用于优化蒸汽锅炉系统的方法和装置

摘要

一种用于控制蒸汽锅炉600或油加热器的方法，通过系统地找出输入控制值26、48、89、96、112、114、116、166、170、204和208的燃料效率最佳的组合，使燃料效率最大化。通过以多个输入执行机构的所有可能的函数关系的组合设定来临时操作该过程，并对每个设定组合记录多个过程参数，例如蒸汽流量242、蒸汽压力248、以及排放成分144、148、152产生的输出值602、604，创建特性多维查询表。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有以气体(例如天然气或填埋气体)或液体(例如油)或其混合物为燃料的单燃料或双燃料燃烧器的锅炉和油加热器，具体而言，涉及用于优化这种锅炉和油加热器中的燃料燃烧的方法和装置，更具体而言，涉及用于通过系统地找出最节能的输入控制值的组合，然后控制在这些值附近以满足主过程输出设定点，从而来控制蒸汽锅炉或油加热器的方法和装置。

背景技术

众所周知，锅炉用来由水产生蒸汽，蒸汽通常用来推动蒸汽发动机或蒸汽涡轮机，用于供热，用于制冷，用于清洁和消毒、以及用于许多其他的用途。同样众所周知，油加热器用来提供热油，作为能量转换介质。本文中所使用的术语“锅炉”意思是指锅炉或油加热器，因而，除非另外指出，所描述的用于锅炉的本发明应理解为也适用于油加热器。公知地，锅炉可以以多种能源为燃料，例如核衰变和碳氢化合物燃烧。一些典型的碳氢化合物燃料源为木材、煤、燃油、以及天然气。

一种特定类别的锅炉系统采用可喷射的碳氢化合物流体燃料，如燃油或天然气，其在压力下可以通过管道很容易地供应到锅炉，并且其可以通过与设置在锅炉内的燃烧器相通的燃料控制阀进行可靠地计量。通过辅助蒸汽喷射器可以有助于燃油喷射。典型地，燃油在通常为圆柱形或矩形的长形燃烧室的第一端沿轴向喷射。大容量鼓风机或空气泵将助燃空气经由空气流量控制阀或气流调节器(风门)，在喷射器附近引入燃烧室，燃料和空气沿燃烧室轴向流动。通过独立的引火系统启动点火，以产生长的燃烧器火焰。空气流通常至少分为沿火焰轴向引入的主气流和在火焰周围引入的副气流，借此可以改变燃烧率和火焰形状。燃烧室通常围绕着一系列的连续供应水的锅炉输水管道，并与这些管道接触。燃烧产生的热量通过燃烧室的壁和管道，借助传导、对流和辐射进行传递，以加热并最终使水沸腾，从而产生蒸汽。产生的蒸汽在锅炉锅筒处被收集，并通过蒸汽主管(steam header)输送到使用地点。冷却的火焰气体通过烟道被排出，通常排放到大气中。

在某些现有技术的锅炉系统中，燃料控制阀和空气流量控制阀通过机械或电装置连接起来，使得燃料和空气流一起以明显固定的比率变化，该比率通常实验确定以产生“可接受的”火焰。可接受的火焰是指产生需要量的蒸汽以及环境可接受的排放的火焰，其与产生蒸汽时火焰的燃料效率并不特别有关。然而，该比率并非真正固定，因为通常的阀和气流调节器的作用函数不是线性的。

在某些现有技术的锅炉系统中，通常没有装置用来优化各种工艺参数，以用最少的燃料产生最多的蒸汽。例如，没有装置用来系统地优化总空气流量或空气-燃料比；太多的空气可以导致排放过多的加热空气，这是一种浪费；太少的空气会导致燃烧不理想、锅炉管道结焦、以及在排放物中残留碳氢化合物。另外，不合适的主副空气控制以及不合适的总体空气控制和燃料控制会导致：a)在沿燃烧室长度的相对较短的区域内出现高度局部燃烧，因而不能利用全部热交换表面积中的绝大部分，以及b)无规则、不稳定的火焰，其只能部分地附着到燃烧室的壁上，因而允许绝大部分的火焰穿过系统而不与热传递表面接触。

