一种生物质水冷振动炉排锅炉负荷的自动控制策略及方法与流程

本发明涉及生物质锅炉应用技术领域，并且更具体地，涉及到一种生物质水冷振动炉排锅炉负荷的自动控制策略及方法。

背景技术

生物质能是仅次于煤炭、石油气和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在能源系统中占有非常重要的地位。在中国发展农林生物质热电产业，既可以解决农村秸秆露天焚烧带来的大气污染问题，还可以解决县域居民清洁供暖和供电需求，同时解决当地农民就业问题，实现了精准扶贫，是利国利民的朝阳产业。

从2006年中国第一台生物质发电机组投运以来，农林生物质热电联产技术已经在中国已经发展十多年，但是，机组自动控制水平却极其低下，大多采用手动控制。特别是，由于入炉燃料种类繁杂，燃烧特性差异大，锅炉负荷调整均依靠人工控制来完成。

目前，燃煤锅炉负荷调整的自动控制策略及方法在技术上已经很成熟。但是，由于不同种生物质燃料的燃烧特性以及同种燃料在不同水分及灰分条件下的燃烧过程存在较大差异，而且生物质在水冷振动炉排锅炉中燃烧与给料存在一定的滞后性，所以，在生物质锅炉上参照燃煤锅炉负荷控制策略进行的尝试，均未获得成功。目前，能够满足农林生物质水冷振动炉排锅炉负荷调整的自动控制策略及方法在国内仍为空白。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，目的在于提供一种生物质水冷振动炉排锅炉负荷的调控方法，其能解决现有技术缺乏生物质水冷振动炉排锅炉负荷的自动调整控制的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的实施例公开了一种生物质水冷振动炉排锅炉负荷的自动控制策略及方法，包括：

以主蒸汽焓值的设定值与实际值的偏差作为给料控制器的负荷指令信号调整控制变频给料设备的转速；

根据入炉燃料的水分、灰分数值，在设计燃料的元素成分基础上，拟合出满足需求的实际入炉燃料的元素成分，计算出设定负荷与实际负荷送风量的偏差，作为调节变频送风机转速的主要指令信号。

进一步地，采用氧量设定值与实际值的偏差作为调节变频送风机转速的辅助指令信号。

进一步地，所述主蒸汽焓值的计算方法为：采用主蒸汽压力、主蒸汽温度作为过程参数，经过水蒸气焓的运算函数计算出单位质量焓值，乘以主蒸汽流量，得到主蒸汽焓值。

进一步地，所述主蒸汽流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度为根据外界负荷需求进行设定。

进一步地，所述实际入炉燃料的元素成分的含碳量的计算方法为：

式中：car——拟合的入炉燃料收到基下含碳量；

mar、aar——入炉燃料工业分析收到基下水分和灰分；

car,0、mar,0、aar,0——设计燃料收到基下含碳量、水分和灰分；

所述实际入炉燃料的元素成分的计算方法中，含氢量、含氧量、含氮量和含硫量计算方法与含碳量的计算方法相同。

进一步地，根据锅炉热力计算方法，计算得到入炉燃料消耗量和理论送风总量；

所述实际送风总量等于氧量实际值对应过量空气系数与理论送风总量的乘积。

进一步地，所述氧量设定值与实际值的偏差对调节变频送风机转速的影响范围为现有变频送风机转速的5-10％。

进一步地，当氧量的实际值比设定值高6％时，闭锁所述变频送风机控制器，停止增加送风量；当氧量的实际值比设定值低2.5％时，锁闭给料控制器，停止增加给料量。

进一步地，根据发电机组的汽耗率将有功功率折算得到主蒸汽流量进行设定，根据入炉实际燃料工业分析的水分、灰分作为燃料水分和燃料灰分进行设定。

进一步地，在dcs上设置手动设定对话框，实现对主蒸汽流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、燃料水分和燃料灰分的数值的设定，同时，在组态逻辑中采用高限和低限函数对设定的数值有效性进行判别。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的生物质水冷振动炉排锅炉负荷的自动控制策略及方法充分考虑了生物质燃料及水冷振动炉排锅炉设备的特点，用主蒸汽焓值取代主蒸汽流量作为负荷指令信号实现更加精准和及时调节，用生物质燃料成分元素的拟合算法解决了燃料多样性的问题，用“区间风料比”解决了水冷振动炉排锅炉中燃烧与给料存在一定的滞后性的问题，是一种科学、有效的水冷振动炉排锅炉负荷调整的自动控制策略及方法，对农林生物质其它类型锅炉也有一定的适应性。

