CN107327839A - 一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统，包括：烟气回流管道，其入口与除尘器排烟管道连通，出口与锅炉炉膛连通；烟气回流进气装置，其设置在锅炉燃烧高温反应区，所述烟气回流进气装置包括：环形管道，其围绕炉膛设置并与所述烟气回流管道的出口连通，所述环形管道外壁包裹保温层；进气管，其一端与所述环形管道的内侧连通，另一端靠近炉膛，所述进气管靠近炉膛的一端设有渐缩式进气口，所述渐缩式进气口沿炉膛切向设置。本发明还提供了一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，能够根据锅炉床温、氧量控制回流烟气流量，从而达到更好的降氧抑氮效果。

Description

一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统及控制方法

技术领域

本发明属于循环流化床锅炉技术领域，特别涉及一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统及控制方法。

背景技术

在现有的锅炉、熔炉、焚烧炉等大型的燃烧设备中，为了使其燃烧充分，防止不完全燃烧产生的有害气体污染环境，将燃料和二次风一起喷入燃烧室中燃烧，形成完全燃烧区，实现燃烧最大化，减少有害气体排放，对环保起到了很大的作用。但燃烧生成的炉膛烟气中仍会含有一定量的氮氧化物(NO_x，主要为NO和NO₂)，而氮氧化物会导致酸雨、光化学雾等。为了进一步降低排放的烟气中氮氧化物的含量，经常使用SNCR、SCR或SNCR和SCR混合的脱硝系统进行降低氮氧化物排放。

但在循环流化床锅炉机组深度调峰期间为满足锅炉稳定运行(主要是保证床压稳定)，需保证必须的一次风量，造成锅炉氧量由正常的2.5-3.5升高至6-9，加之低负荷时(尤其是机组负荷在100MW以下)锅炉密相区温度降低，(SNCR)由于烟气温度偏低，脱硝系统的脱硝效果差，致使环保指标不易控制且脱硝剂使用量居高不下。而只靠烟气脱硝系统是无法达到排放要求的。

因此，在锅炉稳定经济运行的前提下降低氮氧化物生成是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统，其设有烟气回流进气装置，能够使回流烟气快速均匀的进入锅炉燃烧高温反应区，从而快速降低着火区域的氧气浓度，抑制氮氧化物的生成。

本发明的一另个目的是提供一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，能够根据锅炉床温、氧量实时控制调节挡板开度，从而控制回流烟气流量，以达到更好的降氧抑氮效果。

本发明提供的技术方案为：

一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统，包括：

烟气回流管道，其入口与除尘器排烟管道连通，出口与锅炉炉膛连通；

烟气回流进气装置，其设置在锅炉燃烧高温反应区，所述烟气回流进气装置包括：

环形管道，其围绕炉膛设置并与所述烟气回流管道的出口连通，所述环形管道外壁包裹保温层；

进气管，其一端与所述环形管道的内侧连通，另一端靠近炉膛，所述进气管靠近炉膛的一端设有渐缩式进气口，所述渐缩式进气口沿炉膛切向设置。

优选的是，所述循环流化床锅炉降氧抑氮系统还包括引风机，其设置在所述烟气回流管道上，用于将回流的烟气送入炉膛。

优选的是，所述烟气回流进气装置的进气管为4～6个且相邻两个进气管之间的距离相等。

优选的是，所述循环流化床锅炉降氧抑氮系统还包括调节挡板，其设置在所述引风机与炉膛之间的烟气回流管道上，用于控制回流的烟气流量。

优选的是，所述烟气回流管道在靠近所述调节挡板处设置烟气流量计。

优选的是，所述循环流化床锅炉降氧抑氮系统还包括调节挡板控制系统，其能够根据锅炉床温、氧量控制调节挡板开度。

优选的是，所述调节挡板控制系统连接所述烟气流量计。

一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，包括：基于模糊控制方法根据锅炉床温、氧量来控制调节挡板开度，从而控制回流烟气流量，以达到更好的降氧抑氮效果，包括如下步骤：

将所述锅炉床温T与氧量C输入模糊控制器，所述锅炉床温T与氧量C分为7个等级；

模糊控制器输出调节挡板开度u，输出分为7个等级；

所述锅炉床温T的模糊论域为[-3,3]，其量化因子为0.02；所述锅炉氧量C的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；输出调节挡板开度u的模糊论域为[0,1]，量化因子为1；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

优选的是，所述循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法采用模糊PID控制器进行误差补偿：

输入理想氧量C与第i个烟气回流过程的氧量C_i的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d，比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d输入PID控制器进行调节挡板开度u误差补偿控制。

优选的是，所述理想氧量C与第i个烟气回流过程的氧量C_i的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，量化因子为1；

所述输出PID的比例系数K_p的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数K_i的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数K_d的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数分K_d为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

本发明的有益效果是：本发明提供的循环流化床锅炉降氧抑氮系统，设有烟气回流进气装置，能够使回流烟气快速均匀的进入锅炉燃烧高温反应区，从而快速降低着火区域的氧气浓度，抑制氮氧化物的生成。

