CN102639937B - 用于监测和控制电厂的系统和关联的方法 - Google Patents

Abstract

用于与电厂一起使用的控制系统，该电厂具有用于粉碎材料供输入到该电厂的燃烧系统的磨粉机，该控制系统包括：第一传感器（12），用于记录来自该燃烧系统的第一输出的第一参数；第二传感器（14），用于记录来自该燃烧系统的第二输出的第二参数；调节器系统（16），用于调节和记录该燃烧系统的至少一个可变参数；状态估计器（18）部件，其能操作成接收涉及这样的第一参数的第一信号、涉及这样的第二参数的第二信号和涉及这样的至少一个可变系统参数的第三信号，该状态估计器部件能操作成使用该第一信号、第二信号和第三信号以产生材料参数指示器信号（20）和系统状态指示器信号（22）；以及输出部件（24），其能操作成接收这样的材料参数指示器信号和这样的系统状态指示器信号，并且将所述材料参数指示器信号和系统状态指示器信号组合来产生输出控制信号。

Description

用于监测和控制电厂的系统和关联的方法

技术领域

本发明涉及监测和控制电厂的系统和关联的方法，具体地本发明涉及控制具有用于粉碎材料供输入到电厂的燃烧系统的磨粉机的电厂的系统和关联的方法。

背景技术

在靠粉煤运行的电厂中，磨煤机的操作对电厂内煤的燃烧效率具有显著影响，以及对在电厂内从粉煤的燃烧产生的污染物的量和成分具有显著影响。此外，燃煤电厂响应于负载变化要求的能力主要取决于磨煤机改变粉碎燃料的输出的能力。不像燃烧气或油（其中打开控制阀并且立即获得更多燃料是可能的），燃烧粉煤要求首先进行粉碎步骤。这要求磨粉机输入/输出必须逐步上升以便向电厂提供增加的燃料量。控制系统越好，该上升过程可以越陡。

电厂内磨煤机的功能是按要求产生并且干燥具有期望量并且具有期望颗粒尺寸的粉煤。引入热加压空气以通过将粉煤流态化而干燥并且运输它，使得它可以输送到燃烧器供燃烧。

煤的粉碎典型地导致形成一系列颗粒尺寸。然而，在燃烧器内，如果煤颗粒大于某个尺寸，例如75微米以及以上，那么燃烧环境中的氧（O₂）分子不能在所谓的焦燃烧阶段期间穿入煤颗粒内更深的非挥发性可燃物质。这导致未燃碳，其不仅是燃料的浪费（并且因此是昂贵的），并且还降低可售副产物飞灰（其用作水泥添加剂）的质量，因为该未燃碳在水泥内形成黑点。未燃碳的量随颗粒尺寸增加，并且如果没有足够的空气也增加。然而，由于通常离线监测未燃碳，实时确定观察的未燃碳水平是由于颗粒尺寸还是缺少空气造成的是不可能的。

大尺寸粉煤颗粒还在电站的燃烧器内形成另一个问题，该问题是它们在还原焰区域中妨碍氮（N）化合物从颗粒内早期快速挥发。当该N化合物后来在燃烧器的氧化焰区域中释放时或当它们在焦燃烧期间不均匀地达到与颗粒内部的氧（O₂）接触时，它们易于形成氧化氮（NO），其是形成酸雨中的不期望的前驱物。N的快速挥发是可取的，因为N在最初燃烧期间的释放在缺O₂环境中发生，从而形成稳定的N₂。然而，如果妨碍N的挥发，N可能直到颗粒进入炉子的空气丰富部分才被释放，其中空气经过它们来完成燃烧将导致不期望的NO而不是期望的稳定N₂的形成。

鉴于由较大煤颗粒尺寸在燃烧器内形成的这些问题，可以看出粉煤颗粒尺寸应该保持相对小。煤颗粒的最佳尺寸由燃烧后的残余物的组成确定，即飞灰输出的灰和挥发物含量，以及要燃烧的煤的反应性。