(2)本发明的控制策略及方法已经成功在某一农林生物质水冷振动炉排锅炉热电联产机组上使用，已解决了锅炉负荷自动无法投入的问题，填补了国内这一技术方面的空白。

(3)本发明将大大减少操作人员的劳动强度，极大提升了生物质热电联产机组自动化水平，为智能化生物质热电厂建设创造了条件。

附图说明

图1为本发明一实施例的水冷振动炉排锅炉负荷调整的自动控制逻辑原理图；

图2是本发明一实施例的dcs画面图；

图3是本发明一实施例的部分逻辑组态图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一实施例公开了一种生物质水冷振动炉排锅炉负荷的调控方法，其包括：

以主蒸汽焓值的设定值与实际值的偏差作为给料控制器的负荷指令信号调整控制变频给料设备的转速；

根据入炉燃料的水分、灰分数值，在设计燃料的元素成分基础上，拟合出满足需求的实际入炉燃料的元素成分，计算出设定负荷与实际负荷送风量的偏差，作为调节变频送风机转速的主要指令信号。

上述实施例中，将锅炉热力和燃烧计算的方法引入控制逻辑中，创新地采用主蒸汽焓值作为精准表征锅炉负荷的参数，通过设定值与实际值作比较，其偏差作为给料控制器的负荷指令信号来调整控制变频给料设备的转速；建立了生物质燃料成分元素的拟合算法，根据入炉燃料的不同水分、灰分数值，在设计燃料的元素成分基础上，拟合出满足工程需求的实际入炉燃料的元素成分，进而计算出设定负荷与实际负荷的送风量的偏差，此偏差作为调节变频送风机转速的主要指令信号，优选地，采用氧量设定值与实际值的偏差作为调节变频送风机转速的辅助指令信号；突破燃煤锅炉的恒定“风煤比”的理念，建立了符合生物质燃料特性的“区间风料比”的概念，将氧量的高低限值作为给料控制器和送风控制器的闭锁条件，确保入炉燃料的充分燃烧。

本发明的一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述主蒸汽焓值的计算方法为：采用主蒸汽压力、主蒸汽温度作为过程参数，经过水蒸气焓的运算函数计算出单位质量焓值，乘以主蒸汽流量，得到主蒸汽焓值。其中，所述主蒸汽流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度为根据外界负荷需求进行设定。即主蒸汽流量、压力、温度的设定值由运行人员根据外界负荷需求来设定。通过主蒸汽焓值的设定值与实际值作比较，其偏差作为给料控制器(pid)的负荷指令信号来调整控制变频给料设备的转速。

本发明的一些实施例中，在上述实施例的基础上，实际入炉燃料的元素成分的含碳量的计算方法为：

式中：car——拟合的入炉燃料收到基下含碳量；

mar、aar——入炉燃料工业分析收到基下水分和灰分；

car,0、mar,0、aar,0——设计燃料收到基下含碳量、水分和灰分；

所述实际入炉燃料的元素成分的计算方法中，含氢量、含氧量、含氮量和含硫量计算方法与含碳量的计算方法相同。即本发明实施案例公开的控制策略及方法的生物质燃料成分元素的拟合算法是根据现场工业分析所得的水分(mar)和灰分(aar)数值，按照上述公式进行拟合计算得到入炉燃料的元素成分。

在上述实施例的基础上，对于理论送风总量，是根据锅炉热力计算方法，计算得到入炉燃料消耗量和理论送风总量；氧量设定值根据不同负荷下对应氧量数值得来，而实际送风总量等于氧量实际值对应过量空气系数与理论送风总量的乘积。进而计算出设定负荷与实际负荷的送风量的偏差，此偏差作为调节变频送风机转速的主要指令信号。

