CN102252779A - 基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法 - Google Patents

Abstract

一种信息处理技术领域的基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法，通过机组中和模型参数相关的实际运行数据，根据炉膛燃烧与辐射能量平衡，过热器烟气侧与工质侧能量平衡，再热器烟气侧与工质侧能量平衡以及尾烟气能量衡算，从烟气侧正反两个方向对炉膛烟温进行了优化测量，并分别测量结果的基础上复合计算最终烟温结果。在实际运行中可根据机组运行状况修正方法参数，使得该发明方法具有较好的通用性与鲁棒性，且对实际现场监测系统要求较低，适用于火力发电系统的运行状况检测与燃烧状况的优化。

Description

基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种信息处理技术领域的方法，具体是一种基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法。

背景技术

锅炉作为火电机组的重要组成部分，随着机组容量的增加，其结构越来越复杂，所需检测和控制的参数也越来越多，给其控制和优化带来了新的课题。炉膛作为进入锅炉系统燃料的燃烧空间与锅炉系统辐射传热的主要受热面，其具有体积大、输入输出量多且内部工况复杂特点。炉膛热力计算作为锅炉热力计算中的重要组成部分，其主要结果炉膛出口烟温对整个锅炉的建模、热力计算以及效率评估具有重大意义。

20世纪70年代起，国内一些研究机构利用各种计算语言开发了许多具有一定实用性的热力计算系统，如1998年浙江大学与杭州锅炉厂合作开发的热力计算系统，应用在杭州锅炉厂、太原锅炉厂厂家；2002年浙江大学与嘉兴东方日立锅炉厂联合开发的针对燃机余热锅炉的热力计算系统。因受开发技术、方法、语言及计算模型自身结构复杂和离散度大因素的影响，在软件开发技术方面存在通用性、稳定性、可扩充性、可维护性差及计算精度低问题。由于煤种分布不同，我国锅炉使用分布也呈现一定的地域性，目前的锅炉热力计算系统对煤种的选择存在一定的局限性。

经对现有文献检索发现，《内蒙古农业大学学报》上的“电站锅炉炉膛的热力计算及仿真”在分析锅炉热力计算的现状和热力计算软件的基础上，针对锅炉炉膛的热力计算进行归纳、总结和简化，并提出了相关热力计算程序。该方法具备通用性好、计算简单特点。但该方法由于只采用单向能量平衡算法，缺乏有效地现场数据验证或者是多种方法结果比对，说服力不够。

华中科技大学煤燃烧国家重点实验室周怀春提出一种锅炉及加热炉温度场可视化及锅炉及加热炉温度场可视化及燃烧监控技术，基于热辐射图像处理温度检测原理和技术对大型锅炉炉内二维/三维温度进行检测。该方法具备检测精度高的特点，且能对炉内三维温度场进行全面地检测，但其相关技术因需要加入特殊的热辐射检测仪表，对锅炉炉膛的检测系统提出了较高的要求，暂时无法大范围推广。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法，通过机组中和模型参数相关的实际运行数据，根据炉膛燃烧与辐射能量平衡，过热器烟气侧与工质侧能量平衡，再热器烟气侧与工质侧能量平衡以及尾烟气能量衡算，从烟气侧正反两个方向对炉膛烟温进行了优化测量，并分别测量结果的基础上复合计算最终烟温结果。在实际运行中可根据机组运行状况修正方法参数，使得该发明方法具有较好的通用性与鲁棒性，且对实际现场监测系统要求较低，适用于火力发电系统的运行状况检测与燃烧状况的优化。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一：设置包括炉膛体积、换热面积以及各级换热器的换热面积、金属质量的锅炉炉膛及烟道特性，通过OPC通讯协议，建立OPC客户端向DCS自带的OPC服务器端发送数据请求，进行实时采样获取锅炉运行数据，对数据进行五点平滑处理。

