СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА ГОРЕНИЯ ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1999 года по МПК F23N5/00 F23N5/08 

Изобретение относится к способу регулирования режима горения паропроизводительной установки, при котором определяют температуру и концентрацию по меньшей мере одного возникающего в процессе сжигания продукта реакции. Оно относится далее к устройству для осуществления способа.

При сжигании ископаемого топлива в паропроизводительной установке на переднем плане усилий стоит постоянное улучшение процесса сжигания, в частности для достижения равномерного производства пара. Для достижения особенно хорошего процесса сжигания с возможно малой эмиссией вредных веществ, в частности NO_x, и высокого выгорания, а также особенно высокого коэффициента полезного действия при одновременно малом объемном потоке дымового газа следует подходящим образом производить предварительное регулирование множества различных регулирующих воздействий. Сюда относятся, в частности подвод и распределение топлива или соотношение компонентов смеси при нескольких видах топлива, подача воздуха и его пространственное распределение, температура воздуха сжигания и его обогащение кислородом, подача вспомогательного топлива или других добавок для уменьшения NO_x и/или водяного пара для регулирования температуры горения. Обычно это производят путем подходящего ведения топочного процесса, то есть путем подходящего регулирования режима горения.

Вследствие большого количества регулирующих воздействий, а также такого же большого количества регулируемых величин в случае регулирования режима горения речь идет об очень комплексной проблеме регулирования. Для ее решения поэтому построенный на математической модели объекта регулирования и зависящий от собранных в реальном масштабе времени измерительных значений способ регулирования часто является не достаточным. Причина этого, в частности, лежит в том, что при сжигании ископаемых видов топлива, как например, угол или мусор, химический состав и таким образом теплота сгорания топлива или топливной смеси подвержены сильным колебаниям. Так при производстве пара с ископаемым топливом за счет использования угла различного происхождения или при сжигании мусора вследствие неоднородного состава мусора появляются колебания теплоты сгорания, которые отрицательно влияют как на эмиссию вредных веществ, так и на производства пара. Эти недостатки существуют также при промышленном сжигании остатков, при котором обычно твердые и жидкие, а также газообразные виды топлива сжигают одновременно.

Для учета неопределенностей вследствие, как правило, не известного состава и только недостаточно измеримого качества топлива является известным, использовать для регулирования режима горения технологию Фаззи (Fuzzy). Подобный способ регулирования режима горения описан в работе "Regelung einer Mullverbrennungsanlage mit Fuzzy-Logik" ("Регулирование сжигания мусора с логикой Фаззи") авторов C. Altrock, B. Krause, K. Limper и W. Schafer, в "Fuzzy-Logik", том 2, издательство Oldenbourg, 1994, стр. 189 - 201. В этом известном способе для измерения температуры используют инфракрасную камеру для определения двухмерного температурного изображения. Недостатком при этом является однако то, что этим способом можно определять только температуру, а не состав возникающего при сжигании дымового газа. Кроме того, вследствие только локального измерения температуры возникают искажения за счет образования струй или косых слоев в канале дымового газа. Подобное измерение температуры не позволяет сделать вывода об условиях на отдельных горелках или в определенных местах камеры сгорания, так что в известном способе регулирования не учитываются пространственные распределения среди данных, характеризующих процесс сжигания.

Для дальнейшего улучшения способа регулирования режима горения или управления огневым режимом процесса сжигания решающее значение придается знанию распределения температуры и профиля концентрации возникающих в процессе сжигания продуктов реакции. Эта информация может быть получена посредством эмиссионной спектроскопии из собственного излучения пламени. Подобный "способ для одновременного многомерного спектроскопического определения температуры и радикалов сгорания" описан в работе F. Wintrich "Schadstoffarme Verbrennung" в Umwelt Technologie Aktuell, UTA, 5/93, стр. 403 - 406. При этом температуру определяют путем цветовой пирометрии и концентрацию продуктов реакции или радикалов сгорания путем эмиссионной спектроскопии. Регулируемой величиной в этом известном способе ведения топочного процесса является эмиссия вредных веществ, причем с точки зрения техники регулирования воздействие осуществляют только путем нацеленной добавки вспомогательных веществ, например, добавки NH₃ и/или путем нацеленного снабжения воздухом отдельных горелок.

