CN1208576C - 垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃烧过程控制领域，克服PID控制和连续给料方式的缺陷，避免反向调节和炉温剧烈波动。其步骤是：(1)实时测量焚烧炉诸参数，(2)以炉膛温度、汽包压力变化率和烟气空气预热器风压为输入，以加料持续时间和加料停止时间为输出，建立主模糊控制器，(3)将炉拱位置烟气温度偏差值作为主模糊控制器的输出校正，(4)将烟气含氧量偏差，经过比例积分调节送风机风门开度，(5)一二次风配比超过950℃退出模糊控制策略和含氧量送风控制，进行压火调节，(6)将炉膛负压偏差，经过比例积分单回路调节引风机风门开度。排除了连续给料料层过厚、燃尽率较低的缺点，适用于各种炉排式垃圾焚烧炉的燃烧过程控制。

Description

垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法

技术领域

本发明属于燃烧过程控制领域，涉及垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，尤其是炉排式垃圾焚烧炉焚烧过程的智能控制方法。

背景技术

目前，垃圾焚烧炉的燃烧过程基本上都是以传统的比例积分微分(PID)方式来控制，PID控制是以炉膛温度偏差为控制输入，按照加料将导致温度上升这一基本原则来进行调节，因为炉温不断波动，导致控制输入量炉温偏差不断变化，相应的控制输出量也在不断变化，而PID调节的控制输出是加料速度的快慢而不是是否加料，是一种连续加料的控制方式。当垃圾中含有大量低热值或含水量较大的垃圾时，加料将导致温度首先有一段下降的趋势。作为基于PID控制规律的焚烧控制系统此时即认为炉内垃圾即将燃尽，给料器加速动作，持续大量加料，使料层过厚，导致炉温持续下跌，甚至可能导致投油稳燃乃至熄火。当垃圾中含有废塑料等高热值组份时，虽然垃圾量很少但短时间内炉温急剧上升，温度水平很高，持续高于温度给定值。按照传统的PID控制策略将导致加料器持续减速加料，炉内垃圾量不足，当少量的高热值组分烧完后，垃圾料层已经很薄，后续的垃圾由于热值低接不上火，也会使炉温急剧下降，造成反向调节。

发明内容

本发明针对现有的垃圾焚烧控制工艺上的不足，提供了一种用于垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，它适用于炉排式垃圾焚烧炉焚烧自动控制过程，能够从根本上克服原有的PID控制策略的不足和连续给料方式的缺陷，避免反向调节和炉温剧烈波动的问题。

本发明的一种垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，其特征在于：(1)垃圾焚烧炉由一般设计的连续加料方式改为间断给料方式，实时测量炉膛温度、炉拱位置烟气温度、烟气空气预热器风压、汽包压力、炉膛负压、烟气含氧量，根据汽包压力随时间的变化计算汽包压力随时间的变化率；(2)以炉膛温度、汽包压力变化率和烟气空气预热器风压为模糊控制输入参数，以加料持续时间和加料停止时间为控制输出量，建立三输入二输出的主模糊控制器；(3)根据实时测量的炉拱位置烟气温度和给定值计算获得每个采样时刻的炉拱位置烟气温度偏差值，设定该偏差值上下限，作为主模糊控制器的输出校正，约束加、停料时间；(4)设定运行时的烟气含氧量给定值，根据实时测量的烟气含氧量和给定值计算烟气含氧量偏差，经过比例积分串级调节回路，调节送风机风门开度，从而改变总风量，保证烟气含氧量不超过上限值；(5)一、二次风配比在850～950℃范围内保持稳定，在超过950℃的高温区退出模糊控制策略和含氧量送风控制，进行压火调节，使炉温回落至正常范围内；(6)设定运行时的炉膛负压给定值，根据实时测量的炉膛负压和给定值计算炉膛负压偏差，经过比例积分单回路调节，调节引风机风门开度，保证炉膛负压维持在给定值。

所述的垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，其进一步的特征在于：所述三输入二输出的主模糊控制器，对三输入量中元素的所有组合列出相应的二控制量的矩阵形式的控制查询表，在实时控制过程中，根据模糊量化后的三输入量，直接查找控制查询表以获得控制量的变化值，逆模糊化后即可作为输出去控制被控对象。

所述的垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，其更进一步的特征在于：所述炉拱位置烟气温度偏差值超过上限时，即使主模糊控制器输出的加料持续时间尚未完成，也立即输出开关量使加料器停止加料；所述炉拱位置烟气温度偏差值低于下限时，即使主模糊控制器输出的加料停止时间尚未完成，也立即输出开关量使加料器开始加料。

所述的垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法：(1)所述烟气含氧量偏差经过比例积分串级调节回路调节送风机风门开度时，比例积分调节的算法可以为：