所述的采样的时间间隔为5秒；

步骤二：在现场控制系统工程师站上建立科学计算平台与人机交互平台，即利用Matlab建立数据处理平台，基于Matlab自带的OPC客户端用于实现数据接收与处理。

步骤三：基于锅炉炉膛的燃烧放热平衡与水冷壁辐射换热平衡，计算出炉膛出口烟温T₁；基于锅炉烟道的尾烟气能量、再热器能量平衡以及过热器能量平衡，利用烟气物性参数库，计算出炉膛出口烟温T₂，具体步骤包括：

a)利用正向燃煤在炉膛中放热与传热平衡，计算出炉膛出口温度T₁

b)利用反向烟气在各级换热器中的产热平衡，利用尾气能量加上各级换热器传递热量计算出炉膛出口烟气能量，并利用烟气物性反推炉膛出口烟温T₂

步骤四：根据正向燃烧放热平衡与反向过热器再热器热交换平衡计算得到炉膛出口烟温T₁与T₂，采用线性叠加的方式，即T＝a×T₁+b×T₂计算出最终炉膛烟温结果，其中系数a取0.3，系数b取0.7。

步骤五：根据实际燃料特性以及炉膛、烟道、换热器特性随着时间推移所发生的变化修正方法执行中炉膛换热系数等各组参数，即对优化测量方法进行参数滚动更新，具体是：

a)每天利用最新煤质在线分析值对烟气物性参数库进行更新；

b)每次大修以后对炉膛换热系数等各种参数进行重新设置。

与现有技术相比，本发明具备以下三个优点：一是无需新增硬件投入，只需利用现有检测系统所获得的数据以及部分火力发电系统的化验数据，避免了新增投资与技术改造；二是根据不同型号以及规模的火力发电系统，只需通过修正部分涉及到锅炉结构的参数，无需对模型结果推倒重来；三是采用了两种不同的烟气侧能量平衡，贯穿了整个烟气通道，覆盖了多种不确定性，并能进行互相校验。本发明的结果更有助于对锅炉整体运行情况的进行判断以及进一步优化。

附图说明

图1为烟气物性曲线图。

图2为炉膛出口烟温最终计算结果与负荷数据对照图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中的锅炉满足以下条件：该锅炉为负荷300MV、亚临界、自然循环、中间再热、双拱单炉膛、“W”火焰燃烧方式、固态排渣、全钢架悬吊式燃煤汽包炉。

本实施例包括以下步骤：

步骤一：设置锅炉炉膛以及烟道特性，并设定燃煤的成分与低位发热量，特性参数如表1：

表1锅炉物理特性参数

该锅炉DCS控制系统自带OPC服务端，该优化测量方法执行过程中可通过OPC客户端实时读取锅运行数据，采样周期为5秒。计算烟气物理性质，根据现场的实时煤质分析仪提供的数据，计算1Kg燃煤燃烧后的产物的各项特性，并建立烟气物性数据库。

且烟气的焓值，可以根据O₂，CO₂，H₂O，N₂气体的体积成分和烟气温度利用各种成分气体的焓值特性计算得到，典型平均成分烟气(r_CO2＝0.13，r_H2O＝0.11，r_N2＝0.76)，其比热值如图1所示；工质水的焓值根据IAPWS-IF97公式获得。

步骤二：在工程师站上建立科学计算平台与人机交互界面。

步骤三：根据炉内传热相似理论计算方法可得炉膛出口温度与进入炉膛燃煤量之间的集总参数模型：

$T_1={T^{\′\′}}_1-273=\frac{T_a}{M{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_0{a}_1\mathrm{\ψ}{F}_1{T}_a^3}{\mathrm{\φ}{B}_j\stackrel{\‾}{V_{C_p}}}\right)}^{0.6}+1}$

其中：B_j为计算燃料消耗量，为实测值；σ₀为波尔兹曼常量；F₁为炉膛换热壁面积，为2900m²；为考虑炉膛散热损失的保热系数，为0.85；I”₁为炉膛出口截面上燃烧产物的焓Q₁为基准燃料量送入炉膛内的有效热量；V_Cp为燃烧产物的平均比热容，查烟气物性参数库可得；T_a为燃烧产物的绝对燃烧温度，为2400℃；T”₁为炉膛出口烟气温度；Ψ为水冷壁有效吸热系数为0.45，a₁为炉膛黑度，为0.63。