另外，在现有技术中，过程控制器由反馈控制开始启动时，从任意的控制执行机构(控制操作装置或操作人员)的位置操作，当控制器识别出指定的工艺控制输入参数值但还未匹配设定点值时，重复改变每个输入设置。控制器没有关于什么是最终正确的设置的先验“知识”，因此在每次启动工艺过程时，这种设置基本上都是根据经验预先确定的。而且，控制器没有预定的装置用来通过每个输入执行机构的设置来相互优化整个过程。因此，虽然通过对过程控制的限定，输出值最终与设定点相匹配，但是，对于燃料效率最适宜的设定组合不大可能已经被确定。例如，在蒸汽锅炉生火以实现蒸汽流量和/或蒸汽压力的设定点值时，在适当的压力下，燃料流、主空气流、副空气流、调整空气流(trim air flow)、总气流以及燃料气体循环流的设定和条件可能会有数千种组合。然而，只有一种或至多少数几种这类组合包括最小的燃料流。现有技术的控制器没有确定组合是什么的装置，因此没有用来使过程向这种组合移动的装置。

另外，某些现有技术的锅炉控制模式采用比例积分微分(PID)逻辑来控制到达燃烧器的燃料和/或空气流，这可以导致在启动过程中出现实质的处理过度和循环处理，或者在其他点出现严重的处理不稳定。

另外，某些现有技术的锅炉控制系统在查找故障以确定处理失败的原因时非常麻烦、费时并且费用很高。

因此，需要一种方法和装置用来控制流体燃料蒸汽锅炉中蒸汽的产生，其中至少独立地和优化地控制燃料流、主空气流和副空气流，能够在给定的管道压力下，满足环境质量标准的烟道排放，同时利用最小的燃料流量，产生给定的蒸汽流。

还需要一种控制逻辑，其快速地对蒸汽锅炉系统进行过程控制，使过程启动时的处理过度和循环最小。

还需要一种蒸汽锅炉过程控制系统，其能够立即确定处理失败的原因。

本发明的主要目的是使蒸汽锅炉系统运行的燃料费用最小。

本发明的另一目的是提高蒸汽锅炉系统的稳定性，从而延长其运行时间。

本发明的再一目的是使蒸汽锅炉系统运行中的过程异常和失败容易进行故障查找和排除。

本发明的又一目的是使蒸汽锅炉系统迅速进入稳定状态控制，并且使过程循环最小化。

发明内容

以下简要描述根据本发明的用于控制蒸汽锅炉系统的方法。

在使系统处于生产操作之前，可变化的独立过程输入，例如，燃料流率、主空气流率和副空气流率，是确定的。对于每个过程输出参数，例如蒸汽压力、蒸汽温度、烟道CO、烟道O₂等等，可接受性范围是特定的。然后，通过产生输入和输出值的特定的多维矩阵或查询表来描述所述过程，其中，对该过程以其输入控制可变设定的所有可能的因子组合进行逐步操作，并记录所有有关输出参数的所得到的过程输出值。将非函数组合从表中省略。

在过程起动时，要选定主输出参数如蒸汽流量的理想值。然后，从表中选择优化的或接近优化的输入设定的组合，这种组合已经示出以提供近似理想的过程输出值，这种组合还导致所有其他输出参数的可接受结果，并且该组合还使用最小燃料流率。

在进行控制的两步法中，第一，所有输入控制执行机构初始以优化的表中选定的输入值进行设定，而不象现有技术那样以任意设定开始。第二，反馈控制系统对以这些设定(其非常接近稳定状态操作所要求的设定)开始的输入执行机构进行动态控制，使得可以迅速和受控地对稳定状态条件进行调整，并且使控制过度最小化。

该用来实现稳定状态过程控制的两步法是对现有技术方法的重大改进，因为在锅炉系统起动时控制输入设定和输出参数是远离其稳定状态值的。

另外，单个阀和气流调节器的致动优选以体现出对现有技术改进的两个重要途径来校正。

首先，由在所产生的查询表中所确定的关系，对每个机构进行校正，对于控制器进行线性响应，使控制输出信号的给定百分比的增量导致通过机构的流量有相同百分比的增量。这是非常重要的改进，因为通常使用的大多数调节装置，例如蝶形阀和气流调节器，其流量相对于致动位置呈高度非线性。

第二，因为每个阀和气流调节器的致动器系统具有特定的响应速度，发送给每个这类系统的驱动信号要调整和协调，使所有控制装置都以相同的百分比速度运动，从而在控制转变过程中使流率保持恒定。

