CN111410996B - 一种生物质气化炉控制方法 - Google Patents

Abstract

一种生物质气化炉控制方法涉及自动化控制领域。应用的装置主要包括：下吸式生物质气化炉，气化剂进气阀，炉膛四周多个温度传感器，罗茨风机，长明火处温度传感器，数据采集摄像头，主要强调摄像头和温度传感器组合在检测产气可燃气体热值信息的应用，同时引入热值系数概念，温度环控制时采用带Smith预估的模糊‑PID复合控制器使下吸式气化炉内温度处于最佳气化状态。

Description

一种生物质气化炉控制方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种生物质气化炉控制方法。

背景技术

随着经济与社会的发展，化石燃料日趋枯竭，环境污染严重。我国生物质能源(如稻杆、棉柴、树枝)十分丰富，生物质气化炉以秸秆、棉柴等农林生物质能源为原料制取可燃气体不仅能缓解能源紧张的局面还可以减小环境污染程度。目前，我国生物质气化炉产线，工人劳动强度大，工作环境恶略，存在产气不稳定、热值低问题。本发明指出一种生物质气化炉控制方案，可以提高产气稳定性，提高气化效率。

发明内容

本发明的目的在于，为提高生物质气化炉制气稳定性，提高产气效率，设计一种生物质气化炉控制方法。

本发明提供的技术方案是一种生物质气化炉的智能控制方法，其特征在于：所述***主要由下吸式生物质气化炉1，气化剂进气阀2，炉膛四周多个温度传感器3，罗茨风机4，长明火处温度传感器5，数据采集摄像头6组成。该方法主要解决的问题是使气化炉内的温度达到最佳气化温度，使气化效果最佳，并分析所产生混合气体的热值情况。

所述下吸式生物质气化炉、气化剂进气阀、炉膛四周的多个温度传感器组成温度控制环。控制温度时采用Smith-模糊-PID复合控制器对进气阀开度进行控制。

所述温度控制环如图2所示，当温度偏差大于偏差设定值时，切换开关打到模糊控制处，利用Smith-模糊控制保证气化炉***的响应速度；当偏差小于设定值时，切换开关置于PID控制位置采用Smith-PID控制可以保证***的问题误差。

所述长明火处温度传感器、数据采集摄像头与计算机组成产气热值分析***。摄像头采集的火焰图像信息，经过计算机处理分析结合长明火热电偶温度信息与专家数据库中数据进行对比可以得到产气中可燃气体的热值是否在规定范围之内。

所述数据对比时引入热值系数概念，热值系数由可反映热值的火焰面积、高度、温度因素组合而成。

本发明的有益效果是：使用Smith-模糊-PID控制的温度控制环可以使下吸式生物质气化炉***更加稳定，鲁棒性强，产气质量有所提高；产气热值分析***为生物质气化产业远程控制、大规模化发展提供借鉴意义。

附图说明

图1为下吸式气化炉***主要组成简图。

图2是控制***结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图所示生物质原料进过进料口进入气化炉1内，与通过进气阀2通入炉内的气化剂接触，在气化炉中经过复杂物理化学反应生成含有一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体和氮气、二氧化碳的混合气体，产生的混合气体由变频罗茨风机4从气化炉底部抽出，经过净化***后，多数混合气体经过管道进入后续储气装置或其他环节，少部分在长明火处进行燃烧以供气体热值检测使用。

炉内温度控制时，炉膛四周多个传感器3将温度传输至PLC，在经过分析、对比后控制进气阀2的开度以达到调节炉内温度的需求。当温度偏差大于设定偏差时，以偏差和偏差变化率作为模糊控制的输入通过Smith-模糊控制方式调节进气阀2的开度，偏差小于设定值时通过Smith-PID控制进气阀2的开度，其中偏差的设定值由连接PLC的组态王软件进行写入，在此处可以设定为10℃，该种控制方式对炉膛温度具有良好的调节效果。

