CN105485714A - 一种确定锅炉运行氧量的方法、装置及自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定锅炉运行氧量的方法、装置及自动控制系统，属于锅炉运行氧量控制技术领域。所述方法包括：获得预定工况点的脱硝入口烟气中的CO浓度以及NO_x浓度；确定当所述脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率；根据所述曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量值确定所述锅炉运行氧量。本发明通过脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率能够快速确定低NO_x燃烧锅炉的最佳运行氧量，实现了自动控制锅炉的运行氧量，在保证高效燃烧的同时又能维持低水平的炉膛出口NO_x浓度。

Description

一种确定锅炉运行氧量的方法、装置及自动控制系统

技术领域

本发明涉及一种确定锅炉运行氧量的方法、装置及自动控制系统，属于锅炉运行氧量控制技术领域。

背景技术

在现有技术中，为降低NO_x排放浓度，煤粉锅炉通常采用低NO_x燃烧技术。与传统的煤粉燃烧技术相比，低NO_x燃烧技术具有投资和运行费用低、技术成熟、减排效果明显等优点。结合图1所示，现有的低NO_x燃烧技术主要通过分离的燃尽风，在主燃区与燃尽区之间构建了一个还原区，并利用主燃区欠氧燃烧产生的还原性气体来还原主燃区中燃烧生成的少量NO_x，从而进一步减少NO_x排放量。通常情况下，燃尽风在还原区上方补入，以保证锅炉炉膛出口存在一定的过量空气，使炉膛内剩余的可燃物完全燃尽。

其中，锅炉炉膛出口的过量空气量可通过锅炉运行氧量进行表征，并采用电化学氧量计实现在线测量。若锅炉运行氧量过大，会增加排烟热损失，降低锅炉热效率，同时还会增加炉膛出口的NO_x浓度；若运行氧量过小，又会增加不完全燃烧损失，导致燃料消耗量增大。

针对上述问题，现有技术采用的解决方案主要包括：通过建立锅炉的网格化结构模型以及煤粉燃烧所形成的各个理化过程的数学模型对锅炉改变燃煤种类后的煤粉燃烧过程进行模拟，以获取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，从而对所述锅炉的氧量进行调整。该解决方案以模型计算结果为调整依据，缺少试验数据支撑，并且计算所需模型较复杂，不适于工程应用。

另外，还有一种通过获取的负荷指令和实际负荷计算获得主控风量值，再根据该主控风量值、给水控制修正系数和CO浓度修正系数计算获得风量参考值，并根据该风量参考值设定调控风量。该解决方案仅考虑了锅炉的燃烧效率，未涉及烟气中的NO_x浓度，因此无法降低NO_x排放浓度。

发明内容

本发明为解决现有的低NO_x燃烧技术存在的无法在保证高效燃烧的同时又能维持低水平的炉膛出口NO_x浓度的问题，进而提出了一种确定锅炉运行氧量的方法、装置及自动控制系统，具体包括如下的技术方案：

一种确定锅炉运行氧量的方法，包括：

获得预定工况点的脱硝入口烟气中的CO浓度以及NO_x浓度；

确定当所述脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率；

根据所述曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量值确定所述锅炉运行氧量。

一种确定锅炉运行氧量的装置，包括：

浓度确定单元，用于获得预定工况点的脱硝入口烟气中的CO浓度以及NO_x浓度；

曲线斜率确定单元，用于确定当所述脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NOx浓度的曲线斜率；

运行氧量确定单元，用于根据所述曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量值确定所述锅炉运行氧量。

一种锅炉运行氧量自动控制系统，包括：送风控制装置、脱硝装置以及确定锅炉运行氧量的装置；所述脱硝装置用于对锅炉烟气进行脱硝处理，所述确定锅炉运行氧量的装置中的浓度确定单元设置在所述脱硝装置的烟气入口处，所述送风控制装置用于根据所述确定锅炉运行氧量的装置中的运行氧量确定单元确定的锅炉运行氧量控制送风量。

本发明的有益效果是：通过脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率能够快速确定低NO_x燃烧锅炉的最佳运行氧量，实现了自动控制锅炉的运行氧量，在保证高效燃烧的同时又能维持低水平的炉膛出口NO_x浓度。

