CN101832826A - 大型锅炉燃烧率信号测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于热工参数测量及热工自动化技术领域的涉及利用锅炉总风量和排烟氧量信号的一种大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法。该方法是首先对大型锅炉排烟氧量信号和风量信号进行校准，根据所给煤种及煤量计算空气热量比，采用以下公式

Description

大型锅炉燃烧率信号测量方法

技术领域

本发明属于热工参数测量及热工自动化技术领域。特别涉及利用锅炉总风量和排烟氧量信号的一种大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法。

背景技术

锅炉燃烧率定义为燃料在锅炉炉膛内燃烧瞬时释放的热量，单位为MW，也称之为锅炉热量信号，目前尚无直接测量方法及仪器。此信号能对锅炉运行状态中主要运行参数的监测、控制中发挥重要作用。因其无法直接测量，所以在当前的大型锅炉测控系统中，只能采用与锅炉燃烧率信号存在一定相关性的其它信号替代，但是在应用中存在许多问题。

大型燃煤锅炉根据燃烧方式的不同主要包括煤粉锅炉和循环流化床锅炉，煤粉锅炉制粉系统又包括双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统、中速磨正压直吹式制粉系统和中间仓储式制粉系统。

对于双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统煤粉锅炉，现有控制方案采用容量风(进入磨煤机的一次风)或经过煤发热量修正的容量风，代表锅炉燃烧率信号引入测控系统。存在的主要问题是：(1)送入锅炉炉膛煤粉量不仅仅受容量风影响，还与煤质、磨煤机内煤位等因素有关。(2)容量风与其携带的煤粉量仅仅呈近似线性关系，在不同磨煤机负荷下存在非线性误差。(3)煤粉在炉膛内燃烧产生的热量，不仅与煤量有关，还与煤发热量有关。目前煤发热量修正逻辑采用锅炉汽水侧参数计算得到，滞后很大并且存在一定干扰，不能迅速反映实际煤发热量，在锅炉负荷频繁变时应用效果并不好。

对于中速磨正压直吹式制粉系统煤粉锅炉，现有控制方案采用给煤量信号或经过发热量修正的给煤量信号代替锅炉燃烧率信号引入控制系统。存在的主要问题是：(1)给煤量信号和锅炉燃烧率信号在动态时间上存在较大差异。给煤量在给煤机处测得，实际燃煤需经过给煤机并在磨煤机内被磨制成煤粉，然后经过一次风粉管道进入炉膛。这一过程存在着较大的惯性和迟延。(2)在制粉系统异常情况下，给煤量信号不能准确代表锅炉燃烧率信号。主要的异常包括：磨煤机及一次风粉管道堵塞、漏粉或煤粉自燃，磨煤机石子煤排量大，煤粉细度大燃烧不完全等。(3)实际进入炉膛燃料量不仅与给煤量有关，还与一次风量有关。由于磨煤机内有较大存煤量，当给煤量不变一次风量增加时，也会瞬时增加进入炉膛的煤粉量，导致锅炉燃烧率增加。这一现象在锅炉负荷频繁变化及启动/停止磨煤机时表现尤为明显。(4)煤发热量修正应用效果不好。

对于中间仓储式制粉系统煤粉锅炉，现有控制方案采用给粉机转速信号代替锅炉燃烧率信号引入控制系统。存在的主要问题是：(1)用给粉机转速代表给粉量误差很大，特别是发生堵粉或煤粉自流现象时，信号完全失真。(2)不同负荷下给粉机转速与给粉量之间存在很大的非线性。(3)煤发热量修正应用效果不好。

对于循环流化床锅炉，锅炉负荷多采用给煤量为主，炉床温度为辅的控制方案。现有控制方案中采用无论给煤量或炉床温度或一次风率代表锅炉燃烧率，都存在很大不足。存在准确度低、非线性误差大、滞后大以及需要发热量修正等问题。

