2\left(2\right)\right)+u_3\left(1\right)H\left(u_3\left(2\right)\right)]---(\mathrm{eq}.1)$

其中

蒸汽流量，[kg/s]

H_steam              蒸汽焓，[kJ/(kg K)]

w₀                  废物进料速度或燃料流量，[kg/s]

η；0≤η≤1         废物转化效率

LHV                 废物的低热值[kJ/kg]

u₂＝[u₂(1)，u₂(2)]  一次空气(质量流量，温度)，[kg/s]

u₃＝[u₃(1)，u₃(2)]  二次空气(质量流量，温度)，[kg/s]

H                   在各种空气温度下的空气焓，[kJ/(kg K)]

从而，如果乘积η·LHV是已知的，那么对于给定的或要求的蒸汽流量可能能够确定废物的进料速度w₀。然而，因为辅助量η仅能间接地得到，所以不能足够精确地确定所述乘积。

第二，蒸汽产生同样地可以相对于锅炉的能量平衡表示

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{steam}}{H}_{\mathrm{steam}}(T_{\mathrm{steam}},P_{\mathrm{steam}})=\widetilde{\mathrm{\η}}{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{gas}}(u_2,u_3,d_{1,\mathrm{gas}}(x_{\mathrm{LL}},u_2),G_{\mathrm{cm}}(x_{\mathrm{GC}},u_2))H_{\mathrm{gas}}\left(x_{\mathrm{GC}}\right)---(\mathrm{eq}.2)$

其中，除了在eq.1中之外，

$\widetilde{\mathrm{\η}};0\≤\widetilde{\mathrm{\η}}\≤1$ 锅炉效率

气体流量

x_GC                 火焰(气云)温度[K]

x_LL                 废物(下层，燃烧区)温度，[K]

Eq.2是强烈地非线性的，不能明显地确认进入废物的进料速度w₀的影响。

为避免以上第一和第二种方法各自的缺点，尝试推导出以半启发(semi-heuristic)方式用于蒸气流量的数学式。为此，eq.1和eq.2被具有以下通式的多项式代替

其中θ_i是回归系数和

是各个蒸汽分量。换句话说，蒸气流量被近似为各个蒸汽分量的线性组合，如下详述的，其每个都以不同的方式取决于操作参数，由各个蒸汽分量的物理起源或其相应的热源产生。

根据本发明，基于eq.1和eq.2的未知量的任何不确定性被引入回归系数θ_i中。Eq.3的操作参数即工艺输入u₂，u₃，w₀和工艺状态x_LL，x_GC，是非线性的，但是其回归系数θ_i是线性的。如下详述的，eq.3的这种特殊形式使得可以在线估计回归系数θ_i，而不用使用例如递归最小二乘(RLS)法的过度的计算能力。

图2显示根据本发明的控制废物焚化过程的步骤。在步骤40中，重复地测量在废物焚化装置的操作期间，操作参数u₂，u₃，x_GC，x_LL，w₀(或各种控制信号和传感器输出信号)的操作值以及相应蒸气流量的值，如此形成总共的N数据集。随后，在步骤41中，计算这些数据集以确定使蒸气流量与操作参数相关的回归关系的N’≤N个回归系数θ_i。在步骤42中，提供蒸汽输出流量的设定点或目标

在步骤43中，通过用所述设定点和除w₀之外所有操作参数的当前值解回归关系，来计算废物进料速度w₀的控制值。该控制值最终应用于废物焚化装置的废物进料执行机构10。步骤44表示可以定期地或偶而得到新数据集、需要更新回归系数的可能性、或操作参数的新设定点或改变当前值要求重新计算废物进料速度的可能性。关于前者的可能性，待计算的数据集的多样性或变化性越大，其达到动态燃料变化时由其得到的回归系数θ_i将更可信。

根据本发明示例性实施方式的稍微改进的版本具有以下形式

其中蒸汽分量具有形式：

由表示的第一蒸汽分量，表示一次空气和二次空气的影响，而由

表示的第二蒸汽分量，表示来源于固体和气体燃烧的燃烧气体的影响。后一分量包括给出为废物温度x_LL的函数的固相燃烧速率的第一指数项，和给出为火焰温度x_GC的函数的气相燃烧速率的第二指数项。此外，

cp                 为燃料气体的比热[kJ/kg K]，和

A₁，A₂，R，E₁，E₂  为从文献得知的常数，比如M.Laurendau的论文“Heterogeneous kinetics of coal char gasification and combustion″，Progress in Energy Combustion Science Vol.4，pp.221-270，PergamonPress 1978。

