CN103225819A - 煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，包括：建立所述锅炉的网格化结构模型；建立煤粉燃烧所形成的各个理化过程的数学模型；对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系；对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。此外，还公开了一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统。本发明可提高煤粉锅炉改变燃煤种类后氧量控制的准确率和安全性，克服了采用人工控制所容易引起的炉内燃烧不稳定和燃烧效率低下的问题，同时大大降低了燃烧过程中产生的污染物。

Description

煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法及系统

技术领域

本发明涉及煤粉锅炉技术领域，尤其涉及一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法和一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统。

背景技术

随着用电量越来越大，对煤的需求量也越来越多，电煤的生产和运输与用电需求的矛盾越来越突出，已经成为制约我国当前经济发展的瓶颈。煤炭供应持续紧张的同时，煤价也不断上涨，造成发电成本不断增加。为降低发电成本，电厂纷纷开始寻找低价位煤种，这就造成多数电厂很难保证长期燃用单一的设计煤种。另外，煤炭资源分布不平衡，使得北煤南运，西煤东运成为常态。因运力的严重不足等因素，导致很多电厂必须对锅炉进行掺烧甚至改烧。

在这种情况下，电厂已经开始燃用非设计煤种，在锅炉掺烧非设计煤种。但由于客观条件的限制，掺烧的依据基本采用的是煤中各成分简单的算术加和法，该方法对部分煤质的燃烧特性、灰熔融特性接近的煤种是基本可行的，但对煤的燃烧特性或灰特性差异较大时，掺烧存在锅炉运行不安全和不经济的问题。与此同时，长期燃烧、掺烧劣质煤种带来的温室气体和有害气体排放也是引起广泛关注的一大问题。煤炭消费又是导致SO2（二氧化硫）排放的主要原因，80%以上的SO2排放来自于燃煤排放，大量的SO2排放已经产生大面积的酸雨区。能源消费也是造成温室气体排放的主要原因，减排温室气体的压力已经变得十分紧迫。因此，对于长期燃用非设计煤种的电厂，为了增强大型火电厂对煤种的适应性，降低发电成本，提高电厂的经济性和安全性，众多电厂不得不开始对锅炉进行系统改造来满足要求。例如天津大港发电厂对300MW机组进行了改造，改烧烟煤取代原有的贫煤设计煤种；又如云浮发电厂针对来煤煤质变化大所带来的一系列问题，对锅炉系统的燃烧器区域和制粉系统进行了改造。

但对于电厂中广泛使用的四角切圆煤粉锅炉而言，改烧非设计煤种后（例如贫煤锅炉改烧烟煤），在不同的氧量情况对锅炉燃烧特性的影响方面还缺乏成熟的工程应用，例如锅炉改烧其它燃煤种类后煤质特性变化对锅炉燃尽、结渣和积灰等方面的影响，目前大多是依靠人工经验进行控制，严重影响了锅炉运行的安全性和经济性。

发明内容

基于此，本发明提供了一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法和一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统。

一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，包括以下步骤：

根据四角切圆煤粉锅炉的设计参数，按照直流燃烧器、冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域的结构，建立所述锅炉的网格化结构模型；

根据所述网格化结构模型，建立煤粉燃烧所形成的气相湍流流动过程、气固两项流动过程、辐射传热过程和氮氧化物生成过程的数学模型；

根据建立的所述数学模型，对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系；

根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。

与一般技术相比，本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法建立与煤粉燃烧所形成的各个理化过程相对应的数学模型，采用数值模拟的方法获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系，并根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。本发明在数值模拟过程中耗时短，计算成本低，实现过程中不需电厂现场的调控配合，并且模拟结果具有很好的可视性。本发明可提高煤粉锅炉改变燃煤种类后氧量控制的准确率和安全性，克服了采用人工控制所容易引起的炉内燃烧不稳定和燃烧效率低下的问题，同时大大降低了燃烧过程中产生的污染物。

一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统，包括结构模型建立模块、数学模型建立模块、模拟模块和调整模块；

所述结构模型建立模块，用于根据四角切圆煤粉锅炉的设计参数，按照直流燃烧器、冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域的结构，建立所述锅炉的网格化结构模型；

