CN104117279B - 一种电站锅炉sncr脱硝控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种电站锅炉SNCR脱硝控制方法，包括如下步骤，1)通过布置在电站锅炉炉膛壁面上的多个火焰电视拍摄炉内火焰图像，经合并后输入到工控机中，根据辐射图像测温原理转化为不同负荷工况下的全炉膛燃烧温度分布，从中计算得到各层喷口平均温度和各层喷口截面火焰中心位置两个控制信号输出到流量分配控制模块；2)在流量分配控制模块中，根据各层喷口平均温度信号控制执行机构投运喷枪；根据喷枪投运层喷口截面的火焰中心位置调整运行喷口开度，实现对电站锅炉SNCR脱硝的自动控制。本发明所述控制系统，包括设置在电站锅炉炉膛壁面上的多个火焰电视，输出温度控制信号的工控机，以及设置在还原剂和除盐水管路上的流量分配控制模块。

Description

一种电站锅炉SNCR脱硝控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电站锅炉的脱硝控制技术，具体为一种电站锅炉SNCR脱硝控制系统及其控制方法。

背景技术

选择性非催化还原(SNCR)脱硝工艺的初投资低，占地面积小，适用于小型炉窑脱硝改造工程，但受到炉内温度梯度大和还原剂混合不均匀的影响，SNCR工艺的脱硝效率普遍低于40％。如果能够进一步提高SNCR脱硝效率，其在循环流化床锅炉、水泥炉窑、垃圾焚烧炉脱硝改造领域将具备良好的市场前景。

SNCR脱硝工艺的关键在于温度窗口的选择，保证还原剂喷入点温度在900-1100℃，可以有效提高NOX还原率。目前广泛采用CFD技术来确定SNCR喷口位置，如中国专利CN201210501024所公开的一种基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，但煤质多变和频繁调峰的运行环境容易导致炉内燃烧状况偏离模拟工况，引起温度窗口偏移；又如中国专利CN201320317205公开的水泥窑炉SNCR脱硝温度控制装置，和中国专利CN201310232401公开的智能跟踪SNCR脱硝装置，以及中国专利CN201210018423公开的精确实现温度窗追踪的SNCR炉内脱硝方法；均是通过在每个SNCR喷枪附近安装一支或多支热电偶测温探头，实现对每个SNCR喷枪温度窗口的动态跟踪，但该方法系统复杂，成本较高，并且温度探头容易烧坏，可靠性不高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够提高脱硝效率，成本低廉，控制简单的电站锅炉SNCR脱硝控制系统及其控制方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明一种电站锅炉SNCR脱硝控制方法，包括如下步骤，

1)通过布置在电站锅炉炉膛壁面上的多个火焰电视拍摄炉内火焰图像，经合并后输入到工控机中进行处理，根据辐射图像测温原理转化为不同负荷工况下的全炉膛燃烧温度分布，从中计算得到各层喷口平均温度和各层喷口截面火焰中心位置两个控制信号输出到流量分配控制模块；

2)在流量分配控制模块中，根据各层喷口平均温度信号判断处于最佳温度窗口内的喷口层数，并控制执行机构投运该层喷枪；

3)在流量分配控制模块中，根据喷枪投运层喷口截面的火焰中心位置计算各喷口还原剂及除盐水流量信号，并输出到各电动调节阀调整其开度；从而实现对电站锅炉SNCR脱硝的自动控制。

优选的，步骤1)中，各层喷口平均温度和各层喷口截面火焰中心位置F_x,k与F_y,k的两个控制信号由如下公式得到：

${\stackrel{\‾}{T}}_k=\underset{i=1}{\overset{X}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{3d}(i,j,k)/X/Y,k=P_1,...,P_N$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{x,k}=\mathrm{Max}(T_{3d}(i,j,k){)}_i\\ F_{y,k}=\mathrm{Max}(T_{3d}(i,j,k){)}_j\end{array}\right.k=P_1,...,P_N$

式中，i，j，k分别为炉膛宽度方向即x方向、炉膛深度方向即y方向和炉膛高度方向即z方向的网格坐标；为炉内高度方向第k层截面平均温度，单位为K；T_3d(i,j,k)为全炉膛三维温度分布，单位为K，由火焰图像转化得到；X，Y分别为沿炉膛x方向和y方向划分的网格数目；P₁,…P_N为z方向各层喷枪所在网格编号；F_x,k,F_y,k分别表示炉内高度方向第k层截面火焰中心的x方向网格和y方向网格坐标。

