本发明涉及燃烧炉控制领域，具体地说涉及一种生物质悬浮燃烧炉自动控制方法。
背景技术：
生物质锅炉的运用可减少煤炭、石油、天然气的消耗，我国农业规模庞大，每年秸秆焚烧加重环境污染，高效清洁的生物质锅炉可以变废为宝。我国目前的生物质锅炉技术来自于燃煤和燃油锅炉，但燃煤与燃油锅炉控制方法与生物质锅炉存在差别，不能直接照搬。生物质锅炉燃烧参数若没有控制好，燃料没有充分燃烧，会产生pm2.5等污染，这也是当前生物质锅炉面临的问题。
作为生物质锅炉的一种，悬浮燃烧炉(也称作旋风燃烧炉)基于流化床的原理，是在旋转气流作用下将燃料吹到空中燃烧。燃料颗粒在空中不断运动，但仍逗留在燃烧室内而不被气流带出，颗粒充分分散开，彼此之间具有一定的空隙，相比积压在燃烧室底部，与空气的接触面积更大，燃烧速度更快，单位时间输出的热量更高，燃烧也更完全。
生物质燃料进入燃烧室刚受热时有挥发物迅速析出，剧烈燃烧。之后生物质燃料接触火焰或未燃尽的燃料，在氧气充分的情况下立即点燃。当燃料进料量过多时，燃料无法在燃烧室内充分分散，燃着的燃料颗粒会堆积在一起结块，位于板结灰块内部的未完全燃烧的燃料因得不到氧气而无法继续燃烧，出现局部干馏现象。当干馏层挥发物排放出来后，其中沥青等有机质变成液体，使稻壳结块，由于气化条件不良，很容易结坯成为一个不完全燃烧的稻壳灰块，继而成为大片状黑色炉灰；而当燃料进料量过少时，新送入的燃料会无法点燃，无法维持稳定燃烧。上述燃料进料量的多少相对于旋转气流的流量而定的，旋转气流可以是燃烧室引风，引风是为燃烧提供氧气；也可以另外再增加一路引风，补充氧气。
生物质燃料存在的问题如下：1、生物质燃料来源不同，包装密度不一，生物质燃料随意存放易受潮，或烘干不充分，含水量不一，热值不同，进料速度不同；2、部分生物质燃料如玉米芯需要粉碎，粉碎程度不一影响燃烧速率(即热量产生速率)。另外应考虑到进料装置受限于机械设计加工水平，进料量可能存在较大的变化。由此可知，生物质燃烧炉进料控制方法不同于燃煤燃油燃气锅炉。
《粮食加工》2010年35卷12期“稻壳悬浮燃烧炉自动化控制研究”指出，选择干燥机内的干燥介质温度作为反馈信号，存在延迟太大，且变化太小，增加了控制难度。经人工调节稻壳进料量试验表明，以主热风管温度(即烟道温度)为输入源进行调节，尽管时间延迟达到10-20s，但调节效果还是比较理想。该文为了提高控制精度和响应速度，选用偏差和偏差变化率输入及控制变量输出的双输入单输出控制方式，取主风道内的温度与设定值之间的误差e和主风道内温度的变化率δe为模糊控制器的输入变量。变频器的输出变化δu为模糊控制的输出量。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高稳定性和高热转换效率的生物质悬浮燃烧炉自动控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种生物质悬浮燃烧炉自动控制方法，其特征在于：是以n个输入量作为坐标轴建立n维坐标系，并且，对各坐标轴分别进行临界值划分以将n维坐标系划分为多个状态区域，对n维坐标系的各状态区域设定操作，也即输出量；
所述输入量包括炉内温度以及热介质输入温度、热介质输出温度、热介质输入温度与输出温度的温差中的任意一个或任意几个，炉内温度采用炉膛温度或烟道温度，所述输出量包括生物质进料量、引风量、点火器开关状态以及热介质通断状态；
悬浮燃烧炉运行时，通过读取输入量数据确定当前所属状态区域，并执行该状态区域下预先设定的操作。
