專利名稱：模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容大體涉及控制與優(yōu)化系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于循環(huán)流化床系統(tǒng)或 化學(xué)循環(huán)(chemical looping)系統(tǒng)中固體輸送的分層模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
流化床燃燒(FBC)是在發(fā)電裝置中使用的燃燒技術(shù)，主要用于燃燒固體燃料。FBC 發(fā)電裝置比常規(guī)裝置更靈活，因為它們可燃燒煤、煤矸石或生物量以及其它燃料。一般而 言，F(xiàn)BC發(fā)電裝置從尋找在不存在外部排放控制器(諸如洗滌器)的情況下能夠控制污染 物排放的燃燒過程的努力進化而來。盡管FBC發(fā)電裝置具有比常規(guī)燃燒裝置更低的污染物 排放，但是正在進行的努力持續(xù)地爭取將污染物排放降低至更低水平。化學(xué)循環(huán)(CL)是也可用于發(fā)電裝置的另一燃燒技術(shù)，該發(fā)電裝置燃燒燃料，諸如 煤、煤矸石、生物量或其它機會燃料。CL過程可實施于現(xiàn)有的或新的發(fā)電裝置中，并且在減 小裝置大小、減少排放和增加裝置操作效率以及其它益處方面提供有前景的改進。典型的CL系統(tǒng)利用高溫過程，由此諸如鈣基或金屬基化合物的固體例如在稱作 氧化器的第一反應(yīng)器與稱作還原器的第二反應(yīng)器之間“循環(huán)”。在氧化器中，來自噴入氧化 器內(nèi)的空氣的氧在氧化反應(yīng)中由固體捕集。然后所捕集的氧由氧化固體攜帶到還原器以例 如用于諸如煤的燃料的燃燒和/或氣化。在還原器中的還原反應(yīng)之后，不再具有捕集的氧 的固體返回到氧化器以再次氧化，并且重復(fù)該循環(huán)。CL過程例如比諸如常規(guī)循環(huán)流化床(CFB)裝置的其它裝置的過程更復(fù)雜。特別 地，在CL過程中對循環(huán)固體的控制需要多環(huán)路相互作用的流量和存量控制，這在傳統(tǒng)裝置 中不需要。因此，應(yīng)用于CL過程的傳統(tǒng)裝置控制必然導(dǎo)致用于每個CL環(huán)路的單獨的控制 環(huán)路。然而，使用用于每個CL環(huán)路的單獨控制環(huán)路效率較低，并且不優(yōu)化CL過程的性能， 這是因為精確控制需要在個別環(huán)路之間參數(shù)的協(xié)調(diào)控制。必須考慮用于CL過程的每個環(huán) 路的變量之間的相互作用以優(yōu)化總體CL過程性能。例如在環(huán)路之間的固體流量由于與固 體流量相關(guān)的大量的非線性的相關(guān)變量而特別難以調(diào)節(jié)。更具體地，在多環(huán)路基于CL的裝 置的環(huán)路之間的振蕩耦合例如破壞流動并且使其固體存量調(diào)節(jié)較為困難。而且，交叉流與 相對環(huán)路的主要流，例如再循環(huán)流，相互作用，從而使具有每個相應(yīng)環(huán)路的固體輸送的總調(diào) 節(jié)較為復(fù)雜。因此目前已開發(fā)的控制與優(yōu)化工具集中于控制和優(yōu)化常規(guī)燃燒發(fā)電裝置。因此， 這些工具集中于解決很具體的局部問題而不是復(fù)雜裝置操作的全局控制和優(yōu)化。開發(fā)使用基于模糊集合論(模糊邏輯)的常規(guī)過程控制的控制系統(tǒng)來幫助克服上 述的某些問題。模糊集合論根據(jù)基于規(guī)則的決策，其仿效“經(jīng)驗法則”推理過程，類似于人思 考和決策的過程。然而，常規(guī)的模糊集合論控制系統(tǒng)限于可記憶的規(guī)則數(shù)量，這是因為過多 的規(guī)則數(shù)量使模糊邏輯決策過程的負(fù)擔(dān)過多，從而有效地消除了使用模糊邏輯的優(yōu)點。因 此，隨著發(fā)電裝置設(shè)計進化并且其過程變得更為復(fù)雜，諸如對于上述的基于CL的發(fā)電裝置 并且具體地對于多環(huán)路基于CL的發(fā)電裝置，所涉及的變量數(shù)量顯著增加。因此，所需規(guī)則的數(shù)量變得不可接受，并且因此常規(guī)模糊集合論控制系統(tǒng)不能最佳地或者高效地控制基于 CL的發(fā)電裝置的某個過程，諸如固體輸送。因此，需要發(fā)展克服上述不足的用于例如CFB系統(tǒng)或CL系統(tǒng)中固體輸送的控制與 優(yōu)化系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文所示的方面，提供一種用于優(yōu)化發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括 化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收輸入信號的輸入端和用于輸出輸出信號的輸出端，以及可操作 地連接到化學(xué)環(huán)路的分層模糊控制系統(tǒng)。分層模糊控制系統(tǒng)包括多個模糊控制器。分層模 糊控制系統(tǒng)接收輸出信號，基于所接收的輸出信號優(yōu)化輸入信號，并且輸出優(yōu)化的輸入信 號至化學(xué)環(huán)路的輸入端從而以優(yōu)化方式控制化學(xué)環(huán)路的過程。根據(jù)本文所示的其它方面，用于優(yōu)化發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)包括第一化學(xué)環(huán)路，其 具有用于接收第一輸入信號的第一輸入端和用于輸出第一輸出信號的第一輸出端，并且可 操作地連接到第一化學(xué)環(huán)路并且具有多個模糊控制器的分層模糊控制系統(tǒng)。第一化學(xué)環(huán)路 包括第一反應(yīng)器，其至少具有第一入口和第一出口 ；第一分離器，其可操作地連接到第一 反應(yīng)器的第一出口 ；以及第一密封罐(seal pot)控制閥，其布置于第一分離器與第一反應(yīng) 器的第一入口之間。分層模糊控制系統(tǒng)接收輸出信號，基于所接收的輸出信號優(yōu)化輸入信 號，并且輸出優(yōu)化的輸入信號至化學(xué)環(huán)路的輸入端從而以優(yōu)化方式控制化學(xué)環(huán)路的過程。