CN103742902A - 一种循环流化床锅炉的热量信号监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环流化床锅炉的热量信号监控系统及监控方法，所述系统包括：给煤量检测装置，用于检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；风量检测装置，用于检测供应至所述锅炉的总风量；煤炭热值测量装置，用于测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及数据处理装置，用于利用根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值通过热量信号算法来，计算所述锅炉的热量值，以对循环流化床锅炉的热量信号进行实时准确地测量。

Description

一种循环流化床锅炉的热量信号监控系统及监控方法

技术领域

本发明涉及一种热量信号监控系统及监控方法，具体地，涉及一种循环流化床锅炉的热量信号监控系统及监控方法。

背景技术

近几年，超临界循环流化床（CFB）锅炉发展迅速，但是专门对于超临界CFB锅炉热量值的监控方案却很少。目前关于锅炉热量值的研究主要有四种：第一种为美国L&N公司提出的直接能量平衡(DEB)协调控制方案，由汽轮机一级压力加汽包压力微分构造热量信号；第二种为利用CCD摄像机摄取炉膛火焰图像，经过处理后得到炉膛辐射强度信号，将此信号作为中间变量来构成串级控制系统，然后将炉膛辐射能信号和直接能量平衡热量信号利用信息融合结合起来构造热量信号；第三种方法是利用炉膛排烟氧量及锅炉总风量来构造热量信号，然后通过计算得到热量信号；第四种方法是从汽水系统吸热过程中提取热量信号的方法，认为水冷壁的吸热量与煤燃烧后的发热量之间存在近似线性的关系，由此可以推导出利用水冷壁的吸热量计算热量信号的方法，而该方法对负荷的范围有所限制。

基于以上研究的CFB锅炉热量值监控系统也应运而生。但是，这些监控系统或者是沿用普通煤粉锅炉的热量构造方法，或者是经验总结，但是均无法实现热量信号实时准确的测量。循环流化床(CFB)锅炉与煤粉锅炉相比，最大的不同在于燃烧机制的不同。煤粉炉的燃烧释放热量来自于瞬间进入炉膛的给煤量，一旦给煤供应停止，燃烧便很快终止；而循环流化床锅炉的燃烧发热量主要来自于锅炉中大量未燃尽的即燃碳（即当前大量存储在炉膛中即将燃烧的碳），而不是瞬间加入的给煤量。大量存储在炉膛中碳的燃烧发热量为当前锅炉主导发热量，这种即燃碳质量动态蓄积的机制代表了循环流化床燃烧的本质机制，贯穿于循环流化床运行过程的始终。而目前，还没有适用于超临界循环流化床锅炉这种大惯性、大延迟系统的热量信号监控系统和监控方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种循环流化床锅炉的热量信号监控系统及监控方法，以对循环流化床锅炉的热量信号进行实时准确地测量。

为了实现上述目的，本发明提供一种循环流化床锅炉的热量信号监控系统，所述系统包括：给煤量检测装置，用于检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；风量检测装置，用于检测供应至所述锅炉的总风量；煤炭热值测量装置，用于测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及数据处理装置，用于根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值，计算所述锅炉的热量值。

本发明还提供一种循环流化床锅炉的热量信号监控方法，所述方法包括：检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；检测供应至所述锅炉的总风量；测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值，计算所述锅炉的热量值。

本发明通过检测供应至锅炉的给煤量、总风量及煤炭热值，然后根据这些参数来计算锅炉的热量值，以便实现对锅炉热量进行实时准确地测量。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的循环流化床锅炉的热量信号监控系统的结构框图；

图2是根据本发明实施方式的给煤量检测装置的结构框图；

图3是根据本发明实施方式的DPU控制器的结构框图；以及

图4是根据本发明实施方式的循环流化床锅炉的热量信号监控系统各部分之间的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明实施方式的循环流化床锅炉的热量信号监控系统的结构框图。如图1所示，该系统包括给煤量检测装置11，用于检测从炉膛入口进入锅炉的给煤量；风量检测装置12，用于检测供应至锅炉的总风量；煤炭热值测量装置13，用于测量送入锅炉的煤炭热值；以及数据处理装置10，用于根据给煤量、总风量和煤炭热值，计算锅炉的热量值。