附图说明

通过以下结合附图对本发明的特定典型实施例的描述，将可以更全面地理解和认识本发明的这些和其他特征和优点，在图中：

图1是简化的流程示意图，示出了过程操作系统和过程控制系统之间的关系；以及

图2a、2b和2c是根据本发明的用于控制蒸汽锅炉的原料和信息流程示意图(过程操作系统)的相邻示图。

具体实施方式

图1用来使本发明中包括的主要元件之间的关系以及描述这种关系的术语清楚。参见图1，示意性示出的过程10包括：过程控制系统(PCS)500，其优选包括计算机CPU或大容量可编程控制器；以及过程操作系统(POS)600，其包括多个控制操作装置或机构，例如阀、气流调节器(风门，damper)、开关、转换器，等等。状态信号502可以从POS 600中的元件直接发送，或者可以经由中间的燃烧器管理系统(BMS)34发送，燃烧器管理系统在本图及图2a、2b和2c中以菱形在流程逻辑图中表示，但实际上是PCS 500的一部分。类似地，控制信号602可以从PCS 500直接发送到POS600，或者可以经由中间的BMS 34发送控制信号604。可以理解，如这里所使用的，过程输出也是计算机输入，而计算机输出也是过程输入。

参见图2a、2b和2c，这三幅图应理解为分别在参照点AB和BC处连接起来，相当于一个单幅的宽图，即图2。还应该理解，所有的逻辑优选都由PCS 500控制，为清晰起见，将其从图中省略。

根据本发明的过程操作控制示意图600a、600b和600c包括燃烧器12、助燃空气风扇14和锅炉锅筒16。燃烧器12可以由气体供应装置18和燃油供应装置20中的任一个或者这两者来运行。

当燃烧器12以气体为燃料时，经由管线21流向燃烧器12的气体流速可以通过跨过孔板流量计24的压降22来测量，将流量信号26发送到PCS 500。气流响应来自PCS 500的输出信号30，通过控制阀28来控制。低的燃料气体压力通过燃烧器管理系统(BMS)34中的压力报警开关32a感测，并向PCS 500发送信号36a。优选地，还可以在管线内设置可视的压力计38。同样，高的燃料气体压力通过BMS 34中的压力报警开关32b感测，并向PCS 500发送信号36b。由于天然气的质量和成份会有明显变化，影响燃烧所需的气体量，优选地，引入气体的单位生热热值40被确定，并提供42到PCS 500。

当燃烧器12供油时，油流速率同样可以通过跨过孔板流量计46的压降44来控制和监视，将信号48发送到PCS 500，并且响应来自POS 600的输出信号，通过控制阀50控制。高的和低的燃油压力会被报警51、53，相应的信号55、57通过BMS 34被发送到PCS。燃油可以通过三路电磁阀54和回流管线56再循环，以防止当燃烧器12以气体为燃料时或被关闭时在供料管线58中出现滞流和沉积。

在目前优选的操作模式中，油喷入燃烧器以及其燃烧是由从蒸汽源60经由管线62的蒸汽喷射帮助进行的。蒸汽喷射压力根据供油压力，由不同的控制阀64进行控制，当由供油管线58中的控制阀66控制时，两个阀通过管线68连接起来。响应BMS 34，通过阻流阀70控制蒸汽流。蒸汽流低压报警器61通过BMS 34向PCS发送信号63。另外，低抽吸压力条件被报警65，并通过BMS 34向PCS发送信号67。

用于燃烧器12的引火系统72通过管线74将供应装置18的气体吸入与燃烧器12相邻设置的点火器76。火焰检测器系统78确定在燃烧器中的引火被点燃。气体流由第一和第二阀80控制，并向PCS发送信号81。BMS 34通过PCS与检测器系统78连通，如果点火未被确认，PCS就向BMS 34发送信号79，使引火气体流通过阀82排放到大气中。

经由管线85从空气源84向助燃空气风扇14供应空气。对引入空气的温度和绝对湿度进行测量86、87，并发送88、89到PCS。风扇速度90通过来自PCS的信号92来设置。对总空气流量进行计量94，并向PCS发送信号96。对来自风扇14的低的输出压力进行感测98，并通过BMS 34向PCS发送信号100；类似地，对风箱102中的压力进行感测104，并且也向PCS发送105。风扇14向燃烧器12提供主、副和调整空气，每种空气的流量都分别通过电动机械空气气流调节器(空气风门)106、108和110进行计量，这些气流调节器的位置分别由PCS输出112、114和116控制。

风扇14还设置有限制控制器和报警器。BMS 34确定鼓风机电机起动器控制继电器118的闭合并向PCS传递运行触点信号120。BMS 34还确定鼓风机电机起动器122是否被赋能和向PCS传递鼓风机故障触点信号124。