根據(jù)本文所示的其它方面，用于優(yōu)化發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)包括第一化學(xué)環(huán)路，其 具有用于接收第一輸入信號的第一輸入端和用于輸出第一輸出信號的第一輸出端。第一化 學(xué)環(huán)路包括第一反應(yīng)器，其至少具有第一入口和第二出口 ；第一分離器，其可操作地連接 到第一反應(yīng)器的第一出口 ；以及第一密封罐控制閥，其布置于第一分離器與第一反應(yīng)器的 第一入口之間?？刂葡到y(tǒng)還包括第二化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收第二輸入信號的第二輸入端和用 于輸出第二輸出信號的第二輸出端。第二化學(xué)環(huán)路包括第二反應(yīng)器，其至少具有第二入 口和第二出口 ；第二分離器，其可操作地連接到第二反應(yīng)器的第二出口 ；以及第二密封罐 控制閥，其布置于第二分離器與第二反應(yīng)器入口之間?？刂葡到y(tǒng)還包括第一交叉支腿，其 與第一化學(xué)環(huán)路的第一密封罐控制閥和第二化學(xué)環(huán)路的第二反應(yīng)器入口流體連通；第二交 叉支腿，其與第二化學(xué)環(huán)路的第二密封罐控制閥和第一化學(xué)環(huán)路的第一反應(yīng)器入口流體連 通；以及分層模糊控制系統(tǒng)。分層模糊控制系統(tǒng)包括全局模糊控制器，可操作地連接到全局模糊控制器的第一 模糊控制器，可操作地連接到全局模糊控制器的第二模糊控制器，可操作地連接到全局模 糊控制器的第三模糊控制器，以及可操作地連接到全局模糊控制器的第四模糊控制器。全 局模糊控制器控制第一模糊控制器、第二模糊控制器、第三模糊控制器和第四模糊控制器 的操作。第一模糊控制器、第二模糊控制器、第三模糊控制器與第四模糊控制器中的至少一 個接收第一輸出信號和第二輸出信號中的一個，基于所接收的第一輸出信號和第二輸出信 號中的一個優(yōu)化第一輸入信號和第二輸入信號中的一個；并且輸出優(yōu)化的第一輸入信號和 第二輸入信號中的一個至第一化學(xué)環(huán)路和第二化學(xué)環(huán)路中的一個。分層模糊控制系統(tǒng)優(yōu)化以下中的至少一個第一化學(xué)環(huán)路中的再循環(huán)固體流量；從第一化學(xué)環(huán)路通過第一交叉支腿到第二化學(xué)環(huán)路的交叉固體流量；第二化學(xué)環(huán)路中的再 循環(huán)固體流量；以及從第二化學(xué)環(huán)路通過第二交叉支腿到第一化學(xué)環(huán)路的交叉固體流量。通過下面的附圖和詳細(xì)描述來舉例說明上述特征和其它特征。


現(xiàn)參看為示范性實施例的附圖，其中相似的元件利用相似的附圖標(biāo)記表示圖1是基于CL燃燒的蒸汽發(fā)電裝置的方塊圖；圖2是CL系統(tǒng)的兩個互連環(huán)路的方塊圖；圖3是單個模糊邏輯控制器的方塊圖；以及圖4是分層模糊邏輯控制系統(tǒng)的方塊圖；以及圖5是示出用于CL系統(tǒng)的分層模糊邏輯控制系統(tǒng)的方塊圖。
具體實施例方式本文公開了分層模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)。更具體地，在示范性實施例中的分層 模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)用于基于CL的發(fā)電裝置的雙環(huán)路化學(xué)循環(huán)(CL)系統(tǒng)以最佳地控 制其中的固體輸送。然而，可選的示范性實施例不限于此。例如，分層模糊邏輯控制與優(yōu)化 系統(tǒng)可用于循環(huán)流化床(CFB)系統(tǒng)，或者可選地可用于單環(huán)路或多(例如兩個或更多個) 環(huán)路CL系統(tǒng)。參看圖1，所示的CL系統(tǒng)5類似于在以引用的方式結(jié)合到本文中的美國專利 No. 7，083，658中描述的系統(tǒng)。CL系統(tǒng)5包括例如還原器10的第一反應(yīng)器10和例如氧化 器20的第二反應(yīng)器20?？諝?0供應(yīng)到氧化器20，并且諸如石灰石的鈣(Ca) 40在其中氧 化以產(chǎn)生氧化鈣(CaO) 50。CaO 50經(jīng)由分離器52和密封罐控制閥(SPCV) 55供應(yīng)到還原器 10，并且作為載體將氧傳送到供應(yīng)至還原器10的燃料60 (例如諸如煤60)。因此，傳送到還 原器10的氧在還原器10中與煤60相互作用，并且然后還原的氧化鈣返回到氧化器20以 再次氧化成CaO 50，并且重復(fù)上述循環(huán)。在氧化期間從空氣30提取的諸如氮氣(N2) 70的氧化氣體70以及在氧化期間所 產(chǎn)生的熱(未示出)離開氧化器20。同樣，在還原器10中在還原期間所產(chǎn)生的氣體80離 開還原器10。氣體80例如包括合成氣體(合成氣)80、氫氣(H2)SO和/或二氧化碳?xì)怏w (CO2) 80。氣體80的組成，例如其中的合成氣80、H280和/或C0280的比例，基于煤60與空 氣30的比率而變化。示范性實施例不限于上文參看圖1描述的兩個環(huán)路，而是替代地可包括單環(huán)路或 多于兩個環(huán)路。例如，在可選的示范性實施例中，CL系統(tǒng)5例如包括第三環(huán)路(未示出)， 諸如煅燒爐(calciner)環(huán)路，其允許從重整的合成氣80生成H2。根據(jù)示范性實施例的CL系統(tǒng)5還包括熱環(huán)路90。熱環(huán)路90包括使用蒸汽105驅(qū) 動發(fā)電機100的蒸汽渦輪95，該蒸汽105通過利用由氧化器20中氧化期間所產(chǎn)生的熱來使 給水110沸騰而生成。諸如灰115的廢料115從氧化器20移除用于在外部設(shè)施(未示出)中處置。煤 60以及包含碳酸鈣(CaCO3)的石灰石120和再循環(huán)蒸汽125供應(yīng)到還原器10用于其中的 還原反應(yīng)。
