CN202101268U - 锅炉炉膛温度场分布控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种锅炉炉膛温度场分布控制系统，包括：图像采集装置，获取炉膛内二维辐射图像；温度场测量装置，存储有炉膛温度场分布模型，实时接收二维辐射图像，并根据需要输出当前温度场分布信息；中央控制装置，存储有输出分布控制模型，根据当前温度场分布信息输出控制指令；火焰颜色控制装置与鼓风机、引风机及给煤装置连接，响应中央控制装置的控制指令调节炉膛内的风煤比；以及，火焰形状控制装置，响应中央控制装置的指令调节各风室处的风量。该系统能够实现对火焰的形状和颜色比较精准的自动控制，显著提高锅炉的热效率。

Description

锅炉炉膛温度场分布控制系统

技术领域

本实用新型涉及锅炉燃烧控制技术领域，特别涉及一种用于控制锅炉炉膛内温度场分布的系统。

背景技术

锅炉是通过燃烧将燃料内的潜在能量释放，或利用其他释放的能量将水变成蒸汽或过热蒸汽；或将水加热变成一定温度的热水；或将有机热载体加热到一定温度而输出的热能设备。我国在用的工业锅炉中将近85％是燃煤锅炉，而我国燃煤工业锅炉以层燃为主，并且以链条炉排锅炉为主。因此，链条锅炉的经济运行对节能、改善环境和企业能否正常生产都至关重要。链条炉排锅炉是一种结构相对简单的层燃锅炉，其结构如图1所示。图1中，1为炉膛，2为锅筒，3为炉排，4为给煤机，5为风室，6为省煤器，7为烟道，8为空预器。

据统计，我国工业锅炉年耗煤4亿吨，每年向大气排放600万吨SO2、800万吨烟尘、1.64亿吨CO2、8700万吨灰渣，工业锅炉能源消耗和污染排放均位居全国工业行业第二，仅次于电站锅炉。在一些全国重点城市，工业锅炉造成的污染和能源消耗已经超过了电站锅炉。造成这种情况有多种原因，其中一个重要原因是锅炉热效率低，能耗大。由于没有相对完善的控制系统，司炉工在进行锅炉调节时，都是按照经验进行调节，虽然也有相关理论的指导，但是锅炉的运行工况相当复杂，影响锅炉运行效率的变量也多，经验的累积也需要相当长的过程。据文献记载，我国工业锅炉的设计热效率在72％-80％之间，接近国际水平，但工业锅炉的实际运行效率只有60％-65％，远低于国际水平。由此，从能源利用的角度来说，如何寻找一个完善的控制方案来对运行中的锅炉进行调节以提高锅炉的实际运行效率是十分必要的。

多年来，在如何提高锅炉经济运行方面已经有相当多的研究与成就。相关学者分别从机械结构、运行调节方式和企业管理等多个方面提出了不同的方法来保证经济运行。对于如何控制锅炉的燃烧过程达到经济运行的目的并保证锅炉的安全生产，也有很多学者提出了一些有效的控制方案，如基于神经网络和遗传算法的锅炉燃烧优化方法，采用专家控制器来控制负荷信号可以实现其对送风量的控制，锅炉燃烧系统的模糊预测控制等。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题在于如何实现锅炉炉膛内温度场的分布控制，以提高锅炉经济运行。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案提供了一种锅炉炉膛温度场分布控制系统，包括图像采集装置、温度场测量装置、中央控制装置、火焰颜色控制装置以及火焰形状控制装置；其中，