В основе изобретения лежит задача, указания способа регулирования режима горения паропроизводительной установки, при котором достигается как можно малая эмиссия возникающих при сгорании вредных веществ, так и особенно равномерное производство пара и возможно высокий коэффициент полезного действия установки. Это должно достигаться простыми средствами устройством, предназначенных для осуществления способа.

Относительно способа эта задача решается согласно изобретения тем, что составом подводимой к процессу сжигания реакционной смеси управляют в зависимости от пространственного распределения температуры и профиля концентрации в камере сгорания посредством, по меньшей мере, одного заданного значения, определенного с помощью логики Фаззи или логики нейро-Фаззи.

Изобретение при этом исходит из соображения, чтобы с помощью быстрого, локально распределенного трехмерного измерения температуры и концентрации радикалов сгорания определять с помощью Фаззи-логики вначале только заданные значения, которые затем задаются обычному сопоставленному регулированию для образования необходимых для ведения топочного процесса устанавливающих сигналов в качестве задающих параметров.

Чтобы при этом можно было корригировать различные и сильно колеблющиеся значения теплоты сгорания, предпочтительно определяют заданное значение для состава подводимого к процессу сжигания мусора или топливной смеси. В установке для сжигания топлива это заданное значение задает подводимую вручную или автоматически к процессу сжигания смесь отходов. Кроме того, чтобы достичь особенно высокой степени использования топки, целесообразно определять дополнительное заданное значение для подачи воздуха к процессу сжигания.

Далее целесообразно определяют заданное значение для дозы добавки к топливу. Например, с помощью точно дозированной добавки мочевины в подходящем месте внутри топки можно уменьшать образование NO_x. Также и добавка кислорода обогащения O₂ проявила себя положительно с точки зрения эмиссии и выгорания. В целом путем нацеленного дозирования такой добавки к топливу можно достигать особенно малой эмиссии вредных веществ.

Согласно целесообразной форме дальнейшего развития пространственное распределение температуры и пространственный профиль концентрации реконструируют томографически из принятого от процесса сжигания эмиссионного спектра. Путем компьютерно-томографической реконструкции эмиссионных спектров можно отображать полные измерительные поля для пространственного распределения температуры и профили концентрации продуктов реакции. Из этих измерительных полей или полей данных предпочтительно можно выводить специальные признаки, как например, положение максимумов или форма распределения, а также их пространственное изменение и привлекать для определения заданных значений.

Относительно устройства для регулирования режима горения паропроизводительной установки с камерой сгорания и с соединенной с по меньшей мере с двумя оптическими сенсорными датчиками для приема данных излучения из камеры сгорания системой обработки данных названная задача, решается путем соединенного с системой обработки данных устройства регулирования, которое содержит модуль регулирования Фаззи или нейро-Фаззи для определения некоторого количества заданных значений, причем составом подводимой к камере сгорания реакционной смеси управляют в зависимости от данных излучения посредством заданного значения или нескольких заданных значений.

При комбинации модуля регулирования Фаззи с нейронной сетью можно, например, определять некоторые или все параметры регулятора Фаззи через нейронные сети. Также функции принадлежности фаззификации или дефаззификации определяют через соответствующие нейронные сети так, что в целом достигается особенно выгодная регулировочная характеристика.

Согласно предпочтительной форме выполнения устройство регулирования содержит соединенный с модулем регулирования Фаззи или нейро-Фаззи дополнительный модуль регулирования. Этот дополнительный модуль регулирования является целесообразно обычным регулятором, который служит для образования установочных сигналов для управления устройствами подачи различных реагентов к камере сгорания.

Для возможности представления заданного состава подводимой к процессу сжигания реакционной смеси, система обработки данных целесообразно соединена с прибором индикации. Он представляет заданное значение или каждое заданное значение для состава реакционной смеси, в частности, для состава состоящего из многих компонентов топлива.