雖然描述了基于氧化鈣的CL系統(tǒng)，但是本發(fā)明也能適用于基于金屬氧化物的CL 系統(tǒng)，其類似于在以引用的方式結(jié)合到本文中的美國專利申請No. 10/542，749中描述的系 統(tǒng)。在操作中，還原反應(yīng)發(fā)生在煤60中的碳和硫、石灰石120中的CaCO3與CaO 50之 間。還原反應(yīng)產(chǎn)生Ca 40，其由分離器52分離并且之后通過SPCV 55供應(yīng)到氧化器20。在 示范性實施例中，Ca 40是硫化鈣(CaS)40并且分離器52是旋風(fēng)分離器52，但是可選的示 范性實施例不限于此。CaS 40然后在氧化器20中在氧化反應(yīng)中氧化，從而產(chǎn)生CaO 50，其 通過分離器52與氧氣70(例如，N270)分離并且經(jīng)由SPCV 55供應(yīng)回到還原器10。氧化反 應(yīng)產(chǎn)生熱，其使給水110沸騰為供應(yīng)至蒸汽渦輪95的蒸汽105。之后，還原器10，連接到還原器10的分離器52，連接到分離器52的SPCV 55，以 及將前述項目連接在一起的相關(guān)管路，例如與之形成流體連接的“環(huán)路”，將稱作第一環(huán)路 200a(圖2)。同樣，氧化器20、連接到氧化器20的分離器52、連接到分離器52的SPCV 55 和連接前述項目的相關(guān)管路將稱作第二環(huán)路200b (圖2)。如將參看圖2更詳細(xì)地描述，通 過分離器52離開還原器10的Ca 40的一部分例如基于還原器10與氧化器20之間的壓差 而通過SPCV 55再循環(huán)回到還原器10，例如不發(fā)送到氧化器20。相似地，離開氧化器20的 CaO 50的一部分再循環(huán)回到氧化器20，而不發(fā)送到還原器10。為了本文討論的目的，諸如 Ca 40和CaO 50的固體在例如再循環(huán)的給定環(huán)路內(nèi)的輸送將稱作“再循環(huán)固體輸送”，而諸 如Ca 40和CaO 50的固體在例如在第一環(huán)路200a與第二環(huán)路200b (圖2)之間的不同環(huán) 路之間的輸送將稱作“交叉固體輸送”。再循環(huán)固體輸送和交叉輸送共同稱作“固體輸送”?，F(xiàn)參看圖2，第一環(huán)路200a包括第一反應(yīng)器10、分離器52a和SPCV 55a。上部管 路205a將第一反應(yīng)器10連接到分離器52a，而料腿(dip leg) 207a連接于分離器52a與 SPCV 55a的輸入端之間。下部管路210a將空氣源215a連接到第一反應(yīng)器10和返回支腿 220a。此外，返回支腿220a連接于下部管路210a與SPCV 55a的第一輸出端之間，如圖2 所示。相似地，第二環(huán)路200b包括第二反應(yīng)器20、分離器52b和SPCV55b。上部管路205b 將第二反應(yīng)器20連接到分離器52b，而料腿207b連接于分離器52b與SPCV 55b的輸入端 之間。下部管路210b將空氣源215b連接到第二反應(yīng)器10和返回支腿220b。另外，返回支 腿220b連接于下部管路210b與SPCV 55b的第一輸出端之間。第一環(huán)路200a還包括交叉支腿225a，其將SPCV 55a的第二輸出端連接到第二環(huán) 路200b的下部管路210b，而第二環(huán)路200b還包括交叉支腿225b，其將SPCV 55b的第二輸 出端連接到第一環(huán)路200a的下部管路210a。在可選的示范性實施例中，空氣源215a和215b例如可組合成單個空氣源(未示 出)，其向第一環(huán)路200a和第二環(huán)路200b供應(yīng)空氣。在例如具有第一環(huán)路200a和第二環(huán)路200b的基于CL的發(fā)電裝置的操作期間，在 第一環(huán)路200a中的固體向上流過第一反應(yīng)器10，進入上部管道205a，然后進入分離器52a。 在分離器52a中，固體與氣體80分離(圖1)并且之后經(jīng)由SPCV 55a的入口向下流到SPCV 55a內(nèi)。再循環(huán)固體，例如從SPCV55a (通過其第一出口)流出到返回支腿220a以與來自空 氣源215a的空氣30(圖1)相混合的SPCV55a中的固體的一部分，使再循環(huán)固體再循環(huán)回 到第一反應(yīng)器10 (再循環(huán)固體輸送)。
另一方面，不被再循環(huán)的SPCV 55a中的固體，例如交叉固體，從SPCV 55a (通過其 第二出口 )流出并且因此供應(yīng)到第二環(huán)路200b的下部管路210b。由此交叉固體傳送到第 二反應(yīng)器20(交叉固體輸送)。以類似方式，第二環(huán)路200b中的固體流動包括第二環(huán)路200a內(nèi)的再循環(huán)固體輸 送和到第一環(huán)路200a的交叉固體輸送。在示范性實施例中，在第一環(huán)路200a和第二環(huán)路200b的再循環(huán)固體輸送和交叉 固體輸送中的每個中的固體的相對比例，例如再循環(huán)或供應(yīng)到另一環(huán)路的固體部分的大 小，是基于供應(yīng)到相關(guān)的SPCV 55a或SPCV 55b的空氣量來控制。更具體地，再循環(huán)空氣控 制閥230a和230b分別控制第一環(huán)路200a和第二環(huán)路200b中的再循環(huán)固體輸送，而交叉空 氣控制閥235a和235b分別控制第一環(huán)路200a和第二環(huán)路200b中的交叉固體輸送?？刂?系統(tǒng)300提供控制信號至再循環(huán)空氣控制閥230a和230b和交叉空氣控制閥235a和235b。具體地，根據(jù)示范性實施例的控制系統(tǒng)300提供第一控制信號305至再循環(huán)空氣 控制閥230a，提供第二控制信號310至交叉空氣控制閥235a，提供第三控制信號315至再 循環(huán)空氣控制閥230b和提供第四控制信號320至交叉空氣控制閥235b，但是可選的示范性 實施例不限于此。例如，控制系統(tǒng)300可提供控制信號(未示出)，其控制來自空氣源215a 和/或空氣源215b的空氣流量，以及燃料60 (圖1)、石灰石120 (圖1)和/或再循環(huán)蒸汽 125 (圖1)的流量。此外，根據(jù)可選的示范性實施例的控制系統(tǒng)300的控制信號將在下文中 參看圖3至圖5更詳細(xì)地描述。