图像采集装置用于接收炉膛内的高温辐射能量信号并处理，以获取二维辐射图像；

温度场测量装置存储有预置的炉膛温度场分布模型，其与所述图像采集装置和所述中央控制装置连接，用于实时接收所述二维辐射图像，并根据需要输出当前温度场分布信息；

中央控制装置存储有预置的输出分布控制模型，其与所述温度场测量装置、火焰颜色控制装置以及所述火焰形状控制装置连接，用于根据所述当前温度场分布信息输出控制指令；

火焰颜色控制装置与锅炉鼓风机、引风机及给煤装置连接，用于响应中央控制装置的控制指令调节炉膛内的风煤比，从而获得期望的火焰颜色；

火焰形状控制装置与沿煤层分布的多个风室连接，用于响应中央控制装置的指令调节各风室处的风量，从而获得期望的火床位置及火床长度。

优选地，所述图像采集装置包括鱼眼摄像机。

优选地，所述预置的炉膛温度场分布模型用于描述炉膛内二维辐射图像与三维温度场分布之间的关系。

优选地，所述预置的炉膛温度场分布模型的特征量包括：火焰中心坐标、火焰中心温度值、指定断面平均温度以及断面火焰中心偏斜度。

优选地，所述预置的输出分布控制模型用于描述锅炉参数与火焰形状及火焰颜色之间的关系。

优选地，所述给煤装置包括给煤机、给煤挡板以及炉排。

优选地，所述预置的输出分布控制模型的控制量包括：鼓风机频率、给煤机进给率、风室开度、给煤挡板位置以及给煤机频率。

(三)有益效果

根据本实用新型的锅炉炉膛温度场分布控制系统，能够实现对火焰的形状和颜色比较精准的自动控制，使锅炉长期稳定的运行在一个比较理想的工况下，不仅能显著提高煤的利用率即锅炉的热效率，也能提高锅炉的安全性并降低工人的劳动强度。

附图说明

图1是链条炉排锅炉的结构示意图；

图2是根据本实用新型的锅炉炉膛温度场分布控制系统的结构示意图；

图3示出了最佳燃烧工况时的火焰颜色及形状。

具体实施方式

下文中，将结合附图详细描述本实用新型的实施例。

炉膛内的温度场在很大程度上由火焰形状和颜色来表征，而火焰的形状和颜色则主要由风的分布及风量来决定。火焰的形状和颜色不仅包含了火焰的温度场分布和能量分布等重要信息，也是衡量锅炉是否正常运行的一个重要指标。若能对火焰的形状和颜色进行比较精准的自动控制，使锅炉长期稳定的运行在一个比较理想的工况下，不仅能显著提高煤的利用率即锅炉的热效率，也能提高锅炉的安全性并降低工人的劳动强度。因此，本实用新型的核心思想在于：将分布控制技术引入锅炉的燃烧控制中，采用分布控制来控制炉膛内的温度场的分布。

如图2所示，本实用新型的锅炉炉膛温度场分布控制系统包括：图像采集装置、温度场测量装置、中央控制装置、火焰颜色控制装置以及火焰形状控制装置。

本实用新型的图像采集装置用于接收炉膛内的高温辐射能量信号并处理，以获取二维辐射图像。工业锅炉燃烧过程中具有瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、环境恶劣等特征，给燃烧过程中温度场分布的检测带来的困难，难以获得描述实际燃烧过程的热物理量场参数。本实用新型基于图像采集装置采集的图像实现锅炉炉膛内三维温度场重建。优选为采用鱼眼摄像机作为火焰探头接收三维炉膛内的高温辐射能量信号。

本实用新型的温度场测量装置存储有预置的炉膛温度场分布模型，其与图像采集装置和中央控制装置连接，用于实时接收图像采集装置采集的二维辐射图像，并根据需要输出当前温度场分布信息。

由于锅炉炉膛内三维温度场分布特征是揭示炉内燃烧规律的关键，利用图像采集装置采集的辐射能量图像，结合温度场测量装置内存储的炉内燃烧温度场分布的关联模型，计算得到炉内三维温度场分布信息。

具体来说，图像采集装置，例如鱼眼摄像机获取的炉膛内辐射图像反映了炉膛辐射能传递在CCD摄像机上的累积效应，而通过数值模拟技术可以给出炉膛内燃烧过程中温度参量在炉膛内三维分布的定性结果，将两者结合起来则可从二维辐射图像中重建出炉膛内三维温度场分布情况。具体过程如下：

S1：首先将炉膛内体积沿炉宽W、炉深D、炉高H方向将温度场计算区间划分为W×D×H的网格，即单个炉膛沿高度方向分为H层断面，每层断面又分为W×D个网格，这样每一个炉膛内体积被分成W×D×H个立体网格单元，每个立体网格单元就是炉膛内三维温度场分布的最小分辨单元；

S2：假设每个立体网格单元体内温度均匀，辐射衰减系数取同一值。利用能量守衡关系求出炉膛内燃烧放热量分布，通过燃烧过程数值模拟结合炉膛内火焰图像给出的炉膛内不同位置气体及煤粉颗粒浓度及其燃烬度的分布，进而确定炉膛内介质的辐射特性参数分布；

