CN107940979B - 一种干燥热风炉设备及其控制方法 - Google Patents

一种干燥热风炉设备及其控制方法 Download PDF

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    • F24H9/2092—Arrangement or mounting of control or safety devices for air heaters using solid fuel

Abstract

本发明公开了一种干燥热风炉设备，包括：物料塔，其设置在热风炉设备的一端，内部下方设置有卸料口；燃烧炉，其通过输料管与所述物料塔连接，所述燃烧炉上设置有多处纵向螺旋错开排列的进风口；换热器，其设置在燃烧炉的一侧，包括高温侧导烟管和低温侧导烟管；其中，高温侧导烟管的上端口通过高温排烟管与燃烧炉的顶端出口连接，低温侧导烟管的上端口通过低温排烟管与除尘器连接；冷空气入口，其设置在换热器的上部，所述低温排烟管的外侧，能够导入冷空气，从低温烟气开始换热。本发明还公开一种干燥热风炉设备的控制方法，能够通过卸料口卸料量和输料管进、出口的压力损失精确控制气力输送装置的风机转速，提高物料输送效率，避免物料堆积。

Description

一种干燥热风炉设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及热风炉技术领域，更具体的是，本发明涉及一种干燥热风炉设备及其控制方法。
背景技术
热风炉是现今工、农生产中重要热风源设备之一。无论是工业供暖还是干燥谷物生产过程都需要洁净的、低成本的热风源。
在传统化石能源(煤、石油等)日益枯竭、人类面临的环境污染日益加重的情况下，世界各国都在积极寻求发展可再生能源。我国是农业大国，每年有大量的可再生生物质能源，如果能利用好这些可再生的生物质物料，就可有效地保护有限的自然资源并减少对环境的污染。
目前热风炉的种类很多，物料、换热形式、炉体结构等各不相同。但是，在现有的热风炉设备上，冷空气分别经过热烟气的高低温段、低高温段、低中温段、高中温段、高高温段，最后经过低低温段流出。换热期间相对应的温差梯度波动太大，换热方式不科学。
同时，现有干燥热风炉设备中燃烧炉的炉体结构以及进风口和进料口的布置不合理，导致燃烧不充分；燃烧炉外壁的散射的热量没有被利用好；换热器换热方式不科学，热效率低。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种干燥热风炉设备，能够克服现有热风炉燃烧不充分，在换热期间相对温差梯度波动大，效率低的问题。
本发明的另一个目的是设计开发了一种干燥热风炉设备的控制方法，能够通过卸料口卸料量和输料管进、出口的压力损失精确控制气力输送装置的风机转速，提高物料输送效率，避免物料堆积。
本发明提供的技术方案为：
一种干燥热风炉设备，包括：
物料塔，其设置在热风炉设备的一端，内部下方设置有卸料口，所述卸料口通过气力输送装置与输料管连接；
燃烧炉，其通过输料管与所述物料塔连接，所述燃烧炉上设置有多处纵向螺旋错开排列的进风口，其与设置在所述燃烧炉底部助燃风机连通；
换热器，其设置在所述燃烧炉的一侧，包括高温侧导烟管和低温侧导烟管；其中，所述高温侧导烟管的上端口通过高温排烟管与燃烧炉的顶端出口连接，所述低温侧导烟管的上端口通过低温排烟管与除尘器连接；
冷空气入口，其设置在所述换热器的上部，所述低温排烟管的外侧，能够导入冷空气，从低温烟气开始换热。
优选的是，所述输料管的另一端与所述燃烧炉的进料口连接，所述进料口的位置低于最高的所述进风口。
优选的是，所述高温侧导烟管和低温侧导烟管的两端分别固定有上固定板和下固定板，并且两组烟管的中间设有隔板。
优选的是，所述低温烟气换热要经过换热通道，包括：所述上固定板、所述下固定板、所述隔板以及设置在两组烟管外部的四组弧形导流板。
优选的是，还包括：
重量传感器，其设置在所述卸料口和气力输送装置的连接处，用于检测所述卸料口的卸料量；
压力传感器，其分别设置在所述输料管的进口处和出口处，用于检测所述输料管进口处和出口处的气压；
转速传感器，其设置在所述助燃风机的轴上，用于检测助燃风机工作时的转速；
温度传感器，其沿所述燃烧炉轴向等间距设置在燃烧炉内部一侧，用于检测燃烧炉内部温度；
控制器，其与所述重量传感器、压力传感器、转速传感器、温度传感器、气力输送装置和助燃风机连接，用于接收所述重量传感器、压力传感器、转速传感器和温度传感器的检测数据并控制所述气力输送装置和助燃风机工作。