仍參看圖2，現(xiàn)將更詳細(xì)地描述根據(jù)示范性實施例的控制信號。第一控制信號305 基于在料腿207a上的壓差(D/P)與在第一反應(yīng)器10上的D/P之間的差。更具體地，第一 控制信號305基于在料腿207a上的D/P與在第一反應(yīng)器10上的D/P之間的差和模糊邏輯 規(guī)則(在下文中更詳細(xì)地描述)來調(diào)整從空氣源215a通過再循環(huán)空氣控制閥230a的空氣 流，以調(diào)節(jié)第一環(huán)路200a中的再循環(huán)固體輸送。根據(jù)示范性實施例的第二控制信號310基于在交叉支腿225a上的D/P與在下部 管路210a與下部管路210b之間的D/P之間的差。更具體地，第二控制信號310基于在交 叉支腿225a上的D/P與在下部管路210a與下部管路210b之間的D/P之間的差以及模糊 邏輯控制規(guī)則來調(diào)整從空氣源215a通過交叉空氣控制閥235a的空氣流量，以調(diào)節(jié)從第一 環(huán)路200a到第二環(huán)路200b的交叉固體輸送。第三控制信號315基于在料腿207b上的D/P與在第二反應(yīng)器20上的D/P之間的 差。更具體地，第三控制信號315基于在料腿207b上的D/P與在第二反應(yīng)器20上的D/P 之間的差和模糊邏輯規(guī)則來調(diào)整從空氣源215b通過再循環(huán)空氣控制閥230b的空氣流量， 以調(diào)節(jié)第二環(huán)路200b中的再循環(huán)固體輸送。根據(jù)示范性實施例的第四控制信號320基于在交叉支腿225b上的D/P與在下部 管路210b與下部管路210a之間的D/P之間的差。更具體地，第四控制信號320基于在交 叉支腿225b上的D/P與在下部管路210b與下部管路210a之間的D/P之間的差以及模糊 邏輯規(guī)則來調(diào)整從空氣源215b通過交叉空氣控制閥235b的空氣流量，以調(diào)節(jié)從第二環(huán)路 200b到第一環(huán)路200a的交叉固體輸送。應(yīng)注意的是，控制信號不限于本文所述的信號。例如，根據(jù)可選的示范性實施例的 控制信號可涵蓋其它可控參數(shù)，諸如溫度、壓力、流率、排放和/或耗熱率，但是不限于此。
10而且，控制系統(tǒng)300可與具有多于兩個環(huán)路的基于CL的裝置一起使用。因此，基于待控制 的環(huán)路的數(shù)量將需要額外的控制信號?，F(xiàn)將參看圖3更詳細(xì)地描述根據(jù)示范性實施例的控制系統(tǒng)300的模糊控制器330。 如上文更詳細(xì)地描述，模糊控制基于模糊集合論并且是基于規(guī)則的決策過程。另外，模糊控 制是常規(guī)比例-積分-微分(PID)控制的自然延伸，其使用模糊規(guī)則中所捕集的關(guān)于裝置 操作的人類啟發(fā)式知識。此外，模糊規(guī)則用于表示在輸入與輸出之間的非線性映射并且因 此模糊控制提供基于非線性模型的控制器的可選方案。模糊控制器的另一優(yōu)點，特別在實 施為神經(jīng)模糊引擎時，在于測試數(shù)據(jù)可用于微調(diào)，例如訓(xùn)練，模糊控制器中的規(guī)則。此外，可 添加進一步支持控制優(yōu)化和/或過程診斷的規(guī)則。參看圖3，模糊控制器330包括模糊化部件335、連接到模糊化部件335的模糊邏 輯決策引擎340和連接到模糊邏輯決策引擎340的去模糊化部件345。模糊邏輯決策引擎 340包括規(guī)則庫350和連接到規(guī)則庫350的推理引擎355，如圖3所示。模糊控制器330接 收預(yù)處理信號360并且輸出處理信號365。在示范性實施例中，預(yù)處理信號360是來自第一 環(huán)路200a或第二環(huán)路200b的輸出端的輸出信號367 (圖5)。此外，根據(jù)示范性實施例的處理信號365是控制信號，例如供應(yīng)到第一環(huán)路200a 或第二環(huán)路200b的輸入端的輸入信號369 (圖5)，例如諸如第一控制信號305、第二控制信 號310、第三控制信號315或第四控制信號320 (圖2)，但是可選的示范性實施例不限于此。模糊控制器330接收預(yù)處理信號360，并且模糊化部件335將該預(yù)處理信號360 模糊化，例如以將預(yù)處理信號360轉(zhuǎn)變成適當(dāng)格式用于由模糊邏輯決策引擎340進行處理。 在示范性實施例中，模糊邏輯決策引擎340包括神經(jīng)模糊引擎340。然后，模糊邏輯決策引 擎340使用推理引擎355來基于規(guī)則庫350的規(guī)則(未示出)確定用于模糊化預(yù)處理信號 360的適當(dāng)參數(shù)，例如方案。然后，去模糊化部件345將預(yù)處理信號360去模糊化以輸出處 理信號365。參看圖4，根據(jù)示范性實施例的分層模糊控制系統(tǒng)400包括多個模糊控制器，諸如 模糊控制器330。此外，多個模糊控制器的個別模糊控制器以分層方式進行排列。具體地， 全局模糊控制器403以監(jiān)督方式操作，從而協(xié)調(diào)分層模糊控制系統(tǒng)的總體控制，并且更具 體地諸如第一模糊控制器405、第二模糊控制器410、第三模糊控制器415和第四模糊控制 器420的局部模糊控制器上的控制，如圖4所示。然而，可選的示范性實施例不局限于或限 制于局部模糊控制器。例如，全局模糊控制器403可監(jiān)督例如局部模糊控制器、局部PID控 制器、局部神經(jīng)自適應(yīng)控制器和/或基于局部模型的控制器中的任一類型或所有類型。此 外，分層模糊控制系統(tǒng)400或其一部分可在可選的示范性實施例中例如集成到裝置系統(tǒng)優(yōu) 化系統(tǒng)內(nèi)。在示范性實施例中，在例如具有第一環(huán)路200a和第二環(huán)路200b (圖2)的基于CL 的發(fā)電裝置中，分層模糊控制系統(tǒng)400實施為控制系統(tǒng)300，如在上文中參看圖2更詳細(xì)地 描述。因此，根據(jù)示范性實施例的全局模糊控制器403協(xié)調(diào)并監(jiān)督局部模糊控制器。另外， 局部模糊控制器個別地處理信號。