CN101796346B

CN101796346B - 燃煤锅炉性能实时监测方法

Info

Publication number: CN101796346B
Application number: CN2008801060125A
Authority: CN
Inventors: 王砧
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2028-09-27
Also published as: WO2009046628A1; CN101796346A

Abstract

本发明公开了一种燃煤锅炉性能实时在线监测方法，包括以下步骤：a)第一测量步骤，用于测量物质输出过程中烟气的O₂的成分；b)第二测量步骤，用于至少测量物质输入过程中的制粉系统的给煤量、物质输入过程中的总风量和物质输出过程中的烟气量中之一；c)根据上述测量结果且不使用锅炉输出热量作为测量值，建立相应的具有精确解的正定方程或方程组，通过求解锅炉燃烧热量、其代表量、煤的发热量和煤质成分至少之一，获得燃煤锅炉性能的实时监测数据。

Description

燃煤锅炉性能实时监测方法

技术领域：

本发明涉及大型燃煤锅炉运行性能的实时在线监测方法，主要用于大型发电站的通过计算机和在线运行数据对于燃料性质、热平衡、过程效率和损失状态进行实时在线监测和优化控制的技术领域。

背景技术：

随着IT和控制技术、产品和服务的发展，发电机组性能实时监测和优化控制，愈发具备实施条件和受到重视。然而对于锅炉的效率的计算通常还是采用化验的煤质数据进行计算。现有技术中国际发明专利申请PCT/CN2005/000243给出了通过各种在线测量数据、能量和物质平衡方程、煤质的方程等形成的不同组合实现的多种正定数学模型，实现锅炉性能和煤质在线测量的多种方法。由于数学模型是正定的，这种方法的计算是绝对收敛的，因此是一种精确的方法。但是通常是需要以锅炉输入输出热平衡作为限定条件之一，同时求解煤质和锅炉效率。由于实际运行中，锅炉的输入输出热平衡，始终处在动态不平衡状态，该种方法存在明显误差。且对于实时性能监测而言，这种误差是不能接受的。例如，增加发电负荷的过程中，该种方法监测的结果中煤的发热量明显降低、灰分明显增加，实际上这种现象是由于增加负荷的过程中，锅炉的蓄热量在增加，但是这部分热量在计算中被忽略造成的。

由于煤的发热量的90％左右都是作为锅炉有效的吸热被输出给汽机循环；监测的基本原理是根据这个主要热量成分，加上锅炉的热损失，得到煤的输入热量；上述的两部分都有可靠的原理支撑和相对可靠的数据来源。因此锅炉的输入输出热平衡是监测的精确性的基本保证，是最重要的限定关系。换言之，为了得到反映煤的实际发热量的监测结果，采用锅炉输入输出热平衡作为限定条件之一是必要的。

但是锅炉是一个有蓄热的系统，输入输出热平衡过程有较长时延，即当输入热量变化时，变化量仅立即体现在蓄热的变化，输出的热量随蓄热的变化而变化，由于蓄热有时间常数因此不会立即发生变化，而是会产生可能长达超过十分钟的迟延。另外，当机组负荷调整时，调整过程受到负荷变化率的限制，时间可能长达数十分钟，在这个过程中锅炉负荷始终处于上升或下降的过程当中，其输入、输出热量和蓄热也在变化，蓄热量不在平衡状态，输入、输出之间存在明显的偏差。同时，发电机组运行过程中负荷和热力系统的调整是持续进行的，热力系统的热平衡本身即是一个连续的不断的动态过程。因此，锅炉输入输出热平衡计算，直接采用以锅炉的煤燃烧放热作为锅炉输入热量，等于锅炉损失与蒸汽输出热之和的方法，等于忽略了锅炉的蓄热量的变化，在实际应用中会导致计算结果始终存在方法误差，当负荷调整时这种偏差更为严重。

上述问题导致背景技术只能适用于严格的稳态监测，对于变化过程则不能提供有效的监测结果。其煤质和效率监测结果只能反映稳态运行的长时间的平均水平，对任何一个时刻如果系统存在显性或隐性的不平衡的实际运行过程，都是不准确的。为了使结果较稳定，不能不对结果进行滤波处理，造成监测结果的迟延可能长达数十分钟，因此严重影响监测结果的实时性和有效性。对于实际运行操作来说，这样长的迟延等于是提供一个小时前的煤质，效率误差也由于煤质不对应而变得相当大，会使得监测结果几乎是没有实时的意义。因此，背景技术离工程实际的实时性需要仍然有很大的距离。

