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

杜海江，徐冰燕，李宗楠，劉光華，李崇實(shí)，董燕萍

（1. 中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣州 510070；2. 中國(guó)科學(xué)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(zhì)氣化熱能轉(zhuǎn)換一體化系統(tǒng)的自適應(yīng)智能控制*

杜海江1?，徐冰燕2，李宗楠2，劉光華3，李崇實(shí)3，董燕萍3

（1. 中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣州 510070；2. 中國(guó)科學(xué)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(gè)以上吸式生物質(zhì)氣化爐、生物質(zhì)氣燃燒器及蒸汽鍋爐組成的一體化生物質(zhì)能熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的自適應(yīng)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(shù)，根據(jù)鍋爐出口蒸汽壓力的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣化爐的供料量與產(chǎn)氣量，并隨之調(diào)節(jié)燃燒器的空氣供應(yīng)量，最終實(shí)現(xiàn)隨蒸汽壓力的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐供熱量的目標(biāo)。以生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的一體化供熱及自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用中得到可靠驗(yàn)證。

鍋爐出口蒸汽壓力；生物質(zhì)氣化；自適應(yīng)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(yùn)行的能源系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。近年來(lái)利用生物質(zhì)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(nóng)村供熱及烘干等應(yīng)用方面都得到了快速發(fā)展[1,2]，而且在生物質(zhì)氣化的機(jī)理、過(guò)程、影響因素等方面的理論研究取得了大量成果[3,4]，對(duì)氣化爐本體結(jié)構(gòu)與性能的研究也取得了重大進(jìn)步并積累了豐富經(jīng)驗(yàn)[5,6]。但是針對(duì)氣化過(guò)程的自動(dòng)控制的研究較少，尤其是面向工業(yè)應(yīng)用的自動(dòng)控制方面的研究更少，有些研究尚處于實(shí)驗(yàn)室仿真分析階段，較難付諸實(shí)際應(yīng)用[7,8]。我國(guó)生物質(zhì)能利用與在此方面技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家相比，最大的差距在于自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用。本文對(duì)固定床上吸式生物質(zhì)氣化爐與蒸汽鍋爐組成的熱能轉(zhuǎn)換一體化系統(tǒng)的控制過(guò)程進(jìn)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(fēng)、鍋爐負(fù)壓燃燒、以及鍋爐燃燒器的自動(dòng)控制方法，并在實(shí)際應(yīng)用中得到可靠的驗(yàn)證。

1 生物質(zhì)氣化熱能轉(zhuǎn)換一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制內(nèi)容

生物質(zhì)氣化熱能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖1。以家具廠廢棄木材邊角料為主的生物質(zhì)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(guò)程中需要加入空氣等氣化劑。生物質(zhì)氣經(jīng)管道輸送到生物質(zhì)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(chǎn)生高溫蒸汽，蒸汽經(jīng)管網(wǎng)輸送給用汽企業(yè)。生物質(zhì)燃?xì)饪梢源娌裼蜑殄仩t提供廉價(jià)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(zhuǎn)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(chǎn)并配有各自的控制器，因此在進(jìn)行鍋爐生物質(zhì)能源改造時(shí)，給用戶的操作帶來(lái)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(fèi)。

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

生物質(zhì)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(nèi)容如下。

氣化爐：點(diǎn)火啟動(dòng)/關(guān)火停爐，上料料斗運(yùn)行控制，料位檢測(cè)，頂蓋開(kāi)合控制，原料進(jìn)口二次閘閥開(kāi)閉控制，除灰控制，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)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(cè)。

燃燒器：前后吹掃控制，點(diǎn)火控制，穩(wěn)燃控制，熄火保護(hù)控制，助燃配風(fēng)控制，以及火焰檢測(cè)。

鍋爐：蒸汽供給控制，引風(fēng)與負(fù)壓控制，水位檢測(cè)與補(bǔ)水控制，蒸汽壓力檢測(cè)，尾氣溫度與含氧量檢測(cè)。

氣化爐上料過(guò)程的料斗、原料進(jìn)口二次閘閥的控制，可通過(guò)定位傳感器、PLC及中間繼電器較容易實(shí)現(xiàn)，本文將不詳細(xì)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(guò)程控制、生物質(zhì)燃?xì)馊紵鞯目刂?、鍋爐負(fù)壓控制以及系統(tǒng)運(yùn)行的安全監(jiān)控，這是生物質(zhì)氣化工業(yè)應(yīng)用的控制重點(diǎn)。

熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的鍋爐主要是針對(duì)應(yīng)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(zhì)以家具廠剩余廢木料為主，其形狀不規(guī)則無(wú)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(qiáng)度控制依據(jù)

2.1 鍋爐出口蒸汽壓力的影響因素

在鍋爐內(nèi)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(guān)，又與輸出的蒸汽流量有關(guān)。燃料的供給決定于氣化爐的氣化反應(yīng)及燃?xì)廨敵觯羝敵隽髁咳Q于用戶的負(fù)荷需求。輸出流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度一定時(shí)，燃?xì)夤┙o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?xì)夤┙o一定，而調(diào)節(jié)閥開(kāi)度加大時(shí)，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(dòng)因素，且在蒸汽輸出調(diào)節(jié)閥變化時(shí)，變更相應(yīng)的控制規(guī)則。

2.2 鍋爐出口蒸汽壓力與燃料供給的關(guān)系

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

其中，Q1為每小時(shí)輸出蒸汽的熱量，根據(jù)鍋爐輸出蒸汽的壓力，通過(guò)查水蒸氣焓熵圖表，確定該參數(shù)下蒸汽的焓值，結(jié)合每小時(shí)鍋爐的產(chǎn)汽量即得到Q1；Q2為每小時(shí)補(bǔ)給水所含的熱量，根據(jù)鍋爐補(bǔ)給水的熱容值、溫度及每小時(shí)的補(bǔ)水量可計(jì)算得Q2；η為鍋爐的熱效率。針對(duì)固定床上吸式生物質(zhì)氣化爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(zhì)燃?xì)?，以空氣為氣化劑的木質(zhì)生物質(zhì)燃?xì)獾臒嶂翟? MJ/Nm3～ 6 MJ/Nm3之間，因此可以計(jì)算需要的生物質(zhì)燃?xì)饬俊?/p>

2.3 氣化爐鼓風(fēng)量與產(chǎn)生可燃?xì)獾年P(guān)系

盡管固定床氣化反應(yīng)的中間過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，但最終產(chǎn)物是較為簡(jiǎn)單的氣體混合物，供給氣化爐鼓風(fēng)量的多少，與氣化爐燃?xì)猱a(chǎn)量有直接關(guān)系。當(dāng)生物質(zhì)原料加入量一定時(shí)，空氣流量增加，則氧化反應(yīng)溫度升高，有利于氣化反應(yīng)進(jìn)行，因而使可燃?xì)怏w含量增加，并在空氣流量達(dá)到一定值時(shí)，可燃?xì)怏w組分達(dá)到最大值；但當(dāng)空氣流量繼續(xù)增加時(shí)，由于燃?xì)庵械腃O2與N2含量的增加，可燃?xì)怏w的含量隨之下降[4]。

鍋爐輸出蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度一定時(shí)，出口蒸汽壓力與氣化爐的氣化鼓風(fēng)量之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。氣化爐與鍋爐燃燒供熱系統(tǒng)的自適應(yīng)控制模型基本原理是：根據(jù)用戶要求確定蒸汽輸出的壓力，為保持該壓力恒定，當(dāng)壓力有增大趨勢(shì)時(shí)，減少氣化爐的氣化鼓風(fēng)量；當(dāng)蒸汽壓力有下降趨勢(shì)時(shí)，增大氣化爐的氣化鼓風(fēng)量；因用戶耗熱量突然減少而使輸出蒸汽流量降低時(shí)，蒸汽壓力急劇增大，鍋爐需要的燃?xì)饬勘仨毤纯虦p少，此時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)于燃?xì)夤艿郎系呐趴臻y的開(kāi)度可以達(dá)到目的。鍋爐燃燒器的助燃配風(fēng)與生物質(zhì)燃?xì)饬炕驓饣癄t鼓風(fēng)量應(yīng)保持一定比例關(guān)系，由鍋爐設(shè)計(jì)的過(guò)量空氣系數(shù)決定，其最佳值與鍋爐排放尾氣的含氧量有關(guān)。

為防止鍋爐燃燒時(shí)爐膛火焰及煙塵外溢，要求爐膛保持一定的負(fù)壓，這對(duì)鍋爐燃燒工況及鍋爐安全都最為有利。鍋爐的負(fù)壓是由控制鍋爐引風(fēng)量決定的，引風(fēng)量增大則負(fù)壓增大，引風(fēng)量減少則負(fù)壓減少，因此為使?fàn)t膛保持一定的負(fù)壓，引風(fēng)量與氣化爐鼓風(fēng)、燃燒器助燃配風(fēng)應(yīng)有一定的差值。

