CN108679592A - 一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统及控制方法，包括给料装置、连接给料装置、主给水管路和主蒸汽管路的锅炉，系统还包括顺次连接的锅炉负荷控制器、取料机转速计算装置和转速控制装置，其中，主给水管路和主蒸汽管路上分别设置有传感器，锅炉负荷控制器用于计算并向取料机转速计算装置传送用于取料机的转速系数；取料机转速计算装置用于计算燃料负荷指令基准值和燃料负荷设定值，并向转速控制装置发送燃料负荷设定值；转速控制装置用于控制取料机的取料速度。通过本发明可以自动调节进入锅炉的燃料量，实时保持锅炉负荷与锅炉负荷设定值一致，消除锅炉负荷和主蒸汽参数的波动，维持其稳定，还可以提高燃料的燃尽率，提高锅炉效率。

Description

一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及锅炉智能控制技术，更具体地，涉及一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统及控制方法。

背景技术

生物质锅炉通过燃烧生物质固态燃料，将能量从燃料产生的烟气转移给过热蒸汽中。过热蒸汽被输送到蒸汽轮机发电系统，将热能转换为电能。常规生物质锅炉的炉前燃料输送系统如图1所示，一台锅炉配有两个炉前料仓，每个料仓下部配有四套取料螺旋装置，总计八套取料螺旋装置。取料螺旋将生物质燃料从料仓中送入落料管，每个落料管对应一套给料机，落料管下的给料机将燃料推入炉膛，在炉膛中，生物质燃料在炉排上燃烧，以高温烟气的形式释放热能，锅炉的水冷壁及过热器通过吸收烟气热量，将能量转移到主蒸汽中，锅炉中吸收的热量即为锅炉负荷，锅炉负荷以蒸汽形式将热量送到汽轮机中。

锅炉负荷是由进入炉膛的燃料发热量决定的，进入炉膛的燃料量通过取料机的转速实现。通常给料机恒定转速运行。如果燃料能够在炉膛中充分燃烧，释放燃料中的热能，还需要有足量的燃烧风进入炉膛，参与燃烧，因此氧量控制也是锅炉负荷控制一个重要内容，如果燃烧风量与燃料的风量需求不一致，燃料就会在锅炉中燃烧不充分，灰渣含碳量和未燃尽可燃性气体就会增多。

在常规的燃煤火力发电厂中，由于燃料热值稳定，通过锅炉负荷需求就可直接得出所需的燃料量，因此主蒸汽也比较稳定，锅炉负荷即可由主蒸汽流量表示，电厂控制中另外一个重要参数为主蒸汽压力，因此可以通过对汽轮机调门开度、锅炉燃料量进行加减来实现对主蒸汽流量、主蒸汽压力的控制，即锅炉控制主蒸汽流量，汽轮机控制主蒸汽压力(如图2所示)，或锅炉控制主蒸汽压力，汽轮机控制主蒸汽流量。或者两者相互协调，共同控制主蒸汽流量和压力。但在生物质电厂中，受到生物质燃料热值、水分变化比较大的限制，为了能够稳定锅炉负荷，一般都是由锅炉控制负荷，同时生物质电厂中汽轮机控制系统都是一个独立控制系统，一般处于阀位控制的手动方式，无法自动调节主蒸气压力，因此，主蒸气压力的控制也需要通过锅炉负荷控制。

目前，由于受生物质燃料热值、水分、种类变化比较大的影响，生物质锅炉负荷都是手动控制方式，当运行人员发现锅炉负荷低时，提高取料机转速，增加燃料量进入炉膛。同时调整燃烧风量，维持烟气氧量在一个正常水平。运行人员发现锅炉负荷高时，降低取料机转速，减少燃料量进入炉膛。同时减少燃烧风量，维持烟气氧量在一个正常水平。整个调整过程都是运行人员手动完成，燃料及风量的增减量，氧量的设定值都由运行人员根据个人经验决定。

图中，PID控制器为比例-积分-微分控制器，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。PID控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

PD控制器和PID控制器类似，但其没有积分环节，存在稳态误差，其特点是调节偏差快速变化时使调解量在最短的时间内得到强化调节，有调节静差，适用于大滞后环节。

现有的生物质锅炉采用手动控制锅炉负荷的方式，运行人员的调整操作无法满足锅炉负荷实时变化的要求，会造成锅炉负荷频繁波动，蒸气流量、温度、压力参数不稳定，烟气氧量也会出现比较大波动，锅炉的灰渣含碳量和未燃尽可燃性气体偏高。因为当运行人员发现负荷变化时，真实的燃烧状况早已发生改变，因此运行人员做出的燃烧调整总是要滞后于锅炉的负荷变化及燃烧变化，锅炉一直不能运行在最佳工况。同时，生物质燃料的种类、热值、水分差异很大，单位质量的燃料量的热值偏差也很大，因此无法通过锅炉负荷需求直接得出所需的燃料量，负荷变化引起的燃料改变量都是由运行人员根据个人经验确定，无法做到任何时候都与锅炉需求相符。同时手动控制燃料量，会造成进入炉膛的燃料量都是不均匀的，而炉排上的燃料不均匀，会造成炉排上料层较厚部分的燃料无法燃尽。手动控制锅炉负荷时，运行人员是无法在调整锅炉负荷时，同时调整主蒸汽压力，保持主蒸汽压力与设定值一致、主蒸汽压力稳定不波动的。最后，由于是运行人员手动调节，因此不能避免不同运行人员的调整水平差异及操作失误，造成锅炉负荷波动，甚至出现停炉现象。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统和方法。

