CN102032590B - 基于精确测量系统的锅炉燃烧优化控制系统和优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锅炉燃烧优化控制系统及方法。在对燃煤机组煤粉进行均衡分配改造的基础上，采用测量器件对风、粉、灰等参数进行精确测量，利用所采集的锅炉的实时历史数据，以工况优化为基本优化手段，通过数据的深层次分析和挖掘来解析运行的历史行为，建立燃烧过程的运行操作参数、状态输入参数与锅炉效率、NOx等参数之间的数学模型，获得机组运行模式知识库，进行全厂节能减排综合评估和诊断，分析机组运行潜力，提供用于优化操作的知识库和规律，针对不同燃烧指标或指标组合进行锅炉燃烧参数配置的优化，能实现多重优化目标的优化，分类提出降耗与减排实施方案和措施。本发明方法既可实现闭环优化控制也可实现在线优化指导。

Description

基于精确测量系统的锅炉燃烧优化控制系统和优化控制方法

技术领域

本发明属于锅炉优化燃烧技术领域，具体涉及一种基于对锅炉燃烧参数的精确测量、历史寻优和闭环控制的优化控制系统和优化控制方法，适用于燃煤发电机组。

背景技术

当前，各燃煤发电厂面临着节能和降低NOx排放的双重压力。通过燃烧调整降低NOx排放同时降低煤耗是公认的最佳解决方法。但是，目前对燃烧过程的控制还是停留在非常落后的总量参数控制方法上，如通过锅炉出口氧量和蒸汽参数等，这种控制方式为锅炉燃烧优化调整留下很大潜力。

锅炉燃烧优化控制是实现火电厂节能减排的重要技术途径。对于大型燃煤锅炉，运行中燃料的分配是否均匀，配风是否合理，将直接影响到机组运行的经济性、安全性和环保水平。

而目前优化燃烧方法主要存在以下问题：

1.煤粉分配存在不均衡

当煤粉离开磨煤机通过弯曲的管道到达燃烧器时，会形成绳状。如果分层状态的煤粉进入燃烧器，导致各燃烧器之间的煤粉质量流量存在较大偏差，最多达30％以上，就会出现火焰不稳定，燃烧不均匀等系列问题。

2.无法对风粉两相流进行在线测量并进行调整

目前对于大型煤粉锅炉一般都采用直吹式制粉系统。一台磨煤机配置一组燃烧器。但是过去由于无法对风粉两相流进行在线测量并进行调整，使用给煤机转速来代替到每个燃烧器的煤量，然后决定对应给煤机所需的风量。这种方式没有考虑磨煤机，分离器和煤粉管的不同特性和非线性，这样导致了在同样的给煤机转速时到每个燃烧器煤粉量有很大的区别，以至于煤量和风量不能得到正确地匹配。

3.缺少精确的、充分的测量手段

国内电厂的飞灰含碳和风、粉在线检测存在安装率不高、准确性和稳定性差的问题，缺乏反映锅炉燃烧状态的风、粉、灰等参数的精确测量手段，这些都直接影响优化燃烧建模和优化结果的准确性。

4.闭环控制与最优运行调整的结合程度不够

在无法做到完全自动化的复杂系统中，人的操作调整和控制系统自动调整均具有重要的作用，应该紧密结合。如在燃烧优化控制投入的情况下，如果运行人员根据经验或导航判断当前二次风速太高或太低，则可通过氧量手动站进行氧量的设定值改变即可改变各层风速(根据最优运行调整决策系统)。

5.燃烧优化理论与方法的实现

传统意义上的优化理论依赖于建立系统的模型和优化算法。复杂系统建模困难，优化过程的计算成本往往使现实与理论相去甚远。采用人工智能的方法来实现燃烧系统的优化是另一条途径。考虑到在线计算的困难性以及不具备直接测量值与优化目标之间的相关性分析，因此人工智能的燃烧优化方法也难以实现。

一方面，随着测量技术的迅猛发展，国内外出现了越来越多且精确的测量和控制器件，有效解决了测量和控制精度问题，对燃烧过程的重要参数的在线准确测量和控制提供了可能。

另一方面，随着近几年国内数据库技术的成熟，基于海量数据处理的数据挖掘、数据融合，成为解决众多实际问题的有效工具。利用实时历史数据库中存储的机组海量运行数据，将会成为国内发电企业优化燃烧研究的必然趋势。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种锅炉燃烧优化的方法。在对燃煤机组煤粉进行均衡分配改造的基础上，采用测量器件对风、粉、灰等参数进行精确测量，利用所采集的锅炉的实时历史数据，以工况优化为基本优化手段，通过数据的深层次分析和挖掘来解析运行的历史行为，建立燃烧过程的运行操作参数、状态输入参数与锅炉效率、NOx等参数之间的数学模型，获得机组运行模式知识库，进行全厂节能减排综合评估和诊断，分析机组运行潜力，提供用于优化操作的知识库和规律，针对不同燃烧指标或指标组合进行锅炉燃烧参数配置的优化，能实现多重优化目标的优化，分类提出降耗与减排实施方案和措施。本发明方法既可实现闭环优化控制也可实现在线优化指导。