所述数学模型建立模块，用于根据所述网格化结构模型，建立煤粉燃烧所形成的气相湍流流动过程、气固两项流动过程、辐射传热过程和氮氧化物生成过程的数学模型；

所述模拟模块，用于根据建立的所述数学模型，对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系；

所述调整模块，用于根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。

与一般技术相比，本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统建立与煤粉燃烧所形成的各个理化过程相对应的数学模型，采用数值模拟的方法获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系，并根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。本发明在数值模拟过程中耗时短，计算成本低，实现过程中不需电厂现场的调控配合，并且模拟结果具有很好的可视性。本发明可提高煤粉锅炉改变燃煤种类后氧量控制的准确率和安全性，克服了采用人工控制所容易引起的炉内燃烧不稳定和燃烧效率低下的问题，同时大大降低了燃烧过程中产生的污染物。

附图说明

图1为本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法的流程示意图；

图2为炉膛结构的网格化示意图；

图3为不同氧量时煤粉燃尽率的对应关系示意图；

图4为不同氧量时飞灰含碳量的对应关系示意图；

图5为不同氧量时NOx排放量的对应关系示意图；

图6为不同氧量时下炉膛出口温度的对应关系示意图；

图7为不同氧量时沿炉膛高度的平均温度分布示意图；

图8为不同氧量时沿炉膛高度的氧量分布示意图；

图9为不同氧量时沿炉膛高度的CO生成量分布示意图；

图10为不同氧量时沿炉膛高度的NOx生成量分布示意图；

图11为本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

请参阅图1，为本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法的流程示意图。本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，包括以下步骤：

S101根据四角切圆煤粉锅炉的设计参数，按照直流燃烧器、冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域的结构，建立所述锅炉的网格化结构模型；

根据燃烧器出口的流动特性，作为锅炉燃烧器入口边界条件，构建求解区域并进行网格划分，在炉膛出口增加4m的水平和4m的收缩段，以在出口处获得充分发展流。为了获得高质量的计算网格，采用分区网格划分方法，采用结构化六面体网格，为了准确模拟燃烧器出口空气动力场，燃烧器入口区域需要进行网格局部加密，总的网格数为200万。如图2所示，为炉膛结构的网格化示意图。

作为其中一个实施例，在所述建立所述锅炉的网格化结构模型的步骤中，所述设计参数包括蒸发量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽流量、再热蒸汽进口压力、再热蒸汽出口压力、再热蒸汽进口温度、再热蒸汽出口温度、给水温度、排烟温度、热风温度、锅炉效率、计算燃料消耗量、实际燃料消耗量以及燃烧器设计参数。

建立网格化模型时，必要的设计参数需全部包括，这样可确保能够建立有效的模型。另外，设计参数越多，则建立的模型越准确。表1是一个锅炉主要设计参数的实施例。

表1锅炉主要设计参数

作为其中一个实施例，所述燃烧器设计参数包括一次风、二次风、三次风、一次风周界风、三次风周界风和炉膛漏风。

建立网格化模型时，燃烧器设计参数越多越好，这样可确保能够建立有效和准确的模型。表2为一个燃烧器设计参数的实施例。

表2燃烧器设计参数

项目	风率%	风速m/s	风温℃
				一次风	15	22.7	243
二次风	56.1	46.5	350
				三次风	19	56.1	120
一次风周界风	4	40	350
				三次风周界风	1.9	10.8	350
炉膛漏风	4	--	冷风

FLUENT提供了分离式和耦合式两类求解器，而耦合式又分为隐式和显式两种。

分离式求解器(segregated solver)是顺序地、逐一地求解各方程(关于u、v、w、p和T的方程)。也就是先在全部网格上解出一个方程(如u动量方程)后，再解另外一个方程(如v动量方程)。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之前，要经过多轮迭代。每一轮迭代由如下步骤组成：

根据当前的解的结果，更新所有流动变量。如果计算刚刚开始，则用初始值来更新；

按顺序分别求解u、v和w动量方程，得到速度场。在计算时，压力和单元界面的质量流量使用当前的已知值；

因上一步骤得到的速度很可能不满足连续方程，因此，用连续方程和线性化的动量方程构造一个Poisson型的压力修正方程，然后求解该压力修正方程，得到压力场与速度场的修正值；

利用新得到的速度场与压力场，求解其他标量(如温度、湍动能和组分等)的控制方程；

对于包含离散相的模拟，当内部存在相间耦合时，根据离散相的轨迹计算结果更新连续相的源项；

检查方程组是否收敛。若不收敛，回到第一步，重复进行。

耦合式求解器(coupled solver)是同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分疏运方程的耦合方程，然后，再逐一地求解湍流等标量方程。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之前，要经过2迭代。每一轮迭代由如下步骤组成：