进一步地，悬浮燃烧炉的热介质为空气，输入量包括烟道温度以及出气口温度。
进一步地，悬浮燃烧炉的热介质为水，输入量包括烟道温度以及出水口温度。
进一步地，悬浮燃烧炉的热介质为水，输入量包括烟道温度、出水口温度以及进水口温度。
进一步地，悬浮燃烧炉的热介质为水，输入量包括烟道温度、出水口温度以及进水口与出水口温差。
进一步地，所述输出量还包括报警器状态。
进一步地，烟道温度为其中一个坐标轴，其临界值划分为：150度作为开始进料的临界温度值；200度作为点火器自我调节的温度值；260度作为点火器关闭的临界温度值；300度作为鼓风机开启的临界温度值；700度作为稳定工作状态第一上限yl1；750度作为稳定工作状态第二上限yl2；800度作为稳定工作状态第三上限yl3；900度作为热电偶传感器故障判断阈值。
本发明的有益效果为：
本发明解决了生物质燃烧炉在燃烧物不同以及进料速度存在差异时不易控制的问题，可以控制生物质燃烧炉稳定在高温燃烧状态，使得生物质燃烧更为充分，提高热转换效率，提高了生物质燃烧炉的控制精度和响应速度，并且实现了智能化控制，无需人员看守，也解决了燃料燃烧热值、摩擦力不一致的问题。
具体实施方式
悬浮燃烧炉分为空气加热与水加热两种。直接加热空气的燃烧炉热量守恒公式如式(1)所示：
其中，q为单位重量燃料的热值(j/kg)，vfuel为燃料进料速度(kg/s)，λfurnace为炉子外壁导热系数(w/(m℃))，afurnace为炉子外壁面积(m2)，tfurnace为炉膛温度(℃)，tambient为环境温度(℃)，δfurnace为炉子外壁厚度(m)，cair为空气比热(j/(kg℃))，ρair为空气密度(kg/m3)，vair为热交换空气流量(m3/s)，tair为热交换器出气口空气温度(℃)，vgas为燃烧室引风量(m3/s)，tgas为燃烧炉废气出气口的温度(℃)。
加热循环水的燃烧炉，水再与空气热交换的热量守恒公式如式(2)所示：
工程上，对于给定了的输水管道和换热器，tair与twater的关系可以近似为tair＝twater-a，式(3)；δttube与twater、tambient的关系可以近似为δttube＝twater-tambient，式(4)；
其中，q为单位重量燃料的热值(j/kg)，vfuel为燃料进料速度(kg/s)，λfurnace为炉子外壁导热系数(w/(m℃))，afurnace为炉子外壁面积(m2)，tfurnace为炉膛温度(℃)，tambient为环境温度(℃)，δfurnace为炉子外壁厚度(m)，cair为空气比热(j/(kg℃))，ρair为空气密度(kg/m3)，vair为热交换空气流量(m3/s)，tair为热交换器出气口空气温度(℃)，x为当前工作的热交换器个数(个)，λtube为热水管管壁导热系数(w/(m℃))，ctube为热水管外径(m)，ltube为热水管长度(m)，δttube为热水管内外温差(℃)，δtube为热水管管壁厚度(m)，cwater为水比热(j/(kg℃))，mwater为循环水总质量(kg)，δtwater为水温变化速率(℃/s)，vgas为燃烧室引风量(m3/s)，tgas为燃烧炉废气出气口的温度(℃)，a为常数。