Для возможности раздельной и независимой друг от друга установки количества различных, подлежащих приведению к реакции в камере сгорания реагентов, устройство регулирования целесообразно через соответственно линию управления соединено с первым устройством подачи для топлива и со вторым устройством подачи для воздуха, а также с третьим устройством подачи для добавки.

Примеры выполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 функциональная схема регулирования режима горения, и
Фиг. 2 функциональная схема регулятора Фаззи для определения заданных значений для регулирования режима горения.

Соответствующие друг другу части снабжены на обеих фигурах одинаковыми ссылочными позициями.

В топочной камере или камере сгорания 1 не представленной на чертеже паропроизводительной установки, например, работающем на ископаемом топливе парогенераторе энергетической установки или установки для сжигания мусора, имеет место процесс сжигания. Оптические сенсорные датчики 2 и 3 в виде специальных камер определяют данные изучения D из камеры сгорания 1 в виде эмиссионных спектров и направляют их к системе обработки данных 4. Из эмиссионных спектров в системе обработки данных 4 посредством компьютерно-томографической реконструкции вычисляют пространственное распределение температуры и трехмерные с местным разрешением профили концентрации возникающих при сжигании продуктов реакции, как например, NO_x, CO_x, CH и O₂. Кроме того, путем цветовой пирометрии определяют температуру и путем эмиссионной спектроскопии концентрацию радикалов сгорания, причем компьютерно-томографическая реконструкция эмиссионных спектров поставляет полные измерительные поля F. Эти измерительные поля F распределения температуры и профили концентрации подводят к модулю регулирования Фаззи 5 устройства регулирования 6.

Характеризующие распределение температуры и профили концентрации продуктов реакции процесса сжигания данные признаков M подводят, кроме того, к модулю 7 для специального извлечения признаков. Для этого из измерительных полей F выводят специальные признаки, как например, положение максимумов, или форма распределения, или их пространственное изменение. Эти данные признаков M также обрабатывают в модуле регулирования Фаззи 5.

Далее модулю регулирования Фаззи 5 задают заданные значения S от генератора заданных значений 8, а также существенные для установки измерительные значения MW от блока сбора измерительных значений 9. В модуле регулирования Фаззи 5 устройства регулирования 6 из измерительных полей F и данных признаков M, а также из заданных значений S и измерительных значений MW определяют заданные значения SW₁ ... SW_n.

Модуль регулирования Фаззи 5 соединен с сопоставленным с ним другим модулем регулирования 10 устройства регулирования 6. Этот другой модуль регулирования 10 устройства регулирования 6 выполнен целесообразно обычным. Он содержит все предусмотренные для эксплуатации паропроизводительной установки контуры регулирования, например, для паропроизводительности, избытка воздуха, расхода среды и числа оборотов и служит для управления всех, влияющих на процесс сжигания исполнительных элементов. Для этого обычный модуль регулирования 10 получает в качестве задающих параметров заданные значения SW₁ ... SW_n от модуля регулирования Фаззи 5 и образует первый исполнительный сигнал U₁ для управления устройства 11 для подачи топлива и распределения топлива. Кроме того, формируют второй исполнительный сигнал U₂ для управления устройства 12 для подачи воздуха и распределения воздуха, а также третий исполнительный сигнал U₃ для управления устройства подачи 13 для вспомогательных веществ или добавок, например, как мочевина для снижения NO_x или кислород для обогащения O₂. Управление происходит через управляющие линии 14, 15 и 16, через которые устройство регулирования 6 соединено с устройствами 11, 12 или соответственно 13.

Характеризующие распределение температуры и профили концентрации веществ реакции в камере сгорания 1 измерительные поля F, а также данные признаков M наглядно представляют в приборе индикации 17, который, например, установлен в пункте управления. Таким образом в распоряжении обслуживающего персонала в любое время имеется отображение процесса сжигания.

