杜海江，徐冰燕，李宗楠，劉光華，李崇實，董燕萍

（1. 中科院廣州電子技術有限公司，廣州 510070；2. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 東莞市百大新能源股份有限公司，東莞 523808）

基于鍋爐出口蒸汽壓力的生物質氣化熱能轉換一體化系統(tǒng)的自適應智能控制*

杜海江1?，徐冰燕2，李宗楠2，劉光華3，李崇實3，董燕萍3

（1. 中科院廣州電子技術有限公司，廣州 510070；2. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 東莞市百大新能源股份有限公司，東莞 523808）

本文描述了一個以上吸式生物質氣化爐、生物質氣燃燒器及蒸汽鍋爐組成的一體化生物質能熱轉換系統(tǒng)的自適應智能控制方法。系統(tǒng)以PLC為工具，以鍋爐出口蒸汽壓力為控制參數，根據鍋爐出口蒸汽壓力的變化，自動調節(jié)氣化爐的供料量與產氣量，并隨之調節(jié)燃燒器的空氣供應量，最終實現(xiàn)隨蒸汽壓力的改變而自動調節(jié)鍋爐供熱量的目標。以生物質氣化為基礎的一體化供熱及自適應智能控制系統(tǒng)已經在工業(yè)應用中得到可靠驗證。

鍋爐出口蒸汽壓力；生物質氣化；自適應智能控制；一體化控制

0 引 言

利用可再生能源建立持續(xù)運行的能源系統(tǒng)，對促進國民經濟發(fā)展和環(huán)境保護具有重大意義。近年來利用生物質能的上吸式氣化爐、下吸式氣化爐及循環(huán)流化床氣化爐在發(fā)電、農村供熱及烘干等應用方面都得到了快速發(fā)展[1,2]，而且在生物質氣化的機理、過程、影響因素等方面的理論研究取得了大量成果[3,4]，對氣化爐本體結構與性能的研究也取得了重大進步并積累了豐富經驗[5,6]。但是針對氣化過程的自動控制的研究較少，尤其是面向工業(yè)應用的自動控制方面的研究更少，有些研究尚處于實驗室仿真分析階段，較難付諸實際應用[7,8]。我國生物質能利用與在此方面技術先進的國家相比，最大的差距在于自動控制技術的應用。本文對固定床上吸式生物質氣化爐與蒸汽鍋爐組成的熱能轉換一體化系統(tǒng)的控制過程進行研究，探討基于鍋爐出口蒸汽壓力的氣化爐供料、氣化爐鼓風、鍋爐負壓燃燒、以及鍋爐燃燒器的自動控制方法，并在實際應用中得到可靠的驗證。

1 生物質氣化熱能轉換一體化系統(tǒng)結構及控制內容

生物質氣化熱能轉換一體化系統(tǒng)由三部分組成：氣化爐、燃燒器、鍋爐，系統(tǒng)結構如圖1。以家具廠廢棄木材邊角料為主的生物質在氣化爐中高溫缺氧狀態(tài)下裂解、氧化還原，生成CO、H2、CH4等小分子量可燃性氣體，在氣化過程中需要加入空氣等氣化劑。生物質氣經管道輸送到生物質氣燃燒器與空氣混合并在鍋爐爐膛中燃燒，鍋爐吸收熱量產生高溫蒸汽，蒸汽經管網輸送給用汽企業(yè)。生物質燃氣可以代替柴油為鍋爐提供廉價的能源，可以代替煤等為鍋爐提供清潔環(huán)保的能源。熱能轉換系統(tǒng)的控制包括氣化爐的控制、燃燒器的控制、鍋爐的控制，但通常情況下這三部分均由不同廠家生產并配有各自的控制器，因此在進行鍋爐生物質能源改造時，給用戶的操作帶來不便，并在用戶要求的不同蒸汽壓力下難以取得最佳的氣化效率，造成能源浪費。