由公式(1)可知，对于指定的燃烧炉，炉子外壁导热系数λfurnace，炉子外壁面积afurnace，炉子外壁厚度δfurnace，空气比热cair，空气密度ρair为常量。对于300-1000℃的燃烧室温度而言，环境温度tambient也可视为常量。如前文所述，因为燃料品种，粉碎程度和受潮情况的不同，单位重量燃料的热值q为波动较大的参数。热交换空气流量vair是由用热设备决定，而不是燃烧炉。燃烧炉可自主控制的是燃料进料速度vfuel，炉膛温度tfurnace，从而得到指定的热交换器出气口空气温度tair。
由式(2)(3)(4)可知，对于指定的燃烧炉，炉子外壁导热系数λfurnace，炉子外壁面积afurnace，炉膛温度tfurnace，炉子外壁厚度δfurnace，空气比热cair，空气密度ρair，热水管管壁导热系数λtube，热水管外径ctube，热水管长度ltube，热水管管壁厚度δtube，空气比热cwater，循环水总质量mwater，为常量。对于300-1000℃的燃烧室温度而言，环境温度tambient也可视为常量。如前文所述，因为燃料品种，粉碎程度和受潮情况的不同，单位重量燃料的热值q为波动较大的参数。热交换空气流量vair、当前工作的热交换器个数x是由用热设备决定，而不是燃烧炉。燃烧炉可自主控制的是燃料进料速度vfuel，炉膛温度tfurnace，从而得到指定的热交换器出气口空气温度tair。水温变化速率δtwater主要用于防止循环水沸腾，损坏炉体，因为90℃以上水开始冒泡，该参数在循环水温高于85℃以上的应用条件下非常重要。
燃烧炉需要测量的数据至少包括炉膛温度和输出热介质温度。炉膛温度不低于某一下限(该值由燃烧炉的型号而定)，即保证稳定燃烧，火不熄灭。炉膛温度高于某一上限则可能缩短炉体寿命。一般来说炉膛温度较高，直接测量的难度较大，有用燃烧室废气管道内的废气温度代替。热空气是用来烘干粮食或者其他用途，其温度是关键参数，粮食烘干要求热风温度误差<±1℃。对于烧水的锅炉，输出的是热水，在用热设备附近热水与空气换热产生热空气。由公式(2)可知，假设热量传输的损耗不变，锅炉输出的热量与用热量、热损耗达到平衡时，热水温度保持不变；当用热量增加，热水温度会逐渐下降，反之增加。
燃烧炉自动控制两个目的，首先实现稳定燃烧，保证火不会灭，循环水不能沸腾；其次，输出所需的热介质温度。生物质锅炉虽然存在燃料热值、进料速度、燃烧速率不可知的情况，但是稳定燃烧的条件却较为宽泛，只要将引风量、燃料进料量分别控制在一个很宽的范围内即可维持稳定燃烧，这些参数范围在炉子调试时掌握。对于悬浮燃烧炉，当旋风量(也包括引风量)超过稳定燃烧的下限，炉膛温度以及进料量可表征废气污染物排放水平。炉膛温度若保持较高的温度(以作者的燃烧炉为例，烟道温度>450℃)且进料量相对而言不过多，废气为无色无味，几乎没有污染。炉膛温度不高(以作者的燃烧炉为例，烟道温度大于210℃，小于450℃)且进料量相对而言不过多，废气为白烟，排放pm2.5，有烟灰的气味。烟道温度越低，白烟颜色越浓，气味越大。若进料量较多，而炉膛温度不高(以作者的燃烧炉为例，烟道温度大于210℃，小于450℃)，废气为黑烟，这种情况炉膛内还容易爆燃。后两者情况应该尽量避免。
燃烧炉启动分为这几个标志点，点火、实现稳定燃烧、达到指定的炉膛温度、达到指定的热介质温度，至此启动阶段完成。之后的热平衡运行实质是在外界条件变化不可知的情况下，将炉膛温度、热介质温度稳定在允许范围内，如果失控则自动停火。燃烧炉停火则停止进料，引风不停直至炉膛温度下降到某一温度以下即可。