更具體地，第一模糊控制器405提供第一控制信號305， 第二模糊控制器410提供第二控制信號310，第三模糊控制器415提供第三控制信號315， 第四模糊控制器420提供第四控制信號320，如圖4所示。由于使用圖4所示的分層結(jié)構(gòu)，給定模糊控制器300的規(guī)則庫350 (圖3)，例如全局模糊控制器403、第一模糊控制器405、第二模糊控制器410、第三模糊控制器415和 第四模糊控制器420中的每個的規(guī)則庫350的大小顯著地減小和/或有效地最小化，從而 提供超過與基于CL的發(fā)電裝置相關(guān)的復(fù)雜的、多變量的、非線性的和相互關(guān)聯(lián)的過程的優(yōu) 化控制的優(yōu)點。應(yīng)注意的是，本文所述的示范性實施例可實施于任何和所有的基于CL的 發(fā)電裝置中，包括但不限于單環(huán)路、雙環(huán)路或多(例如兩個或更多個)環(huán)路CL系統(tǒng)，無 論是基于鈣還是基于金屬氧化物；進行CO2捕集(capture)以利用(utilization)或封存 (sequestration)的基于CL的裝置；以及基于CL的CO2預(yù)留(ready)發(fā)電裝置，但不限于 此?，F(xiàn)參看圖5，將更詳細(xì)地描述分層模糊控制系統(tǒng)400在CL系統(tǒng)5中的實施。來自 CL系統(tǒng)5的第一環(huán)路200a的輸出端或第二環(huán)路200b (圖2)的輸出端的輸出信號367供 應(yīng)到環(huán)路控制部件500，其具有連接到其中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)505的分層模糊控制系統(tǒng) 400。在示范性實施例中，DAS 505是自動DAS 505，其監(jiān)視裝置參數(shù)，例如諸如溫度、壓力、 壓差、耗熱率、空氣流量、燃料流量，但不限于此。此外，在示范性實施例中，環(huán)路控制部件包 括軟件平臺(例如諸如MATLAB .或LABVIEWgy)，其監(jiān)視并有助于分層模糊控制系 統(tǒng)400與DAS 500之間的通信。在操作中，環(huán)路控制部件500從CL系統(tǒng)5接收輸出信號367。在示范性實施例中， 輸出信號367例如包括來自第一環(huán)路200a和/或第二環(huán)路200b的壓差(或者多個壓差)， 如在上文中參看圖2更詳細(xì)地描述。環(huán)路控制部件500基于裝置條件(根據(jù)DAS 505)和 模糊邏輯分析(根據(jù)分層模糊控制系統(tǒng)400)來輸出環(huán)路控制信號。在示范性實施例中，環(huán) 路控制信號包括但不限于第一控制信號305、第二控制信號310、第三控制信號315和/或 第四控制信號320(應(yīng)當(dāng)注意的是，為了說明的目的，在圖5中僅示出第一控制信號305)。 然后，環(huán)路控制信號，例如圖5所示的第一控制信號305，供應(yīng)到質(zhì)量流量控制器510。然后 質(zhì)量流量控制器510供應(yīng)輸入信號369至CL系統(tǒng)5，以例如通過調(diào)整閥位置，諸如再循環(huán)空 氣控制閥230a(圖2)的位置來控制通過它的空氣流量，從而最佳地控制CL系統(tǒng)5，如上文 更詳細(xì)地描述。環(huán)路控制部件500也可提供控制信號305用于促動或大體上控制泵、閥、促 動器和/或開關(guān)的操作，用于控制系統(tǒng)5的操作。根據(jù)示范性實施例的質(zhì)量流量控制器510包括閥促動器510。此外，輸入信號369 包括但不限于閥位置、燃料流率、空氣流率、水流率、吸附劑流率、石灰石流率、蒸汽流率，以 及燃料流、空氣流率、石灰石流率和蒸汽流率中的至少兩個的比率。而且，輸出信號367包 括表示CL系統(tǒng)5的操作參數(shù)的信號，諸如發(fā)電率、負(fù)荷需求、固體存量、固體輸送速率、再循 環(huán)固體輸送速率、交叉固體輸送速率、反應(yīng)器溫度、環(huán)路溫度、床溫度、耗熱率、壓力、壓差、 反應(yīng)器壓力、反應(yīng)器壓差、上升器壓差、密封壓差、料腿壓差、交叉支腿壓差、CCV流量、CO2利 用、CO2捕集、CO2存儲(storage)、C02封存、H2流率、N2流率以及合成氣體流率，但可選的示 范性實施例不限于此。在可選的示范性實施例中，控制系統(tǒng)300可與具有單環(huán)路，例如僅圖2所示的第一 環(huán)路200a的CFB裝置或CL裝置子系統(tǒng)一起使用。在此情況下，不存在交叉固體輸送。然 而，仍需使第一反應(yīng)器10中的固體流率最大，同時使料腿207a、SPCV 55a和返回支腿220a 上的累積壓降，例如壓差，最小。因此，控制系統(tǒng)300當(dāng)與具有單環(huán)路的CFB裝置或CL裝置 子系統(tǒng)一起使用時有效地維持在單環(huán)路200a的上升器側(cè)(例如第一反應(yīng)器10)與單環(huán)路200a的密封側(cè)(例如料腿207a、SPCV 55a和返回支腿200a)之間的壓力平衡。因此，在僅 具有單環(huán)路200a的示范性實施例中，基于單環(huán)路200a的上升器側(cè)與密封側(cè)之間的壓差的 單個控制信號可控制單個控制閥，從而例如調(diào)節(jié)到SPCV 55a的空氣流量。總之，根據(jù)示范性實施例的模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)包括分層結(jié)構(gòu)。因此，包括于 模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)中的個別模糊控制器的規(guī)則庫的大小顯著地減小和/或有效地 最小化，從而提供超過與例如多環(huán)路基于CL的發(fā)電裝置相關(guān)的復(fù)雜的、多變量的、非線性 的和相互關(guān)聯(lián)的過程的優(yōu)化控制的優(yōu)點。因此，裝置排放顯著地減小和/或有效地最小化， 同時顯著地改進總體經(jīng)濟裝置效率，從而導(dǎo)致較低的總體操作成本。另外，分層模糊控制系 統(tǒng)(或其部分)可集成到基于CL的裝置優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)，從而進一步降低操作成本。