根据后续烟气能量平衡，炉膛出口高温烟气能量满足下式：

高温烟气能量＝烟气热交换中减少的能量+烟气尾气能量

基于烟道的绝热性较好这一假设可以认为烟气通过换热器时减少的能量与换热器中工质增加的能量相。即烟气侧能量平衡可改写为：

高温烟气能量＝换热器中工质增加的能量+烟气尾气能量

由所研究燃煤锅炉结构可知换热器主要分为过热器和再热器，因而反向推导计算需主要考虑过热器与换热器换热量以及尾烟气能量。

(a)过热器热交换模型

根据过热器中工质质量平衡可得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{M}_1}{\mathrm{\Δt}}=D_{\mathrm{in}1}-D_{\mathrm{out}1}$

ΔM₁＝M₁(k)-M₁(k-1)＝[ρ₁(k)-ρ₁(k-1)]V₁

$D_{\mathrm{in}1}=\frac{\mathrm{\Δ}{M}_1}{\mathrm{\Δt}}+D_{\mathrm{out}1}$

式中：k为当前时刻，k-1为前一时刻，D_in1为汽包出口饱和蒸汽流量，即过热器系统输入质量，D_out1为高压缸入口过热蒸汽流量，即过热器系统输出质量，M₁为过热器系统中工质总质量，V₁为过热器容积，p₁为过热器系统内工质的平均密度。

根据过热器中工质能量平衡可得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{E}_1}{\mathrm{\Δt}}=Q_{\mathrm{in}1}+\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{gas}1}-Q_{\mathrm{out}1}=D_{\mathrm{in}1}{H}_{\mathrm{in}1}+\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{gas}1}-D_{\mathrm{out}1}{H}_{\mathrm{out}1}$

ΔE₁＝E₁(k)-E₁(k-1)＝[ρ₁(k)H₁(k)-ρ₁(k)H₁(k)]V+c_metal1M_metal1ΔT_metal1

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{gas}1}=\frac{\mathrm{\Δ}{E}_1}{\mathrm{\Δt}}+Q_{\mathrm{out}1}-Q_{\mathrm{in}1}$

式中：k为当前时刻，k-1为前一时刻，Q_in1为饱和蒸汽能量，即过热器系统输入能量，Q_out1为过热蒸汽能量，即过热器系统输出能量，E₁为过热器中工质总能量，H_in1和H_out1分别为饱和蒸汽焓值和过热蒸汽焓值，c_metal1，M_metal1和ΔT_metal1为过热器管道金属壁的比热、质量和温度波动，ΔQ_gas1为烟气通过过热器传递给工质的能量，即烟气在过热器热交换中减少的能量。

(b)再热器热交换模型

根据再热器中工质能量平衡可得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{M}_2}{\mathrm{\Δt}}=D_{\mathrm{in}2}-D_{\mathrm{out}2}$

D_in2＝D_main-D_s1-D_s2

ΔM₂＝M₂(k)-M₂(k-1)＝[ρ₂(k)-ρ₂(k-1)]V₂

$D_{\mathrm{out}2}=D_{\mathrm{in}2}-\frac{\mathrm{\Δ}{M}_2}{\mathrm{\Δt}}$

式中：k为当前时刻，k-1为前一时刻，D_in2为高压缸出口冷再热蒸汽流量，即再热器系统输入质量，D_out2为中压缸入口热再热蒸汽流量，即再热器系统输出质量，D_s1，D_s2分别为高压缸送入高加1#和高加2#的蒸汽流量，D_main为主蒸汽流量，与式(5)中D_out1相，M₂为再热器系统中工质总质量，V₂为再热器容积，ρ₂为过热器系统内工质的平均密度。

根据再热器能量平衡可得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{E}_2}{\mathrm{\Δt}}=Q_{\mathrm{in}2}+\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{gas}2}-Q_{\mathrm{out}2}=D_{\mathrm{in}2}{H}_{\mathrm{in}2}+\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{gas}2}-D_{\mathrm{out}2}{H}_{\mathrm{out}2}$