附图说明

图1为现有技术中采用低NO_x燃烧技术的锅炉炉膛结构图。

图2以示例的方式示出了确定锅炉运行氧量的方法的流程图。

图3以示例的方式示出了脱硝入口烟气中的CO浓度与NO_x浓度与锅炉运行氧量的关系图。

图4以示例的方式示出了锅炉运行氧量的曲线图。

图5以示例的方式示出了确定锅炉运行氧量的装置的结构图。

图6以示例的方式示出了锅炉运行氧量自动控制系统的结构图。

图7以示例的方式示出了安装有锅炉运行氧量自动控制系统的锅炉结构图。

图8以示例的方式示出了锅炉运行氧量自动控制系统的自动控制流程图。

具体实施方式

本具体实施方式提出了一种确定锅炉运行氧量的方法，结合图2所示，包括：

步骤21，获得预定工况点的脱硝入口烟气中的CO浓度以及NO_x浓度。

在锅炉稳定负荷的状态下，可选取运行氧量在1.5～7.0范围内设置4～10个工况点。在每个工况点下稳定运行时，获得在脱硝系统的入口烟道测试脱硝入口烟气中的NO_x浓度以及CO浓度。该NO_x浓度以及CO浓度可通过MRU4000或TESTO系列烟气分析仪检测获得。

步骤22，确定当脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率。

图3所示的是在该负荷条件下，CO和NO_x浓度随运行氧量变化的曲线。锅炉在稳定负荷下的锅炉运行氧量以示例的方式可同时满足下列两个条件：

1)脱硝入口烟气中的CO浓度折算到6％含氧量下的数值小于600mg/m³；

2)脱硝入口烟气中的NO_x浓度随运行氧量变化的曲线斜率达到最小值。

可选的，该曲线斜率可通过以下公式确定：

$k_j=\left\{\begin{array}{cc}\frac{C_{j+1}-C_j}{O_{2,j+1}-O_{2,j}}& j=1\\ \frac{1}{2}(\frac{C_j-C_{j-1}}{O_{2,j}-O_{2,j-1}}+\frac{C_{j+1}-C_j}{O_{2,j+1}-O_{2,j}})& j=2,\mathrm{...},n-1\\ \frac{C_j-C_{j-1}}{O_{2,j}-O_{2,j-1}}& j=n\end{array}\right.$

其中，j表示按照运行氧量从小到大排列的工况点序号；n表示工况点的总数；k_j表示第j个工况点对应烟气中的NO_x浓度随运行氧量变化的曲线斜率；O_2,j表示第j个工况点对应烟气中氧量；C_j表示第j个工况点对应烟气中的NO_x浓度折算到6％含氧量下的数值。

可选的，第j个工况点对应烟气中的NO_x浓度折算到6％含氧量下的数值可通过以下公式确定：

$C_j=K\×C_j^{*}\·\frac{15}{21-O_{2,j}}$

其中，表示第j个工况点实测烟气中的NO_x浓度或CO浓度，单位为ppm；K表示折算系数，对于NOx，一般情况下可取K＝2.05，对于CO，一般情况下可取K＝1.25。

步骤23，根据曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量值确定锅炉运行氧量。

可选的，通过确定三个稳定负荷下的锅炉运行氧量，即可获得该锅炉运行氧量与锅炉负荷之间的对应关系，从而确定锅炉运行氧量。

采用本具体实施方式提供技术方案，通过脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率能够快速确定低NO_x燃烧锅炉的最佳运行氧量，在保证高效燃烧的同时又能维持低水平的炉膛出口NO_x浓度。

下面通过的实施例对本发明提出的确定锅炉运行氧量的方法进行详细说明。

实施例一

在图3所示的预定稳定负荷下，脱硝入口烟气中CO和NO_x浓度与运行氧量的具体数值如下表所示。按照CO小于600mg/m³的原则筛选出前五行数据，分别计算出对应的k_j值如表中最后一列所示，按照k_j最小的原则确定该负荷下的最佳运行氧量为3.25％。

