CN103244964A - 基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统及控制方法，包括数据采集装置、数据处理装置、运行方式选择模块、执行指令输出模块，数据处理装置封装有煤质处理模块、吹灰方式处理模块、辅助风配风方式处理模块、炉膛温度场数据处理模块、炉膛温度场调匀模块、锅炉辅机运行方式处理模块、锅炉磨煤机投运方式处理模块；执行指令输出模块包括氧量调整模块和炉膛温度调整模块。本发明的有益效果：它利用炉膛温度场可以迅速、直接的反应炉内燃烧状况，建立一个在可靠、准确测量炉膛温度场的情况下，综合考虑所有影响燃烧的可控因素构建成一个自动调节燃烧的系统，具有可以提高锅炉燃烧效率，使锅炉的安全、稳定、经济和可靠运行的优点。

Description

基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉属于燃烧检测与控制领域，尤其涉及一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统及控制方法。

背景技术

随着我国新火力发电厂大气污染物排放标准的实施，对各火力发电厂的氮氧化物的排放提出了更严格要求，因此新建火电机组的锅炉都采用了低氮燃烧技术，投产较早的机组也要将原锅炉燃烧器改造为低氮燃烧器以降低氮氧化物的排放水平。在我国目前采用的低氮燃烧器中，考虑到投资成本和技术的成熟度，大都采用了空气分级燃烧技术，就直流切圆燃烧的锅炉来说，即在主燃烧区域采用缺氧浓淡分离燃烧，在主燃烧器上部布置部分过燃风从而实现空气分级燃烧。就目前这种空气分级燃烧技术来说，由于将一部分空气分离出来放在燃烧器上面作为燃尽风，使煤粉颗粒的燃烧时间拉长，火焰中心上移，如锅炉在某一负荷下稳定运行并且煤质稳定的情况下，通过一定的燃烧调整手段可以保证锅炉运行在经济性较好，氮氧化物排放水平较低的水平，但是当机组为了满足响应电网的AGC指令，需要快速升减负荷时，或煤种发生变化时，由于空气分级燃烧技术而导致燃烧过程的拉长，就会出现的情况是：锅炉升负荷时，短时间过热器壁温和再热器会出现大面积的超温，减温水量不够的情况；而在降负荷时的情况相反，出现汽温偏低的现象。煤种的变优/变差与锅炉减负荷/增负荷的情况一样。

这种情况在改造机组中表现更为明显，如国电蓬莱电厂的#2锅炉，华电章丘电厂#4锅炉等，由于上述这种情况的出现导致某些机组的AGC不能投用而且锅炉的经济性能也比较差。因此这些状况影响的不仅仅是锅炉对负荷变化的适应性,还有为了满足锅炉氮氧化物排放标准而采用较低的氧量到质锅炉的飞灰和炉渣可燃物含量急剧升高，锅炉经济性降低，这儿就涉及到一个最佳运行状态的问题，在最佳运行状态下，锅炉保持最合适的氧量，最佳的配风方式等，在这种状态下，锅炉的氮氧化物排放合格同时锅炉的经济性较好。

我国近几年有些机组安装了锅炉炉膛烟温测量系统，其测量原理有的采用激光测量有的采用声波测量。就炉膛出口烟温的测量结果来看，其准确性在工业上是可以接受的。但这套测量系统所测量的结果仅供运行人员观察炉内烟温的变化，没有参与任何的自动调节，利用率极低。

而炉膛内的烟气温度场是反映锅炉燃烧状况的最直接、最快的一个变量，其反应速度远快于过热器壁温和减温水量，如果能利用炉内烟气温度场这个变量形成一个燃烧优化的控制系统，根据优化的炉膛烟气温度场，对燃烧器风门挡板，燃烧器摆角等变量进行调整，这样锅炉在升降负荷时就能平稳过渡，避免出现短时间过热器壁温和再热器会出现大面积的超温、减温水量不够以及汽温偏低的现象。经济性优化控制系统是通过对炉内烟气温度场调节均匀、对各风门挡板、运行氧量、配风方式等变量的调节使锅炉运行在最佳运行状态，提高锅炉热效率，同时兼顾降低锅炉的NOx的排放，做到同时保证锅炉运行在经济性和环保性均较好的状态。

通过检索发现存在相关性的文献包括：

王飞，马增益，卫成业等，“根据火焰图像测量煤粉炉截面温度场的研究”《中国电机工程学报》2000(7),20(7):41-43。在火焰处理技术的基础上运用代数重建技术进行数据处理并计算出截面温度场。此文献没有进一步涉及到如何调整和控制炉内燃烧来优化温度场，仅从算法上论述了计算温度场。

黄群星，马增益，严建华等，“300MWe电厂锅炉炉膛截面温度场中心的实时监测研究”，《中国电机工程学报》2003(3),23(3):156-160。在截面温度场的基础上提出了温度场中心的概念，用温度场中心来反映切圆燃烧锅炉的燃烧切圆的分布情况，为燃烧调整提供一个一个依据。这篇文献仅构建了燃烧切圆的位置状况，如果发生偏斜，并没提出如何解决处理。

张师师，周怀春，黄勇理等，“采用辐射能反馈信号的火电单元机组负荷控制系统仿真研究”《中国电机工程学报》，2001(2),21（2）85-88。（这篇文献的辐射能也是从火焰图像处理技术提取出辐射能信号）和常瑞丽，王飞，黄群星等，“电站煤粉锅炉火焰监测与燃烧诊断优化控制研究”《能源工程》，2006(4):10-13。这两篇文献是在火焰图像处理技术基础上，利用BP神经网络进行自学习和稳定性分析，得出一个前馈信号来调节并修正燃料量到主汽压力和从燃料量到机组实发电功率的纯延迟、大滞后的特性。这个控制系统存在两个较大缺陷，也是不能实际应用的主要原因，一个是火焰图像处理技术的不完善，由于受现场高温、多灰，锅炉结焦结渣等因素影响，从现场采集到的火焰图像往往失真较严重，而且在图像处理存在较大延迟，造成BP神经网络学习出现错误；另一个是该诊断控制系统仅仅对负荷控制系统进行了修正，对提高机组对负荷响应速度有利，并没有涉及到通过控制运行可控因素进行燃烧优化提高锅炉的经济性。