圖1 生物質熱能轉換一體化系統(tǒng)Fig. 1 Integrated system of biomass energy thermal conversion

生物質氣化爐、燃燒器及鍋爐一體化控制是為了獲得最佳的氣化效率，便于用戶安全操作和使用，這三部分的控制內容如下。

氣化爐：點火啟動/關火停爐，上料料斗運行控制，料位檢測，頂蓋開合控制，原料進口二次閘閥開閉控制，除灰控制，鼓風機風量控制，以及氣化爐干燥區(qū)、熱解區(qū)、燃燒區(qū)的溫度、壓力檢測。

燃燒器：前后吹掃控制，點火控制，穩(wěn)燃控制，熄火保護控制，助燃配風控制，以及火焰檢測。

鍋爐：蒸汽供給控制，引風與負壓控制，水位檢測與補水控制，蒸汽壓力檢測，尾氣溫度與含氧量檢測。

氣化爐上料過程的料斗、原料進口二次閘閥的控制，可通過定位傳感器、PLC及中間繼電器較容易實現(xiàn)，本文將不詳細討論。本文著重討論在給定鍋爐蒸汽壓力需求值情形下氣化爐的氣化過程控制、生物質燃氣燃燒器的控制、鍋爐負壓控制以及系統(tǒng)運行的安全監(jiān)控，這是生物質氣化工業(yè)應用的控制重點。

熱能轉換系統(tǒng)的鍋爐主要是針對應用于紡織廠、材料加工、食品加工、環(huán)保行業(yè)的2 T/h ～ 6 T/h的鍋爐，生物質以家具廠剩余廢木料為主，其形狀不規(guī)則無法用螺旋輸送方式連續(xù)供料，因此采用了料斗方式間歇供料。

2 基于鍋爐出口蒸汽壓力的氣化強度控制依據

2.1 鍋爐出口蒸汽壓力的影響因素

在鍋爐內水位一定的前提下，鍋爐出口蒸汽壓力的變化既與爐膛的燃料供給量有關，又與輸出的蒸汽流量有關。燃料的供給決定于氣化爐的氣化反應及燃氣輸出，蒸汽輸出流量取決于用戶的負荷需求。輸出流量調節(jié)閥開度一定時，燃氣供給量增加，則出口蒸汽壓力隨之增加，蒸汽流速也將增加；如果燃氣供給一定，而調節(jié)閥開度加大時，輸出蒸汽流量立即增大，而壓力隨之下降。因此，基于蒸汽壓力的氣化爐控制必須考慮蒸汽輸出流量的擾動因素，且在蒸汽輸出調節(jié)閥變化時，變更相應的控制規(guī)則。

2.2 鍋爐出口蒸汽壓力與燃料供給的關系

在穩(wěn)定工況下，通過公式（1）可計算出鍋爐每小時所需要的燃料供熱量Q，

其中，Q1為每小時輸出蒸汽的熱量，根據鍋爐輸出蒸汽的壓力，通過查水蒸氣焓熵圖表，確定該參數下蒸汽的焓值，結合每小時鍋爐的產汽量即得到Q1；Q2為每小時補給水所含的熱量，根據鍋爐補給水的熱容值、溫度及每小時的補水量可計算得Q2；η為鍋爐的熱效率。針對固定床上吸式生物質氣化爐的運行經驗數據，1 kg木料需要1 m3的助燃空氣，氣化后可得到2 m3的生物質燃氣，以空氣為氣化劑的木質生物質燃氣的熱值在5 MJ/Nm3～ 6 MJ/Nm3之間，因此可以計算需要的生物質燃氣量。

2.3 氣化爐鼓風量與產生可燃氣的關系

盡管固定床氣化反應的中間過程相當復雜，但最終產物是較為簡單的氣體混合物，供給氣化爐鼓風量的多少，與氣化爐燃氣產量有直接關系。當生物質原料加入量一定時，空氣流量增加，則氧化反應溫度升高，有利于氣化反應進行，因而使可燃氣體含量增加，并在空氣流量達到一定值時，可燃氣體組分達到最大值；但當空氣流量繼續(xù)增加時，由于燃氣中的CO2與N2含量的增加，可燃氣體的含量隨之下降[4]。

