一种燃料水分对锅炉负荷影响进行修正控制的方法

摘要

生物质燃料的水分含量是燃料性质中变化最频繁、波动范围最大、对锅炉负荷影响最大的影响因素，本发明提出了一种基于生物质燃料水分含量对锅炉负荷影响进行修正控制的方法，首先根据标定出燃料的低位发热量随水分含量的变化曲线，然后根据实际测得的送风量、给料量和引风量计算得出燃料水分含量，再根据标定曲线得到投入到炉膛中的燃料所能提供的热量。以此热量为控制器的反馈值，以锅炉运行负荷下所需热量为控制器的设定值，经过PID运算得到燃料水分修正系数，修正给料机转速。通过实现对生物质燃料量实时准确的控制，消除锅炉负荷随燃料水分含量的波动，保证锅炉的安全稳定运行，提高锅炉运行效率。

说明书

技术领域

本发明属于热工控制领域，具体涉及一种基于生物质燃料水分含量对锅炉负荷影响进行修正控制的方法。

背景技术

1.生物质燃料性质的不稳定

生物质燃料成分的组成与煤相似，都包含了水分、灰分、挥发分和固定碳。几种常见的生物质燃料的工业分析及热值如下表1所示。表1中的生物质燃料水分含量并不高，但是这是经过干燥的设计燃料样品，电厂实际采用的燃料水分并没有这么理想。

表1 生物质燃料工业分析(％)和热值(kJ/kg)

 

种类水分灰分挥发分固定碳高位热值稻草4.9713.8665.1116.0616329稻壳4.7015.869.3010.2014679玉米秸4.875.9371.9517.7517794麦秸4.938.9067.3619.3517769棉花秸6.873.9768.5420.7116460松木6.250.7678.9514.0420400

由于生物质燃料的结构比较松散，孔隙率和比表面积大，同时生物质各组分都有较好的吸水性，因此生物质燃料的水分含量变化很大。刚采伐的木材或者刚收获的秸秆水分可达50～60％，经过自然干燥后可以降到10％以下，但是遇到雨季或者空气湿度很大时，生物质燃料的水分又会有较大升高。表2为某秸秆发电项目实际采用燃料的水分和热值。

表2 某秸秆发电项目燃料水分和热值

 

燃料燃料1燃料2燃料3燃料4水分(％)14.172433低位热值(kJ/kg)1468016024.6712439.2510845.73

目前生物质电厂并不配备电加热干燥设备，这主要因为配备电加热干燥设备会增加项目投资和电厂用电成本，而且一种干燥设备可能不能适应不同的燃料，因此生物质燃料入炉燃烧前只通过晾晒进行干燥处理，如果天气不理想，或者在收购燃料过程中处理不规范，那么燃料的水分含量就很可能在很大的一个范围内波动，甚至可能会接近或者超出40％这一锅炉设计的燃料水分高限。从表2可知燃料的水分与燃料的热值密切相关。水分的变化造成燃料热值的波动，进而导致投入炉膛的热量不稳定，这不利于锅炉给料量的自动控制，容易造成锅炉负荷的波动。

2.生物质燃料水分变化对锅炉控制的影响

目前，生物质电厂采用机跟炉的控制方式，机组负荷由锅炉决定，电厂锅炉负荷的控制原理如附图1所示。运行人员通过调整负荷设定点确定锅炉负荷，经过斜坡函数防止负荷阶跃变化。在使用设计燃料的情况下，控制系统根据设定负荷由函数f₁(x)、f₂(x)计算出该负荷下对应的给风量和主蒸汽流量，其中x为锅炉负荷。在锅炉出口测量的实际主蒸汽流量作为反馈，与函数f₂(x)的输出(计算蒸汽量)进行比较，经过比例积分微分控制器(PID)计算出给风量调整系数，与函数f₁(x)的输出(计算给风量)相乘，进行给风量的闭环控制。控制系统根据锅炉负荷直接确定给料机的转速(给料量)并由函数f₃(x)计算出该负荷下对应的尾部烟道氧量，其中x为锅炉负荷，在烟道省煤器出口测量实际氧量作为反馈与函数f₃(x)的输出(计算氧量)进行比较，经过PID控制器计算出给料量调整系数，与给料量相乘进行给料量的闭环控制，保证风料配比处于最佳状态。

为了保证锅炉系统的高效稳定运行，控制系统还包括炉膛压力控制、燃料分配控制、送风分配控制、过热蒸汽温度控制和汽包水位控制等部分。这几部分自动控制的投入使锅炉按照设计的燃烧方式组织燃烧，使主蒸汽的温度、压力符合设计的要求，使锅炉的汽水系统保持平衡、保持汽包水位在合理的位置，保证锅炉在安全高效的状态下运行。

当生物质燃料的水分与设计燃料有较大差异时，则容易产生入炉热量的波动以及燃烧的不稳定等情况。当生物质燃料中水分增加引起燃料热值下降，控制系统仍按照设计燃料计算给料量就会造成入炉热量的降低，必然导致锅炉实际出力不足的情况。如果等到锅炉的蒸汽量下降时再调节给风量或者尾部烟道氧量上升再增加给料量，由于锅炉系统的大惯性迟滞特性，这个过程会经历比较长的时间，导致锅炉负荷有较大波动，使锅炉运行效率降低。可见，生物质燃料的水分含量是燃料性质中变化最频繁、波动范围最大、对锅炉的稳定运行与控制影响最大的因素。