对于图4所示一台容量等级为2000t/h的锅炉最佳运行氧量曲线，其中的锅炉主汽流量即锅炉负荷。通过求取任意锅炉负荷下的最佳运行氧量的插值法示例。例如：当前锅炉负荷(主汽流量)为1200t/h，处于图4中的(950,5.7)和(1440,3.5)两点之间，则有：

$\frac{O_2^{*}-5.7}{1200-950}=\frac{3.5-5.7}{1440-950}$

解出该负荷下最佳运行氧量为

锅炉在试验负荷段内任意负荷稳定运行时的锅炉运行氧量，可以通过将预定负荷下的至少一个运行氧量值通过插值法确定。由于锅炉运行氧量一般只与锅炉燃用煤质相关，因此可设定为只有当锅炉燃用煤质发生很大变化时，才需要重新获取。

本具体实施方式还提出了一种确定锅炉运行氧量的装置，结合图5所示，包括：

浓度确定单元51，用于获得预定工况点的脱硝入口烟气中的CO浓度以及NO_x浓度；

曲线斜率确定单元52，用于确定当所述脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NOx浓度的曲线斜率；

运行氧量确定单元53，用于根据所述曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量值确定所述锅炉运行氧量。

其中，浓度确定单元51可用于在每个工况点下稳定运行时，获得在脱硝系统的入口烟道测试脱硝入口烟气中的CO浓度以及NO_x浓度。曲线斜率确定单元52可用于在满足脱硝入口烟气中的CO浓度折算到6％含氧量下的数值小于600mg/m³以及脱硝入口烟气中的NO_x浓度随运行氧量变化的曲线斜率达到最小值两个条件时确定曲线斜率。运行氧量确定单元53可用于通过确定三个稳定负荷下的锅炉运行氧量，以获得该锅炉运行氧量与锅炉负荷之间的对应关系，从而确定锅炉运行氧量。

采用本具体实施方式提供技术方案，通过脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率能够快速确定低NO_x燃烧锅炉的最佳运行氧量，在保证高效燃烧的同时又能维持低水平的炉膛出口NO_x浓度。

本具体实施方式还提出了一种锅炉运行氧量自动控制系统，结合图6所示，包括：送风控制装置61、脱硝装置62以及如上述具体实施方式提出的确定锅炉运行氧量的装置63；脱硝装置62用于对锅炉烟气进行脱硝处理，确定锅炉运行氧量的装置63中的浓度确定单元51设置在脱硝装置62的烟气入口处，送风控制装置61用于根据确定锅炉运行氧量的装置63中的运行氧量确定单元53确定的锅炉运行氧量控制送风量。

可选的，在送风控制装置61中包括：

运行氧量输入模块，用于获取预定锅炉的当前运行氧量。

比较模块，用于确定所述当前运行氧量与所述运行氧量确定单元确定的锅炉运行氧量的比较结果；

风力控制模块，用于根据所述比较结果控制所述送风量。

根据上述具体实施方式提出的确定锅炉运行氧量的方法，本具体实施方式提出了一种锅炉运行氧量自动控制系统，该系统设置在如图7所示的安装有控制设备的锅炉中。该锅炉设置有基于低NO_x燃烧技术的炉膛71、省煤器72、空气预热器73和送风机74；锅炉运行氧量自动控制系统的脱硝装置62设置在省煤器72和空气预热器73之间，在脱硝装置62的烟气入口处设置有含氧量监测点75，送风控制装置61与送风机74连接，用于控制送风机74的送风量。

其中，送风机74的出风量可以通过变频电机、风机动叶或风机出口挡板等方式调节。

图8所示的是本具体实施方式提出的锅炉运行氧量自动控制系统的自动控制流程，首先根据输入的锅炉当前负荷确定3-5个稳定负荷状态下的运行氧量值，然后通过插值法确定锅炉运行氧量O₂ ^*，再确定输入的锅炉当前运行氧量O₂与锅炉最佳运行氧量O₂ ^*的比较结果(O₂ ^*-O₂)，最后根据该比较结果控制送风机的送风量。例如，当锅炉当前运行氧量与锅炉最佳运行氧量的比较结果大于预设的含氧量偏差Δ时(O₂-O₂ ^*>Δ)，则减小送风机的送风量；当锅炉当前运行氧量与锅炉运行氧量的比较结果小于预设的含氧量偏差-Δ时(O₂-O₂ ^*<-Δ)，则增加送风机的送风量。