根據(jù)鍋爐出口蒸汽壓力，針對(duì)燃油或燃煤鍋爐的自動(dòng)控制已有較多研究及應(yīng)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(shù)，再利用自適應(yīng)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(dòng)控制問(wèn)題。

3 一體化控制結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

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

一體化控制時(shí)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(yīng)負(fù)荷的變化，對(duì)2 T/h鍋爐來(lái)說(shuō)，負(fù)荷變動(dòng)范圍為0 T/h ～2 T/h；輸出蒸汽壓力設(shè)定值范圍，通常為0 MPa ～ 1.2 MPa，對(duì)應(yīng)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(fù)壓保持在負(fù)壓0.5 kPa左右。

（2）氣化爐的控制要求。對(duì)2 T/h鍋爐來(lái)說(shuō)，保持氣化爐每小時(shí)加料量300 kg及鼓風(fēng)量300 m3左右；氣化爐內(nèi)壓力及燃?xì)獾妮敵鰤毫Ρ３衷谡龎?.5 kPa左右；氣化爐內(nèi)生物質(zhì)料層高度不能低于最大料層高度的80%；氣化過(guò)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(shí)鼓風(fēng)量降到最低，以防止煙氣外溢。

氣化爐生物質(zhì)料供給由料斗方式間歇供料，并由料位檢測(cè)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(cè)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(shè)計(jì)的一體化控制原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制核心采用三菱FX2n系列PLC，配合開(kāi)關(guān)量輸入和輸出模塊、模擬量AD和DA模塊、觸摸屏等構(gòu)成控制系統(tǒng)。溫度檢測(cè)傳感器為K型熱電偶，燃?xì)鈮毫盃t膛負(fù)壓檢測(cè)傳感器采用ND-8微壓差傳感器，蒸汽壓力檢測(cè)采用CJGP型（智能）壓力變送器，風(fēng)量調(diào)節(jié)采用變頻器完成。

圖2 一體化控制結(jié)構(gòu)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(cè)及加料控制程序，鍋爐水位檢測(cè)及回補(bǔ)水控制程序，基于溫度、壓力的緊急制動(dòng)程序，基于蒸汽壓力的氣化爐氣化強(qiáng)度控制程序，鍋爐爐膛負(fù)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(qiáng)度控制

在一定范圍內(nèi)供給氣化爐的空氣量的多少，與氣化爐燃?xì)猱a(chǎn)量有直接關(guān)系，據(jù)此設(shè)計(jì)如圖3的控制原理圖。

圖3 蒸汽壓力與氣化強(qiáng)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(diào)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(hào)Pt輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4AD，該模塊有四個(gè)12位分辨率、精度為+1%、轉(zhuǎn)換速度為15 m/s通道的模擬量輸入通道，轉(zhuǎn)換后的蒸汽壓力當(dāng)前值數(shù)據(jù)存入PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器。PLC根據(jù)設(shè)定值Ps與當(dāng)前值數(shù)據(jù)Pv計(jì)算出偏差Pe和偏差變化率Pec，按照自適應(yīng)智能控制規(guī)則計(jì)算控制量Pm，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4DA變換成0 ～ 10 V的電壓信號(hào)，送至氣化爐鼓風(fēng)控制變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，控制可燃?xì)廨敵雠c供給鍋爐的熱量，進(jìn)而控制鍋爐出口蒸汽壓力。

4.1.1 自適應(yīng)智能控制規(guī)則

FX2n系列PLC具有基于常規(guī)PID算法設(shè)計(jì)的PID指令，應(yīng)用時(shí)的主要問(wèn)題是參數(shù)整定，一旦整定計(jì)算好后，在整個(gè)控制過(guò)程中都是固定不變的，但在由氣化爐-鍋爐組成的熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，系統(tǒng)具有大滯后、非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，生物質(zhì)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(yīng)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(diào)節(jié)量△Pm(max)，最小控制調(diào)節(jié)量△Pm(min)，采樣時(shí)間間隔△t，采樣次數(shù)N。

偏差趨勢(shì)圖如圖4，圖中根據(jù)測(cè)量值Pv與設(shè)定值Ps的偏離程度劃分a、b、c、d、e、f六個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的控制調(diào)節(jié)量Pm各不相同。

圖4 反饋偏差趨勢(shì)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(shuō)明偏差過(guò)大，則相應(yīng)控制量應(yīng)取最大，即Pm(t) = Pm(t - 1) -△Pm(max)?？刂菩Ч麨檎羝麎毫εc設(shè)定值偏差較大時(shí)，氣化爐鼓風(fēng)調(diào)節(jié)取最大值，可燃?xì)廨敵隽侩S之調(diào)節(jié)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)到蒸汽輸出壓力。