        Δy＝K_p(x_i-x_i-1)+K_ix_i

式中Δy-PI的输出增量；

    K_P-比例系数，范围0.5～0.91；

    K_i-积分系数， $K_i=K_p\frac{\mathrm{\Δt}}{T_i},$ 其中T_i是积分时间，范围80～150s；Δt为采集周期，范围1～5s；

      x_i-第i次偏差值，

      x_i-1-第i-1次偏差值，

(2)所述炉膛负压偏差经过比例积分单回路调节，调节引风机风门开度时，比例积分控制器的算法和各参数含义可以与上述(1)相同，但其中

    K_p范围0.67～1.0，

    T_i范围60～130s。

本发明的有益效果是：给料的时间长短、停料的时间长短以及加停料的时机均由模糊控制策略加以控制，排除了连续给料料层过厚、燃尽率较低的缺点。控制系统输入参数由单一的温度偏差，增加了汽水侧和系统阻力参数提高了输入参数的可信度，减少了一靠单一温度偏差调节带来的误动作的可能，增强了控制方法的可靠性。间断给料方式取代连续给料方式能够有效保证炉内垃圾量的相对稳定，有利于稳定燃烧，提高蒸汽的品质和产量，提高垃圾焚烧电厂的环保效益和资源化利用率。该智能控制方法是一种多输入多输出的智能控制系统，能够很好地适应我国垃圾未经分选直接焚烧及热值较低的特点，适用于各种炉排式垃圾焚烧炉的燃烧过程控制。

附图说明

图1为垃圾焚烧炉焚烧工艺流程图

图2为本发明的控制结构框图；

图中：1垃圾吊，2料斗，3料井，4炉室，5液压式加料器，6炉排，7空气室，8风管，9烟气空气预热器，10烟气空气预热器旁路挡板，11汽包。

具体实施方式

垃圾焚烧的基本工艺流程为：城市生活垃圾经过环卫部门的收集运至垃圾焚烧电站，储存在垃圾堆放池中，然后通过垃圾吊1抓取，从料斗2进入料井3，充满料斗2与料井3使炉室4封闭。根据燃烧控制指令使用液压式加料器5按设定的速度将垃圾加入炉内。垃圾在炉内运动的炉排6上燃烧。焚烧过程中，一次风7由炉排下方的空气室7吹入，穿过垃圾层，同时与垃圾发生反应，促使垃圾燃烧。二次风由炉排上方的风管8吹入，二次风的主要作用是促使挥发气体和料床上未燃尽的垃圾燃烧。此外，烟气空气预热器9设有旁路，可以通过调节旁路挡板10来改变风温，使炉温下降，减少超温的发生。垃圾焚烧流程由图1所示。

系统控制结构框图如图2所示。本发明包括5个主要的控制部分，它们分别是：加料模糊控制、加料校正逻辑控制、含氧量送风控制、高温区压火控制、炉膛负压控制。

本发明的实现过程为：

一、首先在炉排中部距炉拱水平方向1.5～2.0m，标高8.0～9.0m处设炉膛温度测点；炉拱正下方0.4～0.8m处设炉拱位置烟气温度测点；烟气空气预热器出口2～3m处设烟气空气预热器风压测点；汽包处设汽包压力测点；标高14～15m，炉膛轴线上设炉膛负压测点；炉膛出口进余热锅炉前标高21～22m处设烟气含氧量测点。

二、实时测量炉膛温度、炉拱位置烟气温度、烟气空气预热器风压、汽包压力、炉膛负压、烟气含氧量并输入计算机。根据汽包压力随时间的变化计算汽包压力随时间的变化率。由于实际工程测量之中包含随机干扰，对各实时测量参数采用算术平均滤波的方法进行数据处理。其算式为：

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i$

式中  y-算术平均值，滤波值；

      x_i-第i次采集的测量值，i为采集序号；

      n-采集值的数目。

汽包压力变化率的计算，采用取四个测量值的变化率算式为：

${\mathrm{\Δx}}_i=\frac{{3x}_i+x_{i-1}-x_{i-2}-{3x}_{i-3}}{10\mathrm{\Δt}}$

式中  Δx_i-测点t时刻变化率；

      i-采集的次序号；

      Δt-采集周期(s)。

三、以炉膛温度、汽包压力变化率和烟气空气预热器旁路风压为模糊控制输入参数，以加料持续时间和加料停止时间为控制输出量，建立三输入二输出的模糊控制器。

1、系统的模糊变量包括：

A 温度偏差(BE)：基本论域定义为[850℃，950℃]，量化等级范围为[-5，+5]。预设的模糊子集为：{太高，稍高，正常，稍低，太低}，用英文字头缩写为{TH，SH，OK，SL，TL}；

