CN109237510B - 一种基于co在线监测的锅炉燃烧优化系统 - Google Patents

一种基于co在线监测的锅炉燃烧优化系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于CO在线监测的锅炉燃烧优化系统，包括在线测量装置(100)、计算装置(300)以及锅炉运行调节装置(400)，所述在线测量装置(100)设于锅炉尾部烟道中，所述计算装置(300)分别与所述在线测量装置(100)及锅炉运行调节装置(400)通信连接，所述锅炉运行调节装置(400)与锅炉燃烧系统连接，通过该系统将锅炉经济性进行量化，同时通过该系统提供了三种优化方法，即优化锅炉效率、优化NOx浓度以及优化运行成本，用户针对不同的目的可自由选择优化方式。

Description

一种基于CO在线监测的锅炉燃烧优化系统
技术领域
本发明涉及燃烧优化控制系统领域，具体涉及一种基于CO在线监测的锅炉燃烧优化系统。
背景技术
为适应日益严格的环保政策，我国的电站锅炉普遍进行了低氮改造，而低氮改造往往以牺牲锅炉效率为代价，因此如何兼顾锅炉经济性与环保性成为了热门的研究课题。
CO作为锅炉燃烧状况考核的一个重要指标，对于尾部烟道CO，其浓度的高低直接影响化学未完全燃烧热损失、灰渣未完全燃烧和NOx产量，进而直接影响锅炉效率和脱硝成本。常用的氧化锆氧量计容易受飞灰污染导致精度下降，并且氧量容易受漏风影响，因此通过氧量判断锅炉燃烧状况容易导致对于炉内风粉混合状况的误判，而CO受漏风影响很小，能更好的检测风粉混合的情况。现有的燃烧优化控制方法，如专利CN205091637U锅炉优化燃烧系统，专利CN104879750A一种用于循环流化床锅炉的燃烧优化设备、系统以及方法，通过对配风以及煤粉细度或尾部烟道CO浓度和O2浓度进行检测，进而提高锅炉效率和减少NOx排放，但其缺点在于不能对锅炉效率以及运行成本进行实时在线计算，进而不能将锅炉运行的经济性进行量化。
因此，开发具有锅炉效率以及运行成本实时在线计算功能的燃烧优化系统显得尤为重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
烟气中的氧量为判断锅炉燃烧状况的重要指标，而氧量常受漏风影响，仅仅通过氧量判断锅炉燃烧状况容易导致对炉内风粉混合状况的误判，CO受漏风影响较小，采用CO作为锅炉燃烧状况指标更加精准，但是不能对锅炉效率以及运行成本进行实时在线计算，进而不能将锅炉运行的经济性进行量化。
(二)技术方案
本发明提供了一种基于CO在线监测的锅炉燃烧优化系统，其特征在于，包括在线测量装置100、计算装置300以及锅炉运行调节装置400，所述在线测量装置100设于锅炉尾部烟道中，计算装置300分别与在线测量装置100及锅炉运行调节装置400通信连接，锅炉运行调节装置400与锅炉燃烧系统连接，其中：在线测量装置100用于测量出锅炉尾部烟道的烟气中的CO浓度；计算装置300预设有不同负荷和煤质下第一目标CO浓度与锅炉效率点集、第二目标CO浓度与NOx浓度点集以及第三目标CO浓度与运行成本点集，当优化锅炉效率时，比较CO浓度与第一目标CO浓度，生成第一调节指令，当优化NOx浓度时，比较CO浓度与第二目标CO浓度，生成第二调节指令，当优化运行成本时，比较CO浓度与第三目标CO浓度，生成第三调节指令；锅炉运行调节装置400用于根据第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令调节锅炉燃烧系统，使得CO浓度达到对应的第一目标CO浓度、第二目标CO浓度或第三目标CO浓度。
可选地，还包括采集装置200，用于将在线测量装置100中测得的数据传入计算装置300中。
可选地，计算装置300包括动态链接库模块303，该动态链接库模块303又包括第一CO目标浓度与锅炉效率点集群模块3031、第二CO目标浓度与NOx点集群模块3032以及第三CO目标浓度与运行成本点集群模块3033，其中：
第一CO目标浓度与锅炉效率点集群模块3031，用于存储第一CO目标浓度与锅炉效率点集；
第二CO目标浓度与NOx点集群模块3032，用于存储第二CO目标浓度与NOx点集；
第三CO目标浓度与运行成本点集群模块3033，用于存储第三CO目标浓度与运行成本点集。
可选地，计算装置300还包括数据输入模块301、数据存储模块302、以及人机交互界面304，其中：