根据当前的解的结果，更新所有流动变量。如果计算刚刚开始，则用初始值来更新；

同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组（后两个方程视需要进行求解）；

根据需要，逐一地求解湍流、辐射等标量方程。注意在求解之前，方程中用到的有关变量要用前面得到的结果更新；

对于包含离散相的模拟，当内部存在相间耦合时，根据离散相的轨迹计算结果更新连续相的源项；

检查方程组是否收敛。若不收敛，回到第一步，重复进行。

两种求解器都适用于从不可压到高速可压的很大范围的流动，但总的来讲，当计算高速可压流动时，耦合式求解器更具有优势。耦合式求解器常常可以很快收敛，但所需要的内存大约是分离式求解器的1.5到2倍。

此外，分离式求解器中提供的几个物理模型，在耦合式求解器中是没有的。这些物理模型包括：流体体积模型(VOF)、多相混合模型、欧拉混合模型、PDF燃烧模型、预混合燃烧模型、指定质量流量的周期流动模型、周期性热传导模型和壳传导模型等。

由于本发明将运用PDF燃烧模型模拟锅炉燃烧，且计算机硬件配置有限，故选择分离式求解器。

FLUENT中提供了三种算法：SIMPLE算法、SIMPLEC算法和PISO算法。SIMPLEC和PISO算法具有较快的收敛速度，相对于SIMPLE算法的计算时间减少30%～50%。对于瞬态问题，PISO算法具有明显的优势，而对于稳态问题，可选择SIMPLE系列算法。本发明可选用SIMPLE算法。

SIMPLE算法可描述如下：对于给定的压力场（它可以是假定的值，或是上一次迭代计算所得到的结果），求解离散形式的动量方程，得出速度场，因此，必须对给定的压力场加以修正。修正的原则是：与修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程。据此原则，我们把由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式，从而得到压力修正方程，由压力修正方程得出压力修正值。接着，根据修正后的压力场，求得新的速度场。然后检查速度场是否收敛。若不收敛，用修正后的压力值作为给定的压力场，开始下一层次的计算。如此反复，直到获得收敛的解。

S102根据所述网格化结构模型，建立煤粉燃烧所形成的气相湍流流动过程、气固两项流动过程、辐射传热过程和氮氧化物生成过程的数学模型；

湍流应力方程模型：

湍流流动的基本控制方程为：

连续方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\ρu}\right)=0$

动量方程（Navier-Stokes方程）：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρu}\right)}{\∂t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\ρu}\stackrel{\→}{u}\right)=\mathrm{div}\left(\mathrm{\μ}\mathrm{grad}u\right)-\frac{\∂p}{\∂x}+[-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u^{\′2}}\right)}{\∂x}-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u^{\′}{v}^{\′}}\right)}{\∂y}-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u^{\′}{w}^{\′}}\right)}{\∂z}]+S_u$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρv}\right)}{\∂t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\ρv}\stackrel{\→}{u}\right)=\mathrm{div}\left(\mathrm{\μ}\mathrm{grad}v\right)-\frac{\∂p}{\∂y}+[-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u^{\′}{v}^{\′}}\right)}{\∂x}-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{v^{\′2}}\right)}{\∂y}-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{v^{\′}{w}^{\′}}\right)}{\∂z}]+S_v$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρw}\right)}{\∂t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\ρw}\stackrel{\→}{u}\right)=\mathrm{div}\left(\mathrm{\μ}\mathrm{grad}w\right)-\frac{\∂p}{\∂z}+[-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u^{\′}{w}^{\′}}\right)}{\∂x}-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{{v^{\′}w}^{\′}}\right)}{\∂y}-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{w^{\′2}}\right)}{\∂z}]+S_w$

其他变量的输运方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ\φ}\right)}{\∂t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\→}{u}\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{div}\left(\mathrm{\Γ}\mathrm{grad}\mathrm{\φ}\right)-\frac{\∂p}{\∂y}+[-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u^{\′}{\mathrm{\φ}}^{\′}}\right)}{\∂x}-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{v^{\′}{\mathrm{\φ}}^{\′}}\right)}{\∂y}-\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{w^{\′}{\mathrm{\φ}}^{\′}}\right)}{\∂z}]+S$