此外，本发明提供的循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，能够根据锅炉床温、氧量实时控制调节挡板开度，从而控制回流烟气流量，以达到更好的降氧抑氮效果。

附图说明

图1为本发明所述的循环流化床锅炉降氧抑氮的系统结构示意图。

图2为本发明所述的烟气回流进气装置结构示意图。

图3为本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的示意图。

图4为本发明所述的模糊控制器的输入锅炉床温T的隶属度函数图。

图5是本发明所述的模糊控制器的输入氧量C的隶属度函数图。

图6是本发明所述的模糊控制器的输出调节挡板开度u的隶属度函数图。

图7是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。

图8是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。

图9是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数K_p的隶属度函数图。

图10是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数K_i的隶属度函数图。

图11是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数K_d的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供了一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统，其设有烟气回流进气装置，能够使回流烟气快速均匀的进入锅炉燃烧高温反应区，从而快速降低着火区域的氧气浓度，抑制氮氧化物的生成。所述循环流化床锅炉降氧抑氮的系统包括烟气回流管道110，其入口与除尘器210排烟管道水平段连通，出口与锅炉炉膛连通，经除尘器210除尘后的较清洁烟气部分从烟囱排出，其余部分作为回流烟气通过设置在烟气回流管道110上的引风机120送入锅炉炉膛。

调节挡板130采用电动调节挡板，其设置在引风机120与锅炉炉膛之间的烟气回流管道110上，用于控制回流烟气的流量。烟气回流管道110在调节挡板130处还设有流量计131，其采用靶式流量计，可以实时测量回流烟气的流量，并将烟气流量反馈到挡板调节控制系统。挡板调节控制系统可以根据锅炉在线监测装置测定的床温、氧量通过调节挡板130开度对回流烟气流量进行调节，以达到更好的降氧抑氮效果。

烟气回流进气装置140，其设置在锅炉布风板上方约3米处的燃烧高温反应区并与烟气回流管道110的出口连通，锅炉的燃烧高温反应区位于一次风室上方。烟气回流进气装置140包括：环形管道141，其围绕炉膛设置并与烟气回流管道110的出口连通，环形管道141外壁包裹保温层144；进气管142，其一端与环形管道141的内侧连通，另一端靠近炉膛，进气管142靠近炉膛的一端设有渐缩式进气口143，使烟气快速进入炉膛。其进气管142为4～6个且相邻两个进气管142之间的距离相等，使进入炉膛的回流烟气均匀分布。在一实施例中，进气管142为6个，相邻两进气管之间呈60度角。渐缩式进气口143沿炉膛切向设置，烟气沿切向方向进入炉膛燃烧室，并直接作用于锅炉燃烧高温反应区，快速起到降低燃烧区氧含量的作用，使炉膛底部处于欠氧燃烧状态，降低锅炉的炉膛燃烧温度，从而抑制燃烧过程中氮氧化物的生成。回流烟气直接作用于燃烧高温反应区，与从一次风入口通入回流烟气相比，直接作用于高温区减少了混合的过程，直接起到了降氧抑氮的作用，降氧抑氮效果更好。

所述循环流化床锅炉降氧抑氮系统的具体工作流程为：首先，煤粉从燃料入口220进入循环流化床锅炉进行燃烧，产生的烟气自锅炉顶部进入旋风分离器230，将未燃尽的燃料分离出来，并通过绝热返料管道返回到锅炉中重新燃烧，从旋风分离器230分离出的烟气导入除尘器210中，去除其中绝大部分的粉尘杂质，获得较为洁净的烟气，所得较为洁净的烟气中的一部分通往烟囱，排入大气；剩余的较清洁烟气作为回流烟气通过设置在烟气回流管道110上的引风机120送入锅炉炉膛。一次风通一次风入口241进入一次风室240，之后进入炉膛燃烧室。回流烟气通过设置在锅炉燃烧高温反应区的烟气回流进气装置140，沿切向方向进入炉膛燃烧室，快速起到降低燃烧区氧含量的作用。通过引入回流烟气降低锅炉燃烧高温反应区的氧含量，使炉膛底部处于欠氧燃烧状态，降低锅炉的炉膛燃烧温度，从而抑制燃烧过程中氮氧化物的生成。同时，本发明还配合使用脱氮还原的方法来减少锅炉氮氧化物的排放。将脱氮还原剂从循环流化床锅炉二次风入口250加入，利用二次风使雾化的脱氮还原剂与炉膛内的烟气充分混合，进而使其中的氮氧化物与脱氮还原剂发生化学反应而被脱除。脱氮还原剂可选用尿素水溶液、氨水、胺化合物水溶液中的一种。

本发明还提供了一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，能够根据锅炉床温、氧量实时控制调节挡板开度，从而控制回流烟气流量，以达到更好的降氧抑氮效果。如图4所示，所述控制方法采用模糊控制器及模糊PID控制器，包括如下步骤：