燃烧炉点火至实现燃烧稳定的阶段与实现燃烧稳定至达到指定的炉膛温度的阶段类似，都是提升炉膛温度，对升温速度没有严格要求，宜快不宜慢。达到指定的炉膛温度到达到指定的热介质温度的阶段，将炉膛温度稳定在允许范围内，提升热介质温度，对升温速度没有严格要求，宜快不宜慢。热平衡运行是通过微调控制系统各输出量，使得各输入量(例如炉膛温度或烟道温度、热介质温度)稳定在允许范围内，此阶段可以设置闭环控制。
燃烧炉点火前炉膛温度、循环水温度可能是室温，也可能是高温(刚停火又打开)，控制系统需要读取传感器数据以调整点火流程，否则可能造成事故，例如烧水锅炉在冷水点火时，循环水不循环以减少热量散失，提高点火成功率，缩短燃烧器引火时间，但水温如果高于85℃，循环水不循环可能沸腾，造成炉体损坏。如果炉膛温度较高，就可以不用燃烧器引火，节约燃烧器燃料。
根据试验经验，引风停止一分钟后恢复，燃烧炉炉火不会灭。
本发明生物质悬浮燃烧炉自动控制方法是以n个输入量作为坐标轴建立n维坐标系，并且，对各坐标轴分别进行临界值划分以将n维坐标系划分为多个状态区域，对n维坐标系的各状态区域设定操作，也即输出量；
所述输入量包括炉内温度以及热介质输入温度、热介质输出温度、热介质输入温度与输出温度的温差中的任意一个或任意几个，炉内温度采用炉膛温度或烟道温度，所述输出量包括生物质进料量、引风量、点火器开关状态以及热介质通断状态；
这里的几个是指两个以上。
状态区域的划分以对各坐标系进行划分实现，必须将逻辑上所有的可能包括在内，输入量的数值从-∞到+∞，以避免逻辑出错。
状态下的操作有以下几种：
有的状态下的操作只有唯一的操作参数(例如电机的启停)。
有的状态下的操作是报警，进入自动关火流程。
有的状态下的操作是初始进入该状态设置某一参数为初始值，预设的一个时间间隔之后若还处于该状态则该参数递减或递增，直到达到下限或者上限值。退出该状态后再次进入，该参数恢复到初始值。
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
一个加热空气的稻壳悬浮燃烧炉，炉膛的烟道口设置一个由10根×10根直径10cm长30cm的钢管组成的阵列。燃烧产生的高温废气通过钢管阵列之间的间隙，冷空气从钢管内部通过，两者由此完成热交换。
对于这种燃烧炉，应用本发明生物质悬浮燃烧炉自动控制方法时，输入量包括烟道温度以及出气口温度(热空气温度)，其中烟道温度作为横向坐标轴，出气口温度作为纵坐标轴；输入量，也即对n维坐标系的各状态区域设定的操作中，生物质进料电机为振动电机，生物质进料量由振动电机的工作频率决定，频率越高进料速度越快，进料量越大，引风量应相应增加，一方面使燃料颗粒充分散开，另一方面增加供氧量，两方面增加火势，而引风量由引风机工作频率决定，热介质(空气)的通断由鼓风机的开关控制。
本实施例横向坐标轴(烟道温度)的临界值划分为：150度作为开始进料的临界温度值；200度作为点火器自我调节的温度值；260度作为点火器关闭的临界温度值；300度作为鼓风机开启的临界温度值；700度作为稳定工作状态第一上限yl1；750度作为稳定工作状态第二上限yl2；800度作为稳定工作状态第三上限yl3；900度作为热电偶传感器故障判断阈值。
本实施例纵向坐标轴(出气口温度)的临界值划分为：50度作为第一上限wl1，t-8；58度作为气温第二上限wl2，人工设定温度t(目标温度)；62度作为气温第三上限wl3，t+4；64度作为气温第四上限wl4，t+6；66度作为气温第五上限wl5，t+8。