为实现本发明目的，本发明具体采用以下技术方案。

一种基于精确测量系统的锅炉燃烧优化控制系统，包括磨煤机、煤粉管道、省煤器、空气预热器、燃烧器、一次风管道、二次风管道，其特征在于：

所述优化控制系统还包括煤粉分散器、煤粉控制装置、煤粉浓度测量装置、风量风速测量装置、飞灰含碳在线测量装置、燃尽风调整装置、数据库服务器和应用服务器；

将磨煤机出口处的多路煤粉管道进行改造，汇总成一段总的煤粉管道，在所述一段总的管道上依次加装煤粉分散器和煤粉控制装置，该煤粉控制装置的出口端连接通往各燃烧器进口的多路煤粉管道，通过煤粉分散器和煤粉控制装置对煤粉流量进行均衡分配；

在各燃烧器进口的多路煤粉管道安装所述煤粉浓度测量装置；

在一次风管道、二次风管道和燃尽风管道分别设置风量风速测量装置；

在所述省煤器和空气预热器之间安装飞灰含碳在线测量装置；

所述煤粉浓度测量装置、风量风速测量装置、飞灰含碳在线测量装置将测量信号传输至数据库服务器，所述数据库服务器与所述应用服务器相连；

所述应用服务器还与燃尽风调整装置、煤粉控制阀门装置相连，根据所测量的煤粉浓度、风量风速、飞灰含碳量和预定的氮氧化物排放水平、锅炉效率调整进入每个燃烧器的煤粉流量和锅炉燃尽风量所占总风量的比例以及各燃尽风门的开度。

本发明还公开了一种基于上述锅炉燃烧优化控制系统的锅炉燃烧优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采用煤粉分散和煤粉控制阀门装置对煤粉流量进行均衡分配改造；

(2)在燃烧器进口多路煤粉管道上加装煤粉浓度测量系统，采用非插入式的静电负荷检测装置在线测量煤粉浓度与煤粉流速；

(3)根据步骤(2)所获得的煤粉浓度测量数据，判断各煤粉管道中煤粉分配是否均匀，若不满足均匀条件，通过煤粉控制阀门装置对进入每个燃烧器煤粉流量进行调整。

(4)采用在管道界面上多点阵列分布测点，用差压法在一次风管道和二次风管道分别设置风量风速测量装置，在线测量磨煤机入口一次风量和风速、二次风量和风速、燃尽风量和风速；

(5)采用飞灰含碳在线测量装置对烟气飞灰含碳量进行在线监测；

(6)采集对步骤(2)、(4)、(5)所构成的精确测量系统的数据、分散控制系统(DCS)数据以及煤质数据，保存至数据库服务器，在实时历史数据库中记录机组运行过程信息；

(7)在应用服务器中综合考虑NOx排放和锅炉效率的平衡，建立锅炉运行操作量、运行状态量和NOx排放与锅炉效率的燃烧模型，寻找各个典型工况下的最优值，建立各个工况最佳运行操作模式库；

(8)所述应用服务器根据所述各个工况最佳运行操作模式库，通过燃尽风调整装置对燃尽风的占总风量的比例以及各燃尽风门的开度进行调整，完成燃烧优化的闭环控制。

本发明可以获得锅炉效率与氮氧化物排放多目标优化的运行方案，实现锅炉污染物排放最低(预设值)时的锅炉优化运行方案，或者获得锅炉效率最大时的优化运行方案。

具有如下优化效果：

(1)降低NOx排放，在不采取其它脱硝设备、工艺的情况下，可将NOx排放降低10％～30％。

(2)在保持NOx达到最低(预定)的排放水平前提下，尽可能降低损失提高效率，平均降低能耗0.4％～0.75％，能显著降低机组煤耗。

附图说明

图1为现有磨煤机出口煤粉管路图；

图2为煤粉分配均衡改造示意图；

图3为本发明的基于精确测量的锅炉燃烧优化控制系统硬件示意图；

图4为燃烧优化模型；

图5为闭环控制示意图；

图6为网络拓扑图；

图7为基于精确测量的锅炉燃烧优化控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图，结合优选实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。

