專利名稱：用推理傳感器進行燃燒優(yōu)化的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于鍋爐控制的基于模型的預控制技術。更具體地，本發(fā)明涉及在瞬態(tài)過程中對空氣和燃料的協(xié)調，用來提高效率并最小化NOX的產生。
背景技術：
燃燒空氣控制的經典方法是應用對煙道氣中氧氣濃度的測量來對燃燒空氣量進行反饋控制。這種反作用方法不能保證在快速的瞬態(tài)過程中實現(xiàn)精確的空氣/燃料比。雖然標準的空氣/燃料互鎖關系提供了可接受的穩(wěn)態(tài)性能，但基于傳統(tǒng)控制器的技術方案在瞬態(tài)過程中不能令人完全滿意，比如，當用于循環(huán)式操作的鍋爐時，特別是，如果采用以降低空氣過量來進行低NOX的燃燒時。
許多專利描述了通過對燃燒進行分析來提高性能的方法，Lang的美國專利5367470是其中之一。該專利集中于對燃料中假設的水濃度進行反復調整，直到效率的實際值與計算值達到穩(wěn)態(tài)。Okazaki等人的美國專利5764535利用爐中的二維或三維的單元作為系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)使用一個氣體成份表來簡化計算。Carter的美國專利5794549利用燃燒器的多元性(plurality)形成火球來對燃燒進行優(yōu)化。類似的，Khesin的美國專利5798946將信號的波動性成分轉化成一個極值點。
Chappell等的美國專利5520123和Donais等的美國專利5626085都公開了涉及NOX的系統(tǒng)，分別應用了對后燃燒器進行的氧氣注入和空氣室/燃燒室之比。Waltz的美國專利5091844和Blumenthal等的美國專利5496450都涉及與傳感器反饋相關的控制方法。最后，Stevers等的美國專利5501159教導了帶有多個腔和空氣流的夾套容器的應用。
沒有一種現(xiàn)有技術認識到基于模型的預控制技術在鍋爐控制上應用的潛力，該技術可以實現(xiàn)對所選取的受控變量進行嚴格動態(tài)協(xié)調，特別是在瞬態(tài)過程中對空氣和燃料的協(xié)調。
如果能夠發(fā)展一種預控制技術，能夠照顧到鍋爐相對快速的動態(tài)特性和由工廠生存期因素所決定的比例限制，則其在本領域中將具有巨大的優(yōu)越性。
如果能夠發(fā)展一個系統(tǒng)，其集中于動力和熱量的產生，應用預控制技術和比例優(yōu)化控制來對所選取的控制變量進行嚴格動態(tài)協(xié)調，其結果是提高了鍋爐效率并降低了NOX的產生，那也將是本領域中的一個重大進步。
其它優(yōu)越性將在后面顯示。
發(fā)明概述現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)可用如下方式來實現(xiàn)本發(fā)明如前所述的和其它的目標。具體地，本發(fā)明利用了推理性的傳感來估計燃燒空氣的總量，從而用于對煤粉鍋爐和使用其它燃料的其它鍋爐系統(tǒng)中的空氣/燃料比進行預控制。本發(fā)明可用于任何燃料燃燒系統(tǒng)，并已被發(fā)現(xiàn)特別適用于煤粉鍋爐。
通過對鍋爐中總的空氣，而不僅僅是測得的加入鍋爐的燃燒空氣，之間的關系進行估計，可以用預控制器來控制空氣的量。因為系統(tǒng)不必等待從對排出廢氣的分析中得到的實時反饋，所以能得到快速瞬態(tài)過程中的空氣/燃料比。本發(fā)明允許系統(tǒng)使用最小的必需過量空氣，從而提供了低的NOX產生，并使效率提高至少1％。本發(fā)明意圖應用所謂的謹慎優(yōu)化(謹慎優(yōu)化涉及CO和NOX的不確定性)，其中從空氣源進入系統(tǒng)的空氣，除被直接控制和測量的輸入之外，其不確定性通過在煙道氣中測量的O2濃度被推理性的感知和估計，所述煙道氣代表了鍋爐中所有的空氣。
附圖的概括描述為了更徹底地理解本發(fā)明，請參照附圖，其中附圖是與鍋爐一起使用的具有空氣/燃料設定點同步協(xié)調的主壓力控制器的示意圖。
優(yōu)選實施例的詳細描述本發(fā)明的控制器系統(tǒng)基于預控制技術?？紤]到鍋爐相對快速的動態(tài)特性及由工廠生存期因素所決定的比例限制，本發(fā)明集中于在動力和熱的產生操作上。在使用預控制技術和比例優(yōu)化控制(ROC)之后，下一步的基本設想是對所選擇的受控變量進行緊密動態(tài)協(xié)調。
附

圖1描述了MIMO ROC控制器11在使用同步燃燒(空氣/燃料比)優(yōu)化進行壓力控制中的典型應用。在附圖1中，空氣和燃料被輸入到鍋爐13，燃料(煤粉)輸入15和第一空氣輸入17由控制器11所控制。除了這兩個構成鍋爐中空氣/燃料比的基本因素之外，還應用第二空氣動態(tài)輸入19和，在適當時，第三空氣動態(tài)輸入21作為鍋爐控制的一部分。
