專利名稱：蒸汽鍋爐燃燒控制的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種蒸汽鍋爐燃燒控制的方法，該方法確定溫度和至少一種在燃燒過程中生成的反應產物的濃度。本發明還涉及一種實施此方法的設備。
在蒸汽鍋爐內燃燒礦物燃料時，為不斷改進燃燒過程，尤其為了獲得均勻的蒸汽產量進行了大量工作。為了在盡可能少排放環境污染物(尤其是氮氧化物)和充分燃燒以及在低煙氣排放量和高效率的前提下達到優良的燃燒過程，必須按恰當的方式預調許多可能的調節參數。視為調節參數的主要有燃料的供給和分配或多種燃料時的混合比、空氣供給及其空間分布、燃燒用空氣的溫度和它的氧氣濃度、輔助燃料或其它用于降低氮氧化物濃度的添加劑的供給和/或用于調節燃燒溫度的蒸汽供給。通常通過恰當的燃燒方法亦即通過恰當的燃燒控制來實現要求。
鑒于調節參數眾多以及同樣大量的控制參數，所以在燃燒控制方面所涉及的是一種極為復雜的控制問題。因此，為解決此控制問題，一種建立在控制路程的數學模型基礎上和依賴實時測定測量值的控制方法，往往不能滿足要求。其原因主要是，在燃燒礦物燃料如煤或焚化垃圾時，燃料或混合燃料的化學成分變化很大，因此其熱值的變化范圍也很大。例如使用不同品種的煤作礦物燃料產生蒸汽時，或焚化垃圾時由于其成分不均勻，均導致熱值不穩定，這種不穩定對于環境污染物的排放和蒸汽產量均造成有害影響。在燃燒工業廢料時，在通常同時燃燒固體和液體以及氣態燃料時也都存在這些缺點。
考慮到由于對燃料的成分通常不清楚和對燃料的質量不能充分測量所帶來的不確定性，在現有技術中采用模糊技術進行燃燒控制。在“模糊邏輯”第二卷，R.Oldenburg出版社，1994年第189-201頁刊登的由C.vonAltrock、B.KrauSe、K.Limper和W.Schafer等人所著的論文“利用模糊邏輯控制垃圾焚化設備”中，介紹了這種控制燃燒的方法。在此已知的方法中，為了測量溫度采用了一種紅外照相機，以確定二維溫度場。然而不足之處在于，采用這種方法只能確定溫度，而不能測定燃燒時形成的煙氣的成分。除此之外，因為只是測量局部溫度，所以由于煙道成綹或歪斜而使測量結果不真實。這樣的溫度測量對于在各個燃燒器內或燃燒室某些部位的情況沒有給出任何信息，所以在這種已知的調節方法中沒有涉及在燃燒過程中表明空間分布特征的數據。
因此，為了進一步改進燃燒過程的燃燒控制或燃燒方法，了解溫度分布和在燃燒過程中生成的反應產物的濃度剖面，具有決定性的重要意義。這些信息可借助于放射光譜學由火焰的本征輻射中獲得。這種用于“實時多維光譜測量溫度和燃燒產物”的方法，在由F.Wintrich所著發表在“最新環保技術”，UTA 5/93第403至406頁中的論文“低污染物的燃燒方法”中作了介紹。這種方法通過比例高溫測量法確定溫度，而反應產物或燃燒產物的濃度則借助放射光譜學確定。在此已知的控制燃燒的方法中，控制參數是環境污染物的排放，其中只是通過恰當地添加輔助材料，例如通過添加NH3，和/或通過向各個燃燒器恰當地供應空氣，在控制技術上加以干預。
本發明的目的在于提供一種控制蒸汽鍋爐燃燒的方法，采用這種方法可使在燃燒時生成的環境污染物的排放盡可能低，與此同時可以獲得特別均勻的蒸汽量和盡可能高的設備效率。這些要求應在一種適合于實施此方法的設備中通過簡單的措施來實現。
本發明有關方法的目的是這樣實現的即根據空間溫度分布和濃度剖面，借助于模糊或神經模糊邏輯，確定若干要供入燃燒過程的反應混合物的成分的額定值。
對此，本發明以下列考慮為出發點依據快速的局部分布的三維溫度測量和燃燒產物濃度測量，借助于模糊邏輯，首先只是確定一些額定值，這些額定值隨后作為下一步傳統控制方法的控制參數，以便形成控制燃燒所需的調節信號。