图1为现有现场的煤粉管道图，从磨煤机直接出来几根管道(4～6根，视具体机组容量而定)到各燃烧器，在煤粉管道上没有煤粉浓度、流速和流量的在线测量装置。

图2为本发明对煤粉管道进行管路改造后的示意图，通过将原有多路磨煤机出口煤粉管路进行改造，汇总成一根总管道，在此总管道上加装煤粉分散器和相应的煤粉控制阀门装置，进行煤粉平均分配。煤粉分散器安装在磨煤机出口至分配处的前端，用来打破在煤粉管道弯头处产生的绳状煤粉流，在管道分岔处改善煤粉分布、减低管道磨损、减少维修、降低NOx排放和提高燃尽。煤粉控制阀门安装在煤粉分散器的下游出口，与分配器的入口相连。其目的是用来精细调整和平衡煤粉，能够在管道分岔处进一步优化煤粉分布、准确平衡煤粉和空气流量，使其良好地分配到每一台分配器支管中。煤粉控制阀门根据管路个数的不同可以选择一分二、一分三等型号。

对于磨煤机出口有五路煤粉管道的系统，采取将进入锅炉两端的两根煤粉管合并为一根管道后，加装煤粉分散器和煤粉控制阀门将煤粉重新平均分配到两根煤粉管；另外三根煤粉管合并，加装煤粉分散器和煤粉控制阀门将煤粉重新平均分配到三根煤粉管。

在燃烧器进口煤粉管道上加装煤粉浓度的精确测量系统，能够在线精确测量煤粉浓度和煤粉流速，与称重式给煤机一起协作，便能精确的报告出被传输到每个管道中的煤粉质量流量，给控制每个燃烧器的风煤比提供参考。煤粉浓度的精确测量系统采用非插入式的静电负荷检测装置，盘管式结构，即是安装在煤粉输送管道的一截短管，用一排嵌在短管内表面上的环状传感器检测交流电负荷。具体方案是在磨煤机的各煤粉支管的靠近燃烧器的位置各安装一个煤粉浓度在线测量装置(PF-MASTER)，安装时需要一段直管道，直管道的长度要求为管道直径的三倍以上即可。煤粉浓度在线测量装置(PF-MASTER)替代一段煤粉管道，通过法兰与原有管道连接，在机组小修期间可以完成设备安装。

飞灰含碳量测量设备安装在省煤器下方，空气预热器的上方，空气预热器两侧各安装一组，可以用一台机柜进行多位置测量(最多6个测点)，探头安装在空气预热器之前，在省煤器的出口之后，多个探头轮流取样，每个探头取样时间约为10分钟。

采用防堵阵列式风量风速测量装置测量磨煤机入口一次风量与风速、二次风量与风速和燃尽风量与风速。磨煤机入口一次风量与风速测点安装在各磨煤机进口冷热风混合后的风道上，每台磨煤机入口风道上安装有两个探头；在二次风道上选择前方直管段长度不小于2倍风道的当量直径，后方不小于0.5倍位置处的截面上按等截面网格法多点测量原理布置测风阵列，当直管段长度不够时，可按比例适当调整，测量平均流速；在燃尽风道上选择前方直管段长度不小于2倍风道的当量直径，后方不小于0.5倍位置处的截面上按等截面网格法多点测量原理布置测风阵列，当直管段长度不够时，可按比例适当调整，测量平均流速。

图3为各测量装置的布置位置和测点点数示意。在磨煤机出口进燃烧器之前的煤粉管路上布置煤粉浓度测量测点，点数同机组燃烧器的个数相同；在二次风箱布置二次风速和风量测点，点数同每一燃烧器层数相同；在各磨煤机入口布置一次风速和风量测点，点数同磨煤机个数相同；在省煤器出口、空气预热器进口的位置布置飞灰含碳测点。