本发明的一些实施例中，所述氧量设定值与实际值的偏差对调节变频送风机转速的影响范围为现有变频送风机转速的5-10％。这是因为氧量是锅炉内部燃烧是否良好的一个标志，如果实际氧量低于设定值，说明燃烧工况变差，则必须增加送风机转速，增加进入锅炉空气量；如果实际氧量高于设定值，说明太多空气量进入锅炉，需要降低送风机转速，否则会降低锅炉热效率；但是，根据现场调试的实际情况，氧量变化量对送风量的影响基本在5-10％之间，如果影响数值太大，则送风机转速将大幅度波动；如果影响数值太小，则风机转速变化无法满足锅炉燃烧实际所需空气量的要求。

本发明实施例公开的方法，“区间风料比”是与水冷振动炉排锅炉燃烧与给料滞后的特性相符合的，可设置为当氧量的实际值比设定值高6％时，闭锁所述变频送风机控制器，停止增加送风量；当氧量的实际值比设定值低2.5％时，锁闭给料控制器，停止增加给料量。将氧量的高低限值作为给料控制器和送风控制器的闭锁条件，确保入炉燃料的充分燃烧。既可以保持一定的过量空气系数，实现“风料比”的相对稳定，又保证生物质燃料在锅炉中的充分燃烧。

本发明的一些实施例中，根据发电机组的汽耗率将有功功率折算得到主蒸汽流量进行设定，根据入炉实际燃料工业分析的水分、灰分作为燃料水分和燃料灰分进行设定。具体地，可在dcs上设置手动设定对话框，实现对主蒸汽流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、燃料水分和燃料灰分的数值的设定，同时，在组态逻辑中采用高限和底限函数对设定的数值有效性进行判别。

实施例1

如附图1-图3所示，在dcs画面上设置一个可供运行人员手动设定的对话框，分别包括主汽流量、主汽压力、主汽温度、燃料水分和燃料灰分。在组态逻辑中，采用高限、低限函数来判别运行人员输入数值的有效性。运行人员根据汽轮发电机组的汽耗率将有功功率折算为主蒸汽流量，根据入炉实际燃料工业分析的水分、灰分作为燃料水分和灰分。

根据锅炉设计说明书或运行调整试验，可获得不同负荷下(主蒸汽流量)的最佳氧量值。所以，通过折线函数f(x0)计算出不同负荷下的氧量值。

主汽流量、主汽压力、主汽温度的设定值经过水蒸气焓值函数f(x1)计算出锅炉主蒸汽设定焓值，同样，主汽流量、主汽压力、主汽温度的运行实际值经过水蒸气焓值函数f(x1)计算出锅炉主蒸汽实际焓值，两者的偏差将进入给料控制器pid运算后，对给料设备转速进行调整，控制入炉燃料量。

根据入炉燃料水分、灰分的设定值，按照生物质燃料成分元素的拟合算法函数f(x2)，计算出实际入炉燃料的元素组分，根据生物质燃料热值函数f(x3)计算出入炉燃料收到基低位热值，根据锅炉燃烧函数f(x4)计算出理论空气量。

主给水流量、主给水压力、主给水温度的实际值经过水蒸气焓值函数f(x1)计算出锅炉主给水实际焓值，然后与锅炉主蒸汽设定焓值、入炉燃料收到基低位热值通过f(x5)计算出达到设定负荷所需入炉燃料量。进而与氧量设定值、理论空气量通过乘法运算，计算出达到设定负荷所需空气量。设定负荷所需空气量与送风机入口实际空气量的偏差，作为主要信号进入送风控制器pid运算后，对送风机转速进行调整。氧量设定值与运行实际值的偏差，作为辅助信号进入送风控制器pid，与空气量偏差一同对送风机转速进行调整控制。

同时，为了保持合理的“区间风料比”，确保燃料完全燃烧，当氧量高于6％时，闭锁送风机控制器，停止增加送风量；当氧量低于2.5％时，闭锁给料控制器，停止增加给料量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。