发明内容

本发明提出了一种燃料水分对锅炉负荷影响进行修正控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构造一个关于热量的闭环比例积分微分控制器(PID)来修正生物质燃料锅炉的负荷控制系统，以锅炉运行负荷下所需的热量为所述控制系统的设定值，此含水的生物质燃料所能提供的热量为所述控制系统的反馈值，经过PID运算得到生物质燃料水分的修正系数，修正给料机转速从而调整给料量，使得所述控制系统能够及时准确的对生物质燃料的变化做出实时反应，稳定锅炉负荷；

(2)根据实际测得的送风量、给料量和引风量计算得出生物质燃料的水分含量，实现对生物质燃料水分的实时监测；

(3)利用生物质燃料的水分含量与该生物质燃料的低位热值近似线性的关系，标定出生物质燃料发热量随水分含量的变化曲线，根据水分含量计算出生物质燃料实时的热值，得到入炉的生物质燃料所提供的热量；

(4)根据能量平衡计算锅炉运行负荷下所需的热量；

(5)以锅炉运行负荷下所需热量为控制器的设定值，此含水的生物质燃料所能提供的热量为控制器的反馈值，进行PID运算，得到水分修正系数，将水分修正系数与给料机转速指令相乘，实现锅炉给料量根据生物质燃料的水分含量做出实时准确的调整。

本发明的优点为，在不影响原自动控制系统的正常运行的前提下，仅在原来的控制系统中做很小的改动，即根据锅炉运行参数与燃料水分含量的关系以及燃料水分含量和低位发热量的关系，构造了一个关于热量的闭环PID控制器，从而实时的准确的对给料机的转速进行调节。这使得控制系统能够及时准确的对燃料的变化做出实时反应，提高控制系统的效率，改善控制的效果，在很大程度上消除锅炉负荷随燃料水分含量的波动，有利于稳定锅炉负荷，提高锅炉运行效率。

附图说明

图1是生物质燃料锅炉负荷控制原理图

图2是部分生物质燃料的低位热值和其水分含量的关系图；

图3是生物质燃料锅炉负荷控制的水分修正控制的原理图。

具体实施方式

本发明针对生物质燃料水分含量对锅炉负荷控制造成的不良影响，引入生物质燃料水分含量作为改进锅炉负荷控制的切入点，根据燃料水分和热值的关系，构造一个关于热量的闭环PID控制器，如附图3所示。根据锅炉负荷可计算出将锅炉给水加热到额定参数所需要的热量，将此热量作为闭环控制的设定值；根据设计燃料的性质以及锅炉设计结构参数，由现场采集锅炉的给料量、送风量和引风量，利用热力学计算方法计算出生物质燃料的水分含量，再根据燃料水分含量和低位发热量的关系计算出所投入的燃料所能提供的热量，将此热量作为闭环控制的反馈值；PID控制器输出一个燃料水分修正系数，对锅炉给料量进行修正，使锅炉负荷所需热量与投入炉膛燃料所提供的热量相平衡，消除锅炉负荷随燃料水分含量的波动，保证锅炉的稳定运行，提高锅炉运行效率。

依据本发明的一种对锅炉负荷影响进行修正控制的方法，具体步骤如下：

1.锅炉在某负荷下所需的热量

锅炉的负荷即在额定蒸汽参数下蒸汽的流量，根据能量平衡关系式(1)就可以计算出在某一个锅炉负荷与运行工况下，锅炉所需要吸收的热量。

B·Q_DW·η＝D_gri_gr+D_pwi_pw—(D_gr+D_pw)i_gs       (1)

式中B为燃料量，Q_DW为燃料的低位发热量，η为锅炉效率，D_gr、i_gr为主蒸汽的流量和焓，D_pw、i_pw为排污水流量和焓，i_gs为给水焓。等式右边为主蒸汽吸收的热量与排污水吸收的热量，即锅炉的有效吸收热量，等式左边为燃料燃烧放出的热量与锅炉效率的乘积，即燃料释放的有效热量。等式右边的各个流量和焓以及锅炉效率都可以直接测量或者计算得出。因此，根据(2)式得到的B·Q_DW即为闭环控制器的设定值。

此小结运算过程即为附图3中函数f₄(x)的内容，函数以锅炉负荷为输入，以所需热量为输出。

2.生物质燃料收到基水分的计算

根据锅炉设计规范可以得到在设计燃料的空气干燥基以及炉膛烟道的漏风系数。

设计燃料空气干燥基   M_sj C_sj H_sj O_sj S_sj N_sj A_sj         ％

实际燃料收到基       M_sd C_sd H_sd O_sd S_sd N_sd A_sd          ％

其中M为燃料水分含量，C为炭元素含量，H为氢元素含量，O为氧元素含量，S为硫元素含量，N为氮元素含量，A为灰分含量。角标sj表示设计燃料空气干燥基，sd表示实际燃料收到基。实际燃料的收到基与设计燃料的空气干燥基有如下关系