應(yīng)注意的是，模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)的示范性實施例不限于本文所述的CL裝 置構(gòu)造，或者甚至通常的基于CL的發(fā)電裝置。例如，在可選的示范性實施例中，模糊邏輯控 制與優(yōu)化系統(tǒng)可與任何和所有的基于CL的系統(tǒng)一起使用，包括但不限于單環(huán)路、雙環(huán)路 和多(例如兩個或更多個)環(huán)路CL系統(tǒng)，無論是基于鈣還是基于金屬氧化物；進行CO2捕集 以利用或封存的基于CL的裝置；以及基于CL的CO2預(yù)留發(fā)電裝置，但不限于此。可選地， 模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)可實施于任何和所有的流化床燃燒(FBC)發(fā)電裝置，包括循環(huán)流 化床(CFB)鍋爐、鼓泡流化床(BFB)鍋爐及其變型。而且，諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)的經(jīng)驗建模方法例如可結(jié)合本文所述的模糊邏輯控制 與優(yōu)化系統(tǒng)來實施(或者實施于本文所述的模糊邏輯控制與優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi))。雖然參考各種示范性實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解的是，可 做出各種變化并且等效物可替代本發(fā)明的元件，而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，可做出許多 修改以使特定情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)，而不偏離本發(fā)明的本質(zhì)范圍。因此，預(yù)期本發(fā) 明不限于作為設(shè)想用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式的特定實施例，相反本發(fā)明將包括屬于權(quán)利 要求的范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
一種用于優(yōu)化發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收輸入信號的輸入端和用于輸出輸出信號的輸出端；分層模糊控制系統(tǒng)，其可操作地連接到所述化學(xué)環(huán)路并且包括多個模糊控制器，其中，所述分層模糊控制系統(tǒng)接收所述輸出信號，基于接收的輸出信號優(yōu)化所述輸入信號，并且輸出優(yōu)化的輸入信號至所述化學(xué)環(huán)路的輸入端從而以優(yōu)化方式控制所述化學(xué)環(huán)路的過程。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述化學(xué)環(huán)路包括基于鈣的化學(xué)環(huán)路 和基于金屬氧化物的化學(xué)環(huán)路中的一個。
3.如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電裝置包括以下中的一個單環(huán) 路化學(xué)循環(huán)裝置、多環(huán)路化學(xué)循環(huán)裝置、進行CO2捕集以利用或封存的基于化學(xué)循環(huán)的裝置 以及基于化學(xué)循環(huán)的CO2預(yù)留裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入信號包括以下中的至少一個閥位置、燃料流量、空氣流量、水流量、吸附劑流 量、石灰石流量、蒸汽流量，以及燃料流量、空氣流量、石灰石流量和蒸汽流量中的至少兩個 的比率，以及所述輸出信號包括以下中的至少一個發(fā)電率、負(fù)荷需求、固體存量、固體輸送、再循環(huán) 固體輸送、交叉固體輸送、反應(yīng)器溫度、環(huán)路溫度、床溫度、耗熱率、壓力、壓差、反應(yīng)器壓力、 反應(yīng)器壓差、上升器壓差、密封壓差、料腿壓差、交叉支腿壓差、CO2流量、CO2利用、CO2捕集、 CO2存儲、CO2封存、H2流量、N2流量和合成氣體流量。
5.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述分層模糊控制系統(tǒng)還包括全局模 糊控制器，其可操作地連接到所述多個模糊控制器中的每個模糊控制器。
6.如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多個模糊控制器包括 第一模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器；第二模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器； 第三模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器；以及 第四模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器；其中 所述全局模糊控制器控制所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器、所述第三模糊 控制器和所述第四模糊控制器的操作，以及所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器、所述第三模糊控制器和所述第四模糊控 制器中的至少一個接收所述輸出信號，基于所接收的輸出信號優(yōu)化所述輸入信號，并且輸 出優(yōu)化的輸入信號至所述化學(xué)環(huán)路的輸入端。
7.如權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述輸出信號包括壓差，所述輸入信號包括閥位置，所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器、所述第三模糊控制器和所述第四模糊控 制器中的至少一個接收所述壓差，基于所接收的壓差優(yōu)化所述閥位置，并且輸出優(yōu)化的閥 位置至所述化學(xué)環(huán)路的輸入端。