背景技术存在的上述问题，代表了本领域普遍存在的性能监测包括煤质监测技术的问题所在。即没有解决如下方面的问题：

a)煤质在线监测的实时性；

b)锅炉实时燃烧发热量或吸热量的测量方法，(因此不能用锅炉实时吸热量取代锅炉输出热量，进行锅炉效率和煤质的联合热平衡计算)；

c)锅炉和机组的效率由于煤质数据为离线化验数据，或非实时数据，因此实时参考作用不大甚至在实时意义上是无效的。

由上述可见，本领域的技术水平在很大程度上取决于是否能够跨越实时性的障碍。

现有技术是建立在以下错误认识基础上的：

d)锅炉吸热量不能实时监测。

e)锅炉燃烧产生的热量不能实时监测。

f)必须依靠锅炉输出热量才能有效计算煤的发热量。

实际上，在性能监测系统中，人工输入采用通过采制化得到的煤质数据仍然被认为是更稳定可靠的技术方案。因此表现出问题的另一方面，是本领域普遍存在上述问题是不能解决的认识。

发明内容：

本发明的目的是提出基于背景技术概念的优选方案；提供一种燃煤锅炉性能实时监测方法，解决现有技术在锅炉性能和煤质实时在线监测方面存在的实时性不能满足实际要求的问题；实现在动态条件下，准确地计算锅炉效率，快速准确地反映煤质的变化，包括实现锅炉实时吸热量的计算。

根据本发明的第一方面，提供一种燃煤锅炉性能实时在线监测方法，其特征在于包括以下步骤：

a)第一测量步骤，用于测量物质输出过程中烟气的O2的成分；

b)第二测量步骤，用于至少测量物质输入过程中的制粉系统的给煤量、物质输入过程中的总风量和物质输出过程中的烟气量中之一；

c)根据上述测量且不使用锅炉输出热量作为测量值，建立相应的具有精确解的正定方程或方程组，通过求解锅炉燃烧热量、其代表量、煤的发热量和煤质成分至少之一，获得燃煤锅炉性能的实时监测数据。

根据本发明的第二方面，在本发明的第一方面的燃煤锅炉性能实时在线监测方法中，第二测量步骤还包括：测量给煤量、总风量和烟气量。

根据本发明的第三方面，在本发明的第二方面的燃煤锅炉性能实时在线监测方法中，第二测量步骤还包括：测量制粉系统的一次风量、磨煤机出入口温度。

根据本发明的第四方面，在本发明的第一方面的燃煤锅炉性能实时在线监测方法中，第二测量步骤包括测量烟气量、烟气的CO2和H2O成分，计算CO2和H2O的流量，并根据单位C、H元素燃烧的发热量与煤燃烧发热量之间的近似关系，计算燃烧放热量。

根据本发明的第五方面，在本发明的第一方面的燃煤锅炉性能实时在线监测方法中，第二测量步骤包括测量烟气量，计算实际燃烧发生反应生成的烟气量即理论烟气量，并根据理论烟气量与发热量之间的近似关系，计算发热量或将理论烟气量作为燃烧放热量的代表量。

根据本发明的第六方面，在本发明的第一方面的燃煤锅炉性能实时在线监测方法中，第二测量步骤包括测量总风量，计算实际发生反映的空气量即理论空气量，并通过理论空气量与发热量之间的近似关系计算发热量，或将理论空气量作为燃烧放热量的代表量。

根据本发明的第七方面，在本发明的上述燃煤锅炉性能实时在线监测方法中，通过设某些变量为常数、采用元素回归方程，测量物质输出成分数据，锅炉制粉系统数据。

发明的优点和产生的积极效果：

本发明解决和克服了本领域和现有技术中存在的本说明书“背景技术”一节中所列的偏见和问题a)、b)、c)、d)、e)、f)。实现了对锅炉和煤质性能实时监测的重要技术进步。

本发明第一方面提出了一种基于背景技术，但不采用锅炉输出热量(或汽机循环吸热量)作为输入的监测方法，避免了由于汽水系统蓄热造成的时滞效应导致的热量和煤质成分的偏差。

本发明第一方面涵盖了很多由不同的变量(包括测量和给定方程)和设定常数的组合构成的不同的实施方式。

本发明的第二方面的优点是充分利用锅炉过程的总量的测量，形成了有利于实现最可靠的监测结果的基本框架。与本发明的实施例相比，增加了风量或烟气等流量变量的约束，可以相当有效地实现锅炉燃烧热量、煤的发热量的监测。