鍋爐輸出蒸汽調節(jié)閥開度一定時，出口蒸汽壓力與氣化爐的氣化鼓風量之間存在對應關系。氣化爐與鍋爐燃燒供熱系統(tǒng)的自適應控制模型基本原理是：根據用戶要求確定蒸汽輸出的壓力，為保持該壓力恒定，當壓力有增大趨勢時，減少氣化爐的氣化鼓風量；當蒸汽壓力有下降趨勢時，增大氣化爐的氣化鼓風量；因用戶耗熱量突然減少而使輸出蒸汽流量降低時，蒸汽壓力急劇增大，鍋爐需要的燃氣量必須即刻減少，此時調節(jié)設于燃氣管道上的排空閥的開度可以達到目的。鍋爐燃燒器的助燃配風與生物質燃氣量或氣化爐鼓風量應保持一定比例關系，由鍋爐設計的過量空氣系數決定，其最佳值與鍋爐排放尾氣的含氧量有關。

為防止鍋爐燃燒時爐膛火焰及煙塵外溢，要求爐膛保持一定的負壓，這對鍋爐燃燒工況及鍋爐安全都最為有利。鍋爐的負壓是由控制鍋爐引風量決定的，引風量增大則負壓增大，引風量減少則負壓減少，因此為使爐膛保持一定的負壓，引風量與氣化爐鼓風、燃燒器助燃配風應有一定的差值。

根據鍋爐出口蒸汽壓力，針對燃油或燃煤鍋爐的自動控制已有較多研究及應用[9,10]，但尚未發(fā)現(xiàn)綜合氣化爐、鍋爐燃燒器及鍋爐的一體化控制方法。本文首先確定系統(tǒng)不同工況的初始參數，再利用自適應智能控制方法，以PLC為工具，解決基于鍋爐出口蒸汽壓力的一體化自動控制問題。

3 一體化控制結構與設計

生物質氣化、燃燒供熱系統(tǒng)包括氣化爐、燃燒器及鍋爐，為達到最佳的蒸汽輸出與氣化強度之間的關系，依靠上述三個部分原有控制器的分離控制難以達到目的，因此在利用生物質氣作為燃料進行鍋爐改造時有必要采用一體化的控制方式。

一體化控制時需考慮如下基本要求：

（1）鍋爐的控制要求。輸出的蒸汽量需適應負荷的變化，對2 T/h鍋爐來說，負荷變動范圍為0 T/h ～2 T/h；輸出蒸汽壓力設定值范圍，通常為0 MPa ～ 1.2 MPa，對應的蒸汽溫度為7℃ ～ 188℃；輸出的蒸汽壓力允許偏差范圍1% ～ 3%；爐膛負壓保持在負壓0.5 kPa左右。

（2）氣化爐的控制要求。對2 T/h鍋爐來說，保持氣化爐每小時加料量300 kg及鼓風量300 m3左右；氣化爐內壓力及燃氣的輸出壓力保持在正壓0.5 kPa左右；氣化爐內生物質料層高度不能低于最大料層高度的80%；氣化過程中燃燒層溫度保持在900℃ ～ 1100℃；以料斗方式非連續(xù)供料的固定床上吸式氣化爐每次加料時鼓風量降到最低，以防止煙氣外溢。

氣化爐生物質料供給由料斗方式間歇供料，并由料位檢測傳感器及料斗控制程序保證料層高度，因此在蒸汽壓力控制程序中可以不考慮供料因素。鍋爐的水位亦有水位檢測傳感器及水位控制程序保證水位高度，因此同理不考慮水位因素。