除以上方法外，在锅炉控制系统中，也经常采用DEB(直接能量平衡)热量信号替代锅炉燃烧率信号。其物理意义为锅炉吸收有效热量，计算公式为：

$Q_{\mathrm{DEB}}={\mathrm{kp}}_1+C_b\frac{d{p}_d}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中：p₁为汽轮机调节级后压力(MPa)；k为调节级后压力折算蒸汽热量的系数(MW/MPa)，kp₁代表进入汽轮机的蒸汽所包含的热量，即为锅炉输出的有效热量；p_d为汽包压力(MPa)，C_b为锅炉蓄热系数(MJ/MPa)，蓄热系数乘以汽包压力的微分代表锅炉的蓄热。

DEB热量信号替代锅炉燃烧率信号存在的主要问题是：(1)随着锅炉蒸汽参数的提高，特别是超临界参数的直流锅炉，能量在锅炉内的传递过程呈现出更大的分布性特征，仅仅依靠汽包压力变化反映锅炉蓄热误差很大，同时汽包压力也更多地受到其它信号影响，DEB热量信号精度变差、噪声变大。(2)DEB热量信号由锅炉汽水系统参数计算得到，燃料在锅炉内燃烧释放热量，需经过锅炉受热面的吸热、蓄热环节后才到达汽水系统，因此DEB热量信号动态特性较差，难以反映燃烧过程的瞬时特征。

另外还有通过在锅炉炉膛内安装CCD摄像机通过图像分析测量锅炉燃烧率、通过在锅炉炉膛内安装声波测温装置计算锅炉燃烧率等方法，存在设备投资大、安装维护困难、测量精度差等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法。该方法具有成本低、精度高、动态特性好、可靠性高、维护简单的特点。该信号可以用于锅炉燃烧状态检测及锅炉汽温、给水、燃烧等主要控制系统优化设计及改造。实现上述目的的技术方案如下：

1)排烟氧量信号校准，排烟氧量指锅炉内煤与空气在锅炉炉膛中燃烧后产生烟气中氧气的体积百分含量；在大型锅炉尾部烟道安装氧化锆氧量计测量排烟氧量；在锅炉的每一侧烟道内安装一只氧化锆氧量计，大型锅炉尾部烟道分双侧布置，取两侧氧量平均值作为锅炉排烟氧量信号，以提高测量可靠性和准确度，氧化锆氧量计的安装位置需要经过实验确定，在机组额定负荷稳定工况下达到现场氧化锆氧量计测量值同标准仪器测量值误差小于±0.2％氧量水平；

2)风量信号校准，风量指锅炉中参与燃烧的全部空气量，单位Nm³/s，在大型锅炉内即为生成流经排烟氧量测点处的烟气所包含的进入锅炉的空气量，从送风侧或引风侧进行测量计算；对于采用双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统、中速磨正压直吹式制粉系统的煤粉锅炉，采用送风侧参数计算总风量，总风量为锅炉一次风、二次风、炉膛漏风、制粉系统漏风量之和；对于循环流化床锅炉采用送风侧参数计算总风量，总风量为一次风、二次风、炉膛漏风量之和；对于中间仓储式制粉系统煤粉锅炉，可采用引风侧参数计算总风量；总风量为引风风量减去空气预热器漏风和除尘器漏风量；

3)空气热量比计算

1Kg煤完全燃烧所需理论干空气量V′₀(m³)为：

V′₀＝0.0889C_ar+0.0333S_ar+0.265H_ar-0.0333O_ar        (2)

1Kg煤完全燃烧时低位发热量Q′₀(MJ)为：

Q′₀＝0.339C_ar+0.109S_ar+1.032H_ar-0.109O_ar-0.025M_ar  (3)

定义煤空气热量比为：

$K_{\mathrm{vq}}=V_0^{\′}/Q_0^{\′}=0.262\frac{C_{\mathrm{ar}}+0.375S_{\mathrm{ar}}+2.98H_{\mathrm{ar}}-0.375O_{\mathrm{ar}}}{C_{\mathrm{ar}}+0.322S_{\mathrm{ar}}+3.04H_{\mathrm{ar}}-0.322O_{\mathrm{ar}}-0.025M_{\mathrm{ar}}}---\left(4\right)$