為了在這種情況下能修正不同的和非常不穩定的燃燒值，最好確定要供入燃燒過程的燃料或混合燃料成分的額定值。在一種垃圾焚化爐中，這一額定值規定了要手動或自動供入燃燒過程的垃圾混合物。為了除此以外能獲得特別高的燃燒效率，最好確定另一個關于向燃燒過程供入空氣的額定值。
此外，最好確定一個關于向燃料加入添加劑的劑量的額定值。例如，在燃燒室內部的恰當位置通過添加準確計量的尿素，可以減少氮氧化合物的生成。試驗證明，為了增加O2濃度而添加氧氣，對于排放物和充分燃燒都帶來有利的影響。總之，通過恰當確定這種加入燃料的添加劑的劑量，可以達到非常低的環境污染物的排放。
按照一項合乎目的的進一步改進，由從燃燒過程采集的放射光譜以地貌圖形重現空間溫度分布和空間濃度剖面。通過計算機x射線斷層照相再現放射光譜可以構成有關空間溫度分布和反應產物濃度剖面的整體測量場圖像。由這些測量場或數據場可方便地推斷出各種具體特征，例如最大值的位置或某分布的形狀以及它們在空間的變化，并可用于確定額定值。
蒸汽鍋爐燃燒控制的設備包括一個燃燒室和一個與至少兩個用于從燃燒室采集放射數據的光學傳感器連接的數據處理系統。為達到所提出的設備方面的目的，本發明提供了一個與數據處理系統連接的調節裝置，它包括一個模糊調節組件或神經模糊調節組件，用于由放射數據確定若干要供入燃燒室的反應混合物成分的額定值。
在將模糊調節組件與神經元網結合時，可通過神經元網確定例如一些或所有模糊調節器的參數。通過相應的神經元網還可以確定模糊化的或解模糊化的相關函數，以獲得整體上特別有利的調節特性。
按照一種有利的設計，調節器包括另一個與模糊或神經模糊調節組件連接的調節組件。此另一個調節組件最好是一個傳統的調節器，用于形成控制向燃燒室供給不同反應物質的輸入裝置的調節信號。
為了能顯示出要供入燃燒過程的反應混合物的額定成分，數據處理系統與一個顯示器連接。顯示器顯示關于反應混合物成分的一個或每一個額定值，尤其是由多種成分組成的燃料成分的額定值。
為了能將各種在燃料室中參加反應的反應物質的量彼此分開地和獨立地調整，調節器分別通過一條控制線與用于輸入燃料的第一輸入裝置、與用于輸入空氣的第二輸入裝置以及與用于輸入一種添加劑的第三輸入裝置連接。
下面借助附圖詳細說明本發明的實施例，附圖中
圖1為一種燃燒控制的功能圖；圖2為用于確定燃燒控制用額定值的模糊調節器的功能圖。
在兩個圖中互相對應的部分采用相同的符號。
在一種圖中未示出的蒸汽鍋爐的燃燒室1中，例如在電廠設備的礦物燃料的蒸汽發生器中或垃圾焚化爐中，進行這種燃燒過程。光學傳感器2和3的專用照相機從燃燒室1檢測形式為放射光譜的放射數據D，并將它們輸入數據處理系統4。在數據處理系統4中，根據放射光譜并借助于計算機x射線斷層照相術的重現，計算出空間的溫度分布和燃燒時生成的反應產物例如NOx，COx，CH和O2的三維局部分解的濃度剖面。此外，通過比例高溫測量法確定溫度，借助放射光譜學確定燃燒產物的濃度，在這種情況下，計算機x射線斷層照相術重現的放射光譜提供整體測量場F。溫度分布和濃度剖面的這些測量場F被輸入調節裝置6的模糊調節組件5中。
此外，將表示溫度分布和燃燒過程反應產物濃度剖面特征的特征數據M輸入一個用于提取具體特征值的組件7。為此，從測量場F導出具體特征，例如最大值位置或分布形狀或它們的空間變化。這些特征數據M同樣在模糊調節組件5中進行處理。
此外，由額定值發生器8將額定值S以及由測量值檢測器9將與設備相關的測量值MW輸入給模糊調節組件5。在調節裝置6的模糊調節組件5中，根據測量場F和特征數據M，以及根據預定的額定值S和測量值MW，確定額定值SW1…SWn。