8.如權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述分層模糊控制系統(tǒng)優(yōu)化所述化學(xué) 環(huán)路的固體流量。
9.一種用于優(yōu)化發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括第一化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收第一輸入信號的第一輸入端和用于輸出第一輸出信號 的第一輸出端，所述第一化學(xué)環(huán)路包括第一反應(yīng)器，其至少具有第一入口和第一出口 ；第一分離器，其可操作地連接到所述第一反應(yīng)器的第一出口 ；以及第一密封罐控制閥，其布置于所述第一分離器與所述第一反應(yīng)器的第一入口之間；以及分層模糊控制系統(tǒng)，其可操作地連接到所述第一化學(xué)環(huán)路并且包括多個模糊控制器， 其中，所述分層模糊控制系統(tǒng)接收所述輸出信號，基于所接收的輸出信號優(yōu)化所述輸 入信號，并且輸出優(yōu)化的輸入信號至所述化學(xué)環(huán)路的輸入端從而以優(yōu)化方式控制所述化學(xué) 環(huán)路的過程。
10.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第一化學(xué)環(huán)路包括基于鈣的化學(xué) 環(huán)路和基于金屬氧化物的化學(xué)環(huán)路中的一個。
11.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電裝置包括以下中的一個單 環(huán)路化學(xué)循環(huán)裝置、多環(huán)路化學(xué)循環(huán)裝置、進行CO2捕集以利用或封存的基于化學(xué)循環(huán)的裝 置以及基于化學(xué)循環(huán)的CO2預(yù)留裝置。
12.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第一輸入信號包括以下中的至少一個閥位置、燃料流量、空氣流量、水流量、吸附 劑流量、石灰石流量、蒸汽流量，以及燃料流量、空氣流量、石灰石流量和蒸汽流量中的至少 兩個的比率，以及所述第一輸出信號包括以下中的至少一個發(fā)電率、負(fù)荷需求、固體存量、固體輸送、再 循環(huán)固體輸送、交叉固體輸送、反應(yīng)器溫度、環(huán)路溫度、床溫度、耗熱率、壓力、壓差、反應(yīng)器 壓力、反應(yīng)器壓差、上升器壓差、密封壓差、料腿壓差、交叉支腿壓差、CCV流量、CO2利用、CO2 捕集、CO2存儲、CO2封存、H2流量、N2流量和合成氣體流量。
13.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述分層模糊控制系統(tǒng)還包括全局模 糊控制器，其可操作地連接到所述多個模糊控制器中的每個模糊控制器。
14.如權(quán)利要求13所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多個模糊控制器包括 第一模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器；第二模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器； 第三模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器；以及 第四模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器；其中 所述全局模糊控制器控制所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器、所述第三模糊 控制器和所述第四模糊控制器的操作，以及所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器、所述第三模糊控制器和所述第四模糊控 制器中的至少一個接收所述輸出信號，基于所接收的輸出信號優(yōu)化所述輸入信號，并且輸 出優(yōu)化的輸入信號至所述化學(xué)環(huán)路的輸入端。
15.如權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述輸出信號包括壓差，所述輸入信號包括閥位置，所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器、所述第三模糊控制器和所述第四模糊控 制器中的至少一個接收所述壓差，基于所接收的壓差優(yōu)化所述閥位置，并且輸出優(yōu)化的閥 位置至所述化學(xué)環(huán)路的輸入端。
16.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收第二輸入信號的第二輸入端和用于輸出第二輸出信號 的第二輸出端，所述第二化學(xué)環(huán)路包括第二反應(yīng)器，其至少具有第二入口和第二出口 ； 第二分離器，其可操作地連接到所述第二反應(yīng)器的第二出口 ；以及 第二密封罐控制閥，其布置于所述第二分離器與所述第二反應(yīng)器的第二入口之間； 第一交叉支腿，其與所述第一化學(xué)環(huán)路的第一密封罐控制閥和所述第二化學(xué)環(huán)路的第 二反應(yīng)器入口流體連通；第二交叉支腿，其與所述第二化學(xué)環(huán)路的第二密封罐控制閥和所述第一化學(xué)環(huán)路的第 一反應(yīng)器入口流體連通，其中所述分層模糊控制系統(tǒng)還接收所述第二輸出信號，基于所接收的第二輸出信號優(yōu)化所 述第二輸入信號，并且輸出優(yōu)化的第二輸入信號至所述第二化學(xué)環(huán)路的輸入端從而以優(yōu)化 方式控制所述第二化學(xué)環(huán)路的過程，以及所述分層模糊控制系統(tǒng)優(yōu)化以下中的至少一個所述第一化學(xué)環(huán)路中的再循環(huán)固體流 量，從所述第一化學(xué)環(huán)路通過所述第一交叉支腿到所述第二化學(xué)環(huán)路的交叉固體流量，所 述第二化學(xué)環(huán)路中的再循環(huán)固體流量，以及從所述第二化學(xué)環(huán)路通過所述第二交叉支腿到 所述第一化學(xué)環(huán)路的交叉固體流量。