B 汽包压力变化率(CE)：基本论域定义为[-0.2MPa/s，0.2MPa/s]，量化等级范围为[-3，+3]。预设的模糊子集为：{大，正常，小}，用英文字头缩写为{B，OK，S}；

C 烟气空气预热器风压(GP)：基本论域定义为[360mmH2O，420mmH2O]，量化等级范围为[-3，+3]。预设的模糊子集为：{高，正常，低}，用英文字头缩写为{H，OK，L}；

D 加料持续时间(JS)：加料持续时间的基本论域定义为[90s，240s]，量化等级范围为[-5，+5]。预设的模糊子集为：{正大，正小，正常，负小，负大}，用英文字头缩写为{PB，PS，OK，NS，NB}；

E 加料停止时间(TS)：加料停止时间的基本论域定义为[360s，500s]，量化等级范围为[-3，+3]。预设的模糊子集为：{大，正常，小}，用英文字头缩写为{B，OK，S}；

2、隶属函数的定义：通过现有的操作者的实践经验总结，可确定出在论域上用以描述Fuzzy子集的初始隶属函数 $\mathrm{\μ}\left(x\right)=\exp \{-{\left(\frac{x-a}{b}\right)}^2\},$ 对本控制系统对各控制变量采用正态型分布函数。

3、控制规则的建立：

根据上述各语言变量，通过现有的操作者手动控制策略的总结，为垃圾焚烧炉的模糊控制规则共计45条。

                  CE＞0(即CE量化等级为1，2，3时)

JSTS		BE
							TH	SH	OK	SL	TL
		GP	H	OKS	NSS	NSOK						NBOK	NBB
OK	PBS						PSOK	PSOK	NSOK	OKB
			L	PBS	PBOK	PBOK					PBOK	PSB

                  CE＝0(即CE的量化等级为0时)

JSTS		BE
							TH	SH	OK	SL	TL
		GP	H	OKOK	NSOK	NSB						NBOK	NBB
OK	PSS						PSOK	OKOK	NSOK	NSB
			L	PBS	PBS	PBOK					PBB	PSB

           CE＜0(即CE量化等级为-1，-2，-3时)

JSTS		BE
							TH	SH	OK	SL	TL
		GP	H	OKOK	NSOK	NSB						NBB	NBB
OK	PBOK						OKOK	NSOK	NSB	NBB
			L	PBS	PBS	PBOK					PSB	PSB

至此，我们就可以根据采样得到的两输入量BE和GP以及另一输入量CE，计算出相应的控制量JS和TS，对所有的BE、GP中元素的所有组合全部计算出相应的控制量变化值，采用最大隶属度法确定相应的控制输出查询结果，写成一个矩阵形式的控制表，称为控制查询表。在实时控制过程中，就可以根据模糊量化后的BE、GP和CE，直接查找查询表以获得控制量的变化值，逆模糊化后即可作为输出去控制被控对象。

四、根据实时测量的炉拱位置烟气温度和给定值计算获得每个采样时刻的炉拱位置烟气温度偏差值，设定该偏差值上下限，采用逻辑控制对主模糊控制器的输出进行修正，约束加、停料时间。具体控制逻辑为：

1、当炉拱位置烟气温度偏差值超过上限时，说明加入垃圾量已经过多，垃圾在炉膛内没有充分燃烧，随着炉排的运动仍在燃烧的垃圾移至炉排后部到达炉拱位置，此时即使主模糊控制器输出的加料持续时间尚未完成，该逻辑控制也立即输出开关量使加料器停止加料。

2、当炉拱位置烟气温度偏差值低于下限时，说明炉内垃圾量已经严重不足，垃圾在炉膛内早已基本燃尽，随着炉排运动进行了较长时间的冷却，到达炉拱位置，此时即使主模糊控制器输出的加料停止时间尚未完成，该逻辑控制也立即输出开关量使加料器开始加料。

3、在上下限之间则处于正常范围，该逻辑控制无输出。

五、设定运行时的烟气含氧量给定值，根据实时测量的烟气含氧量和给定值计算烟气含氧量偏差，采用比例积分串级调节回路，调节送风机风门开度，从而改变总风量，保证烟气含氧量不超过上限值。串级调节中，送风量调节器和调风门构成快速响应的内回路，含氧量调节器起校正作用，它是串级系统的主调节器。使含氧量最终维持在给定值附近。其中送风量调节器与含氧量调节器均采用比例积分(PI)控制。氧量和送风比例积分调节离散后的算法如下：