数据输入模块301，包括数据自动输入模块3011，数据自动输入模块3011与采集装置200连接，用于接收所述采集装置200输入的数据，并将该数据传送至所述数据存储模块302；
数据存储模块302，包括历史运行数据库3021、实时运行数据库3022、计算数据库3023，其中，实时运行数据库3022用于存储数据输入模块301输入的数据，并将该数据传至动态链接库模块303；计算数据库3023用于存储动态链接库模块303得到的第一目标CO浓度与锅炉效率点或第二目标CO浓度与NOx浓度点或第三目标CO浓度与运行成本点；历史运行数据库3021用于存储实时运行数据库3022以及计算数据库3023中的数据；
人机交互界面304，用于将数据存储模块302以及动态链接库模块303中的部分数据可视化显示。
可选地，数据输入模块301还包括数据手动输入模块3012，用于手动输入数据，设于人机交互界面304中。
可选地，手动输入的数据包括煤粉的工业分析或元素分析数据。
可选地，计算装置300还包括指令生成模块305，指令调节生成模块305，用于生成第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令。
可选地，人机交换页面304包括自动调节选择按钮，控制指令生成模块305生成调节指令，若选择自动调节则生成第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令，否则不生成第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令。
可选地，计算装置300设于工业控制计算机中。
可选地，第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令调节锅炉燃烧系统中的风门装置，使得CO浓度达到对应的第一目标CO浓度、第二目标CO浓度或第三目标CO浓度。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于CO在线监测的锅炉燃烧优化系统，通过本发明至少得到如下有益效果：
(1)通过检测CO浓度，由于CO浓度受漏风影响较小，因此将CO浓度作为锅炉燃烧状况的评判标准时对锅炉燃烧状况的评判更加精准。
(2)通过提供锅炉运行成本计算模型，使得锅炉实时运行成本直观的展现，将锅炉经济性进行了量化。
(3)本发明提供了三种优化方法，即优化锅炉效率、优化NOx浓度以及优化运行成本，用户针对不同的目的可自由选择优化方式。
(4)通过将锅炉实时运行数据可视化的展现，显著的减少了工作人员的工作量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图
图1示意性示出了本公开实施例中在线监测装置布置的位置；
图2示意性示出了本公开实施例的锅炉燃烧优化系统示意图；
图3示意性示出了本公开实施例的某一负荷和煤种下CO浓度与锅炉效率的关系曲线；
图4示意性示出了本公开实施例的某一负荷和煤种下CO浓度与NOx浓度的关系曲线。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于CO在线监测的锅炉燃烧优化系统，包括在线监测装置100、计算装置300、锅炉运行调节装置400等，具体地，利用在线监测装置100监测锅炉尾部烟道中CO、NOx等的含量，计算装置300预设有不同负荷和煤质下第一目标CO浓度与锅炉效率点集、第二目标CO浓度与NOx浓度点集以及第三目标CO浓度与运行成本点集，当优化锅炉效率时，比较所述CO浓度与第一目标CO浓度，生成第一调节指令，当优化NOx浓度时，比较所述CO浓度与第二目标CO浓度，生成第二调节指令，当优化运行成本时，比较所述CO浓度与第三目标CO浓度，生成第三调节指令；所述锅炉运行调节装置(400)用于根据所述第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令调节所述锅炉燃烧系统，使得CO浓度达到对应的第一目标CO浓度、第二目标CO浓度或第三目标CO浓度。或者根据所述CO浓度与目标CO浓度，进行手动调节所述锅炉燃烧系统，使得CO浓度达到对应的第一目标CO浓度、第二目标CO浓度或第三目标CO浓度。
图1示意性示出了本公开实施例中在线监测装置布置图，如图1所示，在线监测装置100包括O2在线监测装置1011、CO在线监测装置1012、NOx在线监测装置1013等，其布置于锅炉的尾部烟道中，用于监测尾部烟道的烟气中的O2、CO、NOx等的含量，如浓度、质量流量等数据。