以PLC為核心設計的一體化控制原理結構如圖2所示，控制核心采用三菱FX2n系列PLC，配合開關量輸入和輸出模塊、模擬量AD和DA模塊、觸摸屏等構成控制系統(tǒng)。溫度檢測傳感器為K型熱電偶，燃氣壓力及爐膛負壓檢測傳感器采用ND-8微壓差傳感器，蒸汽壓力檢測采用CJGP型（智能）壓力變送器，風量調節(jié)采用變頻器完成。

圖2 一體化控制結構圖Fig. 2 Structure diagram of integrated control

4 一體化系統(tǒng)主要控制程序

一體化控制包括氣化爐料位檢測及加料控制程序，鍋爐水位檢測及回補水控制程序，基于溫度、壓力的緊急制動程序，基于蒸汽壓力的氣化爐氣化強度控制程序，鍋爐爐膛負壓控制程序，燃燒器的控制程序。

4.1 基于蒸汽壓力的氣化爐氣化強度控制

在一定范圍內供給氣化爐的空氣量的多少，與氣化爐燃氣產量有直接關系，據此設計如圖3的控制原理圖。

圖3 蒸汽壓力與氣化強度控制原理圖Fig. 3 Control principle diagram of steam pressure and gasification intensity

PLC控制系統(tǒng)主要由CPU模塊、調節(jié)控制量輸出的DA模塊及反饋量輸入的AD模塊組成。蒸汽壓力變送器輸出的4 ～ 20 mA信號Pt輸入A/D轉換模塊FX2N-4AD，該模塊有四個12位分辨率、精度為+1%、轉換速度為15 m/s通道的模擬量輸入通道，轉換后的蒸汽壓力當前值數據存入PLC內部數據寄存器。PLC根據設定值Ps與當前值數據Pv計算出偏差Pe和偏差變化率Pec，按照自適應智能控制規(guī)則計算控制量Pm，經D/A轉換模塊FX2N-4DA變換成0 ～ 10 V的電壓信號，送至氣化爐鼓風控制變頻器調節(jié)風機風量，控制可燃氣輸出與供給鍋爐的熱量，進而控制鍋爐出口蒸汽壓力。

4.1.1 自適應智能控制規(guī)則

FX2n系列PLC具有基于常規(guī)PID算法設計的PID指令，應用時的主要問題是參數整定，一旦整定計算好后，在整個控制過程中都是固定不變的，但在由氣化爐-鍋爐組成的熱能轉換系統(tǒng)中，系統(tǒng)具有大滯后、非線性、時變性等特點，生物質的含水量、成份很難一致，基于常規(guī)PID算法的控制較難獲得最佳的效果，為此采用偏差區(qū)間分段式的自適應智能控制規(guī)則[11]。

定義變量：偏差Pe(t) =Ps - Pv(t)，偏差變化率Pec(t) = Pe(t) - Pe(t - 1)，最小和最大允許偏差Pe(min)和Pe(max)，最大和控制調節(jié)量△Pm(max)，最小控制調節(jié)量△Pm(min)，采樣時間間隔△t，采樣次數N。

偏差趨勢圖如圖4，圖中根據測量值Pv與設定值Ps的偏離程度劃分a、b、c、d、e、f六個區(qū)間，每個區(qū)間的控制調節(jié)量Pm各不相同。

圖4 反饋偏差趨勢圖Fig. 4 Trend graph of feedback bias

智能PID控制規(guī)則如下：

若Pe(t) ＞ Pe(max)，處于區(qū)間e，說明偏差過大，則相應控制量應取最大，即Pm(t) = Pm(t - 1) -△Pm(max)?？刂菩Ч麨檎羝麎毫εc設定值偏差較大時，氣化爐鼓風調節(jié)取最大值，可燃氣輸出量隨之調節(jié)，進一步調節(jié)到蒸汽輸出壓力。