在被控制和測量的空氣(所測第一、第二、第三空氣輸入之和)之外還有鍋爐周圍的空氣，其不是有意引入的空氣，它們是鍋爐在接頭、接縫和其它機械部分進入鍋爐的空氣。已知對系統(tǒng)中總的空氣進行測量是燃燒過程優(yōu)化控制的基礎。雖然對進入鍋爐的空氣進行測量是不可能的或不實際的，但是測量從煙道23中排出鍋爐作為煙道氣一部分的空氣量則是相對容易的。此煙道氣中含有大量的CO和NOX，還有O2，并被傳感器25所記錄。控制器11計算在燃燒過程中的空氣的總量。根據燃燒中總的空氣和通過測量空氣輸入17、19和21而得到的已知空氣輸入，可以計算出附加的或吸入的空氣的值。
基于得到的和計算的數(shù)據，調節(jié)空氣/燃料比中被控制的部分，即燃料輸入15和總的空氣輸入17、19和21，來反映在23和25所示的該計算的附加空氣量以對燃燒進行優(yōu)化，從而程度顯著地產生了更少的NOX并提高了鍋爐的效率。
為了展示本發(fā)明的功效，在商品化鍋爐上進行了實驗。性能試驗是在使用煤粉作為燃料的商品化鍋爐系統(tǒng)上進行的，產生了標稱流量為125噸/小時的過熱蒸汽。
下面表1與表2中所提供的是本發(fā)明實行之前和之后的實驗結果。其中固定不變的有鍋爐本身，用取自商業(yè)來源的煤粉(對其含水量做了調節(jié))作為燃料、和用于調節(jié)空氣/燃料比的控制設備。變化的是使用傳感器來確定煙道氣中的多余氧氣，而其又被控制設備所使用來調節(jié)空氣/燃料比，所包括的是所有的空氣，而不只是輸入的空氣。
表1鍋爐性能，NOX的產生使用現(xiàn)有技術測量的空氣 使用本發(fā)明估計的總空氣最大在340mg/m3最大在280mg/m3范圍為200-500(mg/m3)范圍為150-50(mg/m3)這樣，NOX的產生幾乎減少了20％，從平均值為340mg/m3下降到280mg/m3。
表2鍋爐性能，效率使用現(xiàn)有技術輸入的空氣 使用本發(fā)明總的空氣最大在88.1％ 最大在88.8％范圍87-89％ 范圍88-89.5％效率提高了近1％，在經濟上獲得了相當程度的節(jié)約，而當其與如上所述的污染物的減少相結合時更顯出這是特別重要的。
盡管本發(fā)明特別的實施方案已被圖解和描述，但除了在后面的權利要求中所限定的之外，并不意圖對本發(fā)明做出限制。
權利要求
1.一種控制在產生煙道氣的鍋爐中的燃料燃燒的方法，包含如下步驟提供燃料源；提供空氣源；提供用于控制送入所述鍋爐的空氣/燃料比的控制器；測量煙道氣中的氧氣含量；基于煙道氣中的氧氣的量來計算進入所述鍋爐的空氣的總量；和調節(jié)空氣/燃料比，使之包括計算的空氣輸入和來自所述空氣源的測量的空氣輸入；借此改善了效率和NOX的產生。
2.權利要求1的方法，其中空氣/燃料比被調節(jié)來優(yōu)化效率。
3.權利要求1的方法，其中空氣/燃料比被調節(jié)來最小化NOX的產生。
4.權利要求1的方法，其中所述燃料是煤粉。
5.一種用于在產生煙道氣的鍋爐中的燃料燃燒的系統(tǒng)，包含用于在所述鍋爐中燃燒的燃料源；用于在所述鍋爐中與所述燃料一起燃燒的空氣源；用于控制輸入所述鍋爐的所述空氣源與所述燃料源之間比例的控制器；和用于測量在煙道氣中所提供氧氣的傳感器；所述控制器適合基于煙道氣中的氧氣量來計算進入所述鍋爐的空氣總量以控制空氣/燃料比，使之包括計算的空氣輸入和從所述空氣源的空氣輸入。
6.權利要求5的系統(tǒng)，其中所述燃料是煤粉。
7.權利要求5的系統(tǒng)，其中空氣/燃料比被調節(jié)來優(yōu)化效率。
8.權利要求5的系統(tǒng)，其中空氣/燃料比被調節(jié)來最小化NOX的產生。
9.一種用于在產生煙道氣的鍋爐中的燃料燃燒的系統(tǒng)，包含用于向所述鍋爐提供用于燃燒的燃料輸入的燃料源設備；用于向所述鍋爐提供與所述燃料一起進行燃燒的空氣輸入的空氣源設備；用于控制所述空氣輸入與所述燃料輸入之間比例的控制器設備；和用于測量在所述煙道氣中所提供氧氣的傳感器設備；所述控制器設備適合基于煙道氣中的氧氣量來計算進入所述鍋爐的空氣量以控制空氣/燃料比，所包括的是計算的空氣輸入和從所述空氣源的空氣輸入。
10.權利要求9的系統(tǒng)，其中所述燃料為煤粉。
11.權利要求9的系統(tǒng)，其中空氣/燃料比被調節(jié)來優(yōu)化效率。
12.權利要求9的系統(tǒng)，其中空氣/燃料比被調節(jié)來最小化NOX的產生。
全文摘要
用于燃料在生成煙道氣的鍋爐中燃燒的方法和系統(tǒng)。鍋爐包括燃料源、空氣源和用于控制輸入鍋爐的空氣源和燃料源之間比例的控制器。使用傳感器來測量在煙道氣中氧氣的濃度?？刂破鬟m合基于煙道氣中氧氣的量來計算進入所述鍋爐的空氣量，從而調節(jié)空氣/燃料比，所包括的是計算的空氣輸入和從所述空氣源的空氣輸入。優(yōu)選的燃料是煤粉。該方法和系統(tǒng)提供了可調節(jié)的空氣－燃料比，來對效率進行優(yōu)化并最小化NO
文檔編號F23N1/02GK1541315SQ02815808
公開日2004年10月27日 申請日期2002年6月13日 優(yōu)先權日2001年6月15日
發(fā)明者V·哈勒納, V 哈勒納 申請人:霍尼韋爾國際公司