模糊調節組件5與調節裝置6的另一個下一級調節組件10連接。調節裝置6的此另一個調節組件10具有傳統的結構。它包括全部保證蒸汽鍋爐運行的調節回路，例如有關蒸汽功率、過量空氣、介質流量和轉速并用于控制所有影響燃燒過程的控制機構。為此，此傳統的調節組件10從模糊調節組件5得到額定值SW1…SWn作為主導參數，并形成第一個控制信號U1，用于控制輸入燃料和分配燃料的裝置11。除此之外，形成第二個控制信號U2，用于控制輸入空氣和分配空氣的裝置12，以及形成第三個控制信號U3，用于控制添加輔助材料或添加劑的裝置13，例如添加用于降低NOx的尿素或加濃O2的氧氣。通過將控制裝置6與裝置11、12和13連接的控制線14、15和16實現上述控制。
表明燃燒室1內溫度分布和反應產物濃度剖面特征的測量場F以及特征數據M被顯示在顯示器17上，此顯示器17例如安裝在控制臺上，因此在任何時刻均可為操作人員提供燃燒過程的圖像。
圖2表示模糊調節組件5的基本結構，下面說明其工作方式。為了設計模糊調節組件5，首先將輸入量，亦即測量場F、特征數據M、測量值MW和額定值S，以及輸出量，亦即額定值SW1…SWn的數值范圍，用語言學的值如“小”、“中”或“大”來定性表示。輸入量F、M、MW、S的每一個語言值用一個相關函數ZE描述。相關函數按這樣的方式將每一個語言值定性的陳述轉換成用數量表示的值，即，它對于每一個輸入量F、M、MW、S的每一次出現的量值給出它們的真值。通過這種在模糊調節器5的計算元件5a中進行的模糊化過程FZ，將所觀察的輸入量F、M、MW、S的工作區分成一些“模糊的”分區。這些分區的數量與每一個輸入量F、M、MW或S的語言值的數量一致。在有多個輸入量的情況下，分區的數量對應于不同輸入量F、M、MW、S語言值的組合可能性的數量。
對于這些分區的每一個或(也經過合并)對于多個分區，由“如果-則”條件規則R規定調節對策。這些規則R以語言學調節機構的形式存儲在模糊調節組件5的基本元件5b中。在每一個規則R中對于輸入量F、M、MW、S的語言值例如通過一種邏輯運算“與”或“或”邏輯連接，得出一個作為每一個輸出量SW1…SWn語言值的結果。為了計算真值，根據規則R中使用的算符邏輯連接由各輸入量F、M、MW、S的相關函數ZE確定的真值。在這種情況下具有重要意義的是，能在任何時刻將經驗戰略形式的直觀試探的專家知識EW，直接與模糊調節的語言學規則R聯系起來。
借助于一種稱為推理的對各規則R的結論的計算，將例如在一項規則R中用相應的語言值命名的輸出量SW1…SWn的相關函數ZA，限制在由規則R提供的真值范圍內。在所謂的疊加運算中，通過形成各輸出量SW1…SWn的全部相關函數的最大值，將這些規則R對于一個或每個輸出量SW1…SWn的影響相互疊加。最后，在計算元件5c中進行稱為解模糊化DF的輸出量SW值的計算。這例如在各輸出量SW1…SWn的數值范圍通過計算由所有構成邊界的相關函數ZA包圍的面積的重心位置來實現。
在與神經元網組合的情況下，通過一個或多個神經元網確定模糊調節組件5的一些或全部參數。在這種情況下，模糊化或解模糊化的相關函數ZE、ZA通過相應的神經元網確定。因此，通過模糊調節與神經元網相組合，可以優化調節特性，尤其是神經元網均為自動學習式的。因此，模糊調節的參數能特別良好地適應在燃燒室1中通常非常復雜的和由于邊界條件的改變而隨時間變化的過程。
由于這兩個光學傳感器2和3僅約5秒鐘的短暫測量時間，因而非常迅速地產生以測量場F為形式的隨空間變化的三維測量信號，所以根據溫度分布和反應產物的濃度剖面借助于模糊或神經模糊邏輯確定的額定值SW1…SWn實際上是實時可供使用的。