图2示意性示出了本公开实施例中的锅炉燃烧优化系统示意图，如图2所示，本系统主要包括在线监测装置100、采集装置200、数据输入模块301、数据存储模块302、动态链接库模块303、人机交互界面304、指令生成模块305以及锅炉运行调节装置400，具体介绍如下。
在线监测装置100将实时监测尾部烟道中O2、CO、NOx等的含量数据，并将该数据传输至数据采集装置200，数据采集装置200(如SIS系统等)对该数据进行采集和初步的计算，并将处理后的数据传送至计算装置300中。
计算装置300包括数据输入模块301、数据存储模块302、动态链接库模块303、人机交互界面304以及指令生成模块305。
具体地，数据输入模块301包括数据自动输入模块3011以及数据手动输入模块3012，其中，数据自动输入模块3011与数据采集模块200连接，因此锅炉系统运行数据可通过数据采集模块200传至数据自动输入模块3011，数据手动输入模块3012其设于人机交互界面304上，用户可通过该模块将燃料参数，如煤粉的工业分析或元素分析数据等输入至计算装置300中，以使计算装置可以使用该数据进行锅炉效率等的计算。
数据存储模块302包括历史运行数据库3021、实时运行数据库3022以及计算数据库3023，其中，实时运行数据库3022与数据输入模块301连接，实时接收数据输入模块301传输而来的数据，并将该数据存入历史运行数据库3021中，同时将实时数据传至动态链接库模块303；计算数据库3023用于接收动态链接库模块303计算的数据，并将计算的数据存入历史运行数据库3021以备后续参考，因此，由上可知，历史运行数据库3021即包含当前工况下的实时运行数据同时包含历史工况下的运行数据，并且该实时运行数据库3022中的实时数据可以在人机交互界面304可视化显示。
动态链接库模块303预设有不同负荷和煤质下第一CO目标浓度与锅炉效率点集群模块3031、第二CO目标浓度与NOx点集群模块3032以及第三CO目标浓度与运行成本点集群模块3033，其中，第一CO目标浓度与锅炉效率点集群模块3031由不同负荷和煤质下最优的CO目标浓度和锅炉效率点组成，第二CO目标浓度与NOx点集群模块3032由不同负荷和煤质下最优的CO目标浓度和NOx浓度组成，第三CO目标浓度与运行成本点集群模块3033由不同负荷和煤质下最优的CO目标浓度和运行成本组成。
具体的，最优的CO目标浓度和锅炉效率点通过以下方式获得：针对不同的负荷和煤种，采用在线测量装置100测量多组CO浓度，并分别计算不同CO浓度下对应的锅炉效率(锅炉效率的计算为公知常识)，得到如图3所示的CO浓度与锅炉效率曲线，通过该CO浓度与锅炉效率曲线获得锅炉效率最高时对应的CO浓度，并将该锅炉效率与CO浓度值绑定后编入第一CO目标浓度与锅炉效率点集群模块3031，通过不断的测量计算，得出多个工况和多种煤种下对应的最优的CO浓度与锅炉效率点集，并将这些点集编写入第一CO目标浓度与锅炉效率点集群模块3031中。
最优的CO目标浓度和NOx浓度通过以下方式获得：针对不同的负荷和煤种，采用在线测量装置100测量分别测量不同的负荷和煤种下的CO浓度和NOx浓度，如图4所示，得到多个工况和多种煤种下对应的最优的CO浓度和NOx浓度，并将每种工况和每种煤种下对应的最优的CO浓度和NOx浓度绑定后编写入第二CO目标浓度与NOx点集群模块3032，因此多个工况和多种煤种下得出多组最优的CO浓度和NOx浓度，将该多组最优的CO浓度和NOx浓度编写入第二CO目标浓度与NOx点集模块3032。
最优的CO目标浓度和运行成本，由于CO浓度的升高可使得锅炉效率降低，即伴随着煤耗量增大，但另一方面，CO浓度的升高使得NOx浓度降低，即喷氨量的降低，由此可见锅炉效率和降低NOx浓度对锅炉经济性的影响相反，因此需要需求最佳的CO浓度使得锅炉经济性最好，最优的CO目标浓度通过以下方式获得：
锅炉综合成本为燃料成本与脱硝成本的综合，其中，燃料成本计算公式如下：
其中，ηgl,max为该负荷下锅炉最高效率，ηgl为当前锅炉效率，B0为最高效率下的燃料量(t/h)，PRICEcoal为煤价(RMB/t)，t为全年该负荷运行时长(h)(下同)。
脱硝成本计算公式如下：
COSTNOx＝(CNOx×B×Vgy-CNOx,min×B0×Vgy0)×PRICENOx/kg×t×1000RMB