保持颗粒尺寸小的这个要求导致权衡，并且权衡的概念表示在图1中示出的颗粒尺寸分布图上图示。粉碎过程需要能量，从而将煤粉碎成较小碎片需要比形成大颗粒更多的能量。此外，将煤粉碎来形成较小碎片花费的增加时间减少了可以由任何给定机器粉碎的煤量。对此，必须考虑通过未燃烧的燃料“损失”的能量、从系统输出的NO量中的增加和从标准以下残余产物的返回收益的损失。因此，在图1中概念地指示的最佳颗粒尺寸可以视为足够小而不会对最佳燃烧引起任何显著的热和质量传递阻力的值。任何大于最佳颗粒尺寸的值将增加灰中的碳至高于可取水平并且增加NO形成。任何小于最佳颗粒尺寸的值将在粉碎过程中要求磨粉动作，并且将导致磨煤机中增加的功耗或粉碎燃料生产能力中的等同减少。

典型地，在建立电厂的设计和建造阶段，规定磨煤机操作条件和颗粒尺寸归类系统以在具有假设的给煤性质的设计负载条件下获得最佳颗粒尺寸分布。然而，当电厂以具有被磨损的设备并且具有变化的给煤性质（即，湿度和硬度）的部分负载来操作时，规定的磨煤机设置不再产生最佳颗粒尺寸分布。此外，大多数电厂缺少用于在线测量粉碎燃料颗粒尺寸分布的工具。鉴于这些问题，采取矫正动作来控制系统以便维持来自厂的灰输出中的碳和烟道气体输出中的NO的低水平是困难的。

已经采取各种方式来改进磨煤机操作的监测和控制。Yukio Fukayama等人公开An Adaptive State Estimator for Pulverizer Control Using Moments of Particle Size Distribution（使用颗粒尺寸分布的矩用于粉碎机控制的自适应状态估计器）（IEEE Transactions On Control Systems Technology，Vol. 12，No. 6，2004年11月），其详述在磨煤机粉碎机中的颗粒尺寸分布的演变的基本数学模型并且在磨煤机系统的高级控制应用中使用这些模型。然而，他们的方式集中在包括单个粉碎机的磨煤机上并且不考虑来自燃烧输出的任何信息。P. Andersen等人随后在“Observer-based Coal Mill Control using Oxygen Measurement（使用氧测量的基于观察者的磨煤机控制）”中进一步拓展该方式并且指出粉碎过程和燃烧之间的关系，他们在2006年将其提交给关于电厂和电力系统的IFAC研讨会。通过指出粉碎过程和燃烧之间的关系，Andersen等人提出包括O---₂测量来关闭粉煤机附近的内控循环。然而，在该系统中，没有测量未燃碳的水平。在韩国专利申请KR20040019462A（Kim Eun Gee）“System for Controlling Unburned Carbon and Air Damper for Optimal Combustion of Boiler（用于控制未燃碳的系统和用于锅炉的最佳燃烧的空气阻尼器）”中详述的不同方式中，发明者详述具有两个控制环的磨煤机的分散控制系统，其中灰中未燃碳测量用于调节颗粒尺寸分布，并且烟道气体测量用于调节二次燃烧空气流。然而该系统仅依赖单个可变反馈控制器用于管理粉碎和燃烧过程，这限制系统响应于扰动的准确性并且减少电厂对负载变化的响应时间。

鉴于上文，本发明的目的是避免或减轻前面提到的问题中的至少一个。

发明内容

根据本发明的第一方面提供有用于与电厂一起使用的控制系统，该电厂具有用于粉碎材料供输入到该电厂的燃烧系统的磨粉机，该控制系统包括：

第一传感器，用于记录来自该燃烧系统的第一输出的第一参数；

第二传感器，用于记录来自该燃烧系统的第二输出的第二参数；

调节器系统，用于调节和记录该燃烧系统的至少一个可变参数；

状态估计器部件，其能操作成接收涉及这样的第一参数的第一信号、涉及这样的第二参数的第二信号和涉及这样的至少一个可变系统参数的第三信号，该状态估计器部件能操作成使用该第一信号、第二信号和第三信号以产生材料参数指示器信号和系统状态指示器信号；以及