可见，方程组中多了六个应力(3个正应力和3个切应力)，即：

${\mathrm{\τ}}_{i,j}=-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u_i^{\′}{u}_j^{\′}}$

针对这六个应力的处理方式，得到了各种湍流数值模拟的方法：

本发明选用Realizable k-ε模型进行模拟。标准k-ε模型对时均应变率特别大的情形，有可能导致负的正应力。而Realizable k-ε模型主要变化是：

湍流粘度计算公式发生了变化，引入了与旋转和曲率有关的内容：

ε方程发生了很大变化，方程中的产生项不再包含有k方程中的产生项Gk，这样，现在的形式更好地表示了光谱的能量转换。

ε方程中的倒数第二项不具有任何奇异性，即使k值很小或为零，分母也不会为零。这与标准k-ε模型和RNG k-ε模型有很大区别。

Realizable k-ε模型已被有效得应用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的流动等。

辐射模型：

FLUENT中可以用5种模型来计算辐射换热问题，这5中模型分别是离散换热辐射模型(DTRM)、P-1辐射模型、Rosseland辐射模型、表面辐射模型(S2S)和离散坐标(DO)辐射模型。

针对本发明研究的问题为锅炉的燃烧，故选用P-1辐射模型。

P-1辐射模型，辐射换热方程是一个计算相对较小的扩散方程，同时模型中包含了散射效应，在燃烧等光学厚度很大的计算问题中，P-1模型的计算效果都比较好。

组分输运与化学反应模型：

FLUENT中提供了四种模拟方法：通用有限速率模型；非预混合燃烧模型；预混合燃烧模型；部分预混合燃烧模型。

模型选择的大致方针如下：

通用有限速度模型主要用于：化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或者粒子表面反应的问题（如化学蒸气沉积）；

非预混合燃烧模型主要用于：包括湍流扩散火焰的反应系统，这个系统接近化学平衡，其中的氧化物和燃料以两个或者三个流道分别流入所要计算的区域；

预混合燃烧模型主要用于：单一、完全预混合反应物流动；

部分预混合燃烧模型主要用于：区域内具有变化等值比率的预混合火焰的情况；

本发明选择非预混合燃烧模型，用混合分数-概率密度函数模拟气相湍流燃烧。

NOx生成模型：

NOx（氮氧化物）生成类型有三种：热力型、快速型、燃料型。生成机理已于第一章介绍。基于本发明研究对象为煤粉燃烧的数值模拟，故不考虑快速型NOx(其主要由CH燃料燃烧生成)，但考虑了NOx的再燃效应。此外，模型中不考虑N2O的生成。

