CN101871655B - 一种电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统，包括DCS系统和MIS系统，DCS系统上分别连接有炉内温度场监控子系统和飞灰含碳量监控子系统，MIS系统连接有工控机；炉内温度场监控子系统包括有若干红外测温仪，各红外测温仪固定布置于锅炉炉膛看火孔外侧；飞灰含量监控子系统包括微波信号发生器、发射天线、接收天线、功率计和飞灰取样管，发射天线和接收天线相对设置于飞灰取样管两侧，发射天线和接收天线与功率计连接，微波信号发生器的输出端连接到发射天线和功率计的输入端。本发明不但测量准确，而且实时反应迅速，结合DCS系统、MIS系统和工控机能在线预测入炉煤煤质，解决燃烧优化系统无法适应煤质多变的问题。

Description

一种电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统

技术领域

本发明属于锅炉燃烧优化与燃烧诊断领域，具体涉及一种电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统。

背景技术

目前，我国绝大部分电厂都存在实际燃烧煤种偏离设计煤种的情况，出于煤碳资源紧张或价格原因，就近掺烧小煤窑，来什么煤烧什么煤，煤种变化太大，当前电厂的煤质分析和燃烧后飞灰含碳量化验结果至少要推迟一天才知道，锅炉燃烧系统未能做到实时运行状况监测，运行人员只能凭经验操作，造成电站锅炉中的煤粉燃烧过程处于“黑匣子”状态，由此造成实际锅炉燃烧效率明显下降，单位煤耗急剧上升。更为严重的是，许多运煤单位为了利益，还往煤中掺上粉碎后的石头，造成灰分大幅度增加，热值降低，着火困难，导致许多电厂事故频繁发生。

由于锅炉炉膛高度、受热面积、炉内截面热负荷、容积热负荷、燃烧器结构尺寸等均是按设计煤质和校核煤质特性来设计。当电厂实际燃用煤种发生变化，唯一能做得就是通过实时的调整来适应这种非常规的变化，因此，而如何定量地为运行人员调整燃烧提供科学依据，这是一个长期未解决的难题。为此，国内外从事煤粉燃烧的科技工作者开发了许多燃烧优化控制系统。

国外燃烧优化控制系统的主要开发重点在设备的测量精度以及人工智能的开发与利用，包括采用模糊控制、神经网络算法寻优，并致力于专家系统的建立，但都没有考虑到中国电站锅炉燃烧煤种复杂多变的实际情况，这是国外燃烧优化在线控制系统无法适合国内电厂煤燃烧的症结所在。

我国研究电站锅炉燃烧优化技术的企业、工程公司单纯从市场角度出发，重点开发影响锅炉燃烧参数的测量监测仪表如中电南京大陆科技股份有限公司生产的飞灰含碳量检测装置、煤质成分在线监测系统、煤粉浓度在线检测装置等；西安热工研究院生产的锅炉风粉在线监测系统等。高校、科研院所侧重于从理论角度出发，重点研究新的控制技术在电站锅炉燃烧优化上的应用。虽然现在企业和研究单位的研究内容在不断的渗透、借鉴，但仍然没有形成两种研究的良好结合，并在电厂实际的控制中得到应用。

以下是本发明检索到的与本发明相关的专利：专利CN1541315A提出用推理传感器进行燃烧优化，用传感器来测量在锅炉烟道中氧气浓度，进而计算空气量，调节空燃比，减少NOx的生成。

专利CN101078526A提出了基于红外辐射能信号的燃烧优化方法，通过近红外辐射能传感器获取炉内辐射能强度信息，并通过人工神经网络优化辐射能偏差值，改善给煤逻辑。