相应的，本发明还提供一种干燥热风炉设备的控制方法，包括模糊控制器：
将卸料口的卸料量Mυ、输料管进口处的压力P1与输料管出口处的压力P2的压力损失ΔP输入模糊控制器，所述模糊控制器中卸料口的卸料量Mυ和压力损失ΔP分为7个等级；
模糊控制器输出气力输送装置的风机转速ω，输出分为7个等级；
所述卸料量Mυ的模糊论域为[0,1]，其量化因子为60000；所述压力损失ΔP的模糊论域为[0,1]，定量化因子为2500；输出风机转速ω的模糊论域为[0,1]，定量化因子为9000；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括模糊PID控制器：
输入第i个输料过程的理想压力损失
Figure BDA0001518074860000031
和实际压力损失ΔP的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行风机转速误差补偿控制。
优选的是，
所述理想压力损失
Figure BDA0001518074860000032
和实际压力损失ΔP的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为130；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，定量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，物料经气力输送装置输送至燃烧炉后，所述助燃风机的转速为：
Figure BDA0001518074860000041
其中，n为助燃风机的转速，单位r/min；Ti为燃烧炉内某一点的温度，单位℃；Ti-1为沿燃烧炉轴向紧靠Ti点的温度点的温度，单位℃；h为燃烧炉的长度，单位m，τ为燃烧炉内沿燃烧炉轴向温度检测点的数量，ρ为物料的密度，单位g/m3；d为物料的粒径，单位m；P2为输料管出口处的气压，单位Pa；P0为标准大气压，单位Pa；L为输料管的长度，单位m。
优选的是，所述燃烧炉内沿燃烧炉轴向温度检测点的数量为：
τ＝h/0.5+1。
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明所述干燥热风炉设备的燃烧炉的进风口纵向螺旋式错开排列，有助于物料在燃烧炉内充分燃烧，提高资源利用率；助燃风机布置在燃烧炉之外，设备外壳之内，一方面降低燃烧炉外壁的温度，另一方面利用了燃烧炉外壁散射的热量。
(2)两组烟管与隔板和外壳组成冷空气的流动通道，冷空气从换热器的低温侧烟管一侧进入流动通道，热空气从高温侧烟管一侧流出，流动方向与烟气的流动方向相反，提高了换热效率；集灰室设在两组烟管正下方，方便清理；烟气最后设有除尘器，有效降低环境污染。
(3)本热风炉设备布局合理，易于实现自动化，物料燃烧充分，换热器换热方式科学，换热效率高，增加了除尘器，环境污染小。
(4)本发明所述的干燥热风炉设备的控制方法，能够通过卸料口卸料量和输料管进、出口的压力损失精确控制气力输送装置的风机转速，提高物料输送效率，避免物料堆积。
(5)物料经气力输送装置输送至燃烧炉后，通过物料炉内的温度梯度、燃烧炉的长度、物料的密度、粒径、输料管出口处的气压以及输料管的长度控制助燃风机的转速，提高了燃烧炉的效率。
附图说明
图1为本发明所述的干燥热风炉设备的结构示意图。
图2为本发明所述的干燥热风炉的俯视图。
图3为本发明所述的燃烧炉的结构示意图。
图4为本发明所述的燃烧炉的俯视图。
图5为本发明所述的换热器的结构示意图。
图6为本发明所述的换热器的俯视图。
图7是本发明的模糊控制器和模糊PID控制器的示意图。
图8是本发明的模糊控制器的输入卸料口卸料量Mυ的隶属度函数图。
图9是本发明的模糊控制器的输入压力损失ΔP的隶属度函数图。
图10是本发明的模糊控制器的输出气力输送装置的风机转速ω的隶属度函数图。
图11是本发明的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图12是本发明的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图13是本发明的模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图14是本发明的模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图15是本发明的模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-6所示，本发明提供一种干燥热风炉设备，包括：物料塔1、燃烧炉2、换热器4和除尘器7。