根据本发明提出了一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统，包括设置有料仓、取料机、落料管和给料机的给料装置、连接给料装置、主给水管路和主蒸汽管路的锅炉，系统还包括顺次连接的锅炉负荷控制器、取料机转速计算装置和转速控制装置，其中，主给水管路和主蒸汽管路上分别设置有传感器，用于接收并传送管路上的压力、温度和流量信息；锅炉负荷控制器，用于接收实际锅炉负荷信息和锅炉负荷设定信息，计算并向取料机转速计算装置传送用于取料机的转速系数；取料机转速计算装置，用于接收锅炉负荷控制器发送的转速系数，计算燃料负荷指令基准值和燃料负荷设定值，并向转速控制装置发送燃料负荷设定值；转速控制装置，与给料装置相连接，用于接收转速控制装置发送的燃料负荷设定值，控制取料机的取料速度。

优选的，锅炉负荷控制器为PID控制器。

进一步的，系统还包括与锅炉负荷控制器连接的锅炉负荷设定模块，锅炉负荷设定模块包括输入单元、计算单元和输出限速单元，输入模块用于接收用户输入的机组负荷信息或锅炉负荷信息，计算单元用于通过机组负荷信息计算锅炉负荷信息，输出限速模块用于控制锅炉负荷信息的输出速度，使得锅炉负荷信息输出速度平缓。

进一步的，系统还包括与传感器相连接的实际锅炉负荷计算模块，用于接收传感器发送数据，计算并向锅炉负荷控制器发送实际锅炉负荷值，计算公式为：

其中＝实际锅炉负荷[MW]

mms为主蒸汽管路的流量测量值[kg/s]

h(p,T)_ms为根据主蒸汽管路的压力、温度得到的主蒸汽焓值[MJ/kg]

h(p,T)_fw为根据主给水管路的压力、温度得到的主给水焓值[MJ/kg]。

进一步的，实际锅炉负荷计算模块还包括压力修正控制器和第一乘法单元，压力修正控制器，用于接收传感器发送的主蒸汽管路压力测量值和主蒸汽管路压力设定值，计算并向第一乘法单元发送压力修正系数，第一乘法单元接收压力修正系数和实际锅炉负荷值，并将两者的乘积作为修正后的实际锅炉负荷值发送到锅炉负荷控制器。其中，压力修正控制器为PID控制器。

进一步的，取料机转速计算装置包括接收单元、燃料负荷指令基准值计算单元和第二乘法单元，接收单元接收锅炉负荷控制器传送的转速系数，燃料负荷指令基准值计算单元用于获取实际锅炉负荷信息、锅炉负荷设定信息和取料机的转速信息，并计算燃料负荷指令基准值，计算公式为：

其中RSS_part为燃料负荷指令基准值

为当前实际锅炉负荷值[MW]

为锅炉最大负荷值[MW]

RSS_full为锅炉最大负荷值时的取料机转速；

第二乘法单元用于计算燃料负荷设定值，燃料负荷设定值等于转速系数和燃料负荷指令基准值的乘积，第二乘法单元将燃料负荷设定值发送给转速控制系统。

进一步的，取料机转速计算装置还包括氧量修正控制器和加法器，氧量修正控制器接收氧量设定值和设置在锅炉尾部烟道中氧量分析仪发送的氧气含量，计算并输出氧量修正系数，优选的，氧量修正系数为±5％之间的数值，加法器接收氧量修正系数和第二乘法单元发送燃料负荷设定值，并将两者的和作为最终的燃料负荷设定值发送到转速控制装置。

优选的，氧气含量是一定时间内氧气含量的平均值。氧量修正控制器为PD控制器。

进一步的，转速控制装置获取取料机的最低转速，如果燃料负荷设定值大于最低转速，则设定取料机的转速为燃料负荷设定值；如果燃料负荷设定值小于最低转速，则取料机采用间断运行方式。

进一步的，转速控制装置还包括间断计时单元，间断计时单元用于接收燃料负荷设定值和取料机最低转速，并计算取料机停止运行时间，计算公式为：

其中t2为停止运行时间[s]

t1为运行人员设定的运行时间[s]

RSS_min为取料机最低转速

RSS_SP为燃料负荷设定值。

其中，PID控制器和PD控制器内部的参数可以通过输入值和输出值来进行调整并得出。

根据本发明的又一方面，提出一种生物质锅炉的锅炉负荷控制方法，

通过本发明提出的锅炉负荷控制系统和方法可以自动调节进入锅炉的燃料量，同时保证锅炉负荷不受进入炉膛燃料的种类、热值、水分差异的影响，实时保持锅炉负荷与锅炉负荷设定值一致，并且保持主蒸汽压力与主蒸汽压力设定值一致，消除锅炉负荷和主蒸汽参数的波动，维持其稳定。同时，还可以使烟气中的实际氧量与锅炉燃烧中对氧量的需求一致，提高燃料的燃尽率，减少灰渣的含碳量和未燃烧的可燃气体，提高锅炉效率，减少燃料消耗。