X_sd＝X_sj*(100-M_sd)/(100-M_sj)                       ％    (2)

炉膛烟道漏风系数：Δα

炉膛入口过量空气系数：α_in

锅炉出口过量空气系数：

α_out＝α_in+Δα                                                  (3)

锅炉燃料量：B                                     kg/s

空气密度：ρ_a＝1.29                                kg/m³

理论空气量：

V₀＝0.0889(C_sd+0.0375S_sd)+0.265H_sd-0.0333O_sd      Nm³/kg        (4)

送风机质量流量：

V_sf＝V₀*α_in*B*ρ_a             kg/s                              (5)

三原子气体产物：

$\left(\begin{array}{cc}{V}_{{\mathrm{RO}}_2}=1.866(C_{\mathrm{sd}}+0.375S_{\mathrm{sd}})/100& {\mathrm{Nm}}^3/\mathrm{kg}\end{array}\right)---\left(6\right)$

理论氮气：

$\left(\begin{array}{cc}{V_{N_2}}^0=0.79V_0+0.8N_{\mathrm{sd}}/100& {\mathrm{Nm}}^3/\mathrm{kg}\end{array}\right)---\left(7\right)$

理论水蒸气：

$\left(\begin{array}{cc}{V_{H_{2}O}}^0=0.111H_{\mathrm{sd}}+0.0124M_{\mathrm{sd}}+0.0161V_0& {\mathrm{Nm}}^3/\mathrm{kg}\end{array}\right)---\left(8\right)$

理论烟气体积：

$\left(\begin{array}{cc}{V_y}^0=V_{{\mathrm{RO}}_2}+{V_{N_2}}^0+{V_{H_{2}O}}^0& {\mathrm{Nm}}^3/\mathrm{kg}\end{array}\right)---\left(9\right)$

实际水蒸气：

$\left(\begin{array}{cc}{V_{H_{2}O}}^0={V_{H_{2}O}}^0+0.0161({\alpha }_{\mathrm{in}}-1)V_0& {\mathrm{Nm}}^3/\mathrm{kg}\end{array}\right)---\left(10\right)$

实际烟气体积：

V_y＝V_y0+(α_in-1)V₀+0.0161(α_in-1)V₀     Nm³/kg               (11)

烟气体积流量：

D_V＝V_Y*B                              Nm³/s               (12)

根据烟气成分可以求得烟气密度：ρ_y                 kg/m³

烟气质量流量，即引风机质量流量：

D_M＝D_V*ρ_y                                         kg/s     (13)

联立式(2)～(13)可知，在现场采集给料量、送风质量流量和引风机质量流量后，就可以计算得到实际燃料收到基的水分。

3.生物质燃料水分与低位发热量的关系

试验证明，燃料的低位发热量和水分有密切关系，在燃料不变的情况下，低位发热量可以由(14)式通过计算得出：

Q_DW＝Q_GW—25(9H+W)         (14)

其中Q_GW为高位发热量，Q_DW为低位发热量，H为燃料的氢元素含量，W为燃料的水分含量。在燃料水分含量在一定范围内波动时，燃料的Q_GW和H的变化都相对较小，而Q_DW随W的变化近似成线性关系。附图2为部分生物质燃料的低位热值和其水分含量的关系，从图中可以看出，随着燃料水分的增加其低位发热量呈下降趋势并基本按线性规律变化。

因此在电厂燃用某种特定燃料的情况下，可以人为的在燃料样品中加入水分，通过试验的方法测得该燃料样品的低位发热量，标定出对于该种燃料，其水分含量与低位发热量的曲线关系。那么在计算得到生物质燃料水分含量的情况下，可以通过标定的曲线得到燃料的低位发热量变化。此热量与锅炉给料量相乘即为闭环控制器的反馈值。

第2和第3步运算过程即为附图3中函数f₅(x)的内容，函数以锅炉燃料量、送风机质量流量和引风机质量流量为输入，以燃料提供的热量为输出。

4.燃料水分修正系数

PID控制器输出一个值在1左右的系数，称之为燃料水分修正系数。此系数与原控制系统中的给料量指令相乘，修正给料机的转速。当计算得到燃用燃料的水分含量大于设计燃料水分含量时，燃料所提供的热量小于为保持该负荷所需要的热量，PID输出燃料水分修正系数大于1，提高给料机转速，增加给料量，使入炉热量满足负荷的需求。反之，则PID输出燃料水分修正系数小于1，降低给料机转速，减少给料量。

综上所述，本发明构造了一个关于热量的闭环PID控制器来修正生物质燃料锅炉负荷控制系统。首先根据附图2标定出燃料的低位发热量随水分含量的变化曲线，然后根据实际测得的送风量、给料量和引风量计算得出燃料水分含量，再根据标定曲线得到投入到炉膛中的燃料所能提供的热量。以此热量为控制器的反馈值，以锅炉运行负荷下所需热量为控制器的设定值，经过PID运算得到燃料水分修正系数，修正给料机转速。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。