同理，處于區(qū)間f時，控制量規(guī)則Pm(t) = Pm(t - 1) + △Pm(max)。

若 |Pe(t)| ＜ Pe(min)，處于a和b區(qū)，說明偏差在允許范圍內，則相應控制量不變，保持當前值，即Pm(t) = Pm(t - 1)?？刂菩Ч麨檎羝麎毫εc設定值偏差較小時，保持氣化爐鼓風量不變，無需調節(jié)。

若Pe(min) ＜ Pe(t) ＜ Pe(max)，處于c區(qū)，且Pec(t) ＜0，根據趨勢圖可知實際值正遠離設定值，對應1段曲線，說明控制量明顯偏小，應逐漸增加較大的控制量，盡快減小偏差。此時輸出控制量規(guī)則采用Pm(t) = Pm(t - 1) – N×△Pm(min)，N為進入該區(qū)時的采樣次數?？刂菩Ч麨檎羝麎毫y量值正逐漸遠離設定值增大時，則氣化爐鼓風量逐漸減小，盡快減小偏差。

若Pe(min) ＜ Pe(t) ＜ Pe(max)，處于c區(qū)，但Pec(t) ＞ 0，根據趨勢圖可知實際值正接近設定值，對應2段曲線，此時應逐漸減小控制量，避免過沖。輸出控制量規(guī)則采用Pm(t) = Pm(t - 1) – △Pm(min)。

若Pe(min) ＜ Pe(t) ＜ Pe(max)，處于c區(qū)，但Pec(t) = 0，根據趨勢圖可知實際值偏離設定值并保持恒定，對應5段曲線。輸出控制量規(guī)則采用Pm(t) = Pm(t - 1) – △Pm(min)。

同理，d區(qū)3段曲線時，輸出控制量規(guī)則采用Pm(t) = Pm(t - 1) + △Pm(min)。

d區(qū)4段曲線時，輸出控制量規(guī)則采用Pm(t) = Pm(t - 1) + N×△Pm(min)，N為進入該區(qū)時的采樣次數。

4.1.2 控制初始值的確定

根據2.2、2.3節(jié)的方法以及實際運行的經驗數據，制定表1所示的鍋爐蒸汽壓力，分段運行初始值參考數據，在此參考值基礎上配合自適應智能控制規(guī)則，可使鍋爐蒸汽壓力快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 初始參數設定表Table 1 Initial parameter setting

4.2 爐膛負壓控制

爐膛負壓控制主要通過調節(jié)鍋爐引風機的引風量來實現(xiàn)。當生物質氣和燃燒器助燃配風需要增加時，爐膛負壓勢必會向正壓方向減小，為了保證負壓，調節(jié)手段為增加引風量；當生物質氣和燃燒器助燃配風需要減少時，爐膛負壓勢必會向負壓方向增大，這時的調節(jié)手段為減少引風量。負壓的控制參數需與氣化爐鼓風、燃燒器配風相關聯(lián)，初始控制參數包含在表1中?？刂圃砣鐖D5所示，自適應智能控制規(guī)則與4.1.1節(jié)一致。

圖5 鍋爐負壓控制原理圖Fig. 5 Control principle diagram of boiler negative pressure

4.3 鍋爐燃燒器的控制

生物質氣為低熱值并含有焦油的可燃氣，因此本系統(tǒng)無法應用針對天然氣或柴油設計的燃燒器，主要原因是點火困難。一體化系統(tǒng)中采用了特別設計的適應含焦油低熱值燃氣的燃燒器并輔助液化氣點火。