附图说明

图1为现有的炉前燃料输送系统的结构示意图；

图2为常规锅炉负荷压力控制系统的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的锅炉负荷控制系统的锅炉结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的锅炉负荷控制系统的系统结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的锅炉负荷控制方法的流程图。

为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统和方法进行详细描述。

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

根据本发明提出了一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统，如图3和4所示，包括设置有料仓、取料机、落料管和给料机的给料装置、连接给料装置、主给水管路和主蒸汽管路的锅炉，系统还包括顺次连接的锅炉负荷控制器、取料机转速计算装置和转速控制装置，其中，主给水管路和主蒸汽管路上分别设置有传感器，用于接收并传送管路上的压力、温度和流量信息；锅炉负荷控制器，用于接收实际锅炉负荷信息和锅炉负荷设定信息，计算并向取料机转速计算装置传送用于取料机的转速系数；取料机转速计算装置，用于接收锅炉负荷控制器发送的转速系数，计算燃料负荷指令基准值和燃料负荷设定值，并向转速控制装置发送燃料负荷设定值；转速控制装置，与给料装置相连接，用于接收转速控制装置发送的燃料负荷设定值，控制取料机的取料速度。

锅炉负荷控制器可以为PID控制器，其一输入端连接锅炉负荷设定模块，另一输入端连接与传感器相连接的实际锅炉负荷计算模块，输出端输出取料机转速系数，该转速系数的数值范围为0-2。通过转速系数和不同锅炉的不同负荷设定和实际值，就可以逐步调整得到PID控制器的内部系数。

锅炉负荷设定模块包括输入单元、计算单元和输出限速单元，输入模块用于接收用户输入的机组负荷信息或锅炉负荷信息，计算单元用于通过机组负荷信息计算锅炉负荷信息，输出限速模块用于控制锅炉负荷信息的输出速度，使得锅炉负荷信息输出速度平缓。

在输入模块中，可以手工设置锅炉负荷信息，锅炉负荷信息包括锅炉负荷最大值、最小值和锅炉负荷最大变化率。在输入模块中可以手工设置机组负荷，机组负荷表示汽轮机的电功率，这是通过蒸汽管路的热能进行转化的。因此通过预订机组负荷，可以通过计算单元得出锅炉要输出的热量，也即锅炉负荷设定值。

锅炉负荷设定值1的计算公式为：y＝k*x

其中，y为锅炉负荷设定值，x为机组负荷，k是电功率和热量的转换系数，由汽轮机决定。

在一个实施例中，机组负荷设定值与锅炉负荷设定值如表1所示，其中锅炉负荷设定值最大值为91.64MW，最小值为36.66MW。变化率的最大升速率为1.8MW/min。

表1

机组负荷设定值(MW)	锅炉负荷设定值(MW)
		33	91.64
26	73.32
		20	54.99
0	36.66

计算单元计算出锅炉负荷设定值后，输出发送给输出限速单元，输出限速单元在锅炉负荷设定值变化率大于设定的最大变化率的时候，按最大变化率输出锅炉负荷设定值，以使锅炉负荷变化平稳，因为锅炉负荷的变化是一个缓慢的过程，锅炉负荷的控制是一个大滞后的控制，因此输出不能出现突变。

实际锅炉负荷计算模块接收传感器发送的主给水管路出口和主蒸汽管路出口的压力、温度、流量数据，计算并向锅炉负荷控制器发送实际锅炉负荷值，实际锅炉负荷的计算公式为：

其中＝实际锅炉负荷[MW]

m_ms为主蒸汽管路的流量测量值[kg/s]

h(p,T)_ms为根据主蒸汽管路的压力、温度得到的主蒸汽焓值[MJ/kg]

h(p,T)_fw为根据主给水管路的压力、温度得到的主给水焓值[MJ/kg]。

这样得到的实际锅炉负荷避免锅炉运行中因进入锅炉的燃料热值、水分等发生变化而引起锅炉燃烧状况发生变化，造成主蒸汽压力、温度出现波动而对锅炉实际负荷输出的影响。

在一个实施例中，实际锅炉负荷计算模块还包括压力修正控制器和第一乘法单元。压力修正控制器可以为PID控制器，一个输入端用于接收传感器发送的主蒸汽管路压力测量值，比如与主蒸汽管路上的压力传感器相连从而获得压力值；另一个输入端可以接收主蒸汽管路压力设定值(比如通过输入设备获得主蒸汽管路的预期值)，其输出端与第一乘法单元相连接，并向其输出压力修正系数，压力修正系数的数值范围为0.85-1.15。PID的具体参数可以根据两个输入端的压力值和输出范围进行调整，这是普通技术人员能够做到的。第一乘法单元接收压力修正系数和实际锅炉负荷值，并将两者的乘积作为修正后的实际锅炉负荷值发送到锅炉负荷控制器。主蒸汽压力来自锅炉出口的主蒸汽管道的压力传感器，因此本发明使得锅炉负荷控制中也包含了对主蒸汽压力的控制。

