CN1176687A - 蒸汽锅炉燃烧控制的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种蒸汽锅炉燃烧控制的方法,用于测定空间温度分布和至少一种在燃烧过程中生成的反应产物的浓度剖面。按照本发明,为了在高效率和低环境污染物排放的同时保证均匀的蒸汽产量,根据燃烧室内的温度分布和浓度剖面,借助多个通过模糊或神经模糊逻辑检测的额定值(SWn),控制要供入燃烧过程的反应混合物的成分。用于实施此方法的设备包括至少两个用于从燃烧室(1)采集放射数据(D)的光学传感器(2、3)和一个与之连接的数据处理系统(4),后者与一个具有模糊或神经模糊组件(5)的调节装置(6)连接。

Description

蒸汽锅炉燃烧控制 的方法和设备
本发明涉及一种蒸汽锅炉燃烧控制的方法，该方法确定温度和至少一种在燃烧过程中生成的反应产物的浓度。本发明还涉及一种实施此方法的设备。
在蒸汽锅炉内燃烧矿物燃料时，为不断改进燃烧过程，尤其为了获得均匀的蒸汽产量进行了大量工作。为了在尽可能少排放环境污染物(尤其是氮氧化物)和充分燃烧以及在低烟气排放量和高效率的前提下达到优良的燃烧过程，必须按恰当的方式预调许多可能的调节参数。视为调节参数的主要有燃料的供给和分配或多种燃料时的混合比、空气供给及其空间分布、燃烧用空气的温度和它的氧气浓度、辅助燃料或其它用于降低氮氧化物浓度的添加剂的供给和/或用于调节燃烧温度的蒸汽供给。通常通过恰当的燃烧方法亦即通过恰当的燃烧控制来实现要求。
鉴于调节参数众多以及同样大量的控制参数，所以在燃烧控制方面所涉及的是一种极为复杂的控制问题。因此，为解决此控制问题，一种建立在控制路程的数学模型基础上和依赖实时测定测量值的控制方法，往往不能满足要求。其原因主要是，在燃烧矿物燃料如煤或焚化垃圾时，燃料或混合燃料的化学成分变化很大，因此其热值的变化范围也很大。例如使用不同品种的煤作矿物燃料产生蒸汽时，或焚化垃圾时由于其成分不均匀，均导致热值不稳定，这种不稳定对于环境污染物的排放和蒸汽产量均造成有害影响。在燃烧工业废料时，在通常同时燃烧固体和液体以及气态燃料时也都存在这些缺点。
考虑到由于对燃料的成分通常不清楚和对燃料的质量不能充分测量所带来的不确定性，在现有技术中采用模糊技术进行燃烧控制。在“模糊逻辑”第二卷，R.Oldenburg出版社，1994年第189-201页刊登的由C.vonAltrock、B.KrauSe、K.Limper和W.Schafer等人所著的论文“利用模糊逻辑控制垃圾焚化设备”中，介绍了这种控制燃烧的方法。在此已知的方法中，为了测量温度采用了一种红外照相机，以确定二维温度场。然而不足之处在于，采用这种方法只能确定温度，而不能测定燃烧时形成的烟气的成分。除此之外，因为只是测量局部温度，所以由于烟道成绺或歪斜而使测量结果不真实。这样的温度测量对于在各个燃烧器内或燃烧室某些部位的情况没有给出任何信息，所以在这种已知的调节方法中没有涉及在燃烧过程中表明空间分布特征的数据。
因此，为了进一步改进燃烧过程的燃烧控制或燃烧方法，了解温度分布和在燃烧过程中生成的反应产物的浓度剖面，具有决定性的重要意义。这些信息可借助于放射光谱学由火焰的本征辐射中获得。这种用于“实时多维光谱测量温度和燃烧产物”的方法，在由F.Wintrich所著发表在“最新环保技术”，UTA 5/93第403至406页中的论文“低污染物的燃烧方法”中作了介绍。这种方法通过比例高温测量法确定温度，而反应产物或燃烧产物的浓度则借助放射光谱学确定。在此已知的控制燃烧的方法中，控制参数是环境污染物的排放，其中只是通过恰当地添加辅助材料，例如通过添加NH3，和/或通过向各个燃烧器恰当地供应空气，在控制技术上加以干预。