S103根据建立的所述数学模型，对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系；

作为其中一个实施例，所述锅炉改变后的燃煤种类为烟煤。

目前，烟煤是被广泛采用的一种非设计煤种，锅炉改烧烟煤降低煤粉的消耗率。

作为其中一个实施例，所述锅炉燃烧性能指标包括煤粉燃尽率、飞灰含碳量、氮氧化物排放量和下炉膛出口温度。

在模拟过程中，分析的燃烧性能指标越多，在对锅炉运行进行控制的准确率越高，安全性也越好，对后续的工程实践越有指导意义。

在模拟之前，需要对锅炉设计煤种和实际燃烧煤种进行一个对比分析。表3为一个设计煤常规分析数据的实施例。

表3设计煤常规分析数据

表4为一个实际来煤与设计煤种的特性进行对比分析的实施例。

表4实际来煤与设计煤种的特性比较

煤种	Qnet,ar/(MJ·kg-1)	Car/%	Vdaf/%
				设计煤种	23.289	61.75	10.0

实际燃煤

18.8-24.0

52.0-66.5

4.5-30.0

请参阅图3，为不同氧量时煤粉燃尽率的对应关系示意图。

请参阅图4，为不同氧量时飞灰含碳量的对应关系示意图。

氧量为2.5、3.0、3.4和4.0时，煤粉燃尽率分别为99.45％、99.65％、99.85％和99.90％，飞灰含碳量分别为0.632％、0.525％、0.311％和0.231％。煤粉燃尽率随氧量增加而提高，飞灰含碳量则随氧量增加而降低。这表明，提高氧量可提高燃烧效率。当氧量由2.5增加到3.4时，煤粉燃尽率由99.45％提高到99.85％，提高了0.40％；飞灰含碳量由0.632％降低到0.311％，降低了0.321％。当氧量由3.0增加到3.4时，煤粉燃尽率由99.65％提高到99.85％，提高了0.220％；飞灰含碳量由0.525％降低到0.311％，降低了0.214％；当当氧量由3.4增加到4.0时，煤粉燃尽率由99.85％提高到99.90％，提高了0.05％；飞灰含碳量由0.311％降低到0.231％，降低了0.08％。这表明，当氧量由2.5或3.0增加到3.4时，燃烧效率改善明显；而当氧量由3.4增加到4.0时，燃烧效率改善相对较为平缓。这表明，锅炉最佳氧量在3.4和4.0之间。烟气氧量增加，锅炉排烟热损失增加，因此，最佳氧量约3.4％。

请参阅图5，为不同氧量时NOx排放量的对应关系示意图。

氧量为2.5、3.O、3.4和4.0时，NOx排放量分别为190、200、211和219mg／m3(6％02)。这表明，降低氧量会减少NOx排放量。这是因为NOx生成量与氧浓度密切相关；当氧浓度降低时，煤粉处于富燃料贫氧燃烧区域，生成NOx减少，同时生成的NOx又会被大量还原，因此NOx排放量降低。当氧浓度增加时，则相反。

请参阅图6，为不同氧量时下炉膛出口温度的对应关系示意图。

氧量为2.5、3.O、3.4和4时，下炉膛出口烟气温度分别为1375、1353、1344和1324K，随氧量增加而降低。这主要是因为，氧量增加，进入炉膛的冷空气量增加，吸收的热量增加，使炉膛烟气整体温度降低。设计煤种的灰熔融温度分别为DT=1480、ST和FT均大于1500°C。这表明，锅炉燃用设计煤种时，下炉膛出口烟气温度都小于软化温度，屏过热器挂渣的倾向小。

煤粉燃尽率随氧量增加而提高，飞灰含碳量则随氧量增加而降低，燃烧效率随氧量增加而提高，锅炉氧量在3.0到3.4之间较佳；NOx排放量随氧量增加而增加；下炉膛出口烟气温度随氧量增加而降低，有利于降低屏过热器挂渣的倾向；壁面最大热负荷位于上层燃烧器与燃尽风之间区域。

作为其中一个实施例，在所述建立煤粉燃烧所形成的气相湍流流动过程、气固两项流动过程、辐射传热过程和氮氧化物生成过程的数学模型的步骤之后，包括以下步骤：

根据建立的所述数学模型，对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取在各种氧量情况下炉膛平均温度、氧量、一氧化碳生成量和氮氧化物生成量与炉膛高度之间的对应关系。

获取炉膛平均温度、氧量、一氧化碳生成量和氮氧化物生成量与炉膛高度之间的对应关系有利于在锅炉运行过程中更可靠地进行控制。

请参阅图7，为不同氧量时沿炉膛高度的平均温度分布示意图。

随着炉膛高度增加，炉膛平均温度迅速升高，在上层燃烧器与燃尽风之间达到最高，接近1500°C。在燃烧器区域，平均温度稍有波动，是因为大量温度较低的二次风进入炉膛，使此区域炉膛平均温度降低。由于燃尽风量大，占二次风风量的32%以上，因此，燃尽风进入炉膛后，导致炉膛平均温度降低较多；但是，未燃尽煤粉在燃尽风进入炉膛以后会进一步燃烧放热，炉膛平均温度又会有所升高；随着炉膛高度进一步增加，水冷壁吸收大量的热，炉膛平均温度会逐渐降低。在燃烧器区域，当氧量由2.5增加到3.0、3.4，再增加至4.0时，炉膛平均温度也会增加，但增加很少。这是因为，氧量增加，煤粉燃烧更加充分，释放的热量更多，炉膛温度会更高一些。低氧量下，煤粉在燃烧器区域得不到充分燃烧，其燃烧过程被延迟到燃尽风以上区域；当大量燃尽风进入之后，未燃尽的煤渣剧烈燃烧，低氧量时在此区域放出的热量比高氧量时放出的热量多；同时，由于低氧量下总的风量少，吸收的热量少一些，因此，在燃尽风以上区域，炉膛平均温度是随氧量增加略有降低。这也是下炉膛出口烟气温度随氧量增加逐渐降低的原因。