优选的，步骤2)中，由流量分配控制模块驱动投运的喷口层数满足以下控制条件：

$T_L\≤{\stackrel{\‾}{T}}_{k=P_n}\≤T_H$

式中，P_n为投运的喷口层数；为投运的第P_n层喷口位置平均温度，单位为K；(T_L，T_H)为最佳温度窗口，单位为K，根据现场试验确定。

优选的，步骤3)中，在流量分配控制模块中，各喷口还原剂及除盐水流量由如下公式优化调整，其原则为增大高温区喷口还原剂及除盐水流量，减小低温区喷口还原剂及除盐水流量：

$v_{(i,k=P_n)}=V*\frac{1/L_i}{\underset{i=1}{\overset{C_{k=P_n}}{\mathrm{\Σ}}}1/L_i},i=1,...,C_{k=P_n}$

式中，k＝P_n表示投运的第P_n层喷口，i表示该层喷口编号，C_k＝Pn表示第P_n层喷口数目；v_(i,k＝Pn)表示第P_n层编号为i的喷口还原剂及除盐水流量，单位为Nm³/h；V为根据当前工况NOx含量和NSR值计算得到的当量还原剂流量，单位为Nm³/h；L_i表示第i号喷口与火焰中心的距离，由喷口位置与火焰中心位置计算得到，单位为m。

本发明一种基于本发明所述控制方法的电站锅炉SNCR脱硝控制系统，包括设置在电站锅炉炉膛壁面上的多个火焰电视，输出温度控制信号的工控机，以及设置在还原剂和除盐水管路上的流量分配控制模块；火焰电视输出端经合并单元后连接在工控机的输入端，流量分配控制模块连接在工控机的输出端，将温度控制信号转换为SNCR喷口控制信号，用于调节各喷口的工作状态以及还原剂或除盐水流量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述控制方法通过基于辐射图像处理的非接触式燃烧温度场测量技术，利用相对廉价和普遍使用的彩色CCD摄像机作为火焰电视获取炉内火焰图像，在线测量全炉膛燃烧温度分布，结合火焰中心偏斜状况精细调整SNCR各喷口还原剂及除盐水流量，能够提高炉膛出口NO_x分布的均匀性，从而显著降低SNCR系统氨逃逸量。不仅能够为SNCR系统找到更为精确的温度窗口，特别是在燃烧工况频繁变化时，能够实现SNCR系统各喷口工作状态及流量分配的在线、自动优化调整，快速响应炉膛燃烧工况变化，实现SNCR系统与炉内燃烧状况的最佳匹配。结合炉内温度场实时测量结果对SNCR装置进行优化控制，能够提高SNCR系统脱硝效率。

进一步的，通过对各层喷口平均温度信号和各层喷口截面火焰中心位置的精准确定，提高了处于最佳温度窗口内喷口层数的定位精度和喷口流量的调节精度，将现有的手工模糊控制改进为自动的计算机远程控制，整体提高了控制精度，减少了氨逃逸，提高了脱硝效率。

本发明所述控制系统通过工控机将温度控制信号转换为SNCR喷口的控制信号，利用设置在管路上的流量分配控制模块，对管路的工作和流量的大小实现精确控制；同时能够实时跟踪监测炉内燃烧工况，及时快捷的反馈调整喷口工况，方便高效。

附图说明

图1为本发明所述控制系统的布置使用结构图。

图2为根据炉内不同高度截面燃烧温度分布选择SNCR系统最佳温度窗口位置分布图。

图3为根据火焰中心偏斜调整SNCR系统各喷口还原剂及除盐水流量分布图。

图中：1为储罐，2为泵，3为溶解罐，4为除盐水储罐，5为压缩空气储罐，6为混合器，7为流量分配控制模块，8为工控机，9为合并单元，10为视频电缆，11为SNCR喷口，12为火焰电视，13为电站锅炉。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种电站锅炉SNCR脱硝控制方法，包括如下步骤，

1)通过布置在电站锅炉炉膛壁面上的多个火焰电视拍摄炉内火焰图像，经合并后输入到工控机中进行处理，根据辐射图像测温原理转化为不同负荷工况下的全炉膛燃烧温度分布，从中计算得到各层喷口平均温度和各层喷口截面火焰中心位置两个控制信号输出到流量分配控制模块。具体的，各层喷口平均温度和各层喷口截面火焰中心位置F_x,k与F_y,k的两个控制信号由如下公式得到：