控制過程如下：

（1）系統(tǒng)啟動后，先檢測燃氣壓力，然后啟動燃燒器助燃風機，檢測助燃風壓力并吹掃爐膛，同時進行閥組檢漏并進行閥位檢測；

（2）前面過程全部通過后，到達設定時間便點燃液化氣點火槍，點火成功后打開主燃氣閥，點著火后，燃燒器進入正常工作狀態(tài)；

（3）檢測蒸汽壓力，根據氣化爐鼓風量的實時變化及時調節(jié)燃燒器助燃配風風量，使鍋爐排放的含氧量處于合理狀態(tài)；

（4）安全系統(tǒng)一直跟蹤檢測火焰信號、燃氣壓力、風壓、鍋爐安全運行信號，如中途意外熄火或者燃氣壓力不符合規(guī)定值時自動切斷燃氣供應，報警并加大鍋爐引風及燃燒器助燃配風吹掃爐膛；

（5）在加料（待機）狀態(tài)，氣化爐鼓風量和燃燒器助燃配風在最低頻率下運行，以保持火種不滅，必要時點燃液化氣點火槍維持火種。

5 自適應智能控制效果及分析

本文所述一體化控制方法已在東莞市百大新能源公司的2 T/h ～ 6 T/h的生物質氣化集中供汽系統(tǒng)中成功運行，運行長期穩(wěn)定可靠，出口蒸汽壓力與流量滿足用戶要求。采用自適應智能控制規(guī)則，有效避免了生物質含水量、成份的變化對控制結果的影響。采用組態(tài)型記錄儀記錄到的蒸汽壓力曲線如圖6，圖中蒸汽壓力與設定值0.8 MPa的偏差小于允許的最大偏差3%，在450 s附近的較大波動是因添加生物質料時將氣化爐鼓風降到最小所引起。

圖6 蒸汽壓力智能調節(jié)趨勢圖Fig. 6 Trend graph of steam pressure

6 結束語

固定床上吸式生物質氣化爐對生物質原料的要求寬泛，因此家具企業(yè)的剩余廢木料大部分均可直接投放，無需破碎烘干，降低了生物質利用的成本。由于“一體化”應用，氣化爐與鍋爐距離較近，在充分利用可燃氣發(fā)熱量的同時焦油成分亦可以直接在鍋爐爐膛燃燒，因此含焦油及可燃氣體熱值的氣化系統(tǒng)總熱效率可達到90%以上。

本文所述控制方法，雖是針對料斗間歇供料方式的固定床上吸式生物質氣化裝置，但對連續(xù)供料方式或循環(huán)流化床氣化裝置亦有一定的參考意義。

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Intelligent Adaptive Control of the Integrated Biomass Gasification Energy Thermal Conversion System Based on the Steam Pressure of the Boiler

DU Hai-jiang1, XU Bing-yan2, LI Zong-nan2, LIU Guang-hua3, LI Chong-shi3, DONG Yan-ping3

(1. Chinese Academy of Sciences Guangzhou Electronic Technology Co., Ltd., Guangzhou 510070, China; 2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 3. Dongguan Baida New Energy Shares Co., Ltd., Dongguan 523808, China)

This paper describes an intelligent adaptive control on an integrated biomass gasification energy thermal conversion system, which composed of updraft biomass gasifier, biomass gasified gas combustor and steam boiler. The controller takes PLC as a tool and output steam pressure of the boiler as control parameter. According to the variation of the output steam pressure of the boiler, the input biomass amount and the output gas produced by the gasifier are adjusted automatically. And the air supplied to the gas combustor is then adjusted as well. Therefore, the heat supplied to the boiler is adjusted finally. The intelligent adaptive control and the integrated biomass gasification energy thermal conversion system are verified in the industrial utilization.

steam pressure at boiler outlet; biomass gasification; intelligent adaptive control; integrated control

TK6；TP273+. 2

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.02.004

杜海江（1964-），男，高級工程師，主要從事電子產品設計研發(fā)及工業(yè)自動化工程設計及應用工作。

2095-560X（2014）02-0104-07

2013-12-31

2014-04-18

2009年廣東省中科院戰(zhàn)略合作項目（2009B091300009）；2011年廣東省重大科技專項（2011A080803002）；2012年廣東省重大科技專項（2012A080103002）

? 通信作者：杜海江，E-mail：duhj88@163.com