输出部件，其能操作成接收这样的材料参数指示器信号和这样的系统状态指示器信号，并且将所述材料参数指示器信号和系统状态指示器信号组合来产生输出控制信号。

优选地，输出部件能操作成输出这样的输出控制信号到电厂。

该控制系统中的第一传感器、第二传感器和调节器系统的设置起作用来提供多变量闭环控制方案，其通过提供反馈将工作来确保达到电厂的最佳操作条件。

在一个实施例中，输出控制信号是燃烧系统控制信号。

在备选实施例中，提供给电厂的输出控制信号将能操作成控制燃烧系统。

备选地，输出部件能操作成提供输出控制信号给至少一个警报工具。

该控制系统中的第一传感器、第二传感器和调节器系统的设置起作用来提供警报工具，用于使操作者能够对电厂系统内出现的任何紧急问题采取行动。

优选地，第一传感器是灰中碳传感器。

灰中碳传感器的提供提供了关于正从燃烧系统输出的灰中的未燃碳的信息。

进一步优选地，第二传感器是气体传感器。

该气体传感器可以是一氧化碳传感器。

优选地材料是煤。备选地，材料可以是一个或多个生物质燃料。

在一个实施例中，材料是煤和至少一个生物质燃料的组合。

优选地，磨粉机包括至少一个粉碎机，例如立轴式粉碎机等。然而，将意识到技术人员已知的任何其他合适的粉碎机可用作立轴式粉碎机的备选项，或补充。

在一个实施例中，材料参数指示器信号是指示颗粒尺寸分布的信号。

系统状态指示器信号可以是指示磨粉机的内部状态的磨粉机状态指示器信号。

在一个实施例中，调节器系统能操作成调节并且记录以下中的至少一个：输入燃烧系统的总煤；进入燃烧系统的空气流；要求的从电厂负载输出的能量；至少一个粉碎机中的每个的粉碎燃料出口温度；至少一个粉碎机中的每个的入口空气温度；输入磨粉机的材料的进给速率；磨粉机内运输空气的流速；至少一个粉碎机中的每个的马达电流、电压和负载以及至少一个粉碎机中的每个内的差分压力。

根据本发明的第二方面提供有控制电厂的方法，该电厂具有用于粉碎材料供输入到该电厂的燃烧系统的磨粉机，该方法包括：

记录来自该燃烧系统的第一输出的第一参数；

记录来自该燃烧系统的第二输出的第二参数；

记录该燃烧系统的至少一个可调可变参数；

使用该第一信号、第二信号和第三信号以产生材料参数指示器信号和磨粉机状态指示器信号；以及

将所述材料参数指示器信号和系统状态指示器信号组合来产生输出控制信号。

优选地，所述输出控制信号提供给电厂系统。

提供从第一参数、第二参数和可变参数生成的控制信号给电厂的设置起作用来提供多变量闭环控制方案，其可重复工作来确保达到电厂的最佳操作条件。

备选地，所述输出控制信号可提供给警报工具。

提供从第一参数、第二参数和可变参数生成的控制信号给警报工具的设置起作用来提供方案，其指示操作者电厂中是否出现紧急问题。

附图说明

本发明的这些和其他方面将从下列描述（当结合附图阅读时）变得明显，附图中：

图1示出粉煤颗粒尺寸分布的概念图示来强调在电厂的燃烧系统中使用的最佳颗粒尺寸，以及

图2示出根据本发明的优选实施例的电厂监测和控制系统。

具体实施方式

参照图2，示出用于监测和控制电厂（未示出）以及特别地该电厂的磨煤机（未示出）操作的系统10。该系统10包括灰中碳（CIA）传感器12和气体传感器14（其能操作成测量烟道气体中的CO水平）以及调节器系统16（其在该情况下是燃烧控制系统）。CO水平是燃烧条件的直接指示。该调节器系统16能操作成监测并且调节例如燃烧系统炉内的空气阻尼器位置或燃烧器倾转水平等可操纵变量来控制燃烧过程（未在图2中示出）。