目标气温值：wt(当前气温值为58)，根据横、纵坐标的各个临界值划分将n维坐标系划分为多个状态区域，并分别对每个状态区域进行了输出量的控制。各状态区域及对应的输出量详见卡诺图表1。
表1
本实施例还设计了一键关火流程：
振动电机停(频率为零)，引风机频率设为40hz；
待烟道温度低于200℃，引风机频率为45hz；
待烟道温度低于150℃，引风机频率为20hz；
待烟道温度低于100℃，所有电机停，关火流程结束。
本实施例输出量还包括报警器状态。报警信息详见表1和表2。
表2
经过实践，本实施例中，燃烧炉燃烧时，可以控制烟道温度稳定在400～650℃，出气口温度稳定在58～63℃；而且稻壳燃烧程度超过80％。
实施例2
一个以水为传热介质的稻壳悬浮燃烧炉。循环水通过炉膛外侧的夹层，燃烧产生的高温废气与循环水进行热交换。
对于这种燃烧炉，应用本发明生物质悬浮燃烧炉自动控制方法时，输入量包括烟道温度以及出水口温度，其中烟道温度作为横向坐标轴，出水口温度作为纵坐标轴。输入量，也即对n维坐标系的各状态区域设定的操作中，生物质进料电机为振动电机，生物质进料量由振动电机的工作频率决定，频率越高进料速度越快，进料量越大，引风量应相应增加，一方面使燃料颗粒充分散开，另一方面增加供氧量，两方面增加火势，而引风量由引风机工作频率决定，热介质(水)的通断由水泵的开关控制。
本实施例横向坐标轴(烟道温度)的临界值划分同实施例1。
本实施例纵向坐标轴(出水口温度)的临界值划分为：80度作为水温第一上限wl1，t-8；88度作为水温第二上限wl2，人工设定温度t(目标温度)；92度作为水温第三上限wl3，t+4；94度作为水温第四上限wl4，t+6；96度作为水温第五上限wl5，t+8；目标水温值：wt(当前水温值为88)，根据横、纵坐标的各个临界值划分将n维坐标系划分为多个状态区域，并分别对每个状态区域进行了输出量的控制。各状态区域及对应的输出量详见卡诺图表3。
表3
本实施例也设计了一键关火流程，具体同实施例1；本实施例输出量也还包括报警器状态，报警信息详见表3和表2。
经过实践，本实施例中，燃烧炉燃烧时，可以控制烟道温度稳定在650～750℃，出水口温度稳定在88～93℃；而且稻壳燃烧程度超过90％，比同等情况下，燃烧煤炭节约费用接近一半。
实施例3
一个以水为传热介质的稻壳悬浮燃烧炉。循环水通过炉膛外侧的夹层，燃烧产生的高温废气与循环水进行热交换。
对于这种燃烧炉，应用本发明生物质悬浮燃烧炉自动控制方法时，输入量包括烟道温度、出水口温度以及进水口温度，其中烟道温度作为横向坐标轴，出水口温度作为纵坐标轴，进水口温度作为第三维坐标轴；输入量，也即对n维坐标系的各状态区域设定的操作中，生物质进料电机为振动电机，生物质进料量由振动电机的工作频率决定，频率越高进料速度越快，进料量越大，引风量应相应增加，一方面使燃料颗粒充分散开，另一方面增加供氧量，两方面增加火势，而引风量由引风机工作频率决定，热介质(水)的通断由水泵的开关控制。
本实施例横向坐标轴(烟道温度)的临界值划分为同实施例1。
本实施例纵向坐标轴(出水口温度)的临界值划分同实施例2。
本实施例第三维坐标轴(进水口温度)的临界值划分为：80度作为第一上限wl1；88度作为水温第二上限wl2。