17.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述第一輸出信號包括壓差，以及所述第一輸入信號包括閥位置。
18.一種用于優(yōu)化發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括第一化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收第一輸入信號的第一輸入端和用于輸出第一輸出信號 的第一輸出端，所述第一化學(xué)環(huán)路包括第一反應(yīng)器，其至少具有第一入口和第二出口 ； 第一分離器，其可操作地連接到所述第一反應(yīng)器的第一出口 ；以及 第一密封罐控制閥，其布置于所述第一分離器與所述第一反應(yīng)器的第一入口之間； 第二化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收第二輸入信號的第二輸入端和用于輸出第二輸出信號 的第二輸出端，所述第二化學(xué)環(huán)路包括第二反應(yīng)器，其至少具有第二入口和第二出口 ； 第二分離器，其可操作地連接到所述第二反應(yīng)器的第二出口 ；以及 第二密封罐控制閥，其布置于所述第二分離器與所述第二反應(yīng)器入口之間； 第一交叉支腿，其與所述第一化學(xué)環(huán)路的第一密封罐控制閥和所述第二化學(xué)環(huán)路的第 二反應(yīng)器入口流體連通；第二交叉支腿，其與所述第二化學(xué)環(huán)路的第二密封罐控制閥和所述第一化學(xué)環(huán)路的第 一反應(yīng)器入口流體連通；以及 分層模糊控制系統(tǒng)，其包括全局模糊控制器；第一模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器； 第二模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器； 第三模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器；以及 第四模糊控制器，其可操作地連接到所述全局模糊控制器，其中 所述全局模糊控制器控制所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器、所述第三模糊 控制器和所述第四模糊控制器的操作，所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器、所述第三模糊控制器和所述第四模糊控 制器中的至少一個接收所述第一輸出信號和第二輸出信號中的一個，基于所接收的所述第 一輸出信號和第二輸出信號中的一個優(yōu)化所述第一輸入信號和第二輸入信號中的一個，并 且輸出優(yōu)化的所述第一輸入信號和第二輸入信號中的一個至所述第一化學(xué)環(huán)路和所述第 二化學(xué)環(huán)路中的一個，以及所述分層模糊控制系統(tǒng)優(yōu)化以下中的至少一個所述第一化學(xué)環(huán)路中的再循環(huán)固體流 量，從所述第一化學(xué)環(huán)路通過所述第一交叉支腿到所述第二化學(xué)環(huán)路的交叉固體流量，所 述第二化學(xué)環(huán)路中的再循環(huán)固體流量，以及從所述第二化學(xué)環(huán)路通過所述第二交叉支腿到 所述第一化學(xué)環(huán)路的交叉固體流量。
19.如權(quán)利要求18所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電裝置包括以下中的一個基于鈣的單環(huán)路化學(xué)循環(huán)裝置、基于鈣的多環(huán)路化 學(xué)循環(huán)裝置、進行CO2捕集以利用或封存的基于鈣的基于化學(xué)循環(huán)的裝置、基于鈣的基于化 學(xué)循環(huán)的CO2預(yù)留裝置、基于金屬氧化物的單環(huán)路化學(xué)循環(huán)裝置、基于金屬氧化物的多環(huán)路 化學(xué)循環(huán)裝置、進行CO2捕集以利用或封存的基于金屬氧化物的基于化學(xué)循環(huán)的裝置和基 于金屬氧化物的基于化學(xué)循環(huán)的CO2預(yù)留裝置，所述輸入信號包括以下中的至少一個閥位置、燃料流量、空氣流量、水流量、吸附劑流 量、石灰石流量、蒸汽流量以及燃料流量、空氣流量、石灰石流量和蒸汽流量中的至少兩個 的比率，以及所述輸出信號包括以下中的至少一個發(fā)電率、負(fù)荷需求、固體存量、固體輸送、再循環(huán) 固體輸送、交叉固體輸送、反應(yīng)器溫度、環(huán)路溫度、床溫度、耗熱率、壓力、壓差、反應(yīng)器壓力、 反應(yīng)器壓差、上升器壓差、密封壓差、料腿壓差、交叉支腿壓差、CO2流量、CO2利用、CO2捕集、 CO2存儲、CO2封存、H2流量、N2流量和合成氣體流量。
全文摘要
用于優(yōu)化發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)(300)包括化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收輸入信號(369)的輸入端和用于輸出輸出信號(367)的輸出端，和可操作地連接到化學(xué)環(huán)路的分層模糊控制系統(tǒng)(400)。分層模糊控制系統(tǒng)(400)包括多個模糊控制器(330)。分層模糊控制系統(tǒng)(400)接收輸出信號(367)，基于所接收的輸出信號(367)優(yōu)化輸入信號(369)，并且輸出優(yōu)化的輸入信號(369)至化學(xué)環(huán)路的輸入端從而以優(yōu)化方式控制化學(xué)環(huán)路的過程。
文檔編號G05B13/02GK101960397SQ200980108358
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月3日
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