步骤一、将锅炉床温T与氧量C，调节挡板开度u进行模糊处理，在无控时，锅炉床温T的模糊论域为[-3,3]，其量化因子为0.02；所述锅炉氧量C的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；输出调节挡板开度u的模糊论域为[0,1]，量化因子为1；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，输入锅炉床温T与氧量C分为7个等级；输出调节挡板开度u分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：

(1)锅炉床温T高，氧量C增大，需要增大挡板开度u；

(2)锅炉床温T低，氧量C增小，需要减小挡板开度u；

模糊控制的具体控制规则详见表一。

表一 调节挡板开度的模糊控制表

模糊控制器输入锅炉床温T与氧量C用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出调节挡板开度u，调节挡板开度u利用重心法解模糊化。

步骤二、采用模糊PID控制器进行输出误差补偿：

将理想氧量C与第i个烟气回流过程的氧量C_i的偏差e、偏差变化率ec，PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d进行模糊处理，在无控时，e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，量化因子为1；所述输出PID的比例系数K_p的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数K_i的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数K_d的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图4-11。其模糊控制规则为：

(1)当偏差|e|较大时，增大K_p的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的K_d，通常取K_i＝0；

(2)当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小K_p的取值，使K_i较小，选择适当大小的K_d；

(3)当偏差|e|较小时，增大K_pK_i的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的K_d；当|ec|较小时，取较大的K_d；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。

表二 PID的比例系数K_p的模糊控制表

表三 PID的比例积分系数K_i的模糊控制表

表四 PID的微分系数K_d的模糊控制表

输入理想氧量C与第i个烟气回流过程的氧量C_i的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d，比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行调节挡板开度u误差补偿控制，其控制算式为：

经实验反复确定，模糊PID控制器对调节挡板开度u进行精确控制，调节挡板开度u为模糊控制器的输出调节挡板开度和PID控制器的调节挡板开度误差补偿值的加和。

本发明提供的循环流化床锅炉降氧抑氮系统，设有烟气回流进气装置，能够使回流烟气快速均匀的进入锅炉燃烧高温反应区，从而快速降低着火区域的氧气浓度，抑制氮氧化物的生成。此外，本发明提供的循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，能够根据锅炉床温、氧量实时控制调节挡板开度，从而控制回流烟气流量，以达到更好的降氧抑氮效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种循环流化床锅炉降氧抑氮的系统，其特征在于，包括：

烟气回流管道，其入口与除尘器排烟管道连通，出口与锅炉炉膛连通；

烟气回流进气装置，其设置在锅炉燃烧高温反应区，所述烟气回流进气装置包括：

环形管道，其围绕炉膛设置并与所述烟气回流管道的出口连通，所述环形管道外壁包裹保温层；

进气管，其一端与所述环形管道的内侧连通，另一端靠近炉膛，所述进气管靠近炉膛的一端设有渐缩式进气口，所述渐缩式进气口沿炉膛切向设置。

2.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉降氧抑氮的系统，其特征在于，还包括引风机，其设置在所述烟气回流管道上，用于将回流的烟气送入炉膛。

3.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉降氧抑氮的系统，其特征在于，所述烟气回流进气装置的进气管为4～6个且相邻两个进气管之间的距离相等。

4.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉降氧抑氮的系统，其特征在于，还包括调节挡板，其设置在所述引风机与炉膛之间的烟气回流管道上，用于控制回流的烟气流量。

5.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉降氧抑氮的系统，其特征在于，所述烟气回流管道在靠近所述调节挡板处设置烟气流量计。

6.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉降氧抑氮的系统，其特征在于，还包括调节挡板控制系统，其能够根据锅炉床温、氧量控制调节挡板开度。

7.根据权利要求6所述的循环流化床锅炉降氧抑氮的系统，其特征在于，所述调节挡板控制系统连接所述烟气流量计。

8.一种循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，其特征在于，包括：基于模糊控制方法根据锅炉床温、氧量来控制调节挡板开度，从而控制回流烟气流量，以达到更好的降氧抑氮效果，包括如下步骤：

将所述锅炉床温T与氧量C输入模糊控制器，所述锅炉床温T与氧量C分为7个等级；

模糊控制器输出调节挡板开度u，输出分为7个等级；

所述锅炉床温T的模糊论域为[-3,3]，其量化因子为0.02；所述锅炉氧量C的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；输出调节挡板开度u的模糊论域为[0,1]，量化因子为1；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

9.根据权利要求8所述的循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，其特征在于，采用模糊PID控制器进行误差补偿：

输入理想氧量C与第i个烟气回流过程的氧量C_i的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d，比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数K_d输入PID控制器进行调节挡板开度u误差补偿控制。

10.根据权利要求9所述的循环流化床锅炉降氧抑氮系统的控制方法，其特征在于，所述理想氧量C与第i个烟气回流过程的氧量C_i的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，量化因子为1；

所述输出PID的比例系数K_p的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数K_i的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数K_d的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数K_p、比例积分系数K_i和微分系数分K_d为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。