本发明的目的在于提供一种控制蒸汽锅炉燃烧的方法，采用这种方法可使在燃烧时生成的环境污染物的排放尽可能低，与此同时可以获得特别均匀的蒸汽量和尽可能高的设备效率。这些要求应在一种适合于实施此方法的设备中通过简单的措施来实现。
本发明有关方法的目的是这样实现的：即根据空间温度分布和浓度剖面，借助于模糊或神经模糊逻辑，确定若干要供入燃烧过程的反应混合物的成分的额定值。
对此，本发明以下列考虑为出发点：依据快速的局部分布的三维温度测量和燃烧产物浓度测量，借助于模糊逻辑，首先只是确定一些额定值，这些额定值随后作为下一步传统控制方法的控制参数，以便形成控制燃烧所需的调节信号。
为了在这种情况下能修正不同的和非常不稳定的燃烧值，最好确定要供入燃烧过程的燃料或混合燃料成分的额定值。在一种垃圾焚化炉中，这一额定值规定了要手动或自动供入燃烧过程的垃圾混合物。为了除此以外能获得特别高的燃烧效率，最好确定另一个关于向燃烧过程供入空气的额定值。
此外，最好确定一个关于向燃料加入添加剂的剂量的额定值。例如，在燃烧室内部的恰当位置通过添加准确计量的尿素，可以减少氮氧化合物的生成。试验证明，为了增加O2浓度而添加氧气，对于排放物和充分燃烧都带来有利的影响。总之，通过恰当确定这种加入燃料的添加剂的剂量，可以达到非常低的环境污染物的排放。
按照一项合乎目的的进一步改进，由从燃烧过程采集的放射光谱以地貌图形重现空间温度分布和空间浓度剖面。通过计算机x射线断层照相再现放射光谱可以构成有关空间温度分布和反应产物浓度剖面的整体测量场图像。由这些测量场或数据场可方便地推断出各种具体特征，例如最大值的位置或某分布的形状以及它们在空间的变化，并可用于确定额定值。
蒸汽锅炉燃烧控制的设备包括一个燃烧室和一个与至少两个用于从燃烧室采集放射数据的光学传感器连接的数据处理系统。为达到所提出的设备方面的目的，本发明提供了一个与数据处理系统连接的调节装置，它包括一个模糊调节组件或神经模糊调节组件，用于由放射数据确定若干要供入燃烧室的反应混合物成分的额定值。
在将模糊调节组件与神经元网结合时，可通过神经元网确定例如一些或所有模糊调节器的参数。通过相应的神经元网还可以确定模糊化的或解模糊化的相关函数，以获得整体上特别有利的调节特性。
按照一种有利的设计，调节器包括另一个与模糊或神经模糊调节组件连接的调节组件。此另一个调节组件最好是一个传统的调节器，用于形成控制向燃烧室供给不同反应物质的输入装置的调节信号。
为了能显示出要供入燃烧过程的反应混合物的额定成分，数据处理系统与一个显示器连接。显示器显示关于反应混合物成分的一个或每一个额定值，尤其是由多种成分组成的燃料成分的额定值。
为了能将各种在燃料室中参加反应的反应物质的量彼此分开地和独立地调整，调节器分别通过一条控制线与用于输入燃料的第一输入装置、与用于输入空气的第二输入装置以及与用于输入一种添加剂的第三输入装置连接。
下面借助附图详细说明本发明的实施例，附图中：
图1为一种燃烧控制的功能图；
图2为用于确定燃烧控制用额定值的模糊调节器的功能图。
在两个图中互相对应的部分采用相同的符号。
在一种图中未示出的蒸汽锅炉的燃烧室1中，例如在电厂设备的矿物燃料的蒸汽发生器中或垃圾焚化炉中，进行这种燃烧过程。光学传感器2和3的专用照相机从燃烧室1检测形式为放射光谱的放射数据D，并将它们输入数据处理系统4。在数据处理系统4中，根据放射光谱并借助于计算机x射线断层照相术的重现，计算出空间的温度分布和燃烧时生成的反应产物例如NOx，COx，CH和O2的三维局部分解的浓度剖面。此外，通过比例高温测量法确定温度，借助放射光谱学确定燃烧产物的浓度，在这种情况下，计算机x射线断层照相术重现的放射光谱提供整体测量场F。温度分布和浓度剖面的这些测量场F被输入调节装置6的模糊调节组件5中。