文献高夏雨，程学勇，藏海瑞等“基于炉膛出口烟气温度监测的锅炉优化运行”《煤气与动力》，2010(10)，30(11)：12-14中作者介绍采用红外线测温仪测试锅炉炉膛出口烟温(作者将炉膛出口定义为对流受热面入口即遮焰角上面，水平烟道入口)，利用测出的炉膛出口烟温重新进行热力计算，为锅炉优化运行提供依据，然后计算机软件计算出锅炉热效率，提供给运行人员最佳的运行方式，如主蒸汽运行方式、磨煤机运行方式等，运行人员将设备调整软件提供的最佳运行方式。这种方法的缺陷是红外测温技术误差较大，并且受锅炉集灰、结渣等因素影响，尤其是国内电厂燃用非设计煤种时偏差会更大，有时会直接瘫痪不能使用如日照电厂的测温仪现在基本处于退出状态；锅炉的优化运行也仅仅是提供给运行人员一种较好的运行方式，具体还要运行人员操作达到最佳运行状态，不能直接通过调节风门挡板等使锅炉达到最佳运行方式。

通过专利检索发现有相关性的专利如下：

中国专利201110107881.3“基于烟气能量平衡的炉膛出口烟温优化测量方法”，介绍了一种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平衡，从烟气侧正反两个方向对炉膛烟温进行了优化测量，仅介绍了一种炉膛出口烟温的测量方法，未涉及到燃烧优化的内容。

中国专利200910273514.3“炉膛辐射能信号检测方法及其用于控制锅炉燃烧的方法”，中国专利01133648.X“锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法”，这两个专利与前面所述的文献《电站煤粉锅炉火焰监测与燃烧诊断优化控制研究》相似，都是采用火焰图像处理技术获取辐射能信号然后用辐射能信号来进行燃烧控制，其中，中国专利200910273514.3是利用辐射能信号控制氧量，并用热量信号来控制过热器减温水量；中国专利01133648.X利用火焰图像探测器获取炉膛三维温度场分布，然后通过数据处理拟合出辐射能信号找出与机组电负荷的关系，火焰中心高度和断面中心与各层各角燃料量和风量分配比的关系进行燃烧优化调整。火焰图像处理技术和辐射能信号在现场使用的局限性前面已详细描述不再描述，中国专利200910273514.3中所涉及的燃烧优化仅利用氧量进行优化存在较大的局限性，因为燃烧调整变量还包括很多，如辅助风配风方式，磨煤机的运行方式等而且还应包括氮氧化物排放浓度等，并且辐射能信号是影响因素较多并且经常失真信号，而且其变化幅度和变化频率较高，用它来控制减温水量容易导致减温水调节阀调节过频而损坏；中国专利01133648.X除了辐射能的获取方法和现场使用的固有缺陷外，在燃烧优化调整变量方面包括不全面，没有包括运行氧量这个重要的变量(运行氧量对锅炉的经济性和氮氧化物的排放都有影响)，还没有包括燃烧器摆角，分级燃尽风的配比，炉膛吹灰状况以及燃烧器投运情况等，还有一点是对于配直吹式制粉系统的锅炉来说，各角的燃烧器的燃料量是不能调节的。

中国专利200710069862.X“基于红外辐射能信号的电站锅炉燃烧优化方法及装置”，这个专利所提出的方法与文献《基于炉膛出口烟气温度监测的锅炉优化运行》一致，这个专利主要强调了通过近红外辐射能传感器获取炉内辐射强度信息，并通过人工网络来得到辐射能偏差值这个方法，关于燃烧优化这方面仅仅是将辐射能偏差值介入电厂的DCS系统来控制锅炉燃料模块，改善锅炉给煤控制逻辑，提高锅炉相应机组负荷变换的速度，在一定程度上说并非真正意义上的燃烧优化。

中国专利200910184471.1“锅炉煤粉分层燃烧在线优化控制系统及其优化”，这个专利优化方法利用空预器出口和炉膛的烟气取样分析数据为基础，利用支持向量机理论为基础进行自动训练和寻优，这种方法首先是由于烟道较大，采用取样测点较少的话不能真实反映烟气成分，测点较多的话有造成系统太复杂，而且在训练和学习中需要用到飞灰含碳量，高温腐蚀状况等数据这些数据受人为和煤质变化影响较大，目前锅炉燃煤基本都偏离设计煤种，在系统训练和寻优过程往往不能完成，找不到最优目标。

中国专利201110205051.4“一种广义锅炉燃烧整体优化节能复合系统”，介绍了用在炉排锅炉上的一种优化复合控制系统，该专利主要强调了燃料改良剂的改良添加系统，专利说明书中仅简单的说了燃烧优化控制系统采用模糊控制和优化自寻优技术对风煤比进行调节，没有详细描述燃烧整体优化的方法，并且该专利主要适用于小型的炉排锅炉。

中国专利201220029007.2“一种锅炉炉膛燃烧优化装置”，介绍了在尾部烟道省煤器出口处增加了CO₂探头，然后进行左右两侧CO₂比较，如有偏差较大则通过认为调整二次风消除偏差，还有一点是将实测CO₂值与计算出的CO_2MAX比较，如果CO_2MAX比实测CO₂值小6%以上说明氧量测量值偏大，并且其权力要求上也仅要求是在烟道中增设CO₂监测变送器，因此该专利没有涉及真正意义上的燃烧优化。