专利CN1453669A提出利用智能算法找到飞灰含碳量和排烟组分与运行参数间的非线性关系，优化锅炉运行。

专利CN1120956C提出了一种适合与四角切圆燃烧锅炉的优化方法，通过布置多个火焰探头，获取炉膛三维温度分布，然后检测数据拟合辐射能E同机组发电负荷NE之间的关系，测试火焰中心高度、火焰断面温度中心随各层、各角燃烧器燃料量、风量分配比例变化的变化规律，优化燃料量与风量的控制。

发明内容

本发明的目的在于针对目前诸多燃烧优化控制系统均无法适应煤质频繁变化的情况，提供了一种电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统。该系统能在线预测入炉煤煤质，解决燃烧优化系统无法适应煤质多变的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：这种电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统，包括DCS系统以及从DCS系统下载运行数据的MIS系统，所述DCS系统上分别连接有炉内温度场监控子系统和飞灰含碳量监控子系统，所述MIS系统还连接有工控机；所述炉内温度场监控子系统包括有若干红外测温仪，各红外测温仪分别固定布置于锅炉炉膛看火孔外侧，红外测温仪的探头对准锅炉看火孔布置；所述飞灰含量监控子系统包括微波信号发生器、发射天线、接收天线、功率计和飞灰取样管，所述飞灰取样管设于锅炉尾部烟道，所述发射天线和接收天线分别相对设置于飞灰取样管的两侧，发射天线和接收天线还分别与功率计连接，微波信号发生器的信号输出端连接到发射天线和功率计的输入端。

上述锅炉炉膛温度测点是在沿炉膛高度方向上，于炉膛看火孔外侧布置3-5层温度测点。

上述红外测温仪的温度信号输出端通过变送器连接到DCS系统上，红外测温仪对火焰响应波长为0.3～1.5um，红外测温仪的探头距离看火孔1.5～2m。

上述红外测温仪的外壳上设有冷却装置。

上述微波信号发生器输出微波频率为4.5GHz～9.8GHz。

本发明具有以下有益效果：本发明以多个红外测温仪构成炉内温度场监控子系统，各红外测温仪负责采集炉膛各看火孔位置的炉膛火焰温度。本发明根据碳对微波的吸收特性，利用微波信号发生器等器件设计出的飞灰含碳量监控子系统在线监控飞灰含碳量，并将温度信号和飞灰含碳量传送给DCS系统，DCS系统通过转发程序将温度信号和其他日常运行数据转发给MIS系统，储存在ORACLE数据库中；MIS系统的ORACLE数据库中的温度信号和其他日常运行数据由工控机处理，从而实现对锅炉状态的有效控制。本发明设计的炉内温度场监控子系统和飞灰含碳量监控子系统不但测量准确，而且实时反应迅速，结合DCS系统、MIS系统和工控机能够实现在线预测入炉煤煤质，解决燃烧优化系统无法适应煤质多变的问题。

附图说明

图1为本发明的监测系统结构连接框图；图2为本发明的软件工作原理框图；图3为本发明的飞灰含碳量监控子系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：参见图1，本发明是基于现有电站锅炉控制系统的基础上实施的，因此该电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统，包括现有电站锅炉控制系统所用的DCS系统7以及从DCS系统7下载运行数据的MIS系统5。其中DCS系统7上分别连接有炉内温度场监控子系统2和飞灰含碳量监控子系统3，MIS系统5还连接有工控机6。

炉内温度场监控子系统2包括有若干红外测温仪，各红外测温仪分别固定布置于锅炉炉膛看火孔外侧，在沿炉膛高度方向上，布置3-5层温度测点，且要求每个红外测温仪的探头对准锅炉看火孔，要求红外测温仪的探头距离看火孔1.5～2m。红外测温仪的温度信号输出端通过变送器连接到DCS系统上。本发明对红外测温仪的规格要求是：响应波长应接近火焰辐射波长，本发明较佳方案中红外测温仪对火焰的响应波长为0.3～1.5um。根据现场需要，本发明还可加装冷却风以保护红外测温仪的探头，防止烫坏，也可以在红外测温仪的外壳上设置冷却装置以降低每个外测温仪的壳体温度。