定义煤质修正系数为：

$K_c=\frac{C_{\mathrm{ar}}+2.98H_{\mathrm{ar}}+0.375(S_{\mathrm{ar}}-O_{\mathrm{ar}})}{C_{\mathrm{ar}}+3.04H_{\mathrm{ar}}+0.322(S_{\mathrm{ar}}-O_{\mathrm{ar}})-0.025M_{\mathrm{ar}}}---\left(5\right)$

公式2-5中，C_ar、H_ar、O_ar、S_ar、M_ar分别为煤收到基碳、氢、氧、硫、水分体积比百分含量。

注意观察公式5中煤质修正系数计算方法，可以发现分子分母各种元素成分前系数非常接近，而仅仅分母中增加了一个水分计算项。原煤中硫、氢、氧含量相对较少，碳燃烧在消耗干空气量和产生热量中起主要作用。所以对于不同煤种，煤质修正系数都非常接近于1。国内主要煤种收到基水分体积比百分含量在10％-30％之间，煤质修正系数略微大于1，并且随水分含量增加略有增加；因此煤空气热量比也非常近似等于一常数。

通过对世界主要煤矿煤质分析数据进行统计发现，80％以上煤种空气热量比K_vq在0.262～0.264之间，实际可取0.263(m³/MJ)；

4)锅炉燃烧率软测量，采用以下公式计算锅炉燃烧率，

$Q_B=\frac{(21-O_2)V_1}{21K_{\mathrm{vq}}}---\left(6\right)$

公式中：O₂为锅炉排烟氧量，单位m³/s；V1为锅炉总风量，单位m³/s；K_vq为煤空气热量比，单位m³/MJ。从计算过程可以发现，本发明燃烧率计算方法本质上不受煤发热量变化影响，计算精度大为提高。

所述一次风量测量根据测量装置在大型锅炉内安装位置分为以下两种情况：一是测量位置在磨煤机入口处，则取所有磨煤机入口风量之和为锅炉一次风量；二是测量位置安装在一次风管道内，则取所有热一次风量和冷一次风量之和为锅炉一次风量；若以上两种测量装置同时存在，则优先选取经过实验标定过的风量信号。

所述二次风量测量根据测量装置在大型锅炉内安装位置分为以下两种情况：一是测量装置安装在二次风管道内，则取所有二次管道风量之和为锅炉二次风量；二是测量装置安装在燃烧器风箱侧，则取包括各层燃烧器二次风、炉底风和燃烬风的所有二次风箱风量之和为锅炉二次风量；若以上两种测量装置同时存在，则优先选取经过实验标定过的风量信号。

所述制粉系统漏风、炉膛漏风、除尘器漏风无法直接测量，则以采用设备设计值或运行规程限定值计算；在锅炉正常运行情况下，一次风量和二次风量之和占锅炉总风量的95％以上，这部分风量无法测量造成的误差，修正后小于1％。

所述空气预热器漏风计算采用以下方法：对于管式空气预热器，取漏风量为零；对于回转式空气预热器，漏风量参照GB10184-88规定计算；静电除器漏风量取设计值，这部分漏风占引风风量的15％。

本发明的有益效果是相对于目前的各种替代锅炉燃烧率的信号，本发明具有可靠性高、准确度高、动态特性好的优点。本发明的原理和公式，物理意义明确，从原理上消除了煤发热量对软测量的影响；同时计算误差可控，实际上构造燃烧率的误差，主要取决于风量和氧量的测量误差。另外，风量和氧量信号都取自锅炉风烟系统，由于燃烧过程非常迅速，因此软测量得到的锅炉燃烧率能够实时反映锅炉实际燃烧率的变化，相对于信号取自汽水系统的构造方法具有更好的动态特性；具有较高等级的可靠性，此项计算逻辑不会降低原控制系统的可靠性，适用范围广。本方法适用于目前常见的大型锅炉，包括各种煤粉锅炉、循环流化床锅炉。只要锅炉上具有测量总风量和排烟氧量的测量装置，就可以应用本发明。实施简便、成本低。本发明利用锅炉原有总风量信号和排烟氧量信号计算锅炉燃烧率信号，不需要增加新的测点。组态逻辑非常简单，可在任何DCS(分散控制系统)、PLC(可编程控制器)、SCADA(分布式监控与数据采集系统)中实现。调试非常容易。最佳实施方式为在如SUMPHONY、OVATION、HAICS5000、XDPS、EDPF等DCS系统中组态实现。