通过对实际锅炉负荷的修正，可以使锅炉负荷控制器完成对主蒸汽压力的控制，如果主蒸汽压力开始下降，那么锅炉负荷控制器的负荷实际值PV将减少，在锅炉负荷设定值不变的情况下，锅炉负荷控制器将增加输出，增加进入炉膛的燃料量，增强锅炉内的燃烧，升高主蒸汽压力。

在此实施例中，当锅炉负荷控制处于自动状态时，锅炉负荷控制器用于控制送入炉膛内的燃料量，来满足锅炉负荷对热量的需求，同时还可以维持主蒸汽的压力稳定。当使用不同种类、热值、水分的生物质燃料时，锅炉负荷控制器仍能够根据锅炉负荷需求自动调整送入炉膛内的燃料量，来满足锅炉负荷的需求。

取料机转速计算装置接收锅炉负荷控制器传送来的转速系数，然后计算燃料负荷设定值，燃料负荷设定值表示当前锅炉负荷所需要燃烧的燃料所对应的取料机的转速。取料机的转速决定取料的数量，从而决定锅炉燃烧所产生的热量。

取料机转速计算装置包括接收单元、燃料负荷指令基准值计算单元和第二乘法单元。接收单元接收锅炉负荷控制器传送的转速系数，燃料负荷指令基准值计算单元用于获取实际锅炉负荷信息、锅炉负荷设定信息和取料机的转速信息，并计算燃料负荷指令基准值，计算公式为：

其中RSS_part为燃料负荷指令基准值

为当前实际锅炉负荷值[MW]

为锅炉最大负荷值[MW]

RSS_full为锅炉最大负荷值时的取料机转速。

在实际根据上面公式计算时，可以使用取料机转速，也可以其他能够表征取料速度的物理量，比如取料机转速调节频率等。物理量在使用时，可以根据本发明的宗旨在实际工作中前后一致。

实际锅炉负荷信息可以通过连接实际锅炉负荷计算模块获取，锅炉负荷设定信息可以通过连接锅炉负荷设定模块获取。

燃料负荷指令基准值表示通常情况下实际锅炉负荷所对应的取料机转速，也就是在使用常规稳定燃料时，这个取料机转速能满足当前锅炉负荷，但当锅炉负荷发生变化时，或者进入锅炉的燃料热值发生变化时，锅炉负荷控制器输出的转速系数也会跟随锅炉负荷发生变化，对燃料负荷指令基准值进行修正，调整进入炉膛的燃料量，使实际锅炉负荷与锅炉负荷设定值保持一致。

第二乘法单元用于计算燃料负荷设定值，燃料负荷设定值等于转速系数和燃料负荷指令基准值的乘积，第二乘法单元将燃料负荷设定值发送给转速控制系统。当燃料负荷设定值低于取料机最低转速RSS_min时，为了避免因过低转速引起的取料机堵塞，取料机将工作于间断运行方式，当燃料负荷设定值高于取料机最低转速RSS_min时，燃料负荷设定值即是每个取料机的转速设定值。

在一个实施例中，取料机转速计算装置还包括氧量修正控制器和加法器，氧量修正控制器在处于自动状态时，可以用来修正燃料负荷设定值，当氧量修正控制器输出为正数时，表示炉膛中风量偏多，应该增加一些燃料，维持最佳的燃烧工况，当氧量修正控制器输出为负数时，表示炉膛中风量偏少，应该减少一些燃料，防止因氧量不足而引起的炉膛中燃料的不完全燃烧及在缺氧环境下的CO的形成，减小炉膛中爆炸性危险。氧量修正控制器为PD控制器，一个输入端接收氧量设定值(可以人工设定)，另一个输入端接收设置在锅炉尾部烟道中氧量分析仪发送的氧气含量，计算后输出氧量修正系数，优选的，氧量修正系数为±5％之间的数值。加法器接收氧量修正系数和第二乘法单元发送燃料负荷设定值，并将两者的和作为最终的燃料负荷设定值发送到转速控制装置。

氧量设定值也可在氧量修正控制器处于自动状态时，由锅炉负荷设定值与氧量的函数关系自动生成，此函数一般为分段函数，和锅炉具体相关，计算方法为普通技术人员都了解的知识，在一个实施例中，如表2所示。

表2

锅炉负荷设定值	氧量设定实时值
		MW	％
91.64	4.19
		73.32	4.98
54.99	6.29
		36.66	7.73

同时为了避免锅炉负荷快速变化时引起的氧量设定值频繁变化，同时能保持氧量控制能够长期处于自动状态，在另一个实施例中，氧量设定值使用一个周期内设定平均值，一个周期的时间通常与炉排的振动周期有关(如0.5倍、1倍、2倍等)，计算公式如下

其中＝氧量设定平均值

t＝炉排振动周期[s]

