專利名稱：尤其礦物燃料鍋爐燃燒室內(nèi)燃燒過程的控制方法和燃燒系統(tǒng)的制作方法
尤其礦物燃料鍋爐燃燒室內(nèi)燃燒過程的控制方法和燃燒系
統(tǒng)本發(fā)明涉及一種尤其礦物燃料鍋爐燃燒室內(nèi)的燃燒過程的控制方法，其中確定燃燒室內(nèi)的空間分辨的測量值。本發(fā)明還涉及一種相應的燃燒系統(tǒng)。在鍋爐的燃燒過程中首先處理燃料(例如在粉煤機中粉碎煤炭、預熱燃油等)，然后按照設備當前的熱量需求來控制燃燒用空氣向燃燒室的供給。在這里，在鍋爐的不同位置、亦即在所謂的燃燒器處將燃料加入燃燒室?？諝獾墓┙o也在不同位置實施。在燃燒器本身處也始終進行空氣輸入。除此之外還可以在那些沒有燃料流入燃燒室的位置輸入空氣?，F(xiàn)在的任務在于，這樣操控燃燒過程，使之盡可能高效、低損耗和/或排放量盡可能小地完成。鍋爐燃燒過程典型的重要影響參數(shù)是·各燃燒器的燃料分配·不同燃燒區(qū)燃燒用空氣的分配·燃燒用空氣的總質量流量·燃料處理的品質(例如粉煤機的磨削力、分離器轉速、分離器溫度)·煙氣再循環(huán)·回轉燃燒器的位置通常在鍋爐投入運行的時刻調(diào)整這些影響參數(shù)。為此在前臺根據(jù)有關運行的邊界條件提出不同的最優(yōu)化目標，如設備效率最高、排放量最小(N0x、C0、…)、灰中碳含量最低 (燃燒的完全性)。然而，由于過程參數(shù)隨時間的易變性，尤其燃料的波動的特性(熱值、空氣需求、點火特性等)，必須持續(xù)監(jiān)測并調(diào)節(jié)燃燒過程。因此在工業(yè)設備中借助測量技術裝置來監(jiān)測燃燒，以及按當前檢測的燃燒狀況通過控制干預來修改可供使用的影響參數(shù)。但是在設備運行期間改變影響參數(shù)只能在很有限的程度內(nèi)實施。其原因是，由于高的溫度以及化學及機械地嚴重損耗的環(huán)境，從燃燒區(qū)附近的環(huán)境只能提供少量甚至根本不能提供有質量保證的測量結果。因此只有那些在遠離燃燒區(qū)的煙氣路徑內(nèi)所記錄的測量數(shù)據(jù)，才能使用于燃燒控制。由此，只能延時地以及在不具體涉及各執(zhí)行元件的情況下提供過程參數(shù)以便用于控制技術的最優(yōu)化。此外，由于大型工業(yè)燃燒裝置巨大的尺寸，可供使用的點測量往往沒有代表性，以及無法描述實際空間的過程狀況的有差別的圖像。因為在許多情況下不可能控制或優(yōu)化燃燒過程，所以過程參數(shù)(例如空氣的過量)被調(diào)整為離工業(yè)過程極限有足夠的距離。這樣做，由于以低的過程效率、較高的損耗和 /或較大的排放量進行運行而引起損失。按照當前的現(xiàn)有技術以不同的方法實施燃燒過程的必要時可用的控制和優(yōu)化-以測量煙氣流中氧含量為基礎控制總空氣質量流量。-以測量煙氣流中的NOx和必要時的CO為基礎來控制燃燒用空氣與二次空氣之比。-在燒煤鍋爐中，測量所供給的燃料質量流作為分配器傳送帶的轉速，借助所述分配器傳送帶將煤炭輸送到粉煤機中。在這里往往不檢測煤炭流在由粉煤機供給的燃燒器上的準確分配。因此假定，每個燃燒器具有燃料質量流的一個固定份額并且相應地調(diào)整燃燒用空氣。不過存在不同的測量系統(tǒng)，借助它們可以檢測各燃燒器的煤流量。由此有可能更準確地控制空氣，其中每個燃燒器的空氣質量流量與相應的煤炭質量流量相匹配。-在配備有風箱的鍋爐中，起先每次空氣供應的空氣質量流量也是未知的。為了仍然能對每次空氣供應實施空氣控制，借助測量技術檢測經(jīng)過各空氣閥的壓差，并根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)計算空氣質量流量。