图4为燃烧优化模型，模型的输出为描述锅炉燃烧效率和NOx的排放量。模型的输入是依据对模型的输出有关键性影响的参数进行选取，需要通过理论分析、现场试验结果和运行经验来确定。在这里我们将NOx的排放量和锅炉效率两个性能指标作为二元优化目标，选取负荷、煤质、送风温度作为机组工况划分的依据，因机组正常运行期间这三个因素通常是不会人为改变的。负荷与送风温度数据直接来源于DCS；若对于有煤质在线监测的机组，煤质特性数据来自于煤质在线监测系统，对于煤质不具备在线监测的机组，煤质数据来自于电厂的煤质工业分析；选取以下参数作为模型的运行操作输入量：①由煤粉浓度在线测量装置(PF-MASTER)在线测得的各个燃烧器的煤粉浓度或者煤粉流量；②磨煤机入口一次风量，由防堵阵列式风量风速测量装置在线测量得到；③由防堵阵列式风量风速测量装置在线测得的二次风量和燃尽风量(其中燃尽风的设置是为了减少NOx的排放量，从二次风箱引出的一路送风，约为送风量的10％～30％，从燃烧器顶部送入炉膛，以保证燃料燃尽)，用于描述锅炉负荷与燃烧氧量对燃烧特性的影响；④磨煤机运行组合方式；⑤二次配风方式；选取以下参数作为模型的运行状态量：①排烟温度；②排烟氧量；③飞灰含碳量，由飞灰含碳量测量设备得到；④磨煤机出口风温；⑤炉膛和风箱压差。通过对以上能够反映燃烧状态关键信号的采集，采用数据挖掘技术，综合考虑NOx排放和锅炉效率的平衡，从机组海量的历史数据中寻找典型工况下的最优值，抽取出机组操作运行的规则，给出操作参数、状态参数、性能参数间的内在关系，建立覆盖全工况的操作模式库，可用于运行调整的指导以及运行分析。随着运行水平的提升，对于出现的更好的操作模式，系统可快速学习并纳入操作模式库，并成为运行人员可遵循的模式。

图5为闭环控制示意图，通过对控制系统调整，以保证不管负荷、煤质和送风温度如何变化，以保持NOx达到最低(预定)的排放水平和锅炉效率达到最优状态。配备一台数据库服务器用以接收和存储DCS数据、煤质数据以及加装的煤粉浓度在线测量数据、一次风量、二次风量、燃尽风量和飞灰含碳量的在线测量数据。配备一台应用服务器用以燃烧优化软件的运行：①确定进入燃烧器煤粉流量值，进而确定煤粉控制阀门的设定值，直接通过可编程逻辑控制器(PLC)对煤粉控制阀门进行调整，根据具体情况选择系统挡板执行机构提供位置反馈信号，检验挡板的工作情况；②确定各典型工况下的最佳运行状态时的燃尽风量值，进而确定燃尽风门位置的设定值，直接通过可编程逻辑控制器(PLC)对燃尽风门进行调整，根据具体情况选择系统挡板执行机构提供位置反馈信号，检验挡板的工作情况。

本发明系统采用浏览器/服务器(B/S)方式实现，图6配置一台接口机，用于接收分散控制系统(DCS)或厂级实时监控信息系统(SIS)数据；一台数据库服务器用于运行实时历史数据库；一台应用服务器，用于运行燃烧优化软件；一台发布服务器用于燃烧优化系统的用户界面及优化结果的发布，一台网络管理维护站。

图7为基于精确测量的锅炉燃烧优化控制方法流程示意图；系统由系列测控硬件以及系统软件组成。测控硬件包括煤粉分散装置和控制阀门装置、煤粉浓度在线测量装置、一次风量在线测量装置、二次风量在线测量装置、燃尽风量在线测量装置和飞灰含碳量在线测量装置。系统软件由数据采集模块、优化燃烧建模模块、闭环控制模块以及运行控制优化决策和优化运行管理模块组成。

(1)通过对煤粉管道进行相应改造，在磨煤机出口多路煤粉管道进行汇总后加装煤粉分散器和相应的控制阀门装置，优化煤粉从磨煤机到燃烧器的分布、准确的平衡煤粉和空气流量，改善煤粉分配，提高锅炉性能。

(2)在磨煤机出口煤粉管道上加装准确的煤粉浓度测量设备，采用非插入式的静电负荷检测装置在线实时测量煤粉浓度与煤粉流速；

(3)根据步骤(2)所获得的煤粉浓度测量数据，判断各煤粉管道中煤粉分配是否均匀，若不满足均匀条件，通过煤粉控制阀门装置对进入每个燃烧器煤粉流量进行调整。

(4)采用在管道界面上多点阵列分布测点，用差压法在一次风管道、二次风管道、燃尽风管道分别设置风量风速测量装置，在线测量磨煤机入口一次风量和风速、二次风量和风速、燃尽风量和风速，给调整每个燃烧器的风煤比提供实时、可靠的数据；