物料塔1设置在热风炉设备的一端，内部下方设置有卸料口11，气力输送装置12设置卸料口11的下方，位于物料塔1的底部；输料管13的一端与气力输送装置12连接，另一端与燃烧炉2的进料口21连接，卸料口11通过气力输送装置12将物料输送到燃烧炉2中。
第一助燃风机225和第二助燃风机226设置在燃烧炉的外部两侧，位于热风炉设备壳体内部。燃烧炉2上设置有多处纵向螺旋式错开排列的进风口，包括第一进风口221、第二进风口222、第三进风口223、第四进风口224，其中第一进风口221和第三进风口223与第一助燃风机225连通，第二进风口222和第四进风口224与第二助燃风机225连通，各个进风口与燃烧炉2的炉壁水平相切，能够在燃烧炉2内部形成稳定的悬浮气流。221为最高的进风口，221的位置高于进料口21，保证物料的充分燃烧，燃烧后的烟气通过燃烧炉的顶端出口23进入高温排烟管3，燃烧后的灰烬经由清灰装置24排出。
换热器4设置在燃烧炉的一侧，与燃烧炉2共同位于热风炉设备的壳体内部，燃烧炉2顶部以上的设备外壳上开有多个通风口。换热器4包括两组直立导烟管，分别是高温侧导烟管41和低温侧导烟管44，高温侧导烟管41的上端口411通过高温排烟管3与燃烧炉的顶端出口23连接；低温侧导烟管的上端口441通过低温排烟管6与除尘器7连接，换热器的两组烟管两端分别固定有上固定板43和下固定板47上，两组烟管的中间设有隔板42。
换热器4的下方设置有集灰室45，集灰室45是包括下固定板47、设置在下固定板下方的烟气导流板451和设备外壳5，三者共同组成了封闭腔室。集灰室45的设有清灰口46，通过清灰口46对集灰室45进行定期清理。
燃烧炉2中排出的高温烟气分别流经高温排烟管3、高温侧导烟管41、集灰室45、低温侧导烟管44和低温排烟管6，形成一个“U”形通道，最后经过除尘器7处理后，排入大气。
上固定板43、下固定板47、隔板42、四组弧形导流板49以及设备外壳5组成了冷空气的流动通道，冷空气从位于低温侧导烟管44上部的冷空气入口8进去，沿着设定在换热器内部的隔板42，从位于高温侧导烟管41上部的热空气出口48流出。冷空气从低温烟气开始换热，逆着烟气的流动轨迹，逐步进行换热，提高换热效率。
本实施例中，还包括：重量传感器，其设置在所述卸料口11和气力输送装置12的连接处，用于检测所述卸料口11的卸料量；压力传感器，其分别设置在所述输料管13的进口处和出口处，用于检测所述输料管13进口处和出口处的气压；转速传感器，其设置在所述助燃风机225、226的轴上，用于检测助燃风机225、226工作时的转速；温度传感器，其沿所述燃烧炉2轴向等间距设置在燃烧炉内部一侧，用于检测燃烧炉内部温度；控制器，其与所述重量传感器、压力传感器、转速传感器、温度传感器、气力输送装置12和助燃风机225、226连接，用于接收所述重量传感器、压力传感器、转速传感器和温度传感器的检测数据并控制所述气力输送装置12和助燃风机225、226工作。
本发明所述干燥热风炉设备的燃烧炉的进风口纵向螺旋式错开排列，有助于物料在燃烧炉内充分燃烧，提高资源利用率；助燃风机布置在燃烧炉之外，设备外壳之内，一方面降低燃烧炉外壁的温度，另一方面利用了燃烧炉外壁散射的热量；两组烟管与隔板和外壳组成冷空气的流动通道，冷空气从换热器的低温侧烟管一侧进入流动通道，热空气从高温侧烟管一侧流出，流动方向与烟气的流动方向相反，提高了换热效率；集灰室设在两组烟管正下方，方便清理；烟气最后设有除尘器，有效降低环境污染；本热风炉设备布局合理，易于实现自动化，物料燃烧充分，换热器换热方式科学，换热效率高，增加了除尘器，环境污染小。
如图7所示，本发明还提供一种干燥热风炉设备的控制方法，包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：