根据以上分析可以发现，对于大型电站锅炉来说，目前以炉膛温度场为基础的锅炉燃烧控制系统或者单纯的燃烧优化控制系统存在较多缺陷，主要表现在：(1)、以辐射能或火焰图像处理技术为基础的温度场测量技术由于传感器的工作环境多灰、高温的环境使炉膛温度场测量系统工作不正常，经常停运或温度场数据失真；(2)、目前单纯的燃烧优化控制系统或基于炉膛温度场测量的燃烧优化控制系统都存在着燃烧控制因素不全面的问题，大部分现在的燃烧优化控制系统仅改善了某一个方面如改善锅炉对机组负荷的反应速度等。(3)、目前单纯的燃烧优化控制系统或基于炉膛温度场测量的燃烧优化控制系统还存在另一个缺点是控制系统的不能自动实现燃烧的优化还需要运行人员的参与。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统及控制方法，它利用炉膛温度场可以迅速、直接的反应炉内燃烧状况，建立一个在可靠、准确测量炉膛温度场的情况下，综合考虑所有影响燃烧的可控因素构建成一个自动调节燃烧的系统，它具有可以提高锅炉燃烧效率，使锅炉的安全、稳定、经济和可靠运行的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统，包括数据采集模块，所述数据采集模块将采集的数据传输给数据处理装置，所述数据处理装置将处理后的数据传输给运行方式选择模块，所述运行方式选择模块将选择的结果传输给执行指令输出模块；

数据采集模块用于收集电厂运行状态数据；

数据处理装置用于对收集到的运行状态数据进行分析和处理；

运行方式选择模块用于根据磨煤机和吹灰的的投运状态选则最佳运行方式；

执行指令输出模块用于根据最佳运行方式对现场执行机构发出指令，将锅炉调整至最佳运行状态；

所述数据处理装置封装有煤质处理模块、吹灰方式处理模块、辅助风配风方式处理模块、炉膛温度场数据处理模块、炉膛温度场调匀模块、锅炉辅机运行方式处理模块、锅炉磨煤机投运方式处理模块；

所述执行指令输出模块包括氧量调整模块和炉膛温度调整模块；

所述煤质处理模块用于对锅炉入炉煤质进行定量的数值化处理分析，以便根据煤质进行相应的运行方式调整；

所述吹灰方式处理模块用于锅炉吹灰状态进行数字化处理，方便控制、调整；

所述辅助风配风方式处理模块用于锅炉辅助风配风方式进行数字化处理，方便控制、调整；

所述炉膛温度场数据处理模块用于对温度场测量系统的数据进行预处理；

所述炉膛温度场调匀模块用于通过执行机构进行炉膛温度场的均匀性调整；

所述锅炉辅机运行方式模块用于对锅炉辅机的运行方式进行数字化处理和优化运行；

所述锅炉磨煤机投运方式模块用于对磨煤机的投运状态进行数字化处理，方便控制、调整；

所述氧量调整模块用于锅炉运行氧量的调整和优化；

所述炉膛温度调整模块用于锅炉炉膛温度的调整和优化。

上述一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统的控制方法，主要包括如下步骤：

步骤（1）：对锅炉进行全面性能测试和燃烧优化调整，找出锅炉的最佳运行工况，以及在最佳运行工况下各燃烧可控变量的变化范围，数据采集模块是对锅炉负荷、辅助风状况、分隔燃尽风状况、炉膛温度场状况、吹灰状况和磨煤机运行状况进行数据的采集；

步骤（2）：根据上述全面测试结果进行的数学处理，主要是建立锅炉热效率，氮氧化物排放浓度与各燃烧可控变量之间的关系，对数据采集模块输出的温度数值进行数据处理，使之成为能够参与燃烧控制的变量，数据处理模块的煤质处理模块、吹灰方式处理模块、辅助风配风方式处理模块、炉膛温度场数据处理模块、炉膛温度场调匀模块、锅炉辅机运行方式模块、锅炉磨煤机投运方式模块对数据采集装置的数据进行处理；

步骤（3）：运行方式选择模块选择相应的运行方式；

步骤（4）：氧量调整模块进行运行氧量与最佳氧量比较，当两者出现偏差时通过调节送风量使运行氧量接近或等于最佳氧量。炉膛温度调整模块进行实时炉膛平均温度与最佳炉膛平均温度比较，当两者出现偏差时，通过调节SOFA(Separated Over Fire Air分离燃尽风)摆角，各磨煤机的出力等使实时炉膛平均温度接近或等于最佳炉膛平均温度。

所述步骤（1）对锅炉进行的全面性能测试包括：锅炉辅助系统的调整和测试、在锅炉各负荷下的燃烧优化调整试验、锅炉经济负荷下的变煤种试验；

所述步骤（1）燃烧优化调整包括：在不同负荷下进行变氧量试验、辅助风配风方式改变试验、变磨煤机投运方式试验、变吹灰频次试验、变分隔燃尽风风量试验、变燃烧器摆角试验、磨煤机分离器转速试验；

所述步骤（2）温度数值处理包括：温度测量数值的坏值判断与处理，温度测量数值的区域化处理；

所述步骤（2）数学处理包括：根据入炉煤质分析结果，建立煤质因子的数学模型，根据全面的性能测试和锅炉燃烧调整试验建立最佳炉膛平均温度与锅炉负荷、煤质因子的数学关系式，建立最佳氧量与锅炉负荷、煤质因子的数学关系式，找出变化SOFA摆角、燃烧器摆角、各磨煤机出力分配与炉膛平均温度变化关系为氧量调整模块和炉膛温度调整准备。

本发明的基本工作原理：

在进行锅炉全面优化测试和声波测温系统测量的基础上，对声波测量数据进行处理后根据声波测量系统的温度测量数据进行炉膛温度场的均匀性调整，使整锅炉的整个燃烧截面温度场均匀减少了由于温度场不均匀而造成的氮氧化物生成量和焦炭的不完全燃烧；根据锅炉现场实际的全面测量结果，建立锅炉各运行可控因素与锅炉经济性、氮氧化物排放特性及炉膛温度的数学模型，然后利用数学模型控制系统实现锅炉燃烧优化的自动调节。