目标水温值：wt(当前水温值为88)，根据横、纵、第三维坐标的各个临界值划分将n维坐标系划分为多个状态区域，并分别对每个状态区域进行了输出量的控制。各状态区域及对应的输出量详见卡诺图表4至表6，其中表4对应第三维坐标的进水口水温t>88，表5对应第三维坐标的进水口水温80<t<88，表6对应第三维坐标的进水口水温t<80。
本实施例检测出水口水温来确保炉子安全运行；通过检测进水口、出水口的水温来估计用热量，当出水口水温接近安全限时不过高，进水口温度较低时火力较大，进水口温度较高时适当减小火力，一方面使得水温波动幅度减小，另一方面减少水温过高炉子自动关火的频率。
表4
表5
表6
本实施例也设计了一键关火流程，具体同实施例1；本实施例输出量也还包括报警器状态。报警信息详见表2和表4至表6。
经过实践，本实施例中，燃烧炉燃烧时，可以控制烟道温度稳定在650～750℃，出水口温度稳定在88～93℃；而且稻壳燃烧程度超过90％，比同等情况下，燃烧煤炭节约费用接近一半。
实施例4
一个以水为传热介质的稻壳悬浮燃烧炉。循环水通过炉膛外侧的夹层，燃烧产生的高温废气与循环水进行热交换。
对于这种燃烧炉，应用本发明生物质悬浮燃烧炉自动控制方法时，输入量包括烟道温度、出水口温度以及进水口与出水口温差，其中烟道温度作为横向坐标轴，出水口温度作为纵坐标轴，进水口与出水口温差作为第三维坐标轴；输入量，也即对n维坐标系的各状态区域设定的操作中，生物质进料电机为振动电机，生物质进料量由振动电机的工作频率决定，频率越高进料速度越快，进料量越大，引风量应相应增加，一方面使燃料颗粒充分散开，另一方面增加供氧量，两方面增加火势，而引风量由引风机工作频率决定，热介质(水)的通断由水泵的开关控制。
本实施例横向坐标轴(烟道温度)的临界值划分为同实施例1。
本实施例纵向坐标轴(出水口温度)的临界值划分同实施例2。
本实施例第三维坐标轴(进水口与出水口温差)的临界值划分为：-10度水温差作为第一上限wl1；0度作为水温差第二上限wl2。
目标水温值：wt(当前水温值为88)，根据横、纵、第三维坐标的各个临界值划分将n维坐标系划分为多个状态区域，并分别对每个状态区域进行了输出量的控制。各状态区域及对应的输出量详见卡诺图表7至表9，其中表7对应第三维坐标的进水口与出水口温差t>0，表8对应第三维坐标的进水口与出水口温差-10<δt<0，表9对应第三维坐标的进水口与出水口温差t<-10。
本实施例检测出水口水温来确保炉子安全运行；通过进水口与出水口温差来估计用热量，当出水口水温不过高，温差大时火力较大，温差小时适当减小火力，一方面使得水温波动幅度减小，另一方面减少水温过高炉子自动关火的频率。
表7
表8
表9
经过实践，本实施例中，燃烧炉燃烧时，可以控制烟道温度稳定在650～750℃，出水口温度稳定在88～93℃；而且稻壳燃烧程度超过90％，比同等情况下，燃烧煤炭节约费用接近一半。
上述实施例的表1、表2至表9中：
21-24hz*的意思是，一进入该状态，振动电机频率为24hz，十分钟之后还在该状态，频率减1，十分钟之后再检测，直到频率为22hz以后频率不再减少。若离开该状态之后再次进入该状态，频率又从24hz开始；
“振动”代表进料振动电机工作频率，“风”代表引风机工作频率，振动电机工作频率与进料量的关系见表10，引风机工作频率与引风量的关系见表11；
表10
表11
另外，为简洁描述起见，鼓风机、水泵、点火器若是在开的状态，则在表格中写出，若是在关的状态，则不再表格中写出，也即默认为关。
应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。