具体实施方式

本发明提出一种大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法。其实现的技术方案如下：以该方法在一600MW火电机组锅炉中实施过程为例说明。

1)排烟氧量信号校准，排烟氧量指锅炉内煤与空气在锅炉炉膛内燃烧后产生烟气中氧气的体积百分含量，在尾部烟道安装氧化锆氧量计测量排烟氧量。由于氧化锆氧量计故障率偏高，漂移现象相对严重的缺点，因此对氧化锆氧量表的选型、安装和现场维护工作提出要求如下：

(1)氧化锆氧量计基本参数应达值：测量误差不超过±2％满量程或0.1％氧量；90％响应时间不超过10秒；

(2)氧化锆氧量计配有标准气接口，以方便现场标定。测量探头配有抽气装置，以提高测量精度和动态响应速度；对于自然对流式仪表，安装时应注意空气流通；

(3)严格执行氧化锆氧量计的维护及标准气标定工作，大型锅炉尾部烟道分双侧布置，在锅炉的每一侧烟道内安装一只氧化锆氧量计测量氧量，再取两侧氧量平均值作为锅炉排烟氧量信号提高测量可靠性和准确度，在机组额定负荷稳定工况下达到现场氧化锆氧量计测量值同标准仪器测量值误差小于0.2％氧量水平；

2)风量信号校准，风量指锅炉中参与燃烧的全部空气量，单位Nm³/s。对于大型锅炉，即为生成流经排烟氧量测点处的烟气所进入锅炉的空气量，针对锅炉采用中速磨正压直吹式制粉系统的特点，采用送风侧参数进行计算；

取所有磨煤机入口风量之和为锅炉一次风量V₁₁(Nm³)。

取锅炉左右二次管道风量之和为锅炉二次风量V₁₂(Nm³)。

制粉系统漏风、炉膛漏风按照锅炉设计值取4％。

则锅炉总风量V₁(Nm³)为：

$V_1=\frac{V_{11}+V_{12}}{1-0.04}---\left(1\right)$

3)空气热量比计算

1Kg煤完全燃烧所需理论干空气量V′₀(m³)为：

V′₀＝0.0889C_ar+0.0333S_ar+0.265H_ar-0.0333O_ar          (2)

1Kg煤完全燃烧时低位发热量Q′₀(MJ)为：

Q′₀＝0.339C_ar+0.109S_ar+1.032H_ar-0.109O_ar-0.025M_ar    (3)

定义煤空气热量比为：

$K_{\mathrm{vq}}=V_0^{\′}/Q_0^{\′}=0.262\frac{C_{\mathrm{ar}}+0.375S_{\mathrm{ar}}+2.98H_{\mathrm{ar}}-0.375O_{\mathrm{ar}}}{C_{\mathrm{ar}}+0.322S_{\mathrm{ar}}+3.04H_{\mathrm{ar}}-0.322O_{\mathrm{ar}}-0.025M_{\mathrm{ar}}}---\left(4\right)$

定义煤质修正系数为：

$K_c=\frac{C_{\mathrm{ar}}+2.98H_{\mathrm{ar}}+0.375(S_{\mathrm{ar}}-O_{\mathrm{ar}})}{C_{\mathrm{ar}}+3.04H_{\mathrm{ar}}+0.322(S_{\mathrm{ar}}-O_{\mathrm{ar}})-0.025M_{\mathrm{ar}}}---\left(5\right)$