由此又有可能與燃料相協(xié)調(diào)地更加準確地控制空氣質量流量。-將神經(jīng)元網(wǎng)絡使用于，學習不同影響參數(shù)與過程測量參數(shù)之間的關系。然后，以如此形成的鍋爐神經(jīng)元模型為基礎，實施燃燒過程的最優(yōu)化。-在專利申請EP1850069B1中定義了一種“燃燒過程的控制方法和控制回路”，其中對燃燒器燃燒過程進行圖像采集并且被用于訓練神經(jīng)元網(wǎng)絡，然后借助神經(jīng)元網(wǎng)絡實施燃燒的最優(yōu)化。-為了應對大型燃燒裝置的巨大的空間尺寸，通過葉柵測量裝置在鍋爐出口處檢測部分重要的過程參數(shù)，如煙氣中的氧濃度。由此可以在有限的范圍內(nèi)推斷出燃燒過程中過程參數(shù)的空間分布。當使用空間分辨的測量系統(tǒng)時，便有可能更進一步地優(yōu)化燃燒，借助這種測量系統(tǒng)可以提供貼近燃燒區(qū)的測量數(shù)據(jù)。本發(fā)明的目的是，提供一種改進的燃燒過程控制方法，其中使用燃燒室內(nèi)空間分辨的測量值。另一個目的在于，提供一種相應的燃燒系統(tǒng)。通過獨立專利權利要求的特征達到此目的。在從屬的專利權利要求中分別說明有利的設計。本發(fā)明的主要特征可歸納如下-空間測量信息被變換為可用于控制目的的狀態(tài)參數(shù)。-接著針對這些狀態(tài)參數(shù)定義對所期望的運行特性進行說明的額定值；-然后這些狀態(tài)參數(shù)被用作尤其傳統(tǒng)控制回路的實際值，并在那里與規(guī)定的額定值比較。-將如此形成的控制差輸入給控制器，所述控制器對必要的執(zhí)行參數(shù)改變進行確定。-將控制器輸出分配給存在的執(zhí)行元件，其中發(fā)生從控制器輸出向存在的執(zhí)行元件的反向變換，因為控制器輸出的結果必須與設備相匹配。因此，為了實現(xiàn)有細微差別和更快速的過程控制，本發(fā)明通過采用至少一種測量技術從而對燃燒過程的當前狀態(tài)進行更好地檢測，這種測量技術具有空間分辨的檢測范圍用于定量確定在工業(yè)燃燒設備內(nèi)部燃燒后的燃燒產(chǎn)物。本發(fā)明突出的優(yōu)點在于，可以通過變換為簡單的狀態(tài)參數(shù)或控制參數(shù)借助傳統(tǒng)的控制器對空間分辨檢測技術的復雜的測量值分布進行處理。此外，通過反向變換來實現(xiàn)將傳統(tǒng)控制器的輸出信號按規(guī)定的最優(yōu)化目標分配給存在的執(zhí)行參數(shù)。由此達到在新規(guī)定的控制方案與所采用的復雜的測量技術之間最佳的協(xié)調(diào)。但尤其通過這種改進的控制結構，可以實現(xiàn)一種盡可能高效、低損耗和排放量盡可能小地完成的燃燒過程。按第一種實施方案，借助空間分辨的測量值的統(tǒng)計信息來確定狀態(tài)參數(shù)。這樣做的優(yōu)點是，在這里可以壓縮有關存在的例如溫度或濃度分布的多種信息?？梢砸霗嘀夭⒖墒褂闷渌麍D像處理方法。另一個優(yōu)點在于，以此方式形成一些過程數(shù)據(jù)，借助它們可以說明和控制燃燒過程。另一種實施方案涉及額定值確定。規(guī)定額定值的優(yōu)點在于，可以具體和普遍理解地規(guī)定最優(yōu)化目標。由此明確和能領會地說明所期望的最優(yōu)設備特性。因此設備操作者隨時有可能通過改變額定值重新確定最佳工作點，例如給最小排放量增大權重，付出的代價是效率略有下降。在實施方案中借助神經(jīng)元網(wǎng)絡對控制器輸出在執(zhí)行元件上的分配進行優(yōu)化?？梢越柚窠?jīng)元網(wǎng)絡對控制干預進行進一步精調(diào)。由此達到特別人工智能的和精確的控制，這種控制針對外部影響的變化(例如燃料品質的改變)是魯棒的。下面借助附圖