来自CIA传感器12、气体传感器14的测量和来自调节器系统16的操纵的变量水平的读数被提供给状态估计器18。该状态估计器18应用燃烧过程和磨煤机的数学模型来确定粉碎燃料颗粒尺寸分布的材料参数指示器信号20和表示磨煤机的其他内部状态的磨粉机状态指示器信号22。颗粒尺寸分布的该指示器信号20可以在复杂性上从简单的平均值变化到关于若干矩的颗粒尺寸分布的更复杂描述。在指示器信号22中表示的内部状态可以包括湿气含量和正粉碎的煤的硬度指数以及磨煤机的条件相关参数。

从状态估计器18输出的指示器信号20和22通过提供给输出部件便于电厂磨粉机和燃烧系统的闭环控制，该输出部件在该情况下是用于磨煤机操作的基于多变量模型的控制器24。在该情况下，该控制器24另外提供有磨煤机设定点25。这些设定点由电厂主控制器发送并且告诉磨粉机需要多少煤。该控制器24在该情况下根据模型预测控制技术操作，该技术可以在控制动作的计算中考虑过程约束。在状态估计器18和多变量控制器24中使用的数学模型的内在性质可基于煤粉碎和燃烧的基本物理原理，或可以具有从历史数据或出厂试验构建的黑盒类型。

在控制器24中使用的磨煤机模型将包括为燃烧系统的特定燃烧器服务的每个立式粉碎机或球磨机。因此，可以实现多变量控制器24来控制磨粉机内的所有粉碎机。

在该文献中描述的本发明提出基于状态估计和模型预测控制技术的用于操作电厂磨煤机的新的监测和控制方式，其与用于测量飞灰的未燃碳含量和烟道气体CO浓度的传感器一起操作。

在电厂的操作期间，飞灰中未燃碳水平的变化取决于炉中的燃烧条件或取决于用于燃烧的粉碎燃料的颗粒尺寸分布。使用传感器12和14来测量离开燃烧系统的燃烧产物的物理化学性质和表征燃烧系统内的燃烧条件的信息，并且在控制系统10内提供该信息，可以区别不适当的燃烧条件对未燃碳水平的影响和煤颗粒尺寸对未燃碳水平的影响。

此外，即使不能确定各种因素精确的定量影响，系统10形成具有反馈的多变量闭环控制方案，其将继续操纵影响燃烧条件的所有因素直到达到期望的操作条件。

在操作中，系统20在具有配备有燃烧控制系统16、在线灰中碳（CIA）传感器12和CO传感器14的锅炉的厂上实现。在任何给定点，该控制系统应该响应于CIA和CO读数两者的变化。该燃烧控制系统18的随后操纵在本发明者的范围之外。然而，在燃烧系统的烟道中CO输出对燃烧参数的响应指示了燃烧是否被空气/燃料平衡以及因此由燃烧空气对CIA读数的影响来约束。燃烧条件对CIA水平的第二个重要影响是通过焦颗粒在炉中的残留时间。当厂处于高负载下时，燃烧系统内的焦颗粒的残留时间可以短至2秒。该短残留时间可以导致高CIA水平。提供给状态估计器18的燃烧过程的参数信息（考虑了所有这些相互作用）可以用于从磨煤机操作状态的影响（其从状态估计器输出为指示器信号22）建立燃烧的影响，其从状态估计器输出为指示器信号20。使用该信息，磨煤机控制器24可以生成输出信号，其在该情况下将对磨煤机起作用来维持可取的CIA输出水平。