飞灰含量监控子系统3包括微波信号发生器、发射天线、接收天线和功率计，所述发射天线和接收天线分别相对设置于飞灰取样管的两侧，发射天线和接收天线还分别与功率计连接，微波信号发生器的信号输出端连接到发射天线和功率计的输入端。该微波信号发生器输出微波的频率为4.5GHz～9.8GHz。飞灰含量监控子系统3的工作原理如图3：在飞灰含碳量监控子系统3中，微波信号发生器发射两股微波信号，一路到功率计，另一路由发射天线经过烟道内的飞灰，被烟道内飞灰吸收一部分后，再通过接收天线回到功率计，功率计通过对比这两路微波信号，就能测算出飞灰中的碳含量。

为了利用以上本发明的硬件系统充分实现对电站锅炉的在线实时检测并控制，还必须有运行于其上的软件系统的支持，如图2，软件系统包括运行参数采集子系统8、燃烧优化调整子系统9、经济性在线分析子系统10。软件系统是在工控机6上的Microsoft的Windows XP操作平台下，采用支持的ODBC功能的Visual Studio 2005VC++语言编写。测量的温度信号，经过变送器，送入DCS系统。

以下介绍软件系统包含的各子系统：运行参数采集子系统8：实时采集机组运行的各种参数作为输入。

燃烧优化调整子系统9：其中储存有大量不同负荷、不同煤质下燃烧调整试验的优化数据样本，在该优化工况下，对应的炉膛温度和锅炉效率较高。燃烧优化调整子系统9将实时采集的运行参数和优化工况做比对，对当前炉内燃烧状态进行诊断，并给出相应调整燃烧的意见，调整结果通过飞灰含碳量监控子系统3监测的飞灰含碳量的多少来反馈。

经济性在线分析子系统10：运用经济性在线分析子系统10能在线计算锅炉效率、供电煤耗率及热耗率等影响经济性的重要参数，同时还能对每班运行人员运行调整造成的节煤量进行计算，不同运行班组能进行小指标竞赛，提高当班运行人员的责任心。锅炉效率、供电煤耗率及热耗率等重要参数以GB10184-88反平衡法为基准。

综上所述，软件系统通过炉内温度场监控子系统对沿炉膛高度方向的炉膛温度进行在线监测，获得温度数据，结合运行参数采集子系统8实时采集的机组运行参数作为输入，采用神经网络，对煤发热量和挥发份进行预测。运行人员能根据预测出的发热量和挥发份能进行合理的燃烧调整。

本发明的电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统结合图2的软件系统的具体工作过程如下：1)由各红外测温仪采集到炉膛各看火孔位置的温度，将温度信号传送给DCS系统，DCS系统通过转发程序将温度信号和其他日常运行数据转发给MIS系统5；运行参数采集子系统8从MIS系统5下载温度信号和其他日常运行数据到工控机6中的本地数据库中；2)根据这些大量运行数据，燃烧优化调整子系统9对当前机组运行状态提出运行参数优化，并给出相应调整建议，运行调整的好坏应根据飞灰含碳量监控子系统3监控的飞灰含碳量的多少进行反馈；3)根据这些大量数据，经济性在线分析子系统10在线计算锅炉效率、供电煤耗率及热耗率等影响经济性的重要参数，同时还对每班运行人员运行调整造成的节煤量进行计算，不同运行班组能进行小指标竞赛，提高当班运行人员的责任心。