Фиг. 2 показывает принципиальное построение модуля регулирования Фаззи 5, принцип действия которого описан ниже. Для проектирования модуля регулирования Фаззи 5 сначала с помощью лингвистических значений, как "малый", "средний" или "большой" качественно характеризуют цифровые диапазоны значений входных величин, то есть измерительных полей F, данных признаков M, измерительных значений MW и заданных значений S, и выходных величин, то есть заданных значений SW₁ ... SW_n. Каждое лингвистическое значение входных величин F, M, MW, S описывают через функцию принадлежности Z_E. Она количественно определяет качественное высказывание каждого лингвистического значения таким образом, что оно указывает его значение истинности для каждого появляющегося численного значения каждой из входных величин F, M, MW, S. Посредством этого происходящего в вычислительном элементе 5a модуля регулирования Фаззи 5 процесса фаззификации FZ рабочую область рассмотренных входных величин F, M, MW, S разделяют на "нерезкие" поддиапазоны. Количество поддиапазонов соответствует количеству лингвистических значений каждой такой входной величины F, M, MW, или S. В случае множества входных величин количество поддиапазонов соответствует количеству комбинационных возможностей лингвистических значений различных входных величин F, M, MW, S.

Для каждого из таких подиапазонов или - также объединенно - для нескольких поддиапазонов определяют стратегию регулирования по ЕСЛИ-ТОГДА-правилам R. Эти правила R откладывают в базовом элементе 5b модуля регулирования Фаззи 5. В каждом правиле R для комбинации лингвистических значений входных величин F, M, MW, S, например, путем логической связи с операторами "И" или "ИЛИ" определяют вывод в качестве лингвистического значения для соответственно одной выходной величины SW₁ ... SW_n. Для вычисления значений истинности определенные из функций принадлежности Z_E отдельных входных величин F, M, MW, S значения истинности логически связывают в соответствии с примененными в правилах R операторами. При этом важную роль играет то, что эвристическое экспертное значение EW в форме опытной стратегии в любое время может быть непосредственно введено в лингвистические правила в Фаззи-регулирования.

Посредством обозначенного как следствие вычисления выводов из отдельных правил R, например, названная в правиле R путем соответствующего лингвистического значения функция принадлежности Z_A выходных величин SW₁ ... SW_n ограничивается до задаваемого правилом R значения истинности. При так называемой композиции воздействия правил R относительно выходной величины или каждой выходной величины SW₁ ... SW_n, накладывают друг на друга, например, путем образования максимального значения всех функций принадлежности соответствующей выходной величины SW₁ ... SW_n. Под конец в вычислительном элементе 5c происходит обозначенное как дефаззификация DF вычисление значения выходной величины SW. Это происходит, например, путем вычисления положения центра тяжести заключенной всеми функциями принадлежности Z_A плоскости над диапазоном значений соответствующей выходной величины SW₁ ... SW_n.

При комбинации с нейронной сетью некоторые или все параметры модуля регулирования Фаззи 5 определяют одной или несколькими нейронными сетями. При этом функции принадлежности Z_e, Z_A фаззификации или также дефаззификации определяются соответствующими нейронными сетями. За счет комбинации Фаззи-регулирования и нейронных сетей можно оптимировать регулировочную характеристику, тем более что нейронные сети являются самообучающимися. Таким образом параметры Фаззи-регулирования являются очень хорошо согласуемыми с обычно очень сложными и процессами, изменяющимися вследствие изменения краевых условий в камере сгорания 1.

Так как вследствие малого времени измерения обоих оптических сенсорных датчиков 2 и 3 порядка пяти секунд очень быстро имеются в распоряжении пространственно дифференцированные трехмерные измерительные сигналы в виде измерительных полей F, в распоряжении имеются также практически в режиме реального времени определенные посредством Фаззи- или нейро-Фаззи-логики с помощью распределения температуры и профилей концентрации заданные значения SW₁ .... SW_n.

Существенным задающим параметром для регулирования режима горения является при этом первое заданное значение SW₁ для состава подводимого к процессу сжигания через устройство 11 топлива B. Заданное значение SW₁ служит модулю регулирования 10 для образования исполнительного сигнала U₁ для количества соответствующих компонентов топливной смеси B. Например, в мусоросжигающей установке заданное значение SW₁ задает заданную смесь отходов для ручной или автоматической подачи.

Для коррекции сильных колебаний теплоты сгорания или теплотворной способности примененных видов топлива B определяют второе заданное значение SW2₁ для подачи воздуха к процессу сжигания, которое служит модулю регулирования 10 для образования исполнительного сигнала U₂ для количества подводимого к камере сгорания 1 через устройство 12 воздуха L.