同理，處于區(qū)間f時(shí)，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(shuō)明偏差在允許范圍內(nèi)，則相應(yīng)控制量不變，保持當(dāng)前值，即Pm(t) = Pm(t - 1)?？刂菩Ч麨檎羝麎毫εc設(shè)定值偏差較小時(shí)，保持氣化爐鼓風(fēng)量不變，無(wú)需調(diào)節(jié)。

若Pe(min) ＜ Pe(t) ＜ Pe(max)，處于c區(qū)，且Pec(t) ＜0，根據(jù)趨勢(shì)圖可知實(shí)際值正遠(yuǎn)離設(shè)定值，對(duì)應(yīng)1段曲線，說(shuō)明控制量明顯偏小，應(yīng)逐漸增加較大的控制量，盡快減小偏差。此時(shí)輸出控制量規(guī)則采用Pm(t) = Pm(t - 1) – N×△Pm(min)，N為進(jìn)入該區(qū)時(shí)的采樣次數(shù)。控制效果為蒸汽壓力測(cè)量值正逐漸遠(yuǎn)離設(shè)定值增大時(shí)，則氣化爐鼓風(fēng)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(jù)趨勢(shì)圖可知實(shí)際值正接近設(shè)定值，對(duì)應(yīng)2段曲線，此時(shí)應(yīng)逐漸減小控制量，避免過(guò)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(jù)趨勢(shì)圖可知實(shí)際值偏離設(shè)定值并保持恒定，對(duì)應(yīng)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(shí)，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(shí)，輸出控制量規(guī)則采用Pm(t) = Pm(t - 1) + N×△Pm(min)，N為進(jìn)入該區(qū)時(shí)的采樣次數(shù)。

4.1.2 控制初始值的確定

根據(jù)2.2、2.3節(jié)的方法以及實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定表1所示的鍋爐蒸汽壓力，分段運(yùn)行初始值參考數(shù)據(jù)，在此參考值基礎(chǔ)上配合自適應(yīng)智能控制規(guī)則，可使鍋爐蒸汽壓力快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 初始參數(shù)設(shè)定表Table 1 Initial parameter setting

4.2 爐膛負(fù)壓控制

爐膛負(fù)壓控制主要通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)生物質(zhì)氣和燃燒器助燃配風(fēng)需要增加時(shí)，爐膛負(fù)壓勢(shì)必會(huì)向正壓方向減小，為了保證負(fù)壓，調(diào)節(jié)手段為增加引風(fēng)量；當(dāng)生物質(zhì)氣和燃燒器助燃配風(fēng)需要減少時(shí)，爐膛負(fù)壓勢(shì)必會(huì)向負(fù)壓方向增大，這時(shí)的調(diào)節(jié)手段為減少引風(fēng)量。負(fù)壓的控制參數(shù)需與氣化爐鼓風(fēng)、燃燒器配風(fēng)相關(guān)聯(lián)，初始控制參數(shù)包含在表1中?？刂圃砣鐖D5所示，自適應(yīng)智能控制規(guī)則與4.1.1節(jié)一致。

圖5 鍋爐負(fù)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(zhì)氣為低熱值并含有焦油的可燃?xì)猓虼吮鞠到y(tǒng)無(wú)法應(yīng)用針對(duì)天然氣或柴油設(shè)計(jì)的燃燒器，主要原因是點(diǎn)火困難。一體化系統(tǒng)中采用了特別設(shè)計(jì)的適應(yīng)含焦油低熱值燃?xì)獾娜紵鞑⑤o助液化氣點(diǎn)火。

控制過(guò)程如下：

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)后，先檢測(cè)燃?xì)鈮毫?，然后啟?dòng)燃燒器助燃風(fēng)機(jī)，檢測(cè)助燃風(fēng)壓力并吹掃爐膛，同時(shí)進(jìn)行閥組檢漏并進(jìn)行閥位檢測(cè)；

（2）前面過(guò)程全部通過(guò)后，到達(dá)設(shè)定時(shí)間便點(diǎn)燃液化氣點(diǎn)火槍，點(diǎn)火成功后打開(kāi)主燃?xì)忾y，點(diǎn)著火后，燃燒器進(jìn)入正常工作狀態(tài)；