本发明的第三方面的优点是在很多发电机组没有烟气CO2和/或H2O测点的条件下，利用制粉系统计算煤的水分，解决本发明第二方面不能确定煤质成分(尤其是氧分、水分和灰分)的问题。

本发明第四、五、六方面分别提出了一些优选的简化方案。

在发电机组实时性能监测过程中，锅炉的燃烧放热量相当于总能量消耗，因此是十分重要的数据。本发明的第四、五、六方面的优点不仅在于易于应用，而且与公知技术相比有重要的优点，可以更有效地实现锅炉燃烧放热量的监测。

公知技术，包括通过采用给煤量和煤的发热量的化验值计算锅炉燃烧的放热量，或背景技术的依靠锅炉输出热量计算锅炉燃烧的放热量，都会产生明显的延迟和偏差。采用本发明第四、五、六方面，计算锅炉燃烧放热量，时间延迟只有数秒钟，因此实时性比上述两种方法更好。同时由于煤的发热量与理论烟气量、理论空气量的关系，比与质量的关系要更稳定和精确，因此比采用给煤量和煤的发热量的化验值计算锅炉燃烧的放热量的方法更准确。

本发明第四、五、六方面所述的燃烧放热量的代表量，是指与燃烧放热量呈正比关系的量。其优点在于该量可以用作控制系统输入信号，改进原控制系统燃烧放热量代表量的精度和响应速度。

本发明的优点是根据锅炉燃烧过程的物质平衡关系推算煤质成分和/或热量，避免了依靠锅炉输出热量计算锅炉的热平衡，有效地实现了对锅炉性能的实时监测，包括煤质和燃烧发热量的快速监测。本发明的计算结果也可以用于计算煤的发热量和锅炉效率，因此可以计算锅炉实时吸热量，因此本发明解决了锅炉吸热量计算的历史难题。

本发明主要根据锅炉物质平衡，尤其是总风量或排烟的变化，直接推算出热量和煤质成分，避免了由于利用以锅炉输出热量为依据的锅炉热平衡带来的延时。由于烟气的变化基本与锅炉燃烧过程同时发生，其时延与锅炉输出热量的滞后相比要小两个数量级，因此极大地改善了时间响应特性。监测结果对于运行操作来说基本上是完全实时的，也不会由于剧烈的运行操作，如加减燃料、空气量等，发生明显的偏差。

采用本发明得到的输出热量，对汽机循环吸热量即锅炉输出热量进行修正，得到更为精确的锅炉吸热量，用该锅炉吸热量，取代原始的锅炉输出热量，在应用国际发明专利申请PCT/CN2005/000243中的方法的过程中，监测结果既能够保证在系统调整、波动过程中的实时性和有效性，又能够保证长期的可靠性和精确性。

应用本发明得到的锅炉效率、煤质计算结果，不受热力系统动态平衡关系和锅炉蓄热变化的影响，对工程技术和生产过程的实际应用，具有重要价值。例如，在负荷调整或机组热力系统动态过程中，煤质和锅炉效率的监测结果是连续有效的，因此可以起到每时每刻的指导作用，甚至作为优化控制的依据和信号。

应用本发明得到的锅炉吸热量结果，能够表现出热力系统的稳定性水平，对工程技术和生产过程的实际应用，有重要的参考价值。例如当给煤量发生变化时，如果锅炉吸热量并没有相对映的明显变化，说明热力系统本身是稳定的，是原煤的发热量发生了变化。

对于实时性能监测，可以利用本发明得到的锅炉吸热量与锅炉输出热量之间的比值定义锅炉吸热系数。因此，我们可以定义：

机组实时热耗率＝原煤发热量·原煤流量/发电功率

＝锅炉吸热系数·机组实际热耗率

机组实际热耗率＝汽机循环热耗率/锅炉效率

机组实时热耗率是机组每时每刻输入的热能与发电功率的比值；机组实际热耗率是机组每时每刻消耗的热能与发电功率的比值。

这样我们通过锅炉吸热系数就建立了机组的实时热耗率、实际热耗率的不同的概念，并正确地建立了原煤的流量和发热量与机组热耗率之间的关系。在对机组效率进行考核和统计时，应该区分实时热耗率和实际热耗率这两个不同的概念。因为实时热耗率与原煤发热量和流量之间有准确的关系，与实际热耗率和蓄热有关，但是并不代表运行的性能水平；实际热耗率与原煤发热量和流量之间没有准确的关系，也与蓄热无关，但是却代表运行的性能水平。