根据本发明的实施方式，可以根据以下模型计算锅炉的热量值：

即热煤炭量模型： $\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=F\left(t\right)-\frac{1}{H}\left(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)\right);---\left(1\right)$

热量信号模型： $\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{\mathrm{\τ}}(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)-Q\left(t\right));---\left(2\right)$

其中，Q(t)为t时刻所监控的热量值，单位为MW；B(t)为t时刻的即燃碳量，单位为kg；PM(t)为t时刻的总风量，单位为m³/s；K为模型总系数；H为燃料的单位发热量，即煤炭热值，单位为MJ/kg；F(t)为从炉膛入口进入锅炉的给煤量，单位为kg/s；τ为热传递延迟时间，单位为s。根据方程式（1）和（2）来计算热量信号Q(t)的值。

其中，即燃碳量为即时燃烧的煤炭量，模型总系数、热传递延迟时间为发明人经过多次实验获得的。

根据本发明的实施方式，给煤量检测装置11可以安装于给煤机的输送计量胶带下。如图2所示，给煤量检测装置11可以包括用于检测输入至锅炉的煤炭的重量的称重传感器20及用于检测输送煤炭至锅炉的皮带的速度的速度传感器21。该给煤量检测装置11还可以包括积算器22和通讯模块23，所检测的煤炭重量和皮带的速度可以被传送至积算器22，通过积算而获得煤炭的瞬时流量和累计量，然后经过通讯模块23将给煤量（经计算得出的平均每秒的给煤量）发送至数据处理装置10。但是本发明并不限制于此，如，所检测的煤炭重量和皮带的速度还可以直接传送至数据处理装置10，以由数据处理装置10对其进行处理。

根据本发明的实施方式，风量检测装置12包括置于循环流化床锅炉的一次风机、二次风机和流化风机的出口处的多个风量计，通过该多个风量计来实时测量送入锅炉的总风量。

根据本发明的实施方式，数据处理装置10可以为DPU控制器，该DPU控制器采用PENTIUM级高性能、低功耗CPU，可以满足各种工程需要，以对采集数据进行处理、分析，实时计算热量信号，其抗锅炉侧扰动性强，具有一定的精度，可以用于对循环流化床锅炉的热量信号的实时监控。如图3所示，DPU控制器30可以包括CPU31、滤波器34、算法存储器32、PID调节器33和I/O通讯控制器35。其中滤波器34、算法存储器32和PID调节器33均与CPU31连接，I/O通讯控制器与滤波器34连接。从炉膛入口进入锅炉的给煤量、供应至锅炉的总风量以及送入锅炉的煤炭热值可以在经过滤波器34处理后，由CPU31读取算法存储器32中的模型以计算锅炉的实时热量值。而且通过PID调节器可以实现对炉膛的热量的调节，其调节过程为本领域公知技术手段，因此于此不再赘述。

根据本发明的实施方式，所述系统还包括控制装置，用于根据所述锅炉热量值生成控制信号以控制所述锅炉的正常运行。而且，该系统还可以包括显示装置，用于实时显示监测到的锅炉的热量信号。在一实施方式中，可以通过监控终端来控制锅炉运行并显示锅炉的热量信号，该监控终端可以包括操作员站、历史站、制表/计算站、工程师站、打印机、记录打印机、大屏幕等设备。通过该监控终端可以实时显示监测到的锅炉热量值，并根据锅炉热量值生成控制信号，然后将控制信号返回至用于锅炉的相应控制装置，以保障循环流化床锅炉的正常运行。