O_2SP＝氧量设定实时值

氧量测量值来自设置在锅炉尾部烟道中的氧量分析仪。在振动炉排锅炉中，烟气中的氧气含量受炉排振动成周期性变化，每个振动周期内氧气含量的波动变化非常大。在一个实施例中，为了比较准确反映在烟气中的氧气含量，避免某个时间氧量发生较大波动时的影响，同时能保持氧量控制能够长期处于自动状态，氧量测量值取值为一个周期内氧量测量的平均值，周期的时间通常与炉排的振动周期有关(如0.5倍、1倍、2倍等)，计算公式如下

其中为氧量测量平均值

t为炉排振动周期[s]

O_2PV为氧量测量实时值。

转速控制装置获取取料机的最低转速，如果所接收的燃料负荷设定值大于最低转速，则设定取料机的转速为燃料负荷设定值；如果燃料负荷设定值小于最低转速，则取料机采用间断运行方式。

在一个实施例中，为了避免取料机过低转速引起的取料机堵塞，转速控制装置还包括间断计时单元，间断计时单元用于接收燃料负荷设定值和取料机最低转速，并计算取料机停止运行时间，在此时间内，取料机将暂时停止运行，其计算公式为：

其中t2为停止运行时间[s]

t1为运行人员设定的运行时间[s]

RSS_min为取料机最低转速

RSS_SP为燃料负荷设定值。

上面描述的PID控制器和PD控制器内部的参数可以通过输入值和输出值来进行调整并得出。

根据本发明的又一方面，如图5所示，提出一种生物质锅炉的锅炉负荷控制方法，此方法基于上述的生物质锅炉的锅炉负荷控制系统上，包括：步骤1、获取或计算锅炉负荷设定值和实际锅炉负荷值；步骤2、通过锅炉负荷控制器输出取料机转速系数；步骤3、计算燃料负荷设定值；和步骤4、获取取料机的最低转速，如果燃料负荷设定值小于取料机的最低转速，则取料机运行在间断控制方式，如果燃料负荷设定值大于取料机的最低转速，则控制取料机的转速为燃料负荷设定值。

步骤1中锅炉负荷设定值可以人工设定，也可以通过人工设定的机组负荷进行计算。锅炉负荷设定值的计算公式为y＝k*x，其中，y为锅炉负荷设定值，x为输入的机组负荷，k为电功率和热量的转换系数(具体由汽轮机来决定)。

比如，机组负荷设定值与锅炉负荷设定值如上面表1所示，其中锅炉负荷设定值最大值为91.64MW，最小值为36.66MW。变化率的最大升速率为1.8MW/min。

锅炉负荷实际值的计算公式为：

其中为实际锅炉负荷[MW]

m_ms为主蒸汽管路的流量测量值[kg/s]

h(p,T)_ms为根据主蒸汽管路的压力、温度得到的主蒸汽焓值[MJ/kg]

h(p,T)_fw为根据主给水管路的压力、温度得到的主给水焓值[MJ/kg]。

主蒸汽管路、主给水管路的压力、温度、流量等测量值可以通过设置在其上的传感器得到。

在一个实施例中，实际锅炉负荷值(图5中3)还需要进行修正，计算公式为：

其中，压力修正系数通过压力修正控制器(图5中4)输出，压力控制器为PID控制器，压力修正控制器的输入为主蒸汽管路的压力设定值(可以人工输入)和主蒸汽管路的压力测量值(通过传感器获得)，优选的，压力修正系数的范围为085-1.15。当PID控制器的输出一定时，通过其输入值可以调试出PID内部的控制参数，本发明中其他PID控制器、PD控制器也同样道理，在应用时，根据确定控制器的输出范围，然后通过不同的输入范围，调试得出具体的控制器参数，从而确定控制器。

实际锅炉负荷(如图3中3)是由主蒸汽管路入口蒸汽的温度、压力、流量及主给水出口水流的温度、压力、流量等信号计算得出，这些信号来自锅炉出口的主蒸汽管道中蒸汽的压力、温度、流量变送器及锅炉主给水管道中给水的压力、温度、流量，这样可以避免锅炉运行中因进入锅炉的燃料热值、水分等发生变化的原因，引起锅炉燃烧状况发生变化，造成主蒸汽压力、温度出现波动而对锅炉实际负荷输出的影响。

在步骤2中，锅炉负荷控制器(图5中5)为PID控制器，输入为锅炉负荷设定值(图5中1)和实际锅炉负荷值(图5中2)，输出为转速系数，其范围为0-2。锅炉负荷设定值应该包括上限、下线和变化率阈值(即最大变化率)，在输出时，如果变化率超过阈值，则通过增加时间降低其变化率，使变化率限定于阈值范围内。在上面锅炉负荷控制系统中，通过限速控制单元使得锅炉负荷设定值输出时的变化率小于设定的阈值。