${\stackrel{\‾}{T}}_k=\underset{i=1}{\overset{X}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{3d}(i,j,k)/X/Y,k=P_1,...,P_N$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{x,k}=\mathrm{Max}(T_{3d}(i,j,k){)}_i\\ F_{y,k}=\mathrm{Max}(T_{3d}(i,j,k){)}_j\end{array}\right.k=P_1,...,P_N$

式中，i，j，k分别为炉膛宽度方向即x方向、炉膛深度方向即y方向和炉膛高度方向即z方向的网格坐标；为炉内高度方向第k层截面平均温度，单位为K；T_3d(i,j,k)为全炉膛三维温度分布，单位为K，由火焰图像转化得到；X，Y分别为沿炉膛x方向和y方向划分的网格数目；P₁,…P_N为z方向各层喷枪所在网格编号；F_x,k,F_y,k分别表示炉内高度方向第k层截面火焰中心的x方向网格和y方向网格坐标。

2)在流量分配控制模块中，根据各层喷口平均温度信号判断处于最佳温度窗口内的喷口层数，并控制执行机构投运该层喷枪。具体的，由流量分配控制模块驱动投运的喷口层数满足以下控制条件：

$T_L\≤{\stackrel{\‾}{T}}_{k=P_n}\≤T_H$

式中，P_n为投运的喷口层数；为投运的第P_n层喷口位置平均温度，单位为K；(T_L，T_H)为最佳温度窗口，单位为K，根据现场试验确定。

3)在流量分配控制模块中，根据喷枪投运层喷口截面的火焰中心位置计算各喷口还原剂及除盐水流量信号，并输出到各电动调节阀调整其开度；从而实现对电站锅炉SNCR脱硝的自动控制。具体的，在流量分配控制模块中，各喷口还原剂及除盐水流量由如下公式优化调整，其原则为增大高温区喷口还原剂及除盐水流量，减小低温区喷口还原剂及除盐水流量：

$v_{(i,k=P_n)}=V*\frac{1/L_i}{\underset{i=1}{\overset{C_{k=P_n}}{\mathrm{\Σ}}}1/L_i},i=1,...,C_{k=P_n}$

式中，k＝P_n表示投运的第P_n层喷口，i表示该层喷口编号，C_k＝Pn表示第P_n层喷口数目；v_(i,k＝Pn)表示第P_n层编号为i的喷口还原剂及除盐水流量，单位为Nm³/h；V为根据当前工况NOx含量和NSR值计算得到的当量还原剂流量，单位为Nm³/h；L_i表示第i号喷口与火焰中心的距离，由喷口位置与火焰中心位置计算得到，单位为m。

本发明电站锅炉SNCR脱硝控制系统，如图1所示，其基于以上所述控制方法，包括设置在电站锅炉炉膛壁面上的多个火焰电视，输出温度控制信号的工控机，以及设置在还原剂和除盐水管路上的流量分配控制模块；火焰电视输出端经合并单元后连接在工控机的输入端，流量分配控制模块连接在工控机的输出端，将温度控制信号转换为SNCR喷口控制信号，用于调节各喷口的工作状态以及还原剂或除盐水流量。

本发明所述控制方法首先利用布置在电站锅炉13炉膛壁面上的多个火焰电视12拍摄炉内火焰图像，经视屏电缆10传送到合并单元9中进行视频合并后送入工控机8进行处理，采用辐射图像测温原理转化为不同负荷工况下的全炉膛燃烧温度分布；并从温度分布信号中提取两路温度控制信号送入SNCR还原剂流量分配控制模块7，根据炉内不同高度截面燃烧温度分布投运处于最佳温度窗口的喷枪，如图2所示；并结合火焰中心偏斜位置控制调整各SNCR喷口11还原剂及除盐水流量，如图3所示；提高炉膛出口NO_x分布均匀性的同时改善出口烟温的均匀性，从而实现SNCR系统与炉内燃烧状况最佳匹配的优化调整，提高SNCR系统脱硝效率。如图1所示，还原剂储存在储罐1中，通过泵2加入到溶解罐3中溶解，并且与除盐水储罐4中的除盐水在混合器6中混合输出，由压缩空气储罐5中的压缩空气加压，在流量分配控制模块的控制和调整下，实现对不同高度层喷枪的控制，以及工作喷枪的SNCR喷口11的流量调整。