本发明的技术关键点：

1）、为了真实反映锅炉的实际情况，而且要考虑不同煤种和不同吹灰状态下，不同负荷下的锅炉运行状态下对锅炉进行全面的调整优化，因此此项工作相当繁杂，用时长，可根据现场的具体情况提前进行或利用部分以前的试验测试数据。

2）、数学模型的建立不仅要根据实际测试数据进行数值拟合，还要考虑电厂运行人员的操作习惯和锅炉运行安全性、稳定性。

本发明的有益效果是：

1由于该燃烧优化控制系统是在对锅炉进行全面进行调整和优化的基础上并利用声波测温系统上开发的，并充分考虑电厂的实际燃煤状况，辅助系统的运行方式，运行人员的操作习惯，能够很好地贴近实际，可以说对某台锅炉量身定做的，可以保证锅炉稳定运行在经济性和氮氧化物排放特性较好的状态。

2目前较多燃烧优化系统的非正常退出都是由于燃煤的变化或辅机运行状态发生变化造成的，而本系统充分考虑的电厂的实际燃煤状况和辅机的运行状态，避免了由于这两项原因造成燃烧优化系统的非正常退出，具有较高的可靠性。

3本系统不需要运行人员参与操作，实现了完全地智能化，完全避免了运行人员某些不合理的操作习惯对锅炉燃烧的负面影响。

附图说明

图1为本发明的系统模块示意图；

图2为本发明的工作流程示意图；

图3为TMS-2000声波测温系统温度信号示意图；

其中，1、煤质处理模块，2、吹灰方式处理模块，3、辅助风配风方式处理模块，4、炉膛温度场数据处理模块，5、炉膛温度场调匀模块，6、锅炉辅机运行方式处理模块，7、锅炉磨煤机投运方式处理模块，8、氧量调整模块，9、炉膛温度调整模块，10、数据采集装置，11、运行方式选择模块，12、数据处理装置，13、执行指令输出模块。

具体实施方式

下面结合华能某电厂#5锅炉的实际实施例与说明书附图对本发明的技术方案作进一步的阐述。

如图1所示，一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统，包括数据采集模块，所述数据采集模块将采集的数据传输给数据处理装置12，所述数据处理装置12将处理后的数据传输给运行方式选择模块11，所述运行方式选择模块11将选择的结果传输给执行指令输出模块13；

数据采集模块用于收集电厂运行状态数据；数据处理装置12用于对收集到的运行状态数据进行分析和处理；运行方式选择模块11用于根据磨煤机和吹灰的的投运状态选则最佳运行方式；执行指令输出模块13用于根据最佳运行方式对现场执行机构发出指令，将锅炉调整至最佳运行状态；所述数据处理装置12封装有煤质处理模块1、吹灰方式处理模块2、辅助风配风方式处理模块3、炉膛温度场数据处理模块4、炉膛温度场调匀模块5、锅炉辅机运行方式处理模块6、锅炉磨煤机投运方式处理模块7。

所述执行机构包括氧量调整模块8和炉膛温度调整模块9；所述煤质处理模块1用于对锅炉入炉煤质进行定量的数值化处理分析，以便根据煤质进行相应的运行方式调整；所述吹灰方式处理模块2用于锅炉吹灰状态进行数字化处理，方便控制、调整；所述辅助风配风方式处理模块3用于锅炉辅助风配风方式进行数字化处理，方便控制、调整；所述炉膛温度场数据处理模块4用于对温度场测量系统的数据进行预处理；所述炉膛温度场调匀模块5用于通过执行机构进行炉膛温度场的均匀性调整；所述锅炉辅机运行方式模块用于对锅炉辅机的运行方式进行数字化处理和优化运行；所述锅炉磨煤机投运方式模块用于对磨煤机的投运状态进行数字化处理，方便控制、调整；所述氧量调整模块8用于锅炉运行氧量的调整和优化；所述炉膛温度调整模块9用于锅炉炉膛温度的调整和优化。

如图2所示，上述一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统的控制方法，主要包括如下步骤：

步骤（1）：对锅炉进行全面性能测试和燃烧优化调整，找出锅炉的最佳运行工况，以及在最佳运行工况下各燃烧可控变量的变化范围，数据采集模块是对锅炉负荷、辅助风状况、分隔燃尽风状况、炉膛温度场状况、吹灰状况和磨煤机运行状况进行数据的采集；

步骤（2）：根据上述全面测试结果进行的数学处理，主要是建立锅炉热效率，氮氧化物排放浓度与各燃烧可控变量之间的关系，对数据采集模块输出的温度数值进行数据处理，使之成为能够参与燃烧控制的变量，数据处理模块的煤质处理模块、吹灰方式处理模块、辅助风配风方式处理模块、炉膛温度场数据处理模块、炉膛温度场调匀模块、锅炉辅机运行方式模块、锅炉磨煤机投运方式模块对数据采集装置的数据进行处理；

步骤（3）：运行方式选择模块选择相应的运行方式；

步骤（4）：氧量调整模块进行运行氧量与最佳氧量比较，当两者出现偏差时通过调节送风量使运行氧量接近或等于最佳氧量。炉膛温度调整模块进行实时炉膛平均温度与最佳炉膛平均温度比较，当两者出现偏差时，通过调节SOFA(Separated Over Fire Air分离燃尽风)摆角，各磨煤机的出力等使实时炉膛平均温度接近或等于最佳炉膛平均温度。

华能某电厂#5锅炉由上海锅炉厂有限公司生产，型号为SG-1025/17.47-M880亚临界参数汽包炉，控制循环，单炉膛，一次中间再热，露天布置，固态排渣。锅炉以最大连续负荷(B-MCR)工况为设计参数，最大连续蒸发量1025t/h。锅炉采用5台中速磨煤机直吹式送粉系统，五层一次风喷嘴布置，其中四层运行带B-MCR，并布置三层点火油枪，最下一层设有等离子点火系统。采用四角切向布置的全摆动直流燃烧器，燃烧器应能长期运行，摆动装置灵活可靠。在热态运行中，一、二次风喷口均可上下摆动，最大摆角约±30°，以满足再热汽温调节要求。