中所描述的實施例來詳細說明本發(fā)明。圖中示意表示按本發(fā)明的燃燒控制。電廠或內(nèi)部發(fā)生燃燒過程的其他工業(yè)設備的燃燒室FR，配備有空間分辨的測量系統(tǒng)(圖中用MS表示)。在這里可以涉及任何測量系統(tǒng)，只要借助它可提供貼近燃燒區(qū)的測量數(shù)據(jù)。這些測量系統(tǒng)例如是-燃燒室攝像機，借助它可以檢測燃燒室內(nèi)的燃燒過程。在這種情況下通過對由火焰所確定的光進行光譜分析來獲得一些附加的有關燃燒的信息。-由激光器和相應的探測器組成的裝置。在這里激光束通過燃燒室被導向到光探測器。對從燃燒室重新射出的激光束進行的光譜分析，由于對特定波長的吸收，所以可提供有關燃燒本身的信息。若光柵狀地沿多個路徑通過燃燒室發(fā)送激光束，則測量信息可以空間分辨。在選擇測量技術時起決定性作用的是，它應適用于空間分辨地確定重要的燃燒特征。在這里例如在燃燒過程附近的燃燒室橫截面上實施測量。所確定的測量值借助一些特征來表征燃燒，所述特征例如局部濃度(co、O2、CO2、H2O、…)和溫度。在所有的情況下獲得多個與空間坐標有關的完全不同的測量值。因此在按本發(fā)明的控制系統(tǒng)輸入端并非出現(xiàn)單個測量值，而是類似于二維或三維模式的整個測量值分布。在變量變換VT的框架內(nèi)，在圖中用M個測量值MW表示的數(shù)據(jù)在第一個步驟中被變換為可用于控制目的的狀態(tài)參數(shù)。在這里，將有關燃燒室的空間信息映射為各個特征參數(shù)并且由此將空間信息壓縮。為了根據(jù)空間測量信息導出不同的狀態(tài)參數(shù)，典型地對下列要點進行評估a)加強或抑制部分測量技術檢測空間而得到的加權平均值，b)在測量技術檢測空間內(nèi)測量參數(shù)的平均值，C)測量值重心的空間位置，d)空間分配模式的統(tǒng)計特征參數(shù)。最優(yōu)化目標可定義為額定值，用于控制目的的狀態(tài)參數(shù)。此外，這些狀態(tài)參數(shù)與傳統(tǒng)控制技術可提供使用的測量信息和過程信息相結合，表征燃燒過程當前的運行狀態(tài)。因此，通過所述變量變換VT，任意數(shù)量M個測量值MW被重新變換為任意數(shù)量N個控制參數(shù)RG，其中M和N表示自然數(shù)以及N通常小于M。控制參數(shù)RG涉及狀態(tài)參數(shù)，它們接著用作各控制器的實際值。將N個控制參數(shù)輸入N個控制器R。這在圖中借助控制組件表示，它含有一個減法器和另一些控制技術組件(例如PI控制器)。在這里是傳統(tǒng)的控制組件，它在必要時已經(jīng)存在于要控制的工業(yè)設備中。根據(jù)實施方案，也可以是多參數(shù)的控制組件。此外在這里研究的控制組件還具有輸入端ESW，以便用于導出狀態(tài)參數(shù)的額定值。額定值或者人為規(guī)定，或者是常數(shù)，或者規(guī)定為與負荷有關，并且應表征期望的運行特性。此外除了控制參數(shù) RG的輸入端ERG，還存在另一個輸入端EPG用于在空間分辨的測量系統(tǒng)之外所檢測的其他任意的過程測量參數(shù)PG。在控制器內(nèi)形成額定值與實際值之間的控制差，此控制差通過另一些過程測量參數(shù)被改變(例如用于根據(jù)當前的負荷狀態(tài)來調(diào)整控制器放大系數(shù))，并且將此控制差輸入給當前的確定必要的執(zhí)行參數(shù)改變的控制器(在這里是指PI控制器)。這一信號置于控制器的輸出端ARA處。若現(xiàn)在存在N個控制器，則在這些地方存在N個控制器輸出RA的值(見附圖)。 