燃烧器12的排放通过锅炉烟道126释放到大气中。优选地，辅助排放器鼓风机128将空气释放到烟道126中，以确保其中为正向流。鼓风机128的速度由来自PCS的信号130设置；类似地，排放器气流调节器132的位置由PCS信号134设置。在烟道126中，对数个排放参数进行感测并向PCS传递，包括烟道底部温度134、136，烟道出口温度138、140，烟道NO_X 142、144，烟道CO₂ 146、148，烟道CO 150、152，烟道O₂ 154、156。烟道排放速度由引火管道155感测，并向PCS发送157。其他烟道参数的测量，例如烟道SO_X和烟道VOC，虽然在此没有详细说明，但通过本发明，也完全可以领会。

通过助燃空气风扇使部分烟道排放废气再循环到燃烧器中以调节燃烧和/或燃烧残留碳氢化合物，这在本领域中是已知的。在本实例中，管线158从锅炉烟道126经由烟道气再循环气流调节器160延伸到风扇14的入口。响应由引火管道164测量并由信号166发送到PCS的烟道气流量测量结果，通过来自PCS的信号162设置气流调节器160的位置。对传递到风扇中的烟道气的温度进行感测168，并向PCS发送170。

由水源172对锅炉锅筒16供以补给水。水流可以在经由管线174通向锅筒16的直接水流和经由管线176穿过设置在锅炉烟道126中的热交换器178的交替流之间分流，其中废热用来对流入锅炉的水预热，然后两个流汇集成一条管线180。经过热交换器178的流量通过跨过孔板流量计182的压降进行测量，将流量信号184向PCS发送，并且响应来自PCS的信号188，通过控制阀186进行调节。对穿过热交换器178的水的入口和出口温度190、192进行测量，并向PCS发送相应的信号194、196。响应来自PCS的信号200，通过阀198，经由管线174对水旁路热交换器178进行控制。补给水的总流量通过跨过孔板流量计202的压降进行计量，将流量信号204向PCS发送，并响应来自PCS的信号208，通过控制阀206进行调整，以保持锅炉中的水位。微分传感器(differential sensor)207向PCS提供水位信号209。优选地，需要正压型仪表空气供应装置221的锅炉中多余的高/低位开关210也能不依赖于计算机而控制阀206。开关210还分别经由BMS 34，通过PCS与高和低位211、213连通。对补给水温度和压力进行感测212、214，并分别向PCS发送信号216、218。低的传感器220监视过低的水位，以防止在水流故障的情况下对锅炉造成损害，并通过BMS 34向PCS发送信号222。锅筒压力在仪表224上可视地示出，通过转换器226感测，并向PCS发送228。如果跳闸，高压安全开关230还通过BMS 34与PCS连通232。

锅炉16中产生的蒸汽通过蒸汽管线234排出到蒸汽主管236中。流入主管236中的蒸汽通过孔板流量计238进行计量，将其流量值信号240向PCS发送242。对主管中的蒸汽压力进行感测244，并向PCS发送245。主管236中的低压触发低蒸汽压力触点246，并向PCS发送信号248。

在用来控制刚刚描述过的锅炉系统的方法中，首先该过程的特征在于通过在所有可能的过程因子组合下临时运行该过程，输入控制可变的设定(优选地，对于每个输入执行机构的设定，是从一个极端到另一个极端)，并记录在每种过程运行组合下产生的所有相关的过程输出参数的过程输出值，产生独特的多维矩阵(multi-dimensional matrix)，其可以显示为二维查询表。每个输入执行机构限定了矩阵的一个维度。所有未能运行系统的输入组合(例如燃烧器未能维持火焰)都被从查询表中删除。另外，所有产生特定范围之外的输出参数值的输入组合都被从查询表中删除。因此，所有在表中保留的输入组合都能操作该过程，并能导致可接受的输出值。

在图2a、2b和2c中所示的实例中，矩阵化的输入执行机构信号至少为燃油流48和/或燃气流26、总空气流96、主空气流112、副空气流114、调整空气流116、以及燃料气体再循环空气流166。可以应用偏离因子，诸如燃料的生热热值42、空气绝对湿度89、再循环烟道气温度170、补给水流量204以及补给水温度218。测量和记录的输出参数至少为蒸汽流量242、蒸汽压力248、烟道出口温度140、烟道NO_X 144、烟道CO₂ 148、烟道CO 152、烟道O₂、锅筒压力228以及风箱压力105。