公式2-5中，C_ar、H_ar、O_ar、S_ar、M_ar分别为煤收到基碳、氢、氧、硫、水分体积比百分含量。

注意观察公式5中煤质修正系数计算方法，可以发现分子分母各种元素成分前系数非常接近，而仅仅分母中增加了一个水分计算项。原煤中硫、氢、氧含量相对较少，碳燃烧在消耗干空气量和产生热量中起主要作用。所以对于不同煤种，煤质修正系数都非常接近于1。国内主要煤种收到基水分体积比含量在15％-30％之间，煤质修正系数略微大于1，并且随水分含量增加略有增加。因此煤空气热量比也非常近似等于一常数。

通过对世界主要煤矿煤质分析数据进行统计发现，80％以上煤种空气热量比在0.262～0.264之间，实际可取0.263(m³/MJ)。

本锅炉设计煤种为神府煤，元素分析为：收到基碳Car：54.04％、收到基氢Har：3.62％、收到基氧Oar：9.94％、收到基氮Nar：0.7％、收到基硫Sar：0.7％、收到基水份Mar：13％、收到基灰份Aar：13％。依据公式4计算其空气热量比Kvq为0.2632。符合要求。

4)锅炉燃烧率软测量

采用以下公式计算锅炉燃烧率，

$Q_B=\frac{(21-O_2)V_1}{21K_{\mathrm{vq}}}---\left(6\right)$

公式中：O₂为锅炉排烟氧量，单位m³/s；V₁为锅炉总风量，单位m³/s；K_vq为煤空气热量比，单位m³/MJ。从计算过程可以发现，本发明燃烧率计算方法本质上不受煤发热量变化影响，计算精度大为提高。

该方法具有成本低、精度高、动态特性好、可靠性高、调试非常容易、维护简单的大型锅炉燃烧率信号进行软测量的特点。该信号可以用于锅炉燃烧状态检测及锅炉汽温、给水、燃烧等主要控制系统优化设计及改造。实施简便、成本低。本发明利用锅炉原有总风量信号和排烟氧量信号计算锅炉燃烧率信号，不需要增加新的测点。组态逻辑非常简单，可在任何DCS、PLC、SCADA中实现。

Claims (5)

1.一种大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法，具体步骤如下：

1)排烟氧量信号校准，排烟氧量指锅炉内煤与空气在锅炉炉膛内燃烧后产生烟气中氧气的体积百分含量；在大型锅炉尾部烟道安装氧化锆氧量计测量排烟氧量；在锅炉的每一侧烟道内安装一只氧化锆氧量计测量氧量，大型锅炉尾部烟道分双侧布置，再取两侧氧量平均值作为锅炉排烟氧量信号，从而提高测量可靠性和准确度，达到现场氧化锆氧量计测量值同标准仪器测量值误差小于0.2％氧量水平；

2)风量信号校准，风量指锅炉中参与燃烧的全部空气量，单位Nm³/s，在大型锅炉内即为生成流经排烟氧量测点处的烟气所进入锅炉的空气量，从送风侧或引风侧进行测量计算；对于采用双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统、中速磨正压直吹式制粉系统的煤粉锅炉，采用送风侧参数计算总风量，总风量为锅炉一次风、二次风、炉膛漏风、制粉系统漏风量之和；对于循环流化床锅炉采用送风侧参数计算总风量，总风量为一次风、二次风、炉膛漏风量之和；对于中间仓储式制粉系统煤粉锅炉，可采用引风侧参数计算总风量；总风量为引风风量减去空气预热器漏风和除尘器漏风量；

3)空气热量比计算

1Kg煤完全燃烧所需理论干空气量V₀′(m³)为：

V′₀＝0.0889C_ar+0.0333S_ar+0.265H_ar-0.0333O_ar          (2)

1Kg煤完全燃烧时低位发热量Q₀′(MJ)为：

Q′₀＝0.339C_ar+0.109S_ar+1.032H_ar-0.109O_ar-0.025M_ar    (3)