本实用新型提供的炉膛温度场分布模型中炉膛内三维温度场分布的特征量主要包括：炉膛火焰中心温度值及其所在位置坐标；炉膛内某一断面燃烧强度的平均温度；反应该层断面火焰中心偏斜的程度，即：该层断面最高温度点所在位置；

S3：将炉膛内介质的辐射特性参数代入到二维辐射图像同炉内三维温度场分布的关系式中；在建立二维辐射图像和三维辐射温度场分布的数学关系式时，需考虑的因素很多，如固体颗粒的散射对辐射能的影响，炉内介质衰减系数的影响等等；实际燃烧锅炉内介质的衰减系数由于颗粒的组成、浓度分布、温度等不相同，导致辐射衰减系数相差很大；

S4：更新炉膛燃烧三维温度场分布信息，循环进行，直到收敛。

由于鱼眼摄像机的视场能达到甚至超过180度，其获取的图像覆盖的范围广，可以替代以往多台传统摄像机才能达到的作用。通过鱼眼摄像机获取的火焰图像重建的锅炉炉内温度场信息能够直观地了解炉膛内的燃烧工况，如火焰中心位置、温度高低及火焰中心偏斜等情况。

具体实施过程中，温度场测量装置可由烧制有能实现上述分析及计算过程的程序的芯片或其他等同替代物实现。

本实用新型的中央控制装置存储有预置的输出分布控制模型，其与温度场测量装置、火焰颜色控制装置以及火焰形状控制装置连接，用于根据当前温度场分布信息输出控制指令。

具体来说，优选为采用B样条函数逼近输出PDF来建立输出分布控制模型，其基本结构如式(1)所示：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{V}=\mathrm{AV}+\mathrm{Bu}\\ {\mathrm{\γ}}^{*}(y,u)=C_0\left(y\right)V+L\left(y\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

该方程为线性B样条为例体现了B样条模型具有的一般结构。其中：第一个方程为系统的动态方程，V为模型中的权值，u为输入。第二个方程中r^*(y，u)概率密度函数的一个线性或非线性相关的式子。与常规的输出变量不同的是，(1)中的输出是一个概率密度函数，即温度场分布(参见前述温度场分布模型部分的介绍)。

当选用线性B样条模型时，可以直接采用递推最小二乘法(Recursive Least Squares algorithm，RLS)来辨识模型参数，而当模型为有理平方根模型时，由于其与线性B样条模型在一定程度上等价，因此可以将参数进行变换后再利用RLS来辨识参数。

如图1所示，由于链条炉中煤的给进是由炉排3驱动的，经上煤系统处理过的煤通过皮带送到给煤机4，通过给煤机4的开度来调节落在炉排3上的煤量。随着炉排3的转动，煤层由前拱向后拱移动，炉排3的频率和给煤机4的开度相配合，就决定了炉排3上的煤层厚度。炉排3的钢板上开有小孔，其下方是多个风室5，鼓风机的风通过风室5送到炉膛1，并由引风机引出炉膛1，鼓风，引风和煤量三者相关，保证了炉膛1含氧量和炉膛负压。锅炉在正常运行时，对火焰的颜色、形状以及火床长度都有一定的要求。

就火焰的颜色来说，最佳燃烧工况时火焰呈麦黄色(亮黄色)，烟气呈灰白色；风量过大时，火焰白亮刺眼、烟气呈白色；风量过小时，火焰呈暗黄色或暗红色，烟气呈黑色。火焰的颜色实际上体现了炉膛含氧量的变化。当含氧量较高时，煤层燃烧剧烈，火焰亮白刺眼；含氧里较低时为暗淡无光，呈暗红或暗黑色。锅炉正常运行时，要保持含氧量在一定范围，使得火焰颜色呈麦黄色。含氧量和风煤比有关，由此，本实用新型提供的分布控制模型的控制量可以包括：鼓风机频率和给煤挡板开度。