调节器系统16在上文已经描述为能操作成监测和调节例如燃烧系统炉内的空气阻尼器位置或燃烧器倾转水平等可操纵变量来控制燃烧过程。然而，在优选实施例中，例如具有带有立轴式磨粉机的锅炉的厂，其中该厂具有多个粉碎机，提供给调节器系统16的信息集包括CIA和CO测量、总煤和到燃烧系统炉子的空气流以及电厂负载。除了该信息之外，还提供每个粉碎机的另外信息给调节器系统16，其中包括：粉碎燃料出口温度、粉碎机入口空气温度、磨煤机煤进给速率、磨煤机运输空气（一次空气）流速、粉碎机马达电流、电压和负载、粉碎机差分压力和分类器转速。应该注意到粉碎机入口、出口、马达和分类器是磨粉机中每个粉碎机的所有部件。

在指示器信号22中表示的内部状态详述为包括湿气含量和正粉碎的煤的硬度指数以及磨煤机的条件相关参数。磨煤机的这样的条件相关参数将取决于磨煤机的类型，例如在立轴式磨粉机中这些参数可包括滚筒磨耗，或在球磨机中这些参数可包括有效装球量（effective ball charge）。

在本发明的另外实施例中，来自电厂分布式控制系统（未示出）的本地控制器误差的读数也可提供给状态估计器18。可以对CIA和CO的测量值跟踪估计误差的变化，并且大的变化可以用作意外过程故障的指示，例如传感器或致动器故障等。

在备选实施例中，多变量控制器24也可作为对磨粉机内的每个粉碎机或球磨机单元复制的个体控制器来操作。在该情况下，状态估计器应该也具有相等的多样性，并且应该配置有对应的粉碎机模型和参数。实际上，控制系统将包括用于磨粉机内的每个粉碎机的状态估计器18和控制器24。

在本发明的第四实施例中，从状态估计器18输出的指示器信号20和22便于厂的过程监测，并且可以提供给警报工具（未示出），如果紧急问题出现该警报工具将通知操作者。该警报工具可以是任何适合的警报工具，其包括但不限于闪光面板条目（flashing faceplate entry）。

将理解来自状态估计器18的输出也可以用于燃烧控制。在该实施例中，来自状态估计器的输出将代表。在这样的实施例中，20和22将是相同的但将也由燃烧优化例程接收-对控制器24的设定点25将由相同的燃烧优化例程确定。

可对本文之前描述的实施例做出各种修改而不偏离本发明的范围。例如，上文描述在状态估计器18和多变量控制器24中使用的数学模型的内在性质可基于煤粉碎和燃烧的基本物理原理，或可以具有从历史数据或出厂试验构建的黑盒类型。然而，不同类型的模型可集成进入状态估计18或控制器24的计算。例如，基于例如主分量分析等技术的静态统计模型可以具体地与状态估计器18并行使用来检查异常操作并且用作验证具有低估计误差的正常操作的工具。

尽管已经详述进入状态估计器18的多种参数输入，还可提供其他输入，其将扩展控制系统的范围和准确性。例如，例如适当的颗粒尺寸传感器等直接颗粒尺寸测量的工具可集成进入控制系统10来提供附加信息给状态估计器18。这将提供有价值的输入（即使进行测量的频率是非常低的）。可以代替CO测量使用O₂测量或除CO测量之外还使用O₂测量。NO输出的控制可以是通过控制磨粉机和燃烧系统两者可实现的对控制系统10的另外目标，其中由位于燃烧系统的烟道中的传感器进行适当测量，并且由于该信息经由状态估计器18和输出部件24通过控制系统10，生成的输出信号可以控制燃烧的空气燃料比。控制系统10还可以通过暂时允许较大颗粒尺寸以便获得较快磨煤机响应并且随后当需要减小的磨煤机响应时减小允许的颗粒尺寸而实现高级的输入磨粉机的材料的上升和下降策略。用于获得较快/较慢蒸汽侧响应的燃烧系统炉内的火球位置的分段递增或递减也可以经由对燃烧控制系统16的反馈而集成进入控制系统20。