Для достижения особенно малой эмиссии вредных веществ модуль регулирования 10 устройства регулирования 6 получает от модуля регулирования Фаззи 5 третье заданное значение SW₃ для дозы добавки H. Из этого третьего заданного значения SW₃ модуль регулирования 10 образует исполнительный сигнал U₃ для количества мочевой кислоты, подводимой к процессу сжигания через устройство подачи 13 в качестве добавки H. За счет этого непосредственно на месте можно вмешиваться путем техники регулирования в возникновение вредных веществ.

Изобретение предназначено для использования в энергетики. В способе регулирования режима горения паропроизводительной установки, при котором определяют пространственное распределение температуры и профиль концентрации по меньшей мере одного возникающего в процессе сжигания продукта реакции, для установления равномерного производства пара при одновременно высоком коэффициенте полезного действия и низкой эмиссии вредных веществ согласно изобретению регулируют состав подводимой к процессу сжигания реакционной смеси (B, L, H) посредством определенного с помощью логики Фаззи или логики нейро-Фаззи некоторого количества заданных значений (SW_n) в зависимости от распределения температуры и профиля концентрации в камере сгорания. Устройство для осуществления способа содержит для приема данных излучения (D) из камеры сгорания (1), по меньшей мере два оптических сенсорных датчика (2, 3) и связанную с ними систему обработки данных (4), которая соединена с устройством регулирования (6), содержащим модуль регулирования Фаззи или нейро-Фаззи (5). Изобретение позволяет уменьшить эмиссию возникающих при сгорании вредных веществ и достичь равномерного производства пара и возможно высокий коэффициент полезного действия установки. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ для регулирования режима горения паропроизводительной установки, при котором определяют температуру и концентрацию по меньшей мере одного возникающего в процессе сжигания продукта реакции, отличающийся тем, что составом подведенного к процессу сжигания реакционной смеси (B, L, H) управляют в зависимости от пространственного распределения температуры и профиля концентрации в камере сгорания посредством по меньшей мере одного определенного посредством логики Фаззи или нейро-Фаззи заданного значения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют первое заданное значение (SW₁) для состава подводимого к процессу сжигания топлива (B). 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что определяют второе заданное значение (SW₂) для подачи к процессу сжигания воздуха (L). 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что определяют третье заданное значение (SW₃) для дозы добавки (H) к топливу (B). 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что из распределения температуры и/или из профиля концентрации выводят данные (M), характеризующие распределение или соответственно профиль, и привлекают для определения заданного значения или каждого заданного значения (SW_n). 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что пространственное распределение температуры и пространственный профиль концентрации реконструируют томографически из принятого от процесса сжигания эмиссионного спектра (D). 7. Устройство для регулирования режима горения паропроизводительной установки с камерой сгорания (1) и с соединенной по меньшей мере с двумя оптическими сенсорными датчиками (2, 3) для приема данных излучения (D) из камеры сгорания (1) системой обработки данных (4) для осуществления способа по любому из пп.1 - 6, отличающееся соединенным с системой обработки данных (4) устройством регулирования (6), которое содержит модуль регулирования Фаззи или нейро-Фаззи (5) для определения некоторого количества заданных значений (SW_n), причем состав подводимой к камере сгорания (1) реакционной смеси (B, L, H) управляется в зависимости от данных излучения (D) посредством заданного значения или нескольких заданных значений. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что устройство регулирования (6) содержит дополнительный, связанный с модулем регулирования Фаззи или нейро-Фаззи (5) модуль регулирования (10). 9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что система обработки данных (4) соединена с прибором индикации (17) для отображения заданного значения или каждого заданного значения (SW_n) для состава реакционной смеси (B, L, H). 10. Устройство по любому из пп.7 - 9, отличающееся тем, что устройство регулирования (6) соответственно через линию управления (14, 15, 16) соединено с первым устройством подачи (11) для топлива (B) и со вторым устройством подачи (12) для воздуха (L), а также с третьим устройством подачи (13) для добавки (H).