混合气体成热值分析时，摄像头6采集的燃烧火焰信息和长明火处温度传感器采集的火焰温度信息传入计算机，经过图像处理后提取火焰的高度、面积、温度信息。f₁＝T_R,T_R表示热电偶测量温度。火焰高度信息用公式f₂＝max{y_p,i}-min{y_p,i}表示，其中y_p,i表示火焰区域第i点的纵坐标；面积信息用

表示，M和N分别表示像素矩阵的行数和列数，n表示火焰区域所占像素个数；温度信息用热电偶端部以上的平均温度作为判别依据，平均温度的表达式为：

A为热电偶顶部以上火焰区域像素点数，y_r表示热电偶顶部中心的纵坐标，y_j表示像素点的纵坐标，R_q表示火焰区域的横坐标范围，T(i,j)为热电偶顶部以上火焰区域各像素点温度信息，各像素点温度信息可用双色法求出；气体热值系数用α表示，其表达式可定义为：

式中f_θ(θ＝1,2,3,4)分别表示热电偶温度值和图像中面积、火焰高度、温度信息，ω_θ表示该因素反应气体热值的关系系数，k_θ表示该因素对热值反应情况的重要程度，k_θ满足

ω_θ和k_θ可以通过实验标定得到，ω_θ标定时通过摄像头采集的图像经过处理后的某因素和热电偶反馈的温度信息的不同数据与气体通过含量分析计算后的不同热值数据进行分析，利用散点制图法确定该因素反应气体热值的关系从而确定该因素的关系系数，k_θ的标定通过各因素反应热值的关系系数确定，某因素反应热值的线性程度越强该因素的k_θ越大，k_θ(θ＝1,2,3,4)具体值可通过遗传算法寻优得到。气体热值系数可以反应气体热值的高低，通过比较热值系数可以得到所产气体热值是否在设定值之内，比较时首先将设定的目标热值最大值，最小值按公式求出热值系数最大、最小值放在数据库中，实际运行时求出的热值系数与数据库设置系数比较可判断气体热值是否在设定值内。

本发明在生物质气化热电联产大规模化项目中的实用前景广阔，并为化工过程中混合气体热值的检测提供借鉴。

Claims (1)

1.一种生物质气化炉控制方法，所应用的装置包括：下吸式生物质气化炉，气化剂进气阀，炉膛四周多个温度传感器，罗茨风机，长明火处温度传感器，数据采集摄像头；

下吸式生物质气化炉、气化剂进气阀、炉膛四周的多个温度传感器组成温度控制环；控制温度时采用Smith-模糊-PID复合控制器对进气阀开度进行控制；当温度偏差大于偏差设定值时，切换开关打到模糊控制处，利用Smith-模糊控制保证气化炉***的响应速度；当偏差小于设定值时，切换开关置于PID控制位置采用Smith-PID控制；

其特征在于：

混合气体成热值分析时，摄像头采集的燃烧火焰信息和长明火处温度传感器采集的火焰温度信息传入计算机，经过图像处理后提取火焰的高度、面积、温度信息；

f₁＝T_R,T_R表示热电偶测量温度；

火焰高度信息用公式f₂＝max{y_p,i}-min{y_p,i}表示，其中y_p,i表示火焰区域第i点的纵坐标；

面积信息用

表示，M和N分别表示像素矩阵的行数和列数，n表示火焰区域所占像素个数；

温度信息用热电偶端部以上的平均温度作为判别依据，平均温度的表达式为：

A为热电偶顶部以上火焰区域像素点数，y_r表示热电偶顶部中心的纵坐标，y_j表示像素点的纵坐标，R_q表示火焰区域的横坐标范围，T(i,j)为热电偶顶部以上火焰区域各像素点温度信息，各像素点温度信息用双色法求出；

气体热值系数用α表示，其表达式定义为：

式中f_θ(θ＝1,2,3,4)分别表示热电偶温度值和图像中面积、火焰高度、温度信息，ω_θ表示该因素反应气体热值的关系系数，k_θ表示该因素对热值反应情况的重要程度，k_θ满足

ω_θ和k_θ通过实验标定得到；通过比较热值系数得到所产气体热值是否在设定值之内。

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