请参阅图8，为不同氧量时沿炉膛高度的氧量分布示意图。

沿炉膛高度的平均氧量分布则正好与平均温度分布相反。随着炉膛高度增加，炉膛平均氧量逐渐降低，在燃烧器区域则迅速降低。在燃尽风下部，平均氧量最低。在燃烧器区域，平均氧量稍有波动，是因为大量二次风进入炉膛，使此区域炉膛平均氧量增加。随着炉膛高度进一步增加，未燃尽煤粉在燃尽风进入炉膛以后继续燃烧，消耗氧气，炉膛平均氧量会逐渐降低。在燃烧器区域及以上区域，氧量增加，沿炉膛高度的平均氧量稍高一些，但相差不大。

请参阅图9，为不同氧量时沿炉膛高度的CO生成量分布示意图。

随着炉膛高度增加，炉膛平均CO质量分数逐渐降低，在每层燃烧器区域则有所波动，在上层燃烧器与燃尽风之间达到最小值。在燃烧器区域，平均CO质量分数稍有波动，是因为大量煤粉进入炉膛后，由于燃烧器区域过量空气系数小于1.0，煤粉燃烧不完全产生大量的CO，导致其质量分数波动。当氧量由2.5增加到3.0、3.4，再增加至4.0时，燃烧器区域的平均CO质量分数逐渐降低。这是因为，氧量逐渐增加，煤粉燃烧不完全程度逐渐降低。当大量燃尽风进入炉膛以后，烟气中氧浓度增加，CO迅速与氧气反应生成CO2，平均CO质量分数迅速降低。随着炉膛高度进一步增加，由于氧的消耗，CO与氧气反应速率下降，平均CO质量分数逐渐降低。平均CO质量分数在炉膛出口高度仍然大于0，这表明锅炉炉膛出口存在一定量的化学不完全燃烧损失；氧量增加，化学不完全燃烧损失减少。

请参阅图10，为不同氧量时沿炉膛高度的NOx生成量分布示意图。

随着炉膛高度增加，炉膛平均NOx生成量逐渐升高，在燃烧器区域则迅速升高。在燃烧器区域，平均NOx生成量稍有波动，是因为大量煤粉进入炉膛后，煤粉燃烧会生成大量的NOx，同时也有大量的NOx被还原，导致其生成量波动。在上层燃烧器与燃尽风之间，由于在燃烧器区域生成的NOx逐步被还原，NOx逐渐降低。当大量燃尽风进入炉膛以后，未燃尽煤渣会继续燃烧，煤渣中的N则会继续反应生成NOx，导致NOx生成量会升高。比较不同氧量下的结果发现，氧量增加，沿炉膛高度的NOx生成量均有所升高。这是因为NOx生成量与氧浓度密切相关的原因。

S104根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。

可采用各种方法对锅炉的氧量进行控制，例如可采用计算机控制，也可人工进行控制。

作为其中一个实施例，在所述对所述锅炉的氧量进行调整的步骤之后，包括以下步骤：

在所述锅炉的运行过程中，当锅炉燃烧性能指标超过预设告警指标时，则发出告警信号。

当锅炉燃烧性能指标超过预设告警指标时，进行报警，可更大程度地确保锅炉控制的安全性。

与一般技术相比，本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法建立与煤粉燃烧所形成的各个理化过程相对应的数学模型，采用数值模拟的方法获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系，并根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。本发明在数值模拟过程中耗时短，计算成本低，实现过程中不需电厂现场的调控配合，并且模拟结果具有很好的可视性。本发明可提高煤粉锅炉改变燃煤种类后氧量控制的准确率和安全性，克服了采用人工控制所容易引起的炉内燃烧不稳定和燃烧效率低下的问题，同时大大降低了燃烧过程中产生的污染物。

请参阅图11，为本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统的结构示意图。

本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统，包括结构模型建立模块201、数学模型建立模块202、模拟模块203和调整模块204；

所述结构模型建立模块201，用于根据四角切圆煤粉锅炉的设计参数，按照直流燃烧器、冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域的结构，建立所述锅炉的网格化结构模型；