其中，CNOx为当前NOx浓度(mg/m3)，CNOx，min为该负荷下最低NOx浓度(mg/m3)，B为当前燃料量(t/h)，Vgy为当前1kg煤不完全燃烧的干烟气体积m3/kg，Vgy0为最低烟气NOx含量下1kg煤不完全燃烧的干烟气体积(m3/kg)，PRICENOx/kg为单位脱硝成本(RMB/kg)。
由上可分别得出在某种煤种和某一负荷下的燃料和脱硝的成本，因此综合运行成本公式如下：
COST＝COSTcoal+COSTNOx RMB
通过如上方式即可得出最低综合成本下对应的CO浓度，即为该负荷和煤种下的第三目标CO浓度，通过以上方式，计算多种负荷和煤种下最优的第三目标CO浓度，生成多个第三目标CO浓度与运行成本点集，并将这些点集编写入第三CO目标浓度与运行成本点集群模块3033中。
实际运行时，当负荷和煤种确定时，该系统会自动匹配最优的第三CO目标浓度与运行成本，使得最优第三CO目标浓度在可视化界面中显示出来，同时在线监测装置100监测的实时运行CO浓度同样也显示于可视化界面中，通过逐渐调节锅炉燃烧系统中的风量使得CO浓度达到第三CO目标浓度，使得运行成本达到最优。
值得注意的是，当用户优化时，可选择优化锅炉效率、NOx浓度或运行成本中的一种，即当用户选择优化锅炉效率时，可通过调节燃烧系统使CO浓度达到第一目标CO浓度即可完成优化；当用户选择优化NOx浓度时，可通过调节燃烧系统使CO浓度达到第二目标CO浓度即可完成优化；当用户选择优化优化运行成本时，可通过调节燃烧系统使CO浓度达到第三目标CO浓度即可完成优化；并且用户对于三种方式的优化可在可视化界面304中自由选择。
为了描述方便，以下将第一CO目标浓度、第二CO目标浓度以及第三CO目标浓度中的一种统称为CO目标浓度。
人机交互界面304，用于可视化的显示实时运行数据库3022、计算装置300以及手动输入中的部分数据，如实时运行中CO浓度、目标CO浓度、目标效率、、煤粉的元素分析数据等。在可视化的界面中可直观的看出当前运行下CO浓度与目标浓度，进而可通过调节风门等装置使得CO浓度逐渐达到目标浓度，即完成了燃烧系统的优化。
另一方面，本公开还提供了一种指令生成模块305，用于生成第一调节指令、第二调节指令或第三调节指令，该模块与动态链接库模块303通信连接，并显现在人机交互界面304，在人机交互界面304中有是否自动调节按钮供用户选择，用于控制自动调节与否，若用户选择“是”则启动指令生成模块305，指令生成模块305根据CO浓度与目标浓度的差距可计算出风量的变化推出相应的燃烧系统中风门的开度进而生成对应的第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令，并将该第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令输入至锅炉运行调节装置400中；若用户选择“否”则不启动自动调节命令，用户此时可以手动调节燃烧系统的风门等装置使得CO浓度逐渐达到对应目标浓度，完成优化。
另一方面，该计算装置可布置于工业控制计算机中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于CO在线监测的锅炉燃烧优化系统，其特征在于，包括在线测量装置(100)、计算装置(300)以及锅炉运行调节装置(400)，所述在线测量装置(100)设于锅炉尾部烟道中，所述计算装置(300)分别与所述在线测量装置(100)及锅炉运行调节装置(400)通信连接，所述锅炉运行调节装置(400)与锅炉燃烧系统连接，所述的锅炉燃烧优化系统还包括采集装置(200)，用于将所述在线测量装置(100)中测得的数据传入计算装置(300)中，其中：
所述在线测量装置(100)用于测量出锅炉尾部烟道的烟气中的CO浓度；所述计算装置(300)预设有不同负荷和煤质下第一目标CO浓度与锅炉效率点集、第二目标CO浓度与NOx浓度点集以及第三目标CO浓度与运行成本点集，当优化锅炉效率时，比较所述CO浓度与第一目标CO浓度，生成第一调节指令，当优化NOx浓度时，比较所述CO浓度与第二目标CO浓度，生成第二调节指令，当优化运行成本时，比较所述CO浓度与第三目标CO浓度，生成第三调节指令；所述锅炉运行调节装置(400)用于根据所述第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令调节所述锅炉燃烧系统，使得CO浓度达到对应的第一目标CO浓度、第二目标CO浓度或第三目标CO浓度；