Claims (14)

1.一种电厂控制系统（10），所述电厂具有用于粉碎输入到所述电厂的燃烧系统的材料的磨粉机，所述控制系统包括：

第一传感器（12），用于记录来自所述燃烧系统的第一输出的第一参数；

第二传感器（14），用于记录来自所述燃烧系统的第二输出的第二参数，其中第一和第二传感器（12、14）测量离开燃烧系统的燃烧产物的物理化学性质；

调节器系统（16），用于调节和记录所述燃烧系统的至少一个可变参数；

状态估计器部件（18），其能操作成接收涉及所述第一参数的第一信号、涉及所述第二参数的第二信号和涉及所述至少一个可变系统参数的第三信号，所述状态估计器部件能操作成使用所述第一信号、第二信号和第三信号以产生粉碎燃料颗粒尺寸分布的材料参数指示器信号（20）和表示磨粉机的其他内部状态的磨粉机状态指示器信号（22）；以及

输出部件（24），其能操作成接收所述材料参数指示器信号（20）和所述磨粉机状态指示器信号（22），并且将所述材料参数指示器信号（20）和磨粉机状态指示器信号（22）组合来产生输出控制信号（26）并将所述输出控制信号（26）输出到所述电厂。

2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述输出控制信号（26）是磨粉机控制信号。

3.如权利要求1所述的控制系统，其中所述输出控制信号（26）是燃烧系统控制信号。

4.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第一传感器（12）是灰中碳传感器。

5.如前述权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中所述第二传感器（14）是气体传感器。

6.如权利要求5所述的控制系统，其中所述气体传感器是一氧化碳传感器。

7.如前述权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中所述控制系统是具有至少一个优化计算的多变量控制器。

8.如前述权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中所述输出部件能操作成提供所述输出控制信号（26）给至少一个警报工具。

9.如前述权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中所述材料是煤。

10.如权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中所述材料是煤和至少一个生物质燃料的组合。

11.如前述权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中所述磨粉机包括至少一个粉碎机。

12.如前述权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中所述调节器系统能操作成调节并且记录以下中的至少一个：输入所述燃烧系统的总煤；进入所述燃烧系统的空气流；要求的来自所述电厂负载的能量输出；所述至少一个粉碎机中的每个的粉碎燃料出口温度；所述至少一个粉碎机中的每个的入口空气温度；输入所述磨粉机的材料的进给速率；所述磨粉机内运输空气的流速；所述至少一个粉碎机中的每个的马达电流、电压和负载，以及所述至少一个粉碎机中的每个内的差分压力。

13.一种控制电厂的方法，所述电厂具有用于粉碎材料供输入到所述电厂的燃烧系统的磨粉机，所述方法包括：

记录来自所述燃烧系统的第一输出的第一参数；以及

记录来自所述燃烧系统的第二输出的第二参数，以上步骤均通过测量离开燃烧系统的燃烧产物的物理化学性质来实现；

记录所述燃烧系统的至少一个可调可变参数；

使用涉及所述第一参数的第一信号、涉及所述第二参数的第二信号和涉及所述至少一个可调可变参数的第三信号以产生粉碎燃料颗粒尺寸分布的材料参数指示器信号（20）和表示磨粉机的其他内部状态的磨粉机状态指示器信号（22）；以及

将所述材料参数指示器信号（20）和磨粉机状态指示器信号（22）组合来产生输出控制信号（26）；并且

将所述输出控制信号（26）输出到所述电厂。

14.如权利要求13所述的控制电厂的方法，其包括提供所述输出控制信号（26）给警报工具。