此外，将表示温度分布和燃烧过程反应产物浓度剖面特征的特征数据M输入一个用于提取具体特征值的组件7。为此，从测量场F导出具体特征，例如最大值位置或分布形状或它们的空间变化。这些特征数据M同样在模糊调节组件5中进行处理。
此外，由额定值发生器8将额定值S以及由测量值检测器9将与设备相关的测量值MW输入给模糊调节组件5。在调节装置6的模糊调节组件5中，根据测量场F和特征数据M，以及根据预定的额定值S和测量值MW，确定额定值SW1…SWn。
模糊调节组件5与调节装置6的另一个下一级调节组件10连接。调节装置6的此另一个调节组件10具有传统的结构。它包括全部保证蒸汽锅炉运行的调节回路，例如有关蒸汽功率、过量空气、介质流量和转速并用于控制所有影响燃烧过程的控制机构。为此，此传统的调节组件10从模糊调节组件5得到额定值SW1…SWn作为主导参数，并形成第一个控制信号U1，用于控制输入燃料和分配燃料的装置11。除此之外，形成第二个控制信号U2，用于控制输入空气和分配空气的装置12，以及形成第三个控制信号U3，用于控制添加辅助材料或添加剂的装置13，例如添加用于降低NOx的尿素或加浓O2的氧气。通过将控制装置6与装置11、12和13连接的控制线14、15和16实现上述控制。
表明燃烧室1内温度分布和反应产物浓度剖面特征的测量场F以及特征数据M被显示在显示器17上，此显示器17例如安装在控制台上，因此在任何时刻均可为操作人员提供燃烧过程的图像。
图2表示模糊调节组件5的基本结构，下面说明其工作方式。为了设计模糊调节组件5，首先将输入量，亦即测量场F、特征数据M、测量值MW和额定值S，以及输出量，亦即额定值SW1…SWn的数值范围，用语言学的值如“小”、“中”或“大”来定性表示。输入量F、M、MW、S的每一个语言值用一个相关函数ZE描述。相关函数按这样的方式将每一个语言值定性的陈述转换成用数量表示的值，即，它对于每一个输入量F、M、MW、S的每一次出现的量值给出它们的真值。通过这种在模糊调节器5的计算元件5a中进行的模糊化过程FZ，将所观察的输入量F、M、MW、S的工作区分成一些“模糊的”分区。这些分区的数量与每一个输入量F、M、MW或S的语言值的数量一致。在有多个输入量的情况下，分区的数量对应于不同输入量F、M、MW、S语言值的组合可能性的数量。
对于这些分区的每一个或(也经过合并)对于多个分区，由“如果-则”条件规则R规定调节对策。这些规则R以语言学调节机构的形式存储在模糊调节组件5的基本元件5b中。在每一个规则R中对于输入量F、M、MW、S的语言值例如通过一种逻辑运算“与”或“或”逻辑连接，得出一个作为每一个输出量SW1…SWn语言值的结果。为了计算真值，根据规则R中使用的算符逻辑连接由各输入量F、M、MW、S的相关函数ZE确定的真值。在这种情况下具有重要意义的是，能在任何时刻将经验战略形式的直观试探的专家知识EW，直接与模糊调节的语言学规则R联系起来。
借助于一种称为推理的对各规则R的结论的计算，将例如在一项规则R中用相应的语言值命名的输出量SW1…SWn的相关函数ZA，限制在由规则R提供的真值范围内。在所谓的叠加运算中，通过形成各输出量SW1…SWn的全部相关函数的最大值，将这些规则R对于一个或每个输出量SW1…SWn的影响相互叠加。最后，在计算元件5c中进行称为解模糊化DF的输出量SW值的计算。这例如在各输出量SW1…SWn的数值范围通过计算由所有构成边界的相关函数ZA包围的面积的重心位置来实现。
在与神经元网组合的情况下，通过一个或多个神经元网确定模糊调节组件5的一些或全部参数。在这种情况下，模糊化或解模糊化的相关函数ZE、ZA通过相应的神经元网确定。因此，通过模糊调节与神经元网相组合，可以优化调节特性，尤其是神经元网均为自动学习式的。因此，模糊调节的参数能特别良好地适应在燃烧室1中通常非常复杂的和由于边界条件的改变而随时间变化的过程。