本发明的包括完整和简化的实现方式，简化的实现方式的完整性可能相对较低，但实用性可能更高。例如本发明的第六方面，虽然不能监测煤的成分，但实际经验证明监测煤的发热量的精确度较高，具有实用性。

发明实施的具体方式：

本发明存在多种不同的实施方案，其中本发明第四、第五、六方面给出的简化的方案，包括根据单位C、H元素燃烧的发热量，或根据煤燃烧产生的理论烟气量、理论空气量，测算煤燃烧产生的热量或其变化、变化率，可以由完整的方案假设一些变量包括煤的元素成分为常数，并参考以下实施例实现。

在本发明的燃煤锅炉性能实时在线监测方法中，只要测量物质输出过程中烟气的O2的成分以及测量物质输入过程中的制粉系统的给煤量、物质输入过程中的总风量和物质输出过程中的烟气量中之一，并根据上述测量结果且不使用锅炉输出热量作为测量值，建立相应的具有精确解的正定方程或方程组，通过求解锅炉燃烧热量、其代表量、煤的发热量和煤质成分至少之一，便可获得燃煤锅炉性能的实时监测数据。

本发明采用了锅炉的物质输入输出过程的测量信号，这些信号在反映实时状态、可靠性、稳定性、准确性等方面可能存在不足，但是对于不同的信号可以采取针对性的解决方案，提高其性能。对于关键数据实现较高的信号冗余。例如，可以增加烟气测点的数量。给煤机的称重测点可以增加到每台给煤机四个称重托辊。

由于本发明的目的是实现快速、实时的测量煤质、锅炉燃烧工况、锅炉吸热量等性能指标，与传统的烟气排放连续监测系统(CEMS)的目的(测量污染物的排放水平)不同，为了保证烟气参数测量的实时性，应该尽量采用在烟道中直接测量的烟气成分测量装置，避免因抽取取样的测量方法带来的延时；为了保证实时代表性，最好采用穿过烟道型式的探头测量烟气成分和流速。

采用本发明得到的输出热量，对汽机循环吸热量即锅炉输出热量进行修正，得到更为精确的锅炉吸热量，用该锅炉吸热量，取代原始的锅炉输出热量，在应用国际发明专利申请PCT/CN2005/000243的方法的过程中，监测结果既能够保证在系统调整、波动过程中的实时性和有效性，又能够保证长期的可靠性和精确性。因此可以与国际发明专利申请PCT/CN2005/000243的方法相结合应用，并通过在稳态条件下的系统标定，实现对有关测点的校准。

以下实施例给出的实际算例的优点在于容易收敛，但流量计算基于制粉系统给煤量。该方案为一种较完整的方案可以实现比较精确的监测结果。

根据本发明的元素模型方案本实施例所采用的十个条件为：

1.制粉系统的热平衡。计算出M_ar。

2.煤的总输入量与元素与水、灰的和相等。见(2)式。

3.实测锅炉烟气的SO₂，得到的有煤中的S成分与烟气中的SO₂成分相对映表达式。见(5)式。

4.元素(例如H、N)之间成分的回归方程或经验公式。见(4)式。

5.元素(例如C、O)之间成分的回归方程或经验公式。见(3)式。

6.实测锅炉烟气的O₂得到的有煤的成分表示的相应表达式。见(6)、(7)、(8)、(9)式。

7.实测锅炉烟气的CO₂得到的有煤的成分表示的相应表达式。见(10)、(11)式。

8.实测锅炉烟气的CO得到的有煤的成分表示的相应表达式。见(7)、(10)式。

9.实测锅炉飞灰含碳测量得到的有煤的成分表示的相应表达式。见(8)式。

10.实测锅炉烟气的H2O得到的有煤的成分表示的相应表达式。见(13)、(14)式。

飞灰含碳量测量得到的C_fh，根据飞灰份额α_fh炉渣含碳量C_lz的统计规律或平均值，计算出未燃烧碳

C_ub＝A_ar[(1-α_fh)C_lz/(1-C_lz)+α_fhC_fh/(1-C_fh)] (1)

根据煤的元素成分表达式

C_ar+H_ar+O_ar+N_ar+S_ar+A_ar＝100-M_ar (2)

煤的元素含量之间的经验公式，对于烟煤

O_ar＝A₁C_ar+B₁ (3)

A₁＝-0.9，B₁＝85.0。

N_ar＝A₂H_ar+B₂

A₂＝0.3，B₂＝0。 (4)

用S元素含量计算干烟气量的表达式

V_gy＝100×0.007S_ar/SO₂ (5)