定义煤空气热量比为：

$K_{\mathrm{vq}}=V_0^{\′}/Q_0^{\′}=0.262\frac{C_{\mathrm{ar}}+{0.375S}_{\mathrm{ar}}+{2.98H}_{\mathrm{ar}}-0.375O_{\mathrm{ar}}}{C_{\mathrm{ar}}+0.322S_{\mathrm{ar}}+3.04H_{\mathrm{ar}}-0.{322O}_{\mathrm{ar}}-{0.025M}_{\mathrm{ar}}}---\left(4\right)$

定义煤质修正系数为：

$K_c=\frac{C_{\mathrm{ar}}+2.98H_{\mathrm{ar}}+0.375(S_{\mathrm{ar}}-O_{\mathrm{ar}})}{C_{\mathrm{ar}}+3.04H_{\mathrm{ar}}+0.322(S_{\mathrm{ar}}-O_{\mathrm{ar}})-0.025M_{\mathrm{ar}}}---\left(5\right)$

公式2-5中，C_ar、H_ar、O_ar、S_ar、M_ar分别为煤收到基碳、氢、氧、硫、水分体积比百分含量。

注意观察公式(5)中煤质修正系数计算方法，可以发现分子分母各种元素成分前系数非常接近，而仅仅分母中增加了一个水分计算项；原煤中硫、氢、氧含量相对较少，碳燃烧在消耗干空气量和产生热量中起主要作用；所以对于不同煤种，煤质修正系数都非常接近于1。国内主要煤种收到基水分含量在15％-30％(体积比)之间，煤质修正系数略微大于1，并且随水分含量增加略有增加；因此煤空气热量比也非常近似等于一常数；

通过对世界主要煤矿煤质分析数据进行统计发现，80％以上煤种空气热量比在0.262～0.264之间，实际可取0.263(m³/MJ)；

4)锅炉燃烧率软测量，采用以下公式计算锅炉燃烧率，

$Q_B=\frac{(21-O_2)V_1}{21K_{\mathrm{vq}}}---\left(6\right)$

公式中：O₂为锅炉排烟氧量，单位m³/s；V₁为锅炉总风量，单位m³/s；K_vq为煤空气热量比，单位m³/MJ；从计算过程可以发现，本发明燃烧率计算方法本质上不受煤发热量变化影响，计算精度大为提高。

2.根据权利要求1所述大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法，其特征在于，所述一次风量测量根据测量装置在大型锅炉内安装位置分为以下两种情况：一是测量位置在磨煤机入口处，则取所有磨煤机入口风量之和为锅炉一次风量；二是测量位置安装在一次风管道内，则取所有热一次风量和冷一次风量之和为锅炉一次风量；若以上两种测量装置同时存在，则优先选取经过实验标定过的风量信号。

3.根据权利要求1所述大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法，其特征在于，所述二次风量测量根据测量装置在大型锅炉内安装位置分为以下两种情况：一是测量装置安装在二次风管道内，则取所有二次管道风量之和为锅炉二次风量；二是测量装置安装在燃烧器风箱侧，则取各层燃烧器二次风、炉底风和燃烬风的所有二次风箱风量之和为锅炉二次风量；若以上两种测量装置同时存在，则优先选取经过实验标定过的风量信号。

4.根据权利要求1所述大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法，其特征在于，所述制粉系统漏风、炉膛漏风、除尘器漏风无法直接测量，则以采用设备设计值或运行规程限定值计算；在锅炉正常运行情况下，一次风量和二次风量之和占锅炉总风量的95％以上，这部分风量无法测量造成的误差，修正后小于1％。

5.根据权利要求1所述大型锅炉燃烧率信号的实时计算和测量方法，其特征在于，所述空气预热器漏风计算采用以下方法：对于管式空气预热器，取漏风量为零；对于回转式空气预热器，漏风量参照GB10184-88规定计算；静电除器漏风量取设计值，这部分漏风占引风风量的15％。