实际锅炉负荷修正PV(图5中2)是通过压力修正控制器和乘法器对实际锅炉负荷(图5中3)进行的修正，其值为实际锅炉负荷与主蒸汽压力修正控制器的输出通过乘法器输出的乘积。压力修正控制器(如图5中4)是PID控制器，其输入为主蒸汽压力设定值和主蒸汽压力测量值，主蒸汽压力设定值据运行工况由运行人员根设定，主蒸汽压力测量值来自锅炉出口的主蒸汽管道的压力变送器，因此本发明使锅炉负荷控制中也包含了对主蒸汽压力的控制。

通过对实际锅炉负荷的修正，可以使锅炉负荷控制器完成对主蒸汽压力的控制，如果主蒸汽压力开始下降，那么锅炉负荷控制器的负荷实际值PV将减少，在锅炉负荷设定值不变的情况下，锅炉负荷控制器将增加输出，增加进入炉膛的燃料量，增强锅炉内的燃烧，升高主蒸汽压力。

当利用主蒸汽压力修正时，锅炉负荷控制器输入为锅炉负荷设定值和实际锅炉负荷修正后的值。当锅炉负荷控制处于自动状态时，锅炉负荷控制器用于控制送入炉膛内的燃料量，来满足锅炉负荷对热量的需求，同时还可以维持主蒸汽的压力稳定。当使用不同种类、热值、水分的生物质燃料时，锅炉负荷控制器仍能够根据锅炉负荷需求自动调整送入炉膛内的燃料量，来满足锅炉负荷的需求。

步骤3计算燃料负荷设定值(图5中10)包括：步骤31：获取锅炉实际负荷信息；步骤32：获取取料机转速信息；步骤33：计算燃料负荷指令基准值(图5中6)，计算公式为：

其中RSS_part为燃料负荷指令基准值

为当前实际锅炉负荷值[MW]

为锅炉最大负荷值91.64[MW]

RSS_full为锅炉最大负荷值时的取料机转速；

和步骤34：计算燃料负荷设定值，其计算公式为：

燃料负荷设定值＝燃料负荷指令基准值*取料机转速系数。

在一个实施例中，步骤34也可以对燃料负荷设定值进行修正，具体步骤为：

步骤341：获取设置在锅炉尾部烟道中的氧量分析仪发送的氧气含量(图5中8)；

步骤342：获取氧量设定值(图5中7，比如人工输入预计的氧量)；

步骤343：通过氧量修正控制器获得氧量修正值，氧量修正器(图5中9)为PD控制器；其输入为步骤341和步骤342获得的值，其输出为氧量修正值，输出值的范围为±5％之间的数值；

步骤344：通过加法器计算燃料负荷设定值，计算公式为：

燃料负荷设定值＝燃料负荷指令基准值*取料机转速系数+氧量修正值。

其中，氧量设定值(如图5中7)可以由运行人员手动输入，也可在氧量自动时，由锅炉负荷的设定值根据锅炉负荷与氧量的函数关系自动生成，氧量设定值与锅炉负荷设定值的函数关系一般为分段函数，每个锅炉设定时就是已知的，比如上面表2所示。同时为了避免锅炉负荷快速变化时引起的氧量设定值频繁变化，同时能保持氧量控制能够长期处于自动状态，氧量设定值还可以使用一个周期内设定的平均值，一个周期的时间通常与炉排的振动周期有关，计算公式如下：

其中＝氧量设定平均值

t＝周期时间[s]

O_2SP＝氧量设定实时值

氧量测量值来自锅炉尾部烟道中的氧量分析仪。在振动炉排锅炉中，烟气中的氧气含量受炉排振动成周期性变化，每个振动周期内氧气含量的波动变化非常大。在一个实施例中，为了比较准确反映在烟气中的氧气含量，避免某个时间氧量发生较大波动时的影响，同时能保持氧量控制能够长期处于自动状态，氧量测量值(如图5中8)取值为一个周期内氧量的平均值，一个周期的时间通常与炉排的振动周期有关，计算公式如下

其中氧量测量平均值

t＝周期时间[s]

O_2PV＝氧量测量实时值

在步骤4中，间断运行方式下，取料机停止运行时间的计算公式为：

其中t2为停止运行时间[s]

t1为用户设定的运行时间[s]

RSS_min为取料机最低转速

RSS_SP为燃料负荷设定值。

本发明的锅炉负荷控制系统的工作流程简单描述如下：

根据电厂的机组负荷(电功率)设定值自动生成，或者由运行人员手动输入得到锅炉负荷设定值SP，当锅炉负荷的设定值SP为上升趋势时，设定值输出值应设有速率限制，防止锅炉负荷过快变化引起燃烧不稳定。根据锅炉主蒸汽、主给水的压力、温度、流量自动算出实际锅炉负荷输出值，实际锅炉负荷输出值经过主蒸汽压力修正控制器的修正后，输出锅炉实际负荷修正值PV，锅炉负荷设定值SP与锅炉实际负荷修正值PV的偏差经过锅炉负荷控制器后输出0-2的取料机转速系数，取料机转速系数与燃料负荷指令基准值相乘，乘积与氧量修正控制器的输出值相叠加，得到的最终值就是燃料负荷设定值RSS_SP，燃料负荷设定值RSS_SP就是最终输出到取料机的转速值，当燃料负荷设定值RSS_SP大于取料机的最低转速RSS_min时，每个取料机的转速设定值就是RSS_SP。当燃料负荷设定值RSS_SP小于取料机的最低转速RSS_min时，每个取料机转速设定值为RSS_min，同时取料机将工作在间断运行方式，每个周期的运行时间为运行人员预设的t1,停止间隔时间为自动算出的t2。