其中，预设的含氧量偏差Δ可根据含氧量监测点75的测点示数的实际波动幅度确定。

采用本具体实施方式提供技术方案，通过脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率能够快速确定低NO_x燃烧锅炉的最佳运行氧量，实现了对锅炉运行氧量的自动控制，在保证高效燃烧的同时又能维持低水平的炉膛出口NO_x浓度。

本具体实施方式是对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，其中的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有经过创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施方式都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种确定锅炉运行氧量的方法，其特征在于，包括：

获得预定工况点的脱硝入口烟气中的CO浓度以及NO_x浓度；

确定当所述脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率；

根据所述曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量值确定所述锅炉运行氧量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定当所述脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NO_x浓度的曲线斜率包括：

从所述预定工况点中选取CO浓度小于600mg/m³的筛选工况点；

确定在所述筛选工况点的NO_x浓度的曲线斜率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量确定所述锅炉运行氧量包括：

在预定负荷下的运行氧量值对应NO_x浓度的曲线斜率为最小值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在锅炉负荷稳定的状态下，从运行氧量在1.5～7.0范围内选取4～10个工况点作为所述预定工况点。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲线斜率通过以下公式确定：

$k_j=\left\{\begin{array}{cc}\frac{C_{j+1}-C_j}{O_{2,j+1}-O_{2,j}}& j=1\\ \frac{1}{2}(\frac{C_j-C_{j-1}}{O_{2,j}-O_{2,j-1}}+\frac{C_{j+1}-C_j}{O_{2,j+1}-O_{2,j}})& j=2,...,n-1\\ \frac{C_j-C_{j-1}}{O_{2,j}-O_{2,j-1}}& j=n\end{array}\right.$

其中，j表示按照运行氧量从小到大排列的工况点序号；n表示工况点的总数；k_j表示第j个工况点对应烟气中的NO_x浓度随运行氧量变化的曲线斜率；O_2,j表示第j个工况点对应烟气中氧量；C_j表示第j个工况点对应烟气中的NO_x浓度折算到6％含氧量下的数值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第j个工况点对应烟气中的NO_x浓度折算到6％含氧量下的数值通过以下公式确定：

$C_j=K\&times;C_j^{*}\&CenterDot;\frac{15}{21-O_{2,j}}$

其中，表示第j个工况点实测烟气中的NO_x浓度或CO浓度，单位为ppm；K表示折算系数。

7.一种确定锅炉运行氧量的装置，其特征在于，包括：

浓度确定单元，用于获得预定工况点的脱硝入口烟气中的CO浓度以及NO_x浓度；

曲线斜率确定单元，用于确定当所述脱硝入口烟气中的CO浓度小于预定值时的NOx浓度的曲线斜率；

运行氧量确定单元，用于根据所述曲线斜率达到最小值时对应的运行氧量值确定所述锅炉运行氧量。

8.一种锅炉运行氧量自动控制系统，其特征在于，包括：送风控制装置、脱硝装置以及如权利要求7所述的确定锅炉运行氧量的装置；所述脱硝装置用于对锅炉烟气进行脱硝处理，所述确定锅炉运行氧量的装置中的浓度确定单元设置在所述脱硝装置的烟气入口处，所述送风控制装置用于根据所述确定锅炉运行氧量的装置中的运行氧量确定单元确定的锅炉运行氧量控制送风量。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述送风控制装置中包括：

运行氧量输入模块，用于获取预定锅炉的当前运行氧量；

比较模块，用于确定所述当前运行氧量与所述运行氧量确定单元确定的锅炉运行氧量的比较结果；

风力控制模块，用于根据所述比较结果控制所述送风量。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，在所述送风控制装置中，所述送风量通过变频电机、风机动叶或风机出口挡板进行调节。