如图4所示，给煤量检测装置11、风量检测装置12及煤炭热值测量装置13内可以分别设有通讯模块42、通讯模块43和通讯模块44，上述装置可以通过各自的通讯模块与I/O模块41进行3G/GPRS通讯。而且，上述装置可以通过I/O模块41连接至DPU控制器30。DPU控制器30的I/O通讯控制器35通过I/O总线与I/O模块41进行通讯连接，从炉膛入口进入锅炉的给煤量、供应至锅炉的总风量以及送入锅炉的煤炭热值通过I/O模块41发送至DPU控制器30上的I/O通讯控制器35；监控终端40通过现场总线（如，1000M/100Mbps冗余容错高速公路）与DPU控制器30进行连接。

其中I/O模块41可以包括开关电源、直流电源转换装置、I/O板以及调理板等，其都被封装在铝壳中，以便既可以有效屏蔽电子干扰，又可以防护灰尘和外部环境的侵袭。另外，I/O模块41还可以通过底座与现场系统连接，其地址可以由设置在底座上的DIP开关来设定。

本发明所提供的监控系统还可以通过光/电转换器将远程I/O模块连接至I/O总线上，以实现其他现场数据采集。

另外，本发明所提供的系统还可以包括远程监控系统，该远程监控系统通过光/电转换器连接至现场总线，以便对循环流化床锅炉的燃烧系统进行远程监控。

本发明所提供的系统采用上述取自燃烧过程中信号的计算热量原理（即以燃碳质量动态蓄积的机制代表了循环流化床燃烧的本质机制），应用软测量技术，引入了即燃碳量模型，可以对超临界循环流化床锅炉的热量信号进行实时而准确的测量，由于热量信号构造完全从燃烧过程中提取，不涉及汽水系统参数，因此可以通用于亚临界和超临界循环流化床锅炉中。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种循环流化床锅炉的热量信号监控系统，其特征在于，所述系统包括：

给煤量检测装置，用于检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；

风量检测装置，用于检测供应至所述锅炉的总风量；

煤炭热值测量装置，用于测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及

数据处理装置，用于根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值，计算所述锅炉的热量值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，根据以下模型计算所述锅炉的热量值：

即热煤炭量模型： $\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=F\left(t\right)-\frac{1}{H}\left(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)\right);$

热量信号模型： $\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{\mathrm{\τ}}(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)-Q\left(t\right));$

其中，Q(t)为t时刻所监控的热量值；B(t)为t时刻的即燃碳量；PM(t)为t时刻的总风量；K为模型总系数；H为燃料的单位发热量，即煤炭热值；F(t)为从炉膛入口进入锅炉的给煤量；τ为热传递延迟时间。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述给煤量检测装置包括用于检测输入至所述锅炉的煤炭的重量的称重传感器及用于检测输送煤炭至所述锅炉的皮带的速度的速度传感器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述风量检测装置包括置于所述循环流化床锅炉的一次风机、二次风机和流化风机的出口处的多个风量计。

5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统还包括控制装置，用于根据所述锅炉热量值生成控制信号以控制所述锅炉的正常运行。

6.一种循环流化床锅炉的热量信号监控方法，其特征在于，所述方法包括：

检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；

检测供应至所述锅炉的总风量；

测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及

根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值通过热量信号算法来计算所述锅炉的热量值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据以下模型计算所述锅炉的热量值：

即热煤炭量模型： $\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=F\left(t\right)-\frac{1}{H}\left(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)\right);$

热量信号模型： $\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{\mathrm{\τ}}(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)-Q\left(t\right));$

其中，Q(t)为t时刻所监控的热量值；B(t)为t时刻的即燃碳量；PM(t)为t时刻的总风量；K为模型总系数；H为燃料的单位发热量，即煤炭热值；F(t)为从炉膛入口进入锅炉的给煤量；τ为热传递延迟时间。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述检测给煤量包括检测输入至所述锅炉的煤炭重量和输送煤炭至所述锅炉的皮带的速度。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述总风量包括所述循环流化床锅炉的一次风机、二次风机和流化风机的出口处的风量。

10.根据权利要求6-9中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据所述锅炉热量值生成控制信号以控制所述锅炉的正常运行。

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