优选地，每个执行机构都从其操作范围的0至100％以离散的步级变化，并且在每个步级都记录输出值。优选地，每个步级在操作范围的约1％到约50％之间。(注意，对于开关条件，操作范围明显是从0％到100％的单个步级，中间没有步级。)刚才描述的七个控制执行机构导致七维矩阵，这种矩阵至少在原理上可以表达为非常大的电子数据表或查询表。这种电子数据表很容易通过商业上可获得的计算机进行访问和检索，如果每个执行机构以例如10％的增量进行调整，那么得到的矩阵就有107种可能的组合，要产生这些组合看起来是可怕的。然而，沿每个矩阵维度(matrix dimension)，当过程变成非函数的(non-functional)或者一个输出参数超出范围时，其余的维度不再计算。因此，数值的实际表格会变得相对较小。

在建立起特定的查询表后，根据本发明的用来操作该过程的方法如下所述。

首先，选定主要过程输出过程参数，优选为蒸汽流速242，并将该参数的目标值描述为用于过程控制系统500的主要控制设定点。对于控制蒸汽锅炉系统，蒸汽流速242优于蒸汽压力248，因为在过程状态方面流速可以提供更多可感测的反馈；在反应为蒸汽主管压力的变化之前流速就可以明显地改变。当然，查询表没有区别输出参数，因此在原理上，只要需要，过程基于任何其他的这类参数，完全可以等同地控制。如果查询表中的几个输入执行机构设定的组合可以满足主控制设定点(蒸汽流242的目标值)，那么根据另外的输入标准，例如燃料流48和/或26的最小值，可以在这些组合中进一步选择，以达到用于过程控制的执行机构设定的优化组合。

选定最佳组合后，按照那些输入设定来驱动(例如驱动电机或其他致动器)执行机构(例如调节输入变量的阀和气流调节器)。如上面提到的，与现有技术的起动形成对比的重要一点是，所有的输入控制执行机构在一开始时就直接设置在从查询表中选定的优化或接近优化的输入值，而不是开始于任意的设定。因而过程控制开始于或非常接近于优化设定。在另一方面，现有技术的起动最终会接受任何设定的组合，这些设定的组合提供设定点蒸汽流的值，但是达到的受控组合同样也是优化的用于燃料消耗组合的可能性却非常低。

当然，在本控制方法中，所要求的设定点值可以不精确对应于表中的离散输入值，在这种情况下，正确的输入设定可以通过用于相邻的并列(定标，bracketing)输出值的相邻的并列设定之间的线性插值来推知。

在执行机构设置在其正常的初始位置后，该机构在PCS 500中通过闭环控制中的输出驱动信号和输入状态信号进行动态控制。虽然适度水平的过程控制可以从向前的该点使用传统的PID控制来进行，但是采用改进的反馈控制逻辑，如下所述，使用所要求的主输出值(蒸汽流)作为控制器输入设定点，优选使用过程输出与时间的函数来重新计算和调节驱动信号，使过程进入控制，这是非常可取的。

改进的过程控制逻辑为过程速率时延(PROcess+RAte+TIme+Delayed)，文中以字母缩略词PRORATID表示。根据本发明的一种改进的控制器可以通过算法非线性地调节其输出，以对控制装置进行补偿。例如，如果阀不能随电信号的线性变化而线性打开，那么PRORATID控制器就可以对其本身的输出进行非线性化(de-1inearize)，使阀可以受控打开，从而使流量与输出百分比成线性。例如，对于具有非线性流函数的阀，改变控制器输出，以反相模拟阀的流量函数，从而使PRORATID控制输出增加10％就会使管道中的流量增加10％。

另外，PRORATID控制器可以调节其输出速度以与系统中的任何其他装置的输出同步或匹配。例如，如果系统中的第一阀可以在10秒内从靠近打开处离开，而第二阀需要30秒，那么控制第一阀的输出就要慢下来，使第一和第二阀以相同的速率(较慢的第二阀的速率)变化，从而使通过两个阀的流率在流量转换过程中保持不变。

蒸汽锅炉系统如此操作和控制会产生特定的蒸汽流，并可以满足所有其他的输出目标，同时使用最小的燃料流量。现有技术的锅炉系统利用本发明的方法和装置进行改造和控制后，在随后的运行中有望节省燃料20％以上。

虽然本发明参照各种具体实施例进行了描述，可以理解，在不脱离所述本发明原理的精神和范围的情况下可以进行各种改变。因此，本发明并不限于所描述的实施例，而是拥有权利要求书的语言所限定的全部范围。