取料机不断通过调整转速来控制进入锅炉的燃料量，当使用不同种类、热值、水分的生物质燃料时，锅炉负荷控制仍然能够准确地把与锅炉负荷需求所需的燃料量送入锅炉，燃料量的变化就会使锅炉内燃烧发生变化，锅炉输出热值也会发生变化，最后使锅炉的实际负荷值与锅炉的负荷设定值相同，同时也保持主蒸汽压力与压力设定值相同，最终达到调节锅炉负荷的目的。

本发明的锅炉负荷控制方法能够自动适应不同种类生物质燃料的热值、水分差异，不会因进入锅炉的燃料的变化而引进锅炉负荷波动。本发明取代了运行人员手工控制方式，实现了生物质锅炉负荷的自动控制方式，通过调节取料机的转速，控制进入炉膛的燃料量，满足锅炉的热量需求。完成锅炉负荷控制的同时，还可以将主蒸汽压力控制与锅炉负荷控制有机联系起来，使蒸汽压力也维持在设定值，实现对蒸汽压力的控制。本发明还引入一个新的氧量计算方法，更加准确的计算中锅炉的氧量需求和实际值，避免了锅炉炉排振动对氧量周期性的影响，从而保证锅炉内的最佳燃烧状态，减少灰渣的含碳量。提高了锅炉运行效率，减少了锅炉负荷的波动性，提高了经济效益。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (20)

1.一种生物质锅炉的锅炉负荷控制系统，包括设置有料仓、取料机、落料管和给料机的给料装置、连接所述给料装置、主给水管路和主蒸汽管路的锅炉，其特征在于：所述系统还包括顺次连接的锅炉负荷控制器、取料机转速计算装置和转速控制装置，其中，

所述主给水管路和主蒸汽管路上分别设置有传感器，用于接收并传送管路上的压力、温度和流量信息；

所述锅炉负荷控制器，用于接收实际锅炉负荷信息和锅炉负荷设定信息，计算并向所述取料机转速计算装置传送用于所述取料机的转速系数；

所述取料机转速计算装置，用于接收所述锅炉负荷控制器发送的所述转速系数，计算燃料负荷指令基准值和燃料负荷设定值，并向所述转速控制装置发送燃料负荷设定值；

所述转速控制装置，与所述给料装置相连接，用于接收所述转速控制装置发送的所述燃料负荷设定值，控制所述取料机的取料速度。

2.根据权利要求1所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述锅炉负荷控制器为PID控制器。

3.根据权利要求1所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述系统还包括与所述锅炉负荷控制器连接的锅炉负荷设定模块，所述锅炉负荷设定模块包括输入单元、计算单元和输出限速单元，所述输入模块用于接收用户输入的机组负荷信息或锅炉负荷信息，所述计算单元用于通过所述机组负荷信息计算锅炉负荷信息，所述输出限速模块用于控制锅炉负荷信息的输出速度，使得锅炉负荷信息输出速度平缓；优选的，所述锅炉负荷设定模块的输出值为[0，2]。

4.根据权利要求1所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述系统还包括与所述传感器相连接的实际锅炉负荷计算模块，用于接收所述传感器发送数据，计算并向所述锅炉负荷控制器发送实际锅炉负荷值，计算公式为：

其中＝实际锅炉负荷[MW]

m_ms为所述主蒸汽管路的流量测量值[kg/s]

h(p,T)_ms为根据所述主蒸汽管路的压力、温度得到的主蒸汽焓值[MJ/kg]

h(p,T)_fw为根据所述主给水管路的压力、温度得到的主给水焓值[MJ/kg]。

5.根据权利要求4所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述实际锅炉负荷计算模块还包括压力修正控制器和第一乘法单元，所述压力修正控制器，用于接收所述传感器发送的主蒸汽管路压力测量值和主蒸汽管路压力设定值，计算并向所述第一乘法单元发送压力修正系数，所述第一乘法单元接收所述压力修正系数和所述实际锅炉负荷值，并将两者的乘积作为修正后的实际锅炉负荷值发送到所述锅炉负荷控制器；优选的，所述压力修正系数为[0.85，1.15]。

6.根据权利要求2所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述取料机转速计算装置包括接收单元、燃料负荷指令基准值计算单元和第二乘法单元，所述接收单元接收所述锅炉负荷控制器传送的转速系数，所述燃料负荷指令基准值计算单元用于获取实际锅炉负荷信息、锅炉负荷设定信息和所述取料机的转速信息，并计算燃料负荷指令基准值，计算公式为：

其中RSS_part为燃料负荷指令基准值

为当前实际锅炉负荷值[MW]

为锅炉最大负荷值[MW]