Δy＝K_p(x_i-x_i-1)+K_ix_i

式中Δy-PI的输出增量；

K_p-比例系数，范围0.5～0.91；

K_i-积分系数， $K_i=K_p\frac{\mathrm{\Δt}}{T_i},$ 其中T_i是积分时间，范围80～150s；Δt为采集周期，范围1～5s。

x_i-第i次偏差值，即第i次测量值与给定值之差；

x_i-1-第i-1次偏差值，即第i-1次测量值与给定值之差。

六、一、二次风配比在850~950℃范围内保持稳定，一次风门开度保持在45％~60％，二次风门开度保持在60％~85％。在超过950℃的高温区退出模糊控制策略和含氧量送风控制，进行压火调节，使炉温回落至正常范围内。具体的控制逻辑为：

1、当炉温进入高温区时，一次风门开度降至20％～30％，送风机风门开度降至40％～50％，二次风门开度保持不变，烟气空气预热器旁路风门全开，停止加料，直至炉温回落至正常区间；

2、当炉温达到高温区内+30℃警戒线时，一次风门开度降至10％以下，送风机风门开度降至25％以下，二次风门开度保持不变，烟气空气预热器旁路风门全开，停止加料，直至炉温回落至正常区间。

七、设定运行时的炉膛负压给定值，根据实时测量的炉膛负压和给定值计算炉膛负压偏差，采用比例积分单回路调节，调节引风机风门开度，保证炉膛负压维持在给定值。炉膛负压比例积分控制器的计算机算法为：

Δy＝K_p(x_i-x_i-1)+K_ix_i

式中Δy-PI的输出增量；

K_p-比例系数，范围0.67～1.0；

K_i-积分系数， $K_i=K_p\frac{\mathrm{\Δt}}{T_i},$ 其中T_i是积分时间，范围60～130s；Δt为采集周期，范围1～5s。

x_i-第i次偏差值(第i次测量值与给定值之差)；

x_i-1-第i-1次偏差值(第i-1次测量值与给定值之差)。

以上的所有的采集和控制过程均实时进行，给料方式采用间断给料方式。

Claims (4)

1.一种垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，其特征在于：

(1)垃圾焚烧炉由一般设计的连续加料方式改为间断给料方式，实时测量炉膛温度、炉拱位置烟气温度、烟气空气预热器风压、汽包压力、炉膛负压、烟气含氧量，根据汽包压力随时间的变化计算汽包压力随时间的变化率；

(2)以炉膛温度、汽包压力变化率和烟气空气预热器风压为模糊控制输入参数，以加料持续时间和加料停止时间为控制输出量，建立三输入二输出的主模糊控制器；

(3)根据实时测量的炉拱位置烟气温度和给定值计算获得每个采样时刻的炉拱位置烟气温度偏差值，设定该偏差值上下限，作为主模糊控制器的输出校正，约束加、停料时间；

(4)设定运行时的烟气含氧量给定值，根据实时测量的烟气含氧量和给定值计算烟气含氧量偏差，经过比例积分串级调节回路，调节送风机风门开度，

从而改变总风量，保证烟气含氧量不超过上限值；

(5)一、二次风配比在850～950℃范围内保持稳定，在超过950℃的高温区退出模糊控制策略和含氧量送风控制，进行压火调节，使炉温回落至正常范围内；

(6)设定运行时的炉膛负压给定值，根据实时测量的炉膛负压和给定值计算炉膛负压偏差，经过比例积分单回路调节，调节引风机风门开度，保证炉膛负压维持在给定值。

2.如权利要求1所述的垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，其特征在于：所述三输入二输出的主模糊控制器，对三输入量中元素的所有组合列出相应的二控制量的矩阵形式的控制查询表，在实时控制过程中，根据模糊量化后的三输入量，直接查找控制查询表以获得控制量的变化值，逆模糊化后即可作为输出去控制被控对象。

3.如权利要求2所述的垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，其特征在于：所述炉拱位置烟气温度偏差值超过上限时，即使主模糊控制器输出的加料持续时间尚未完成，也立即输出开关量使加料器停止加料；所述炉拱位置烟气温度偏差值低于下限时，即使主模糊控制器输出的加料停止时间尚未完成，也立即输出开关量使加料器开始加料。

4.如权利要求3所述的垃圾焚烧炉焚烧过程的控制方法，其特征在于：

(1)所述烟气含氧量偏差经过比例积分串级调节回路调节送风机风门开度时，比例积分调节的算法为：

    Δy＝K_p(x_i-x_i-1)+K_ix_i

式中Δy-比例积分PI的输出增量；

    K_p-比例系数，范围0.5～0.91；

    K_i-积分系数， $K_i=K_p\frac{\mathrm{\Δt}}{T_i},$ 其中T_i是积分时间，范围80～150s；Δt为采集周期，范围1～5s；

    x_i-第i次偏差值，

    x_i-1-第i-1次偏差值，

(2)所述炉膛负压偏差经过比例积分单回路调节，调节引风机风门开度时，比例积分控制器的算法和各参数含义同本权利要求中上述(1)，但其中

K_p范围0.67～1.0，

T_i范围60～130s。