在這種情況下用于燃燒控制的重要的主導參數是關于通過裝置11輸入燃燒過程的混合燃料B的成分的第一額定值SW1。額定值SW1供調節組件10形成用于控制混合燃料B各組成部分的量的控制信號U1。例如，在垃圾焚化爐中額定值SW1預先規定手動或自動供入的額定垃圾混合物。
為了修正所使用的燃料B的熱值和燃燒值的巨大的波動范圍，確定關于向燃燒過程供入空氣的第二個額定值SW2，供調節組件10形成用于控制通過裝置12輸入燃燒室1的空氣L的量的控制信號U2。
為了達到極低的環境污染物的排放，調節裝置6的調節組件10從模糊調節組件5獲得一個關于添加劑H的劑量的第三個額定值SW3。調節組件10根據第三個額定值SW3形成控制信號U3，用于控制經輸入裝置13輸入燃燒過程的添加劑H例如尿素的量。因此可以在產生環境污染物的地點直接進行調節技術的干預。
權利要求
1.一種蒸汽鍋爐燃燒控制的方法，所述方法測定溫度和至少一種在燃燒過程中生成的反應產物的濃度，其特征在于，根據空間溫度分布和濃度剖面，借助于模糊邏輯或神經模糊邏輯，確定若干供入燃燒過程的反應混合物(B、L、H)的成分的額定值(SWn)。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，確定關于要供入燃燒過程的燃料(B)的成分的第一額定值(SW1)。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于，確定關于向燃燒過程供入空氣(L)的第二額定值(SW2)。
4.按照權利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，確定關于加入燃料(B)中的添加劑(H)的劑量的第三額定值(SW3)。
5.按照權利要求1至4中之一所述的方法，其特征在于，由溫度分布和/或濃度剖面導出表明此溫度分布或濃度剖面特征的數據(M)，并用于確定這個或每個額定值(SWn)。
6.按照權利要求1至5中之一所述的方法，其特征在于，借助于x射線斷層照相技術由從燃燒過程采集的放射光譜(D)重現空間溫度分布和空間濃度剖面。
7.用于實施按照權利要求1至6中之一所述方法的蒸汽鍋爐燃燒控制設備，包括一個燃燒室(1)和一個與至少兩個用于從燃燒室(1)采集放射數據(D)的光學傳感器(2、3)連接的數據處理系統(4)，其特征在于，一個與數據處理系統(4)連接的調節裝置(6)，它包括一個模糊調節組件或神經模糊調節組件(5)，用于由放射數據(D)確定若干關于要供入燃燒室(1)的反應混合物(B、L、H)的成分的額定值(SWn)。
8.按照權利要求7所述的設備，其特征在于調節裝置(6)包括另一個與模糊或神經模糊調節組件(5)連接的調節組件(10)。
9.按照權利要求7或8所述的設備，其特征在于，數據處理系統(4)與一個顯示器(17)連接，用于顯示關于反應混合物(B、L、H)成分的一個或每個額定值(SWn)。
10.按照權利要求7或9所述的設備，其特征在于，調節裝置(6)分別通過一條控制線(14、15、16)與用于燃料(B)的第一輸入裝置(11)、用于空氣(L)的第二輸入裝置(12)以及用于一種添加劑(H)的第三輸入裝置(13)連接。
全文摘要
一種蒸汽鍋爐燃燒控制的方法,用于測定空間溫度分布和至少一種在燃燒過程中生成的反應產物的濃度剖面。按照本發明,為了在高效率和低環境污染物排放的同時保證均勻的蒸汽產量,根據燃燒室內的溫度分布和濃度剖面,借助多個通過模糊或神經模糊邏輯檢測的額定值(SW
文檔編號G05B13/02GK1176687SQ96192164
公開日1998年3月18日 申請日期1996年2月29日 優先權日1995年3月15日
發明者霍斯特·霍夫曼, 格哈特·勞斯特爾 申請人:西門子公司