在该方法中，蒸汽流量

线性地依赖于废物进料速度

即 ${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{steam}}=M\left(\mathrm{\θ}\right)+w_{0}N\left(\mathrm{\θ}\right).$ 因此可对于废物进料速度分析解该关系，其对于通过蒸汽传送或能量输出协议(contract)确定的给定蒸汽设定点

可以以直接的方式计算。另一方面，应当注意包括较少操作参数(例如，除了w₀根本没有涉及工艺输入或状态的θ₁+w₀θ₂)的任何方法，尤其是忽视温度x_GC和x_LL的方法，已经被证明是不太成功的。因此，eq.3的半启发模式不可过于简化。

图3显示了为试验所提出的控制模式的可行性，而已经使用MATLAB Simulink运行的模拟结果。假定恒定废物组成和蒸汽流量设定点

(上图，曲线A)偶然从第一值改变到第二值并变回。然后将根据本发明的方法应用于废物燃烧过程，所述废物燃烧过程使用合理复杂度的废物燃烧模型自身建立模型。同样地显示如上详述的控制的废物进料速度w₀(下图，曲线B)和由其得到的实际的蒸汽流量(上图，曲线C)，并表明在最初一些波动之后，蒸汽流量设定点相当精确地跟随变化。

因为在废物进料到炉床和其对蒸汽产生的影响之间存在延迟，将相应的延迟时间Δ引入上述关系。该时间延迟可以在不大于一个小时的级别上，并物理上涉及在初始炉床区中的废物驻留时间。上述的线性关系然后成为

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{steam}}=M\left(\mathrm{\θ}\right)+w_0(t-\mathrm{\Δ})N\left(\mathrm{\θ}\right)---(\mathrm{eq}.4)$

因此，在优选的变化方式中，时间延迟Δ被估算，和为了估算系数θ_i，使废物进料速度w₀的相应早期值与操作参数的测定值相关联。

附图标记列表

10    执行机构

11    炉

12    炉床

13    辅助燃烧器

14    烟气管道

15    锅炉

20    干燥区

21    第一燃烧区

22    残余区

23    灰处理区

24    第二燃烧区

30    一次空气

31    二次空气

Claims (6)

1.一种控制废物燃烧过程的方法，包括

a)提供多个数据集，其每个由燃烧过程的许多操作参数(u₂，u₃，x_GC，x_LL，w₀)的操作值和由该燃烧过程产生的蒸汽流量

的相应值组成，

b)计算所述多个数据集，并导出蒸汽流量

和操作参数(u₁，u₂，x_GC，x_LL，w₀)之间的关系，和

c)对于给定的所需蒸汽流量设定点

从所述关系解出废物进料速度(w₀)的控制值，并将所述控制值施加到燃烧工艺的废物进料执行机构(10)，

其特征在于，步骤b)包括

b′)导出许多回归系数(θ_i)的值，所述回归系数在形式为(eq.3)

的多项式关系中乘以取决于操作参数的许多蒸汽分量

2.如权利要求1的方法，其特征在于，其包括测量燃烧过程的温度(x_GC，x_LL)的操作值，并提供包括后者的数据集。

3.如权利要求1的方法，其特征在于，其包括估算应用所述控制值到废物进料执行机构(10)和对蒸汽生产的影响之间的时间延迟的延迟时间(Δ)特征，并提供每个包括在时间t测量的许多操作参数(u₂，u₃，x_GC，x_LL)的操作值和在时间t之前延迟时间(Δ)的时间t-Δ测量的废物进料速度(w₀)值的数据集。

4.如权利要求1的方法，其特征在于，其包括在废物焚化装置的操作期间，在线提供数据集并导出回归系数(θ_i)的更新值。

5.一种控制废物燃烧过程的系统，包括

-装置，其用于从多个数据集导出许多回归系数(θ_i)的值，所述回归系数在形式为(eq.3)的多项式关系中乘以取决于操作参数(u₁，u₂，x_GC，x_LL，w₀)的许多蒸汽分量

其中每个数据集由燃烧过程的多个操作参数(u₂，u₃，x_GC，x_LL，w₀)的操作值和由该燃烧过程产生的蒸汽流量的相应值组成，和

-装置，其用于对于给定所需的蒸汽流量设定点

从所述关系解出废物进料速度(w₀)的控制值，并将所述控制值应用于燃烧过程的废物进料执行机构(10)。

6.如权利要求5的系统，其特征在于，其包括测量燃烧过程的温度(x_GC，x_LL)的操作值的装置。

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