ΔE₂＝E₂(k)-E₂(k-1)＝[ρ₂(k)H₂(k)-ρ₂(k)H₂(k)]V+c_metal2M_metal2ΔT_metal2

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{gas}2}=\frac{\mathrm{\Δ}{E}_2}{\mathrm{\Δt}}+Q_{\mathrm{out}2}-Q_{\mathrm{in}2}$

式中：k为当前时刻，k-1为前一时刻，Q_in2为冷再热蒸汽能量，即再热器系统输入能量，Q_out2为热再热蒸汽能量，即再热器系统输出能量，E₂为再热器中工质总能量，H_in2和H_out2分别为冷再热蒸汽焓值和热再热蒸汽焓值，c_metal2，M_metal2和ΔT_metal2为过热器管道金ΔQ_gas2为烟气通过再热器传递给工质的能量，即烟气在再热器热交换中减少的能量。

(c)尾烟气能量衡算模型

烟气是燃料与氧气发生化学反应后的产物。烟气的主要成分有氮气，二氧化碳，氧气和水蒸气，还有少量的氢气、甲烷和其他氧化物(如二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳)。

尾气能量计算方法采用基于烟气成分比例的方法。计算方法如下：

Q_gas3＝K(Q_py-Q_lf)

式中：K为燃煤固体未完全燃烧修正值，Q_py为排烟能量，Q_lf为冷空气能量。

因而，炉膛出口烟气的能量计算方法即为：

Q＝Q_gas1+Q_gas2+Q_gas3

基于炉膛出口烟气能力可通过烟气物性参数表反推炉膛出口烟气温度T₂。

步骤四：根据基于两种软测量手段所获得炉膛出口烟温T₁与T₂，采用一定比例线性叠加的方式，即T＝a×T₁+b×T₂计算出最终炉膛烟温结果。

本实施例中，设定a＝0.3，b＝0.7计算最终的炉膛出口温度T，其值在950～1050℃之间。其一天的测算值如图2所示。

步骤五：在优化测量方法执行过程中，基于化学班每天四班的煤种分析值实时更新煤质状况，并在每次大修后重新设定锅炉物理参数。

Claims (4)

1.一种基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：设置包括炉膛体积、换热面积以及各级换热器的换热面积、金属质量的锅炉炉膛及烟道特性，通过OPC通讯协议，建立OPC客户端向DCS自带的OPC服务器端发送数据请求，进行实时采样获取锅炉运行数据，对数据进行五点平滑处理；

步骤二：在现场控制系统工程师站上建立科学计算平台与人机交互平台，即利用Matlab建立数据处理平台，基于Matlab自带的OPC客户端用于实现数据接收与处理；

步骤三：基于锅炉炉膛的燃烧放热平衡与水冷壁辐射换热平衡，计算出炉膛出口烟温T₁；基于锅炉烟道的尾烟气能量、再热器能量平衡以及过热器能量平衡，利用烟气物性参数库，计算出炉膛出口烟温T₂；

步骤四：根据正向燃烧放热平衡与反向过热器再热器热交换平衡计算得到炉膛出口烟温T₁与T₂，采用线性叠加的方式，即T＝a×T₁+b×T₂计算出最终炉膛烟温结果，其中系数a取0.3，系数b取0.7；

步骤五：根据实际燃料特性以及炉膛、烟道、换热器特性随着时间推移所发生的变化修正方法执行中炉膛换热系数等各组参数，即对优化测量方法进行参数滚动更新。

2.根据权利要求1所述的基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法，其特征是，所述的采样的时间间隔为5秒。

3.根据权利要求1所述的基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法，其特征是，所述的步骤三具体包括：

a)利用正向燃煤在炉膛中放热与传热平衡，计算出炉膛出口温度T₁

b)利用反向烟气在各级换热器中的产热平衡，利用尾气能量加上各级换热器传递热量计算出炉膛出口烟气能量，并利用烟气物性反推炉膛出口烟温T₂

4.根据权利要求1所述的基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法，其特征是，所述的步骤五具体包括：

a)每天利用最新煤质在线分析值对烟气物性参数库进行更新；

b)每次大修以后对炉膛换热系数等各种参数进行重新设置。

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