步骤1、将卸料口的卸料量Mυ(g/min)、输料管进口处的压力P1(Pa)与输料管出口处的压力P2(Pa)的压力损失ΔP(Pa)、气力输送装置的风机转速ω(r/min)进行模糊处理；在无控制时，卸料量Mυ的模糊论域为[0,1]，其定量化因子为60000；所述压力损失ΔP的模糊论域为[0,1]，定量化因子为2500；输出风机转速ω的模糊论域为[0,1]，定量化因子为9000。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中卸料量Mυ的和压力损失ΔP的分为7个等级；输出气力输送装置的风机转速ω，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图8、9和10。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：
(1)卸料口的卸料量Mυ一定，压力损失ΔP增大，需要增大气力输送装置的风机转速ω；
(2)压力损失ΔP一定，卸料口的卸料量Mυ增大，需要增大气力输送装置的风机转速ω；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一气力输送装置的风机转速w的模糊控制表
Figure BDA0001518074860000081
模糊控制器的输入卸料口卸料量Mυ、输料管进口处的压力P1与输料管出口处的压力P2的压力损失ΔP，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出气力输送装置的风机转速ω，风机转速ω利用重心法解模糊化。
步骤2、模糊PID控制器
将第i个输料过程的理想压力损失
Figure BDA0001518074860000082
和实际压力损失ΔP的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理；在无控制时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为130；偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，其定量化因子为1；PID的比例系数Kp模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1。PID的比例积分系数Ki模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；PID的微分系数Kd模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图11-15。其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大Kp Ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二PID的比例系数Kp的模糊控制表
Figure BDA0001518074860000091
表三PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
Figure BDA0001518074860000092
Figure BDA0001518074860000101
表四PID的微分系数Kd的模糊控制表
Figure BDA0001518074860000102
输入第i个输料过程的理想压力损失
Figure BDA0001518074860000103
和实际压力损失ΔP的偏差e、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行风机转速ω误差补偿控制，其控制算式为：
Figure BDA0001518074860000104
经实验反复确定，模糊PID控制器对风机转速ω进行精确控制，使气力输送装置进行精确控制其风机转速ω，使风机转速ω的偏差小于0.1％。
步骤3：物料经气力输送装置输送至燃烧炉后，所述控制器控制助燃风机的转速为：
Figure BDA0001518074860000105
其中，n为助燃风机的转速，单位r/min；Ti为燃烧炉内某一点的温度，单位℃；Ti-1为沿燃烧炉轴向紧靠Ti点的温度点的温度，单位℃；h为燃烧炉的长度，单位m，τ为燃烧炉内沿燃烧炉轴向温度检测点的数量，ρ为物料的密度，单位g/m3；d为物料的粒径，单位m；P2为输料管出口处的气压，单位Pa；P0为标准大气压，单位Pa；L为输料管的长度，单位m。
本实施例中，所述燃烧炉内沿燃烧炉轴向温度检测点的数量为：
τ＝h/0.5+1。