#5锅炉上安装了声波测温系统TMS-2000，该测温系统输出20路温度信号见图1，为了验证声波测温的准确性，采用了抽气式热电偶进行校验，由于抽气式热电偶的长度有限，只能对TMS₀₁，TMS₀₂，TMS₀₃，TMS₀₄，TMS₀₅，TMS₀₆，TMS₁₀，TMS₁₁，TMS₁₅，TMS₁₆，TMS₁₇，TMS₁₈，TMS₁₉，TMS₂₀进行测量和比较，经过多个工况和多次测量比较，在这14个点中最大偏差为8%，最小偏差为1%，而且数据的可重复性较强，因此可以认为这种测温系统的准确性、稳定性较好，可以用来进行锅炉燃烧的控制和优化。

第一步是对锅炉进行全面性能测试和燃烧优化调整。就#5锅炉来说包括：

(1)、辅助系统的调整。包括进行一次风的调平(通过对各台磨煤机出口一次风管风速进行测量，如果磨煤机风速偏差较大。通过可调缩孔进行调整。使得一次风管风速小于±5%。)；磨煤机入口一次风量标定(每台磨煤机入口均装有一次风的测风装置，在习惯运行风量下，用经过标定的靠背管测量通过磨煤机的一次风量，对比表盘风量和实测风量是否相符，如果差别较大可通过试验得出的各个磨煤机标定系数对表盘风量进行整定，使磨煤机风量指示准确，为运行操作提供可靠的依据)；磨煤机加载力试验(调整磨煤机出力为最大出力的80%左右，进行磨煤机变磨辊加载力试验，以确定磨辊最佳加载油压)；煤粉分离器特性试验(调整磨煤机出力为最大出力的80%左右，磨煤机风量按照风煤比曲线设置，在不同的分离器转速下，在磨煤机出口的4根一次风管上用煤粉等速取样装置安装等截面、等时的原则采集煤粉样，分析煤粉细度R₉₀与R₂₀₀)（备注：R₉₀与R₂₀₀都是煤粉细度的表示方法，R₉₀表示煤粉通过孔径为90μm筛子的百分比，R₂₀₀表示煤粉通过孔径为200μm筛子的百分比）；送引风机的特性试验(在三个负荷点下进行送引风机的出力特性测试，找出风机在不同工作点下效率，找出送引风系统的阻力特性)。这一步的调整主要是为了下一步进行锅炉全面调整打基础。

(2)、对锅炉进行全面的燃烧优化。

主要包括以下试验项目：

①对锅炉入炉煤质和入厂煤质进行全面的收集和分析，根据煤质的变化范围定出试验煤质的变化范围和试验煤种。

②磨煤机分离器特性试验。

③确定锅炉的最低稳燃负荷和锅炉最大连续负荷。

④炉膛温度场调整均匀的试验。

⑤从最低稳燃负荷至最大连续负荷进行变氧量试验，测算每个氧量下锅炉效率，氮氧化物排放浓度和炉膛温度平均值。

⑥变磨煤机运行方式试验。分为四台磨煤机运行和五台磨煤机运行等。

⑦在不同吹灰频次下的优化调整试验。

⑧不同配风方式下的优化调整试验。

⑨分隔燃尽风挡板开度与锅炉效率/氮氧化物排放浓度/炉膛温度平均值的关系。

⑩分隔燃尽风摆角与锅炉效率/氮氧化物排放浓度/炉膛温度平均值的关系。

主燃烧器摆角与锅炉效率/氮氧化物排放浓度/炉膛温度平均值的关系。

(3)、为了使优化程序更为简洁和升级方便，将采用功能块的方式进行处理，使优化系统差错和维护方便。

1煤质处理

(1)、根据最近两年内的入炉煤质状况计算煤质综合分析指标β，再综合对未来煤质变化定出煤质β_max，β_average，β_min。

其中β的定义为 $\mathrm{\β}=\frac{F_z^{\′\′}}{F_z^{\′}}\·\sqrt{\frac{{A_{\mathrm{ad}}}^{\′}}{{A_{\mathrm{ad}}}^{\′\′}}}\·\sqrt{\frac{{Q_{\mathrm{net}.\mathrm{ad}}}^{\′\′}}{{Q_{\mathrm{net}.\mathrm{ad}}}^{\′}}},$

式中：β_max--煤质综合分析指标的最大值；

β_average--煤质综合分析指标的平均值；

β_min--煤质综合分析指标的最小值；

F_z"和F_z'--设计和实际煤种的煤质燃烧特性指数；

F_z"＝(V_ad"+M_ad")²×C_ad"×10^-6，F_z'＝(V_ad'+M_ad')²×C_ad'×10^-6；

V_ad"和V_ad'--设计和实际煤种的空干基挥发份，%；

C_ad"和C_ad'--设计和实际煤种的空干基固定碳，%；

A_ad"和A_ad'--设计和实际煤种的空干基灰份，%；

Q_net.ad"和Q_net.ad'--设计和实际煤种的空干基发热量，kJ/kg；

M_ad"和M_ad'--设计和实际煤种的空干基水份，%。

(2)、根据热力计算书拟合出函数

(3)、给煤量计算煤质因子α，煤质因子函数为

式中：

--设计煤种下给煤量，t/h；

--实际煤种下给煤量，t/h；

D--锅炉蒸发量，t/h；

根据

的数值选择β，就#5锅炉来说，

时，煤质选着β_max，

时选择β_average，

时选择β_min。

2吹灰方式处理

吹灰运行方式为两种分别为modeb-1为距离最近一次吹灰时间小于8小时，modeb-2为距离最近一次吹灰时间大于8小时。

3辅助风配风方式处理

锅炉燃烧器辅助风配风方式三种方式分别为modew-1为宝塔型配风，modew-2为均等配风，modew-3为倒宝塔型配风。不同的煤质和负荷，锅炉的最佳配风方式也不同，就#5锅炉来说，