由于这两个光学传感器2和3仅约5秒钟的短暂测量时间，因而非常迅速地产生以测量场F为形式的随空间变化的三维测量信号，所以根据温度分布和反应产物的浓度剖面借助于模糊或神经模糊逻辑确定的额定值SW1…SWn实际上是实时可供使用的。
在这种情况下用于燃烧控制的重要的主导参数是关于通过装置11输入燃烧过程的混合燃料B的成分的第一额定值SW1。额定值SW1供调节组件10形成用于控制混合燃料B各组成部分的量的控制信号U1。例如，在垃圾焚化炉中额定值SW1预先规定手动或自动供入的额定垃圾混合物。
为了修正所使用的燃料B的热值和燃烧值的巨大的波动范围，确定关于向燃烧过程供入空气的第二个额定值SW2，供调节组件10形成用于控制通过装置12输入燃烧室1的空气L的量的控制信号U2。
为了达到极低的环境污染物的排放，调节装置6的调节组件10从模糊调节组件5获得一个关于添加剂H的剂量的第三个额定值SW3。调节组件10根据第三个额定值SW3形成控制信号U3，用于控制经输入装置13输入燃烧过程的添加剂H例如尿素的量。因此可以在产生环境污染物的地点直接进行调节技术的干预。

Claims (10)

1.一种蒸汽锅炉燃烧控制的方法，所述方法测定温度和至少一种在燃烧过程中生成的反应产物的浓度，
其特征在于，根据空间温度分布和浓度剖面，借助于模糊逻辑或神经模糊逻辑，确定若干供入燃烧过程的反应混合物(B、L、H)的成分的额定值(SWn)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，确定关于要供入燃烧过程的燃料(B)的成分的第一额定值(SW1)。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定关于向燃烧过程供入空气(L)的第二额定值(SW2)。
4.按照权利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，确定关于加入燃料(B)中的添加剂(H)的剂量的第三额定值(SW3)。
5.按照权利要求1至4中之一所述的方法，其特征在于，由温度分布和/或浓度剖面导出表明此温度分布或浓度剖面特征的数据(M)，并用于确定这个或每个额定值(SWn)。
6.按照权利要求1至5中之一所述的方法，其特征在于，借助于x射线断层照相技术由从燃烧过程采集的放射光谱(D)重现空间温度分布和空间浓度剖面。
7.用于实施按照权利要求1至6中之一所述方法的蒸汽锅炉燃烧控制设备，包括一个燃烧室(1)和一个与至少两个用于从燃烧室(1)采集放射数据(D)的光学传感器(2、3)连接的数据处理系统(4)，
其特征在于，一个与数据处理系统(4)连接的调节装置(6)，它包括一个模糊调节组件或神经模糊调节组件(5)，用于由放射数据(D)确定若干关于要供入燃烧室(1)的反应混合物(B、L、H)的成分的额定值(SWn)。
8.按照权利要求7所述的设备，其特征在于：调节装置(6)包括另一个与模糊或神经模糊调节组件(5)连接的调节组件(10)。
9.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于，数据处理系统(4)与一个显示器(17)连接，用于显示关于反应混合物(B、L、H)成分的一个或每个额定值(SWn)。
10.按照权利要求7或9所述的设备，其特征在于，调节装置(6)分别通过一条控制线(14、15、16)与用于燃料(B)的第一输入装置(11)、用于空气(L)的第二输入装置(12)以及用于一种添加剂(H)的第三输入装置(13)连接。
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