本发明所述的干燥热风炉设备的控制方法，能够通过卸料口卸料量和输料管进、出口的压力损失精确控制气力输送装置的风机转速，提高物料输送效率，避免物料堆积；物料经气力输送装置输送至燃烧炉后，通过物料炉内的温度梯度、燃烧炉的长度、物料的密度、粒径、输料管出口处的气压以及输料管的长度控制助燃风机的转速，提高了燃烧炉的效率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种干燥热风炉设备的控制方法，使用一种干燥热风炉设备，包括：
物料塔，其设置在热风炉设备的一端，内部下方设置有卸料口，所述卸料口通过气力输送装置与输料管连接；
燃烧炉，其通过输料管与所述物料塔连接，所述燃烧炉上设置有多处纵向螺旋错开排列的进风口，其与设置在所述燃烧炉底部助燃风机连通；
换热器，其设置在所述燃烧炉的一侧，包括高温侧导烟管和低温侧导烟管；其中，所述高温侧导烟管的上端口通过高温排烟管与燃烧炉的顶端出口连接，所述低温侧导烟管的上端口通过低温排烟管与除尘器连接；
冷空气入口，其设置在所述换热器的上部，所述低温排烟管的外侧，能够导入冷空气，从低温烟气开始换热；
所述输料管的另一端与所述燃烧炉的进料口连接，所述进料口的位置低于最高的所述进风口；
所述高温侧导烟管和低温侧导烟管的两端分别固定有上固定板和下固定板，并且两组烟管的中间设有隔板；
所述低温烟气换热要经过换热通道，包括：所述上固定板、所述下固定板、所述隔板以及设置在两组烟管外部的四组弧形导流板；
还包括：
重量传感器，其设置在所述卸料口和气力输送装置的连接处，用于检测所述卸料口的卸料量；
压力传感器，其分别设置在所述输料管的进口处和出口处，用于检测所述输料管进口处和出口处的气压；
转速传感器，其设置在所述助燃风机的轴上，用于检测助燃风机工作时的转速；
温度传感器，其沿所述燃烧炉轴向等间距设置在燃烧炉内部一侧，用于检测燃烧炉内部温度；
控制器，其与所述重量传感器、压力传感器、转速传感器、温度传感器、气力输送装置和助燃风机连接，用于接收所述重量传感器、压力传感器、转速传感器和温度传感器的检测数据并控制所述气力输送装置和助燃风机工作；
其特征在于，包括模糊控制器：
将卸料口的卸料量Mυ、输料管进口处的压力P1与输料管出口处的压力P2的压力损失ΔP输入模糊控制器，所述模糊控制器中卸料口的卸料量Mυ和压力损失ΔP分为7个等级；
模糊控制器输出气力输送装置的风机转速ω，输出分为7个等级；
所述卸料量Mυ的模糊论域为[0,1]，其量化因子为60000；所述压力损失ΔP的模糊论域为[0,1]，定量化因子为2500；输出风机转速ω的模糊论域为[0,1]，定量化因子为9000；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
2.如权利要求1所述的干燥热风炉设备的控制方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：
输入第i个输料过程的理想压力损失
Figure FDA0004126715680000021
和实际压力损失ΔP的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行风机转速误差补偿控制。/>
3.权利要求2所述的干燥热风炉设备的控制方法，其特征在于，
所述理想压力损失
Figure FDA0004126715680000022
和实际压力损失ΔP的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为130；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，定量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
4.权利要求3所述的干燥热风炉设备的控制方法，其特征在于，物料经气力输送装置输送至燃烧炉后，所述助燃风机的转速为：
Figure FDA0004126715680000031
其中，n为助燃风机的转速，单位r/min；Ti为燃烧炉内某一点的温度，单位℃；Ti-1为沿燃烧炉轴向紧靠Ti点的温度点的温度，单位℃；h为燃烧炉的长度，单位m，τ为燃烧炉内沿燃烧炉轴向温度检测点的数量，ρ为物料的密度，单位g/m3；d为物料的粒径，单位m；P2为输料管出口处的气压，单位Pa；P0为标准大气压，单位Pa；L为输料管的长度，单位m。
5.如权利要求4所述的干燥热风炉设备的控制方法，其特征在于，所述燃烧炉内沿燃烧炉轴向温度检测点的数量为：
τ＝h/0.5+1。
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