D≥75%BMCR andα>0.8配风方式选择modew-1；

D≥75%BMCR andα<0.8配风方式选择modew-3；

D<75%BMCR配风方式选择modew-2。

式中：D--锅炉蒸发量，t/h；α--煤质因子。

4炉膛温度场数据处理

(1)、定义中心区域包括：TMS₀₇、TMS₀₈、TMS₀₉、TMS₁₂、TMS₁₃、TMS₁₄，

炉膛温度平均值定义为Taverage，

Taverage＝average(TMS₀₇,TMS₀₈,TMS₀₉,TMS₁₂,TMS₁₃,TMS₁₄)；

如果:|T_i-T_average|＞100此处i＝(07,08,09,12,13,14)

则求炉膛平均温度时将T_i舍去，再进行中心区域的平均值计算。

(2)、炉墙区域定义：前墙包括TMS₀₁、TMS₀₂、TMS₀₃、TMS₀₄、TMS₀₅，

左墙包括TMS₀₁、TMS₀₆、TMS₁₁、TMS₁₆，

后墙包括TMS₁₆、TMS17、TMS₁₈、TMS₁₉、TMS₂₀，

右墙包括TMS₀₅、TMS₁₀、TMS₁₅、TMS₂₀。

对前墙区域平均值，在前墙的温度数据中小于平均值100℃的数据去掉；

对左墙区域平均值，在左墙的温度数据中小于平均值100℃的数据去掉；

对后墙区域平均值，在后墙的温度数据中小于平均值100℃的数据去掉；

对右墙区域平均值，在右墙的温度数据中小于平均值100℃的数据去掉；

(3)、角区域定义：#1角包括TMS₀₁，TMS₀₂，TMS₀₆，TMS₀₇；

#2角包括TMS₁₁，TMS₁₂，TMS₁₆，TMS₁₇；

#3角包括TMS₂₀，TMS₁₉，TMS₁₅，TMS₁₄；

#4角包括TMS₀₅，TMS₀₄，TMS₁₀，TMS₀₉。

在进行四面墙区域的数据处理后，然后求各角的温度平均值，其中#1角的平均温度为T_#1average，#2角的平均温度为T_#2average，#3角的平均温度为T_#3average，#4角的平均温度为T_#4average。

(4)、该模块最后输出炉膛平均温度--Taverage和各角的温度平均值T_#1average，T_#2average，T_#3average，T_#4average。

5炉膛温度场调匀

(1)、求出Tmax＝(T_#1averag,T_#2averag,T_#3averag,T_#4averag)，

Tmin＝(T_#1averag,T_#2averag,T_#3averag,T_#4averag)

式中，Tmax--锅炉四个角中的温度最大值，Tmin---锅炉四个角中的温度最小值。

(2)、如果Tmax-Tmin＜70℃，则不会对风门挡板发出调节指令。

(3)、如果Tmax-Tmin≥70℃，则对风门挡板发出调节指令，具体调节方式如下(为了叙述方便以#1为最大值，#3角为最小值进行描述)：

①、开大#1角SOFA挡板直到全开同时关小#3角SOFA挡板，挡板变化步长3%，同时关注NOx的排放浓度，当NOx的排放浓度大于300mg/m³时，则停止关小#3角SOFA挡板。

②、SOFA调整完毕后，Tmax-Tmin≥70℃进行OFA1(Over fire Air1燃尽风第一层)和OFA2(Over fire Air2燃尽风第二层)的调整，开大#1角OFA1和OFA2挡板直到全开同时关小#3角OFA1/2挡板，挡板变化步长3%。

③、OFA1和OFA2调整完毕后，Tmax-Tmin≥70℃进行EE/DE/CD层辅助风的调整，开大#1角EE/DE/CD(代表第EE层，DE层和CD层辅助风)挡板直到全开同时关小#3角EE/DE/CD挡板，挡板变化步长3%，在关小辅助风挡板时，当挡板开度关至15%时，则停止关闭。

④、EE/DE/CD调整完毕后，Tmax-Tmin≥70℃进行BC/AB(代表第BC层和AB层辅助风)层辅助风的调整，开大#1角BC/AB挡板直到全开同时关小#3角BC/AB挡板，挡板变化步长3%，在关小辅助风挡板时，当挡板开度关至15%时，则停止关闭。

根据在现场的实际测试，进行完①和②后炉膛温度场即可调节均匀。

(4)、当以上调整结束后，炉膛温度场仍然Tmax-Tmin≥70℃，则给出“炉膛温度场不均”的报警，要求相关人员对测温系统进行检查等工作。

在进行温度场调匀后，由于整个截面的温度场比较均匀，减少了高温区域的过度燃烧和低温区域的焦炭燃烧不尽的问题，减少了飞灰含碳量提高了锅炉热效率；同时由于温度场的均匀减少了锅炉内局部高温，减少了热力氮氧化物的产生，对减少锅炉的氮氧化物排放较为有利。

6锅炉辅机运行方式处理

(1)、将磨煤机加载力与煤量的关系自动跟踪函数P＝f(w',α)，

式中：P--磨煤机磨棍加载力，w'--给煤量，α--煤质因子。

该函数关系是根据锅炉辅机优化试验结果，优化出给煤机给煤量与磨煤机磨棍加载力的关系，使得在磨煤机收到煤量变化的指令时，自动调节磨煤机的加载力。这里需要说明的是，磨煤机厂家会提供一个加载力与煤量的函数关系，但是这个函数关系是在设计煤种下得出的理想函数关系式，通过优化试验得出的函数关系式是考虑煤种变化的因素优化后函数关系式。