就火焰的形状和火床长度来说，火床应该维持在前拱和后拱之间，不能太长也不能太短；火床不能在加煤装置的煤闸下燃烧，也应保证在运行到后部滑块之前300-600mm处已经全部燃尽；同时应保持炉排上各处煤燃烧均匀，避免有火口、黑焰现象或煤层高低不平等现象出现。理想的火焰形状如图3所示。由此，本实用新型提供的分布控制模型的控制量可以包括：风室开度，鼓风频率及煤层厚度(即：给煤挡板的开度和炉排频率)。其中风室开度为主要的调节量，在此，由B样条模型的相关理论，将炉排下方的风室当作模型中的节点。找出各变量的相关关系，建立模型并进行控制算法的设计。

需要指出的是，在锅炉运行时，还应通过鼓风机与引风机的配比来保证炉膛负压在正常范围，防止燃烧不稳定，甚至负压变为正压，火焰及飞灰从炉膛不严处冒出，恶化工作环境，危及人身及设备安全。

具体实施过程中，中央控制装置根据温度场测量装置输出的当前温度场分布信息、期望的工况(即：火焰颜色和火焰形状)以及根据上述方法构建的输出分布控制模型，输出控制指令，这些指令分别与上述多个控制量相关。中央控制装置可由烧制有能实现上述分析、计算及控制过程的程序的芯片或其他等同替代物实现。

本实用新型的火焰颜色控制装置与锅炉鼓风机、引风机及给煤装置连接，用于响应中央控制装置的控制指令调节炉膛内的风煤比，从而获得期望的火焰颜色。具体实施过程中，该火焰颜色控制装置可由烧制有能够实现其功能的程序的芯片或其他等同替代物实现。

本实用新型的火焰形状控制装置与沿煤层分布的多个风室连接，用于响应中央控制装置的指令调节各风室处的风量，从而获得期望的火床位置及火床长度。具体实施过程中，该火焰形状控制装置可由烧制有能够实现其功能的程序的芯片或其他等同替代物实现。

本实施例仅用于解释本实用新型的技术方案的目的。因此，本实用新型的技术方案不应该由本实施例限定。本实施例中所使用的要素同样也不应用于限定本实用新型的技术方案。如果具有不同名称的元素。

Claims (7)

1.一种锅炉炉膛温度场分布控制系统，其特征在于，包括：图像采集装置、温度场测量装置、中央控制装置、火焰颜色控制装置以及火焰形状控制装置；其中，

图像采集装置用于接收炉膛内的高温辐射能量信号并处理，以获取二维辐射图像；

温度场测量装置存储有预置的炉膛温度场分布模型，其与所述图像采集装置和所述中央控制装置连接，用于实时接收所述二维辐射图像，并根据需要输出当前温度场分布信息；

中央控制装置存储有预置的输出分布控制模型，其与所述温度场测量装置、火焰颜色控制装置以及所述火焰形状控制装置连接，用于根据所述当前温度场分布信息输出控制指令；

火焰颜色控制装置与锅炉鼓风机、引风机及给煤装置连接，用于响应中央控制装置的控制指令调节炉膛内的风煤比，从而获得期望的火焰颜色；

火焰形状控制装置与沿煤层分布的多个风室连接，用于响应中央控制装置的指令调节各风室处的风量，从而获得期望的火床位置及火床长度。

2.如权利要求1所述的锅炉炉膛温度场分布控制系统，其特征在于，所述图像采集装置包括鱼眼摄像机。

3.如权利要求1所述的锅炉炉膛温度场分布控制系统，其特征在于，所述预置的炉膛温度场分布模型用于描述炉膛内二维辐射图像与三维温度场分布之间的关系。

4.如权利要求3所述的锅炉炉膛温度场分布控制系统，其特征在于，所述预置的炉膛温度场分布模型的特征量包括：火焰中心坐标、火焰中心温度值、指定断面平均温度以及断面火焰中心偏斜度。

5.如权利要求1所述的锅炉炉膛温度场分布控制系统，其特征在于，所述预置的输出分布控制模型用于描述锅炉参数与火焰形状及火焰颜色之间的关系。

6.如权利要求1所述的锅炉炉膛温度场分布控制系统，其特征在于，所述给煤装置包括给煤机、给煤挡板以及炉排。

7.如权利要求5所述的锅炉炉膛温度场分布控制系统，其特征在于，所述预置的输出分布控制模型的控制量包括：鼓风机频率、给煤机进给率、风室开度、给煤挡板位置以及给煤机频率。

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