（3）檢測(cè)蒸汽壓力，根據(jù)氣化爐鼓風(fēng)量的實(shí)時(shí)變化及時(shí)調(diào)節(jié)燃燒器助燃配風(fēng)風(fēng)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(cè)火焰信號(hào)、燃?xì)鈮毫?、風(fēng)壓、鍋爐安全運(yùn)行信號(hào)，如中途意外熄火或者燃?xì)鈮毫Σ环弦?guī)定值時(shí)自動(dòng)切斷燃?xì)夤?yīng)，報(bào)警并加大鍋爐引風(fēng)及燃燒器助燃配風(fēng)吹掃爐膛；

（5）在加料（待機(jī)）狀態(tài)，氣化爐鼓風(fēng)量和燃燒器助燃配風(fēng)在最低頻率下運(yùn)行，以保持火種不滅，必要時(shí)點(diǎn)燃液化氣點(diǎn)火槍維持火種。

5 自適應(yīng)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(zhì)氣化集中供汽系統(tǒng)中成功運(yùn)行，運(yùn)行長(zhǎng)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(yīng)智能控制規(guī)則，有效避免了生物質(zhì)含水量、成份的變化對(duì)控制結(jié)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(shè)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(dòng)是因添加生物質(zhì)料時(shí)將氣化爐鼓風(fēng)降到最小所引起。

圖6 蒸汽壓力智能調(diào)節(jié)趨勢(shì)圖Fig. 6 Trend graph of steam pressure

6 結(jié)束語(yǔ)

固定床上吸式生物質(zhì)氣化爐對(duì)生物質(zhì)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(wú)需破碎烘干，降低了生物質(zhì)利用的成本。由于“一體化”應(yīng)用，氣化爐與鍋爐距離較近，在充分利用可燃?xì)獍l(fā)熱量的同時(shí)焦油成分亦可以直接在鍋爐爐膛燃燒，因此含焦油及可燃?xì)怏w熱值的氣化系統(tǒng)總熱效率可達(dá)到90%以上。

本文所述控制方法，雖是針對(duì)料斗間歇供料方式的固定床上吸式生物質(zhì)氣化裝置，但對(duì)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。

[1] 王建安, 劉國(guó)順. 生物質(zhì)燃燒鍋爐熱水集中供熱烤煙設(shè)備的研制及效果分析[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào), 2012, 18(6): 32-37.

[2] 劉光華, 杜海江, 吳柏秋, 等. 一種應(yīng)用于織物洗滌烘干中的生物質(zhì)熱風(fēng)系統(tǒng)[P]. 中國(guó)專利: CN20132 0383221.2, 2013.

[3] 趙翠晶. 生物質(zhì)在旋風(fēng)式熱解氣化爐內(nèi)流動(dòng)特性數(shù)值模擬研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012. 17-69.

[4] 劉明. 生物質(zhì)氣化及其燃?xì)馊紵龑?shí)驗(yàn)研究與分析[D].天津: 天津大學(xué), 2008. 21-23.

[5] 辛玲玲. 多功能生物質(zhì)氣化燃燒裝置的研究[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué), 2012. 43-61.

[6] 杜海江, 劉光華, 王新強(qiáng), 等. 一種料斗防墜結(jié)構(gòu)[P].中國(guó)專利: CN201210202911.3, 2014.

[7] 楊瑞星. 鍋爐蒸汽壓力模糊控制器的設(shè)計(jì)[J]. 鍋爐制造, 2010, 220(2): 16-19.

[8] 郝萬(wàn)君, 胡林獻(xiàn), 柴慶宣, 等. 基于專家PID的鍋爐蒸汽壓力控制策略[J]. 控制工程, 2005, 12(5): 67-69

[9] 張海良. 鍋爐主蒸汽壓力控制[D]. 江蘇: 江蘇工業(yè)學(xué)院, 2008. 16-19.

[10] 邱國(guó)華, 高立生, 袁峰, 等. PLC在蒸汽鍋爐自動(dòng)控制中的應(yīng)用[J]. 儀器儀表與傳感器, 2009, 增刊: 395-398.

[11] 周梅芳, 金向平, 陳偕雄. 基于PLC的智能PID控制方法及其應(yīng)用[J]. 化工自動(dòng)化及儀表, 2003, 30(6): 46-48.

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(jí)工程師，主要從事電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)及工業(yè)自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)及應(yīng)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(xiàng)目（2009B091300009）；2011年廣東省重大科技專項(xiàng)（2011A080803002）；2012年廣東省重大科技專項(xiàng)（2012A080103002）

? 通信作者：杜海江，E-mail：duhj88@163.com