本发明给出一个具体实施例来说明其能够使电站锅炉在运行中产生的积极效果：某电厂锅炉由原苏联制造的EII-670-13.8-545KT型(TPE-215/AC型)蒸汽锅炉。该锅炉为单汽包、自然循环、双炉膛、烟气密封式、抽吸力平衡送风、超高压、中间再热、固体排渣、燃煤锅炉。该锅炉额定功率为215MW。锅炉受热面为T型布置，炉膛为矩形，炉膛两侧布置两个下行烟道与锅炉两侧的水平烟道相连接。在燃烧室两侧墙标高13.6m与18.1m处，分上、下两层对称布置有16只旋流煤粉燃烧器，每侧墙各8只，每层各4只。在燃烧室两侧墙标高20.6m处，对成布置有8只三次风喷口，每侧墙4只。

由于煤炭价格上涨，该厂就近燃用小窑煤，一天内入厂来煤高达十余家煤窑，实际燃煤长期频繁变化，给机组安全稳定运行带来隐患。为了有效解决煤种频繁变化引起的诸多不稳定因素，安装本发明的电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统。通过在沿炉膛高度方向，13.6m、18.1m和20.6m处，前后墙安装了十只美国雷泰红外测温仪，其中13.6m和18.1m平台各安装有四个温度测点，监测喷入燃烧器的煤粉着火情况，20.6m平台安装有两个温度测点，监测煤粉燃尽情况，同时在炉膛尾部烟道安装有本发明的飞灰含碳量监测装置，微波衰减频率选取为9.5GHz，红外测温仪和飞灰含碳量在线监测装置测量的物理信号经过变送器送入DCS系统。

在机组冷态大修后，重新对一、二次风测速系统等重要运行参数进行了标定，并进行了大量冷、热态试验，试验数据作为样本储存在本地数据库中。燃烧优化调整子系统将实时采集的运行参数和优化工况做比对，给出煤粉燃烧状态的诊断，指导运行。经济性在线分析子系统在线出计算锅炉效率、供电煤耗率及热耗率等影响经济性的重要参数，同时对每班运行人员运行调整造成的节煤量进行计算，不同运行班组能进行小指标竞赛，提高当班运行人员的责任心。

本发明实验投运一年，通过对比系统投运前1月份的锅炉效率实验结果和系统投运后11月份的锅炉效率和发电煤耗率，发现在煤质变化(应用基低位发热量在16728kJ/kg到24255kJ/kg之间)，负荷变化(150MW～210MW)的情况下，11月份比1月份的平均锅炉效率提高1.3％，发电煤耗降低1.98g/kwh，应用效果受到实验厂方的好评。

Claims (5)

1.一种电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统，包括DCS系统(7)以及从DCS系统(7)下载运行数据的MIS系统(5)，其特征在于：所述DCS系统(7)上分别连接有炉内温度场监控子系统(2)和飞灰含碳量监控子系统(3)，所述MIS系统(5)还连接有工控机(6)；所述炉内温度场监控子系统(2)包括有若干红外测温仪，各红外测温仪分别固定布置于锅炉炉膛看火孔外侧，红外测温仪的探头对准锅炉看火孔布置；所述飞灰含碳量监控子系统(3)包括微波信号发生器、发射天线、接收天线、功率计和飞灰取样管，所述飞灰取样管设于锅炉尾部烟道，所述发射天线和接收天线分别相对设置于飞灰取样管的两侧，发射天线和接收天线还分别与功率计连接，微波信号发生器的信号输出端连接到发射天线和功率计的输入端。

2.根据权利要求1所述的电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统，其特征在于：所述锅炉炉膛温度测点是在沿炉膛高度方向上，于炉膛看火孔外侧布置3-5层温度测点。

3.根据权利要求1所述的电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统，其特征在于：所述红外测温仪的温度信号输出端通过变送器连接到DCS系统上，红外测温仪对火焰响应波长为0.3～1.5um，红外测温仪的探头距离看火孔1.5～2m。

4.根据权利要求1所述的电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统，其特征在于：所述红外测温仪的外壳上设有冷却装置。

5.根据权利要求1所述的电站锅炉煤燃烧全过程在线监测系统，其特征在于：所述微波信号发生器输出微波频率为4.5GHz～9.8GHz。

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