(2)、锅炉蒸发量大于90%BMCR(Boiler Maximum Continuous Rate锅炉最大连续出力)时，引风机A/B由变频运行方式自动切换为工频运行方式，在锅炉蒸发量大于95%BMCR时，保持引风机出口烟气压力恒定，调整脱硫增压风机来维持引风机出口烟气压力，具体逻辑操作可在脱硫增压风机控制回路中增加引风机出口烟气压力，当引风机出口烟气压升高时，则增加脱硫增压风机出力；当引风机出口烟气压力降低时，则不进行脱硫增压风机的调节还是通过引风机的调节。

(3)、将磨煤机最佳分离器转速自动跟踪函数R_optimum＝f(α)，

式中：R_optimum--磨煤机最佳分离器转速，α--煤质因子

7锅炉磨煤机投运方式处理

(1)、#5锅炉在热负荷大于80%BMCR时，运行5套制粉系统；在50%BMCR-100%BMCR时运行四套制粉系统，小于50%BMCR时锅炉要投运等离子进行稳燃，这是主要任务是锅炉的稳燃，燃烧优化处于次要地位。

(2)、对于5套制粉系统磨煤机的运行方式定义为三种：mode5-1,mode5-2和mode5-3。其中mode5-1为下两层磨出力大，上两层磨出力小，mode5-2为五台磨平均出力，mode5-3为上两层出力大，下两层出力小。

(3)、四套制粉系统运行时，也定义为三种运行方式mode4-1，mode4-2和mode4-3，其中mode4-1为下四磨运行，mode4-2为上四磨运行，mode4-3为有断层的四磨运行。

8运行方式选择

这个模块主要是为了处理在不同制粉系统投运方式和吹灰方式组合下，再根据锅炉燃烧调整试验数据得出锅炉最佳运行氧量O₂/最佳炉膛温度T与锅炉负荷/煤质的关系函数。华能某电厂#5锅炉的具体运行方式选择可见下表。

表1 华能某电厂#5锅炉的具体运行方式选择

序号	制粉系统运行方式	吹灰运行方式	最佳炉膛平均温度和最佳氧量函数
				1	modem5-1	modeb-1	T=f(D,α),O2=f(D,α)
2	modem5-1	modeb-2	T=f(D,α),O2=f(D,α)
				3	modem5-2	modeb-1	T=f(D,α),O2=f(D,α)
4	modem5-2	modeb-2	T=f(D,α),O2=f(D,α)
				5	modem5-3	modeb-1	T=f(D,α),O2=f(D,α)
6	modem5-3	modeb-2	T=f(D,α),O2=f(D,α)
				7	modem4-1	modeb-1	T=f(D,α),O2=f(D,α)
8	modem4-1	modeb-2	T=f(D,α),O2=f(D,α)
				9	modem4-2	modeb-1	T=f(D,α),O2=f(D,α)
10	modem4-2	modeb-2	T=f(D,α),O2=f(D,α)

序号	制粉系统运行方式	吹灰运行方式	最佳炉膛平均温度和最佳氧量函数
				11	modem4-3	modeb-1	T=f(D,α),O2=f(D,α)
12	modem4-3	modeb-2	T=f(D,α),O2=f(D,α)

关于上表的举例说明，例如第三行表示，在制粉系统运行方式为modem5-2和吹灰运行时为modeb-1时，锅炉最佳炉膛平均温度函数为T=f(D,α)，最佳氧量函数为O₂=f(D,α)。式中：T—最佳炉膛平均温度，℃，D—锅炉负荷，t/h，O₂—最佳氧量，%。

9氧量调整

(1)、将不同磨煤机运行方式和吹灰方式下计算出的最佳运行氧量O₂与当锅炉实时运行氧量O_2real进行比较，并求出偏差值。

(2)、如果∣O₂-O_2real∣>0.5%(表示最佳运行氧量与实时运行氧量之差的绝对值)，为了减少优化程序对机组的DCS(Distributed Control System分布式控制系统)控制的影响，优化程序中的氧量控制将采用偏置调节，如果∣O₂-O_2real∣>0.5%将O₂-O_2real作为偏置来改变运行氧量，在改变氧量的过程中，要随时检测NOx(代表氮氧化物)的排放浓度，当NOx排放浓度大于300mg/m³时，则开大SOFA挡板，直到SOFA挡板全开，然后减少同比例全部辅助风的开度，直到NOx排放浓度小于280mg/m³。

备注：如果模块中对SOFA挡板的调节与炉膛温度场数据处理模块4中对SOFA挡板的调节有冲突，则此模块优先。

10炉膛温度调整

(1)、将不同磨煤机运行方式和吹灰方式下计算出的炉膛温度最佳平均温度T与实时炉膛温度平均值T_real进行比较，并求出偏差值。

(2)、如果T-T_real>15℃，首先将SOFA上摆，直至将SOFA完全摆到位，然后再进行主燃烧器的上摆，直至将主燃烧器完全摆到位，然后减少上三层辅助风开度同等比例的增加下三层辅助风开度，然后在增加上两层磨煤机出力同时同等比例的减少下两层磨煤机的出力。根据经验当前两项措施完成后，炉膛平均温度能够达到最优温度，当全部四项措施完成后，还是存在T-T_real〉15℃，则程序给出信息“优化程序故障”，并自动退出优化程序。

(3)、如果T-T_real<15℃，首先将SOFA下摆，直至将SOFA完全摆到位，然后再进行主燃烧器的下摆，直至将主燃烧器完全摆到位，然后增加上三层辅助风开度同等比例的减少下三层辅助风开度，然后在减少上两层磨煤机出力同时同等比例的增加下两层磨煤机的出力。根据经验当前两项措施完成后，炉膛平均温度能够达到最优温度，当全部四项措施完成后，还是存在T-T_real<15℃，则程序给出信息“进行炉膛吹灰”，同时优化程序自动退出开始炉膛吹灰。

(4)、燃烧优化闭环控制

结合图3进行详细说明:图中TMS_i为温度场测量系统输出的温度值，下标i的范围为01-20.