本发明通过在电站锅炉SNCR系统中引入燃烧温度场信号反馈，结合实时检测的全炉膛燃烧温度分布信息，优化控制SNCR系统喷枪投运位置及还原剂流量分配。将辐射图像测温技术得到的全炉膛燃烧温度场信息送入SNCR脱硝系统，实现SNCR系统与炉内燃烧状况最佳匹配的优化调整；根据炉内不同高度截面燃烧温度分布，选择SNCR系统的最佳温度窗口，投运处于最佳温度窗口内的喷枪；结合火焰中心偏斜情况调整SNCR系统各喷口还原剂及除盐水流量，提高炉膛出口NO_x分布的均匀性；解决电站锅炉煤质多变和频繁调峰的运行环境引起的SNCR反应区温度窗口偏移的问题，提高SNCR系统脱硝效率。

Claims (4)

1.一种电站锅炉SNCR脱硝控制方法，其特征在于，包括如下步骤，

1)通过布置在电站锅炉(13)炉膛壁面上的多个火焰电视(12)拍摄炉内火焰图像，经合并后输入到工控机(8)中进行处理，根据辐射图像测温原理转化为不同负荷工况下的全炉膛燃烧温度分布，从中计算得到各层喷口平均温度和各层喷口截面火焰中心位置两个控制信号输出到流量分配控制模块(7)；

2)在流量分配控制模块(7)中，根据各层喷口平均温度信号判断处于最佳温度窗口内的喷口层数，并控制执行机构投运该层喷枪；

3)在流量分配控制模块(7)中，根据喷枪投运层喷口截面的火焰中心位置计算各喷口还原剂及除盐水流量信号，并输出到各电动调节阀调整其开度；从而实现对电站锅炉SNCR脱硝的自动控制；

步骤1)中，各层喷口平均温度和各层喷口截面火焰中心位置F_x,k与F_y,k的两个控制信号由如下公式得到：

式中，i，j，k分别为炉膛宽度方向即x方向、炉膛深度方向即y方向和炉膛高度方向即z方向的网格坐标；为炉内高度方向第k层截面平均温度，单位为K；T_3d(i,j,k)为全炉膛三维温度分布，单位为K，由火焰图像转化得到；X，Y分别为沿炉膛x方向和y方向划分的网格数目；P₁,…P_N为z方向各层喷枪所在网格编号；F_x,k,F_y,k分别表示炉内高度方向第k层截面火焰中心的x方向网格和y方向网格坐标。

2.根据权利要求1所述的一种电站锅炉SNCR脱硝控制方法，其特征在于，步骤2)中，由流量分配控制模块(7)驱动投运的喷口层数满足以下控制条件：

式中，P_n为投运的喷口层数；为投运的第P_n层喷口位置平均温度，单位为K；(T_L，T_H)为最佳温度窗口，单位为K，根据现场试验确定。

3.根据权利要求1所述的一种电站锅炉SNCR脱硝控制方法，其特征在于，步骤3)中，在流量分配控制模块(7)中，各喷口还原剂及除盐水流量由如下公式优化调整，其原则为增大高温区喷口还原剂及除盐水流量，减小低温区喷口还原剂及除盐水流量：

式中，k＝P_n表示投运的第P_n层喷口，i表示该层喷口编号，C_k＝Pn表示第P_n层喷口数目；v_(i,k＝Pn)表示第P_n层编号为i的喷口还原剂及除盐水流量，单位为Nm³/h；V为根据当前工况NOx含量和NSR值计算得到的当量还原剂流量，单位为Nm³/h；L_i表示第i号喷口与火焰中心的距离，由喷口位置与火焰中心位置计算得到，单位为m。

4.一种基于如权利要求1所述控制方法的电站锅炉SNCR脱硝控制系统，其特征在于，包括设置在电站锅炉(13)炉膛壁面上的多个火焰电视(12)，输出温度控制信号的工控机(8)，以及设置在还原剂和除盐水管路上的流量分配控制模块(7)；火焰电视(12)输出端经合并单元(9)后连接在工控机(8)的输入端，流量分配控制模块(7)连接在工控机(8)的输出端，将温度控制信号转换为SNCR喷口(11)控制信号，用于调节各喷口的工作状态以及还原剂或除盐水流量。