所述数学模型建立模块202，用于根据所述网格化结构模型，建立煤粉燃烧所形成的气相湍流流动过程、气固两项流动过程、辐射传热过程和氮氧化物生成过程的数学模型；

所述模拟模块203，用于根据建立的所述数学模型，对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系；

所述调整模块204，用于根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。

作为其中一个实施例，所述锅炉燃烧性能指标包括煤粉燃尽率、飞灰含碳量、氮氧化物排放量和下炉膛出口温度。

在模拟过程中，分析的燃烧性能指标越多，在对锅炉运行进行控制的准确率越高，安全性也越好，对后续的工程实践越有指导意义。

作为其中一个实施例，还包括告警模块；

所述告警模块，用于在所述锅炉的运行过程中，当锅炉燃烧性能指标超过预设告警指标时，发出告警信号。

当锅炉燃烧性能指标超过预设告警指标时，进行报警，可更大程度地确保锅炉控制的安全性。

与一般技术相比，本发明煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统建立与煤粉燃烧所形成的各个理化过程相对应的数学模型，采用数值模拟的方法获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系，并根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。本发明在数值模拟过程中耗时短，计算成本低，实现过程中不需电厂现场的调控配合，并且模拟结果具有很好的可视性。本发明可提高煤粉锅炉改变燃煤种类后氧量控制的准确率和安全性，克服了采用人工控制所容易引起的炉内燃烧不稳定和燃烧效率低下的问题，同时大大降低了燃烧过程中产生的污染物。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据四角切圆煤粉锅炉的设计参数，按照直流燃烧器、冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域的结构，建立所述锅炉的网格化结构模型；

根据所述网格化结构模型，建立煤粉燃烧所形成的气相湍流流动过程、气固两项流动过程、辐射传热过程和氮氧化物生成过程的数学模型；

根据建立的所述数学模型，对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系；

根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。

2.根据权利要求1所述的煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，其特征在于，在所述建立所述锅炉的网格化结构模型的步骤中，所述设计参数包括蒸发量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽流量、再热蒸汽进口压力、再热蒸汽出口压力、再热蒸汽进口温度、再热蒸汽出口温度、给水温度、排烟温度、热风温度、锅炉效率、计算燃料消耗量、实际燃料消耗量以及燃烧器设计参数。

3.根据权利要求2所述的煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，其特征在于，所述燃烧器设计参数包括一次风、二次风、三次风、一次风周界风、三次风周界风和炉膛漏风。

4.根据权利要求1所述的煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，其特征在于，所述锅炉改变后的燃煤种类为烟煤。

5.根据权利要求1所述的煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，其特征在于，所述锅炉燃烧性能指标包括煤粉燃尽率、飞灰含碳量、氮氧化物排放量和下炉膛出口温度。

6.根据权利要求1所述的煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，其特征在于，在所述对所述锅炉的氧量进行调整的步骤之后，包括以下步骤：

在所述锅炉的运行过程中，当锅炉燃烧性能指标超过预设告警指标时，发出告警信号。

7.根据权利要求1所述的煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整方法，其特征在于，在所述建立煤粉燃烧所形成的气相湍流流动过程、气固两项流动过程、辐射传热过程和氮氧化物生成过程的数学模型的步骤之后，包括以下步骤：

根据建立的所述数学模型，对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取在各种氧量情况下炉膛平均温度、氧量、一氧化碳生成量和氮氧化物生成量与炉膛高度之间的对应关系。

8.一种煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统，其特征在于，包括结构模型建立模块、数学模型建立模块、模拟模块和调整模块；

所述结构模型建立模块，用于根据四角切圆煤粉锅炉的设计参数，按照直流燃烧器、冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域的结构，建立所述锅炉的网格化结构模型；

所述数学模型建立模块，用于根据所述网格化结构模型，建立煤粉燃烧所形成的气相湍流流动过程、气固两项流动过程、辐射传热过程和氮氧化物生成过程的数学模型；

所述模拟模块，用于根据建立的所述数学模型，对所述锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，获取所述锅炉的各种氧量情况与锅炉燃烧性能指标之间的对应关系；

所述调整模块，用于根据获取的所述对应关系，对所述锅炉的氧量进行调整，使所述锅炉满足预设的燃烧性能指标。

9.根据权利要求8所述的煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统，其特征在于，所述锅炉燃烧性能指标包括煤粉燃尽率、飞灰含碳量、氮氧化物排放量和下炉膛出口温度。

10.根据权利要求8所述的煤粉锅炉改变燃煤种类后的氧量调整系统，其特征在于，还包括告警模块；

所述告警模块，用于在所述锅炉的运行过程中，当锅炉燃烧性能指标超过预设告警指标时，发出告警信号。

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