(5)采用飞灰含碳在线测量装置测量烟气飞灰含碳数值；

(6)根据步骤(2)、(4)、(5)所测量的数据、分散控制系统(DCS)数据以及煤质数据，保存至数据库服务器，在实时历史数据库中记录机组运行过程信息。

(7)在步骤(6)采集机组运行数据的基础上，在应用服务器中以负荷、煤质和送风温度为工况划分的依据，将NOx的排放量和锅炉效率两个性能指标作为二元优化目标，建立锅炉运行操作量、运行状态量和NOx排放与锅炉效率的燃烧模型，寻找各个典型工况下的最优值，建立最佳运行操作模式库；

(8)所述应用服务器根据所述各个工况最佳运行操作模式库，通过燃尽风调整装置对燃尽风的占总风量的比例以及各燃尽风门的开度进行调整，完成燃烧优化的闭环控制。

本发明还进一步可以在最佳运行操作模式库的基础上，进行运行控制优化决策和优化运行管理，包括各级管理人员对运行节能环保指标、效果进行管理，机组运行人员通过运行导航掌握各种典型工况下机组最优运行规律并进行在线应用，进行开环指导，以保持整个锅炉燃烧为最优，达到减排节能的目的。

Claims (4)

1.一种基于精确测量系统的锅炉燃烧优化控制系统，包括磨煤机、煤粉管道、省煤器、空气预热器、燃烧器、一次风管道、二次风管道，其特征在于：

所述优化控制系统还包括煤粉分散器、煤粉控制装置、煤粉浓度测量装置、风量风速测量装置、飞灰含碳在线测量装置、燃尽风调整装置、数据库服务器和应用服务器；

将磨煤机出口处的多路煤粉管道进行改造，汇总成一段总的煤粉管道，在所述一段总的煤粉管道上依次加装煤粉分散器和煤粉控制装置，该煤粉控制装置的出口端连接通往各燃烧器进口的多路煤粉管道，通过煤粉分散器和煤粉控制装置对煤粉流量进行均衡分配；

在各燃烧器进口的多路煤粉管道安装所述煤粉浓度测量装置；

在一次风管道、二次风管道和燃尽风管道分别设置风量风速测量装置；

在所述省煤器和空气预热器之间安装飞灰含碳在线测量装置；

所述煤粉浓度测量装置、风量风速测量装置、飞灰含碳在线测量装置将测量信号传输至数据库服务器，所述数据库服务器与所述应用服务器相连；

所述应用服务器还与燃尽风调整装置、煤粉控制装置相连，根据所测量的煤粉浓度、风量风速、飞灰含碳量和预定的氮氧化物排放水平、锅炉效率，调整进入每个燃烧器的煤粉流量和锅炉燃尽风量所占总风量的比例以及各燃尽风门的开度。

2.根据权利要求1所述的锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于：

当磨煤机出口有五路煤粉管道，将进入锅炉两端的两根煤粉管合并为一根管道后，加装煤粉分散器和煤粉控制装置将煤粉重新平均分配到两根煤粉管；另外三根煤粉管合并，加装煤粉分散器和煤粉控制装置将煤粉重新平均分配到三根煤粉管。

3.根据权利要求2所述的锅炉燃烧优化控制系统，其特征在于：所述煤粉控制装置为煤粉控制阀门。

4.一种基于权利要求1-3之一所述锅炉燃烧优化控制系统的锅炉燃烧优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采用煤粉分散器和煤粉控制装置对煤粉流量进行均衡分配改造；

(2)在燃烧器进口多路煤粉管道上加装煤粉浓度测量装置，采用非插入式的静电负荷检测装置在线测量煤粉浓度与煤粉流速；

(3)根据步骤(2)所获得的煤粉浓度测量数据，判断各煤粉管道中煤粉分配是否均匀，若不满足均匀条件，通过煤粉控制装置对进入每个燃烧器煤粉流量进行调整；

(4)采用在管道界面上多点阵列分布测点，用差压法在一次风管道和二次风管道分别设置风量风速测量装置，在线测量磨煤机入口一次风量和风速、二次风量和风速、燃尽风量和风速；

(5)采用飞灰含碳在线测量装置对烟气飞灰含碳量进行在线监测；

(6)根据步骤(2)、(4)、(5)所测量的数据、分散控制系统(DCS)数据以及煤质数据，保存至数据库服务器，在实时历史数据库中记录机组运行过程信息；

(7)在应用服务器中综合考虑NOx排放和锅炉效率的平衡，建立锅炉运行操作量、运行状态量和NOx排放与锅炉效率的燃烧模型，寻找各个典型工况下的最优值，建立各个工况最佳运行操作模式库；

(8)所述应用服务器根据所述各个工况最佳运行操作模式库，通过燃尽风调整装置对燃尽风占总风量的比例以及各燃尽风门的开度进行调整，完成燃烧优化的闭环控制。

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