步骤1主要是读取锅炉目前的运行状态，主要包括：锅炉负荷，燃烧器辅助风配风状况，SOFA开度状况，炉膛温度场状况，吹灰器，磨煤机运行状况；

步骤2对收集到的锅炉运行状况进行7个模块化处理，主要包括：煤质处理模块1的煤质处理，吹灰方式处理模块2的吹灰频次处理，辅助风配风方式处理模块3的燃烧器辅助风配风方式处理，炉膛温度场数据处理模块4和炉膛温度场调匀模块5为炉膛温度场数据处理和温度场调匀处理，锅炉辅机运行方式处理模块6的锅炉辅机运行方式处理，锅炉磨煤机投运方式处理模块7的磨煤机投运方式处理，这7个处理模块输出响应运行方式，参数信息；

步骤3根据步骤2处理的结果进行方式选择，找出相应运行方式下的最佳运行氧量和最佳炉膛温度平均值；

步骤4根据步骤3处理出的最佳运行氧量O₂和最佳炉膛温度平均值T进行氧量调整模块8和炉膛温度调整模块9的运算并对燃烧器摆角，氧量等参数发出调节指令使锅炉达到一种新的运行状态。

在新的运行状态下锅炉重新进行步骤1-4从而使锅炉达到最佳运行状态。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统，其特征是，包括数据采集模块，所述数据采集模块将采集的数据传输给数据处理装置，所述数据处理装置将处理后的数据传输给运行方式选择模块，所述运行方式选择模块将选择的结果传输给执行指令输出模块；

数据采集模块用于收集电厂运行状态数据；

数据处理装置用于对收集到的运行状态数据进行分析和处理；

运行方式选择模块用于根据磨煤机和吹灰的的投运状态选则最佳运行方式；

执行指令输出模块用于根据最佳运行方式对现场执行机构发出指令，将锅炉调整至最佳运行状态；

所述数据处理装置封装有煤质处理模块、吹灰方式处理模块、辅助风配风方式处理模块、炉膛温度场数据处理模块、炉膛温度场调匀模块、锅炉辅机运行方式处理模块、锅炉磨煤机投运方式处理模块；

所述执行指令输出模块包括氧量调整模块和炉膛温度调整模块。

2.如权利要求1所述的一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统，其特征是，所述煤质处理模块用于对锅炉入炉煤质进行定量的数值化处理分析，以便根据煤质进行相应的运行方式调整；

所述吹灰方式处理模块用于锅炉吹灰状态进行数字化处理，方便控制、调整；

所述辅助风配风方式处理模块用于锅炉辅助风配风方式进行数字化处理，方便控制、调整；

所述炉膛温度场数据处理模块用于对温度场测量系统的数据进行预处理；

所述炉膛温度场调匀模块用于通过执行机构进行炉膛温度场的均匀性调整；

所述锅炉辅机运行方式模块用于对锅炉辅机的运行方式进行数字化处理和优化运行；

所述锅炉磨煤机投运方式模块用于对磨煤机的投运状态进行数字化处理，方便控制、调整；

所述氧量调整模块用于锅炉运行氧量的调整和优化；

所述炉膛温度调整模块用于锅炉炉膛温度的调整和优化。

3.如上述任一权利要求所述一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统的控制方法，其特征是，主要包括如下步骤：

步骤（1）：对锅炉进行全面性能测试和燃烧优化调整，找出锅炉的最佳运行工况，以及在最佳运行工况下各燃烧可控变量的变化范围，数据采集模块是对锅炉负荷、辅助风状况、分隔燃尽风状况、炉膛温度场状况、吹灰状况和磨煤机运行状况进行数据的采集；

步骤（2）：根据上述全面测试结果进行的数学处理，主要是建立锅炉热效率，氮氧化物排放浓度与各燃烧可控变量之间的关系，对数据采集模块输出的温度数值进行数据处理，使之成为能够参与燃烧控制的变量，数据处理模块的煤质处理模块、吹灰方式处理模块、辅助风配风方式处理模块、炉膛温度场数据处理模块、炉膛温度场调匀模块、锅炉辅机运行方式模块、锅炉磨煤机投运方式模块对数据采集装置的数据进行处理；

步骤（3）:运行方式选择模块选择相应的运行方式；

步骤（4）：氧量调整模块是运行氧量与最佳氧量比较，当两者出现偏差时通过调节送风量使运行氧量接近或等于最佳氧量；炉膛温度调整模块是实时炉膛平均温度与最佳炉膛平均温度比较，当两者出现偏差时，通过调节SOFA摆角，各磨煤机的出力使实时炉膛平均温度接近或等于最佳炉膛平均温度。

4.如权利要求3所述一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统的控制方法，其特征是，

所述步骤（1）对锅炉进行的全面性能测试包括：锅炉辅助系统的调整和测试、在锅炉各负荷下的燃烧优化调整试验、锅炉经济负荷下的变煤种试验。

5.如权利要求3所述一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统的控制方法，其特征是，

所述步骤（1）燃烧优化调整包括：在不同负荷下进行变氧量试验、辅助风配风方式改变试验、变磨煤机投运方式试验、变吹灰频次试验、变分隔燃尽风风量试验、变燃烧器摆角试验、磨煤机分离器转速试验。

6.如权利要求3所述一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统的控制方法，其特征是，

所述步骤（2）温度数值处理包括：温度测量数值的坏值判断与处理，温度测量数值的区域化处理。

7.如权利要求3所述一种基于声波测量炉膛温度场的燃烧优化控制系统的控制方法，其特征是，

所述步骤（2）数学处理包括：根据入炉煤质分析结果，建立煤质因子的数学模型，根据全面的性能测试和锅炉燃烧调整试验建立最佳炉膛平均温度与锅炉负荷、煤质因子的数学关系式，建立最佳氧量与锅炉负荷、煤质因子的数学关系式，找出变化SOFA摆角、燃烧器摆角、各磨煤机出力分配与炉膛平均温度变化关系为氧量调整模块和炉膛温度调整准备。

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