干烟气量与空气过量系数的关系

V_gy＝(V_gy ⁰+(α-1)V_gk ⁰) (6)

其中

α为空气过量系数(总空气量与以实际燃尽碳计算的干空气量之比)

α＝21/(21-79(O₂-0.5CO)/(100-(CO₂+SO₂+CO+O₂))) (7)

V_gk ⁰为考虑机械未燃尽碳，以应用基元素成分计算的理论燃烧所需的干空气量。

V_gk ⁰＝0.0889(C_ar+0.375S_ar)+0.265H_ar-0.0333O_ar-0.0889C_ub(8)

V_gy ⁰为考虑机械未燃尽碳，以应用基元素成分计算的理论燃烧产生的干烟气量。

V_gy ⁰＝0.0889C_ar+0.03331S_ar+0.2094H_ar+0.008N_ar

-0.0263O_ar-0.0889C_ub (9)

烟气成分与燃料特性系数的关系

CO₂+SO₂+O₂＝21-β(CO₂+SO₂)-(0.605+β)CO (10)

燃料特性系数

β＝2.35(H_ar-0.126O_ar+0.038N_ar)/(C_ar-C_ub+0.375S_ar) (11)

煤的低位发热量与元素含量之间的经验公式

Q_ar，net＝339C_ar+1028H_ar-109(O_ar-S_ar)-25M_ar (12)

烟气水分

H2O＝V_H20/(V_H20+V_gy) (13)

V_H20＝0.0124M_ar+0.1118H_ar十0.0161αV_gk ⁰ (14)

各种烟气体积

V_R02＝V_gy(CO₂+SO₂) (15)

V_C0＝V_gyCO (16)

V₀₂＝V_gyO₂ (17)

V_N2＝V_gy(100-(CO₂+SO₂+CO+O₂)) (18)

以上18方程式，共有18变量(为C_ar、H_ar、O_ar、N_ar、S_a r、A_ar、V_gk ⁰、V_gy ⁰、V_gy、α、β、C_ub、V_R02、V_N2、V₀₂、V_C0、V_H20、Q_ar，n_et)，构成了锅炉燃烧联立方程组。

根据上述计算得到的煤质数据等结果可以计算锅炉效率和损失，得到锅炉吸热量，包括单位重量燃料和总的燃料的对应结果。

本发明第四、五、六方面提出的方案中需要的一些数据，诸如单位理论空气量、单位理论烟气量、单位烟气含CO2量、单位烟气含H2O量所对应的发热量，可以通过试验、经验或计算等方式得到，首选使用具体实际原煤的化验数据。

尽管已对本发明进行上述描述，但上述描述只是为了说明的目的，本发明不限于上述的具体描述。本领域普通技术人员可以对其进行各种改变而不脱离本发明的精神，本发明的保护范围由后附的权利要求书来限定。

Claims

1.一种燃煤锅炉性能实时在线监测方法，其特征在于包括以下步骤：

a)第一测量步骤，用于测量物质输出过程中烟气的O₂的成分；

c)根据上述测量结果且不使用锅炉输出热量作为测量值，建立相应的具有精确解的正定方程或方程组，通过求解锅炉燃烧放热量、其代表量、煤的发热量和煤质成分至少之一，获得燃煤锅炉性能的实时监测数据。

2.根据权利要求1所述的燃煤锅炉性能实时在线监测方法，其中第二测量步骤测量给煤量、总风量和烟气量。

3.根据权利要求2所述的燃煤锅炉性能实时在线监测方法，其中第二测量步骤还包括：测量制粉系统的一次风量和磨煤机出入口温度。

4.根据权利要求1所述的燃煤锅炉性能实时在线监测方法，其中第二测量步骤测量烟气量，以及还测量烟气的CO₂和H₂O成分，计算CO₂和H₂O的流量，并根据单位C、H元素燃烧的发热量与煤燃烧发热量之间的近似关系，计算燃烧放热量。

5.根据权利要求1所述的燃煤锅炉性能实时在线监测方法，其中第二测量步骤测量烟气量，计算实际燃烧发生反应生成的烟气量即理论烟气量，并根据理论烟气量与发热量之间的近似关系，计算发热量或将理论烟气量作为燃烧放热量的代表量。

6.根据权利要求1所述的燃煤锅炉性能实时在线监测方法，其中第二测量步骤测量总风量，计算实际发生反应的空气量即理论空气量，并通过理论空气量与发热量之间的近似关系计算发热量，或将理论空气量作为燃烧放热量的代表量。