锅炉综合成本为燃料成本与脱硝成本的综合，其中，燃料成本计算公式如下：
其中，ηg1，max为该负荷下锅炉最高效率，ηg1为当前锅炉效率，B0为最高效率下的燃料量(t/h)，PRICEcoal为煤价(RMB/t)，t为全年该负荷运行时长(h)；
脱硝成本计算公式如下：
COSTNOx＝(CNOx×B×Vgy-CNOx，min×B0×Vgy0)×PRICENOx/kg×t×1000RMB
其中，CNOx为当前NOx浓度(mg/m3)，CNOx，min为该负荷下最低NOx浓度(mg/m3)，B为当前燃料量(t/h)，Vgy为当前1kg煤不完全燃烧的干烟气体积m3/kg，Vgy0为最低烟气NOx含量下1kg煤不完全燃烧的干烟气体积(m3/kg)，PRICENOx/kg为单位脱硝成本(RMB/kg)；
由上可分别得出在某种煤种和某一负荷下的燃料和脱硝的成本，因此综合运行成本公式如下：
COST＝COSTcoal+COSTNOxRMB
通过如上方式即可得出最低综合成本下对应的CO浓度，即为该负荷和煤种下的第三目标CO浓度，通过以上方式，计算多种负荷和煤种下最优的第三目标CO浓度，生成多个第三目标CO浓度与运行成本点集；
所述计算装置(300)还包括数据输入模块(301)、数据存储模块(302)以及人机交互界面(304)，其中：
数据输入模块(301)，包括数据自动输入模块(3011)，所述数据自动输入模块(3011)与所述采集装置(200)连接，用于接收所述采集装置(200)输入的数据，并将该数据传送至所述数据存储模块(302)；
数据存储模块(302)，包括历史运行数据库(3021)、实时运行数据库(3022)、计算数据库(3023)，其中，所述实时运行数据库(3022)用于存储所述数据输入模块(301)输入的数据，并将该数据传至动态链接库模块(303)；所述计算数据库(3023)用于存储所述动态链接库模块(303)得到的所述第一目标CO浓度与锅炉效率点集或第二目标CO浓度与NOx浓度点集或第三目标CO浓度与运行成本点集；所述历史运行数据库(3021)用于存储所述实时运行数据库(3022)以及计算数据库(3023)中的数据；
所述计算装置(300)包括动态链接库模块(303)，该动态链接库模块(303)又包括第一CO目标浓度与锅炉效率点集群模块(3031)、第二CO目标浓度与NOx点集群模块(3032)以及第三CO目标浓度与运行成本点集群模块(3033)，其中：
第一CO目标浓度与锅炉效率点集群模块(3031)，用于存储第一CO目标浓度与锅炉效率点集；
第二CO目标浓度与NOx点集群模块(3032)，用于存储第二CO目标浓度与NOx点集；
第三CO目标浓度与运行成本点集群模块(3033)，用于存储第三CO目标浓度与运行成本点集；
人机交互界面(304)，用于将数据存储模块(302)以及动态链接库模块(303)中的部分数据可视化显示；
所述数据输入模块(301)还包括数据手动输入模块(3012)，用于手动输入数据，设于所述人机交互界面(304)中。
2.根据权利要求1所述的锅炉燃烧优化系统，其特征在于，所述手动输入的数据包括煤粉的工业分析或元素分析数据。
3.根据权利要求1所述的锅炉燃烧优化系统，其特征在于，所述计算装置(300)还包括指令生成模块(305)，所述指令生成模块(305)，用于生成所述第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令。
4.根据权利要求3所述的锅炉燃烧优化系统，其特征在于，所述人机交互界面(304)包括自动调节选择按钮，控制所述指令生成模块(305)生成调节指令，若选择自动调节则生成所述第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令，否则不生成所述第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令。
5.根据权利要求1所述的锅炉燃烧优化系统，其特征在于，计算装置(300)设于工业控制计算机中。
6.根据权利要求1所述的锅炉燃烧优化系统，其特征在于，所述第一调节指令或第二调节指令或第三调节指令调节所述锅炉燃烧系统中的风门装置，使得CO浓度达到对应的第一目标CO浓度、第二目标CO浓度或第三目标CO浓度。
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