RSS_full为锅炉最大负荷值时的取料机转速；

所述第二乘法单元用于计算所述燃料负荷设定值，所述燃料负荷设定值等于转速系数和所述燃料负荷指令基准值的乘积，所述第二乘法单元将所述燃料负荷设定值发送给所述转速控制系统。

7.根据权利要求6所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述取料机转速计算装置还包括氧量修正控制器和加法器，所述氧量修正控制器接收氧量设定值和设置在所述锅炉尾部烟道中氧量分析仪发送的氧气含量，计算并输出氧量修正系数，优选的，氧量修正系数为±5％之间的数值，所述加法器接收所述氧量修正系数和所述第二乘法单元发送所述燃料负荷设定值，并将两者的和作为最终的燃料负荷设定值发送到所述转速控制装置。

8.根据权利要求7所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述氧气含量是一定时间内氧气含量的平均值。

9.根据权利要求1所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述转速控制装置获取所述取料机的最低转速，如果所述燃料负荷设定值大于所述最低转速，则设定所述取料机的转速为所述燃料负荷设定值；如果所述燃料负荷设定值小于所述最低转速，则所述取料机采用间断运行方式。

10.根据权利要求9所述的锅炉负荷控制系统，其特征在于，所述转速控制装置还包括间断计时单元，所述间断计时单元用于接收所述燃料负荷设定值和所述取料机最低转速，并计算取料机停止运行时间，计算公式为：

其中t2为停止运行时间[S]

t1为运行人员设定的运行时间[S]

RSS_min为取料机最低转速

RSS_SP为燃料负荷设定值。

11.一种生物质锅炉的锅炉负荷控制方法，包括以下步骤：

步骤1、获取或计算锅炉负荷设定值和实际锅炉负荷值；

步骤2、通过锅炉负荷控制器输出取料机转速系数；

步骤3、计算燃料负荷设定值；

步骤4、获取所述取料机的最低转速，如果所述燃料负荷设定值小于所述取料机的最低转速，则所述取料机运行在间断控制方式，如果所述燃料负荷设定值大于所述取料机的最低转速，则控制所述取料机的转速为所述燃料负荷设定值。

12.根据权利要求11所述的锅炉负荷控制方法，其中，所述步骤1中所述锅炉负荷设定值的计算公式为y＝k*x，其中，y为锅炉负荷设定值，x为输入的机组负荷，k为电功率和热量的转换系数；通过限速控制单元控制所述锅炉负荷设定值输出时的变化率小于设定的阈值。

13.根据权利要求11所述的锅炉负荷控制方法，其中，所述步骤1中，所述锅炉负荷实际值的计算公式为：

其中为实际锅炉负荷[MW]

m_ms为主蒸汽管路的流量测量值[kg/s]

h(p,T)_ms为根据主蒸汽管路的压力、温度得到的主蒸汽焓值[MJ/kg]

h(p,T)_fw为根据主给水管路的压力、温度得到的主给水焓值[MJ/kg]。

14.根据权利要求13所述的锅炉负荷控制方法，其中，所述步骤1中，所述锅炉负荷实际值的计算公式为：

其中，压力修正系数通过压力修正控制器输出，所述压力修正控制器的输入为主蒸汽管路的压力设定值和主蒸汽管路的压力测量值，优选的，压力修正系数的范围为[085,1.15]。

15.根据权利要求11所述的锅炉负荷控制方法，其中，在所述步骤2中，所述锅炉负荷控制器为PID控制器，输入为锅炉负荷设定值和实际锅炉负荷值，输出的转速系数的范围为[0,2]。

16.根据权利要求11所述的锅炉负荷控制方法，所述步骤3包括：

步骤31：获取锅炉实际负荷信息；

步骤32：获取取料机转速信息；

步骤33：计算燃料负荷指令基准值，计算公式为：

其中RSS_part为燃料负荷指令基准值

为当前实际锅炉负荷值[MW]

为锅炉最大负荷值91.64[MW]

RSS_full为锅炉最大负荷值时的取料机转速；

步骤34：计算燃料负荷设定值的公式为：

燃料负荷设定值＝燃料负荷指令基准值*取料机转速系数。

17.根据权利要求16所述的锅炉负荷控制方法，所述步骤34为：

步骤341：获取设置在所述锅炉尾部烟道中的氧量分析仪发送的氧气含量；

步骤342：获取氧量设定值；

步骤343：通过氧量修正控制器获得氧量修正值，所述氧量修正器为PD控制器；

步骤344：通过加法器计算燃料负荷设定值，计算公式为：

燃料负荷设定值＝燃料负荷指令基准值*取料机转速系数+氧量修正值。

18.根据权利要求17所述的锅炉负荷控制方法，所述氧量修正值的范围为±5％之间的数值。

19.根据权利要求17所述的锅炉负荷控制方法，所述步骤341中的所述氧气含量是一定时间内氧气含量的平均值。

20.根据权利要求11所述的锅炉负荷控制方法，所述步骤4中，所述间断运行方式的取料机停止运行时间的计算公式为：

其中t2为停止运行时间[s]

t1为用户设定的运行时间[s]

RSS_min为取料机最低转速

RSS_SP为燃料负荷设定值。