現(xiàn)在，在反向變換RT時，這些數(shù)量N個表示為控制器輸出的信號RA這樣被變換，使規(guī)定的數(shù)量為K的執(zhí)行元件分別獲得為達到控制目標所必要的執(zhí)行信號。換句話說，現(xiàn)在必須從 N個控制器R的控制器輸出RA中為不同的執(zhí)行元件導出控制干預，借助它們可以有利地影響燃燒過程。在這里，控制干預可以在多個執(zhí)行元件上以不同的強度進行。執(zhí)行元件例如是設在燃燒室內(nèi)空氣閥的口。在計算裝置RT內(nèi)進行給K個執(zhí)行元件分配N個控制器輸出(N、K分別為自然數(shù))。在這里還要考慮在空間分辨的測量系統(tǒng)之外檢測的過程測量參數(shù)PG。在控制器輸出被反向變換為存在的執(zhí)行參數(shù)時，特別有利的是， 以最佳的方式實施將控制器輸出分配給執(zhí)行元件，從而例如可以發(fā)生最小排放量，但與此同時又能達到設備盡可能高的效率。在本實施例中為達到此目的采取的措施是，還將來自優(yōu)化器OPT的優(yōu)化值OW輸入給計算裝置RT。優(yōu)化器得到來自不同區(qū)域的信息。除了在空間分辨的測量系統(tǒng)之外檢測的過程測量參數(shù)外，優(yōu)化器同樣可以獲得設在燃燒室內(nèi)空間分辨的測量裝置的測量結果。在變量變換VT'的框架內(nèi)，數(shù)量M'個空間分辨的測量值變換為任意數(shù)量N'個狀態(tài)參數(shù)，將它們輸入優(yōu)化器OPT。在這里可以是與前面所述相同的測量值，可選地也可以采用其他測量值?？蛇x地，優(yōu)化器OPT可以與神經(jīng)元網(wǎng)絡NN連接。在這種情況下實現(xiàn)由傳統(tǒng)的控制組件以及神經(jīng)元網(wǎng)絡組成的混合式控制結構。 神經(jīng)元網(wǎng)絡用過程測量參數(shù)來訓練，并作為特殊的模型用于預測燃燒反應。借助由神經(jīng)元網(wǎng)絡預測的燃燒反應，迭代的最優(yōu)化算法確定了控制干預對于執(zhí)行元件的最佳分布并確定了執(zhí)行元件的修正值。由此相應于規(guī)定的目標函數(shù)來優(yōu)化過程。優(yōu)化值OW例如還可以是微調(diào)系數(shù)。借助微調(diào)系數(shù)在考慮過程優(yōu)化的情況下根據(jù)期望的控制目標給反向變換RT的結果進行加權、移動和調(diào)整。最后，借助反向變換的輸出值以及必要時在進一步考慮最優(yōu)化過程的結果的情況下，進行總執(zhí)行參數(shù)計算GSB用于存在的K個執(zhí)行元件。將不同的控制干預疊加在各個具有被識別的不同額定值偏差的不同執(zhí)行元件上，合計成每個執(zhí)行元件的總控制干預。在所述算法結束時，將K個執(zhí)行參數(shù)改變ST進一步傳給各執(zhí)行元件，如空氣閥或燃料供給裝置。在整個控制方法實施期間，各控制干預的速度和大小與提供的工業(yè)設備技術邊界條件和極限相適應。不超過由過程規(guī)定的極限。
權利要求
1.一種尤其礦物燃料鍋爐燃燒室內(nèi)的燃燒過程的控制方法，其中確定所述燃燒室 (FR)內(nèi)的空間分辨的測量值(MW)，其特征為-將所述空間分辨的測量值(MW)變換為能夠用于控制目的的狀態(tài)參數(shù)(RG)，接著將所述狀態(tài)參數(shù)作為實際值輸入給控制回路(R)；-在控制回路(R)中所確定的執(zhí)行參數(shù)改變(RA)通過反向變換(RT)在考慮目標最優(yōu)化的情況下分配給執(zhí)行元件。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征為，為了根據(jù)空間的測量值(MW)確定不同的狀態(tài)參數(shù)，分析來自于下列基準參數(shù)組中的基準參數(shù)a)加強或抑制部分測量技術檢測空間而得到的加權平均值，和/或，b)在測量技術檢測空間內(nèi)測量參數(shù)的平均值，和/或，c)測量值重心的空間位置，和/或，d)空間分配模式的統(tǒng)計特征參數(shù)。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征為，對于所述狀態(tài)參數(shù)能夠確定最優(yōu)化目標作為額定值(SW)，其中，這些狀態(tài)參數(shù)與按傳統(tǒng)可利用的測量和過程信息相結合來表征燃燒過程當前的運行狀態(tài)。
4.按照上述任一項權利要求所述的方法，其特征為，定義導出狀態(tài)參數(shù)的額定值 (SW)，用于規(guī)定期望的運行特性。
5.按照上述任一項權利要求所述的方法，其特征為，導出針對不同執(zhí)行參數(shù)的控制干預，借助它們有針對性地影響所述燃燒過程，其中，尤其控制干預以不同強度作用在多個執(zhí)行元件上。
6.按照上述任一項權利要求所述的方法，其特征為，計算額定值偏差，以便識別用于在過程中按控制技術修正干預的偏差。
7.按照上述任一項權利要求所述的方法，其特征為將通過不同的被識別的額定值偏差在不同執(zhí)行元件上所施加的不同的控制干預，疊加合計成用于每個執(zhí)行元件的總控制干預。
8.按照權利要求1至7之一所述的方法，其中，為達到最優(yōu)化目標用過程測量參數(shù)訓練神經(jīng)元網(wǎng)絡，并將該神經(jīng)元網(wǎng)絡作為專用模型用于預測燃燒反應。
9.按照權利要求1至8之一所述的方法，其中，利用迭代的最優(yōu)化算法，借助由神經(jīng)元網(wǎng)絡所預測的燃燒反應，確定所述控制干預在所述執(zhí)行元件中的有利分配并確定這些執(zhí)行元件的修正值。
10.按照上述任一項權利要求所述的方法，其特征為，在所述燃燒室燃燒區(qū)附近的橫截面上實施測量。
11.按照上述任一項權利要求所述的方法，其特征為，確定Co、02、CO2,H2O的局部濃度和溫度，或這些測量參數(shù)的或類似測量參數(shù)的子群，作為燃燒的特性。
12.一種尤其用于礦物燃料鍋爐的具有燃燒室的燃燒系統(tǒng)，包括具有燃燒診斷裝置的控制系統(tǒng)，其中，燃燒診斷裝置配備有在燃燒室內(nèi)空間分辨的測量系統(tǒng)，其特征為，所述控制系統(tǒng)被構造用于實施按照權利要求1至11之一所述的方法。
13.—種礦物燃料電廠設備，包括一個按照權利要求12所述的燃燒系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種尤其礦物燃料鍋爐燃燒室(FR)內(nèi)的燃燒過程的控制方法，其中確定燃燒室內(nèi)的空間分辨的測量值(MW)?？臻g分辨的測量值被變換為可用于控制目的的狀態(tài)參數(shù)(RG)，以及接著作為實際值被輸入給控制回路(R)。在控制回路中所確定的執(zhí)行參數(shù)改變(RA)通過反向變換(RT)在考慮最優(yōu)化目標的情況下被分配給多個執(zhí)行元件。本發(fā)明還涉及一種相應的燃燒系統(tǒng)。
文檔編號F23N5/02GK102460018SQ201080036258
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權日2009年6月24日
發(fā)明者K.溫德爾伯格, M.貝曼, T.斯帕斯 申請人:西門子公司