CN110044661A - 一种监控锅炉尾部烟道全截面co浓度的测量系统和方法 - Google Patents

一种监控锅炉尾部烟道全截面co浓度的测量系统和方法 Download PDF

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周勇
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Abstract

本发明公开了一种监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量系统和方法，属于燃煤锅炉污染物测量领域。本发明对锅炉尾部烟道全截面进行分区形成多个测量网格，通过在每个测量网格中央布置测量取样孔，可以检测烟道整个截面上的CO浓度，减少测量仪表的配置，然后通过位于烟道外部的烟气取样母管连接。本发明通过独立取样母管关断阀和独立取样母管吹扫关断阀切换，实现了每根独立取样母管中的测量轮换、吹扫等检测流程，布置结构合理，节省了系统投资成本；且通过控制单元，实现了每根独立取样母管的取样时间、吹扫时间和保持时间的轮换，从而实现整个烟道截面上的CO浓度的全面检测，有利于全面监控炉膛内的燃烧工况。

Description

一种监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量系统和方法
技术领域
本发明涉及燃煤锅炉污染物测量领域，具体是一种监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量系统和方法。
背景技术
为了对燃煤锅炉的炉内燃烧情况进行识别和判定，需要检测锅炉燃烧后的烟气成分和飞灰、大渣含碳量，通常的做法是检测锅炉尾部烟气中的O2含量，根据O2含量大小，进一步判断锅炉总的入炉风量，对锅炉总风量进行修正和控制。
由于空气中的O2测量数值的范围0~21%，该范围较小，不利于监视和控制，当锅炉在30~100%负荷区间内的O2含量则为2~6%，范围更为狭小，并且当前测量O2的精度仅仅为0.1%,造成测量误差大，变化不明显，因此，采用O2含量作为锅炉风量的调整和控制变量，存在技术上的困难。
然而，CO浓度作为判断煤粉锅炉燃烧状况的一个重要指标，反应灵敏，当锅炉氧量发生细小变化时，CO含量会发生快速的变化，可以作为监视锅炉燃烧效率和判断锅炉效率的主要指标。
尤其是随着超低排放改造后，很多煤粉锅炉进行了低氮燃烧改造，煤粉在炉膛中燃烧时一般处于缺氧状态，可以抑制NOx生成，从而实现NOx的有效控制和达标排放。CO与NOx之间存在负相关性，当NOx较低时，CO通常较高；为了保证锅炉在燃烧过程中的经济性和环保性，非常有必要对CO进行监控。
CO的生成与锅炉的配风、煤粉系统和燃烧方式等关系紧密，并且在锅炉尾部烟道的分布不均匀，与O2相比较，CO变化较快并且截面上的分布存在较大差异。当前，对于检测锅炉尾部的烟气成分，比如O2、NOx、SO2等均采用单点测量的方式，在较多工况下不能准确测量截面内的平均值，对于锅炉的精细化调整和运行十分不利。当前对CO的监控不够重视，即使安装了监控测点，往往也是集成到CEMS系统中，属于单点测量的范畴，对整个截面的CO平均值代表性较差。很多电厂将CO测点布置在脱硫出口处，由于烟气流动等原因，存在较大的滞后性，不能实时地、准确地反映锅炉内的燃烧情况，不利于进行控制调整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量系统，包括取样吹扫控制单元、取样管路系统、吹扫管路系统、烟气成分分析单元和压缩空气反吹单元，其中：
所述取样管路系统包括多个独立取样母管以及烟气取样母管，所述独立取样母管的一端开设有多个取样孔，独立取样母管的另一端汇流后与烟气取样母管连接；所述独立取样母管伸出烟道全截面外部设置有独立取样母管关断阀；通过独立取样母管关断阀的开关，实现该支路烟气取样的投入或者退出。
所述吹扫管路系统包括多个独立取样吹扫母管以及压缩空气吹扫母管，所述独立取样吹扫母管与独立取样母管一一对应，所述独立取样吹扫母管的一端与独立取样母管连接，独立取样吹扫母管的另一端汇流后与压缩空气吹扫母管连接；所述独立取样吹扫母管与独立取样母管的连接端位于独立取样母管关断阀与烟道全截面之间，所述独立取样吹扫母管上设有独立取样母管吹扫关断阀；通过设置独立取样母管吹扫关断阀，实现对吹扫压缩空气的投入或者切断运行。另外，独立取样吹扫母管与独立取样母管数量相等，确保每个独立取样母管具有单独的压缩空气吹扫管路，通过独立取样母管吹扫关断阀的开关实现该独立取样母管的吹扫或者取样。
所述烟气取样母管通过烟气成分分析单元与取样吹扫控制单元相连，所述压缩空气吹扫母管通过压缩空气反吹单元与取样吹扫控制单元相连；所述取样吹扫控制单元能够对独立取样母管关断阀和独立取样母管吹扫关断阀进行切换控制，实现周期性的取样分析和吹扫防堵。所述的取样吹扫控制单元将发出指令给烟气成分分析单元和压缩空气反吹单元，而烟气成分分析单元将烟气成分分析结果和独立取样母管关断阀状态反馈给取样吹扫控制单元，压缩空气反吹单元将独立取样母管吹扫关断阀状态反馈给取样吹扫控制单元。
进一步方案，所述多个独立取样母管之间等间距布置，独立取样母管上的取样孔均匀布置。
本发明的另一目的是提供一种基于上述所述的测量系统监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量方法，包括如下步骤：
（1）对锅炉尾部烟道全截面进行分区形成M*N个测量网格，测量烟道全截面上的CO浓度分布，当烟道全截面上的水平方向CO浓度分布相对标准偏差小于垂直方向CO浓度分布相对标准偏差时，独立取样母管呈水平方向布置；当烟道全截面上的垂直方向CO浓度分布相对标准偏差小于水平方向CO浓度分布相对标准偏差时，独立取样母管呈垂直方向布置，将取样孔放置在测量网格区域内；其中M、N均大于1；
（2）当独立取样母管垂直布置时，个数共有M个；当独立取样母管水平布置时，个数共有N个；依次编号为一、二、三……M-2/N-2、M-1/N-1、M/N；
（3）打开第一独立取样母管上的独立取样母管关断阀，同时关闭第一独立取样母管上的独立取样母管吹扫关断阀，表明该支路的烟气正在取样测量过程中；取样测量过程中每一个独立取样母管上的独立取样母管关断阀和独立取样母管吹扫关断阀不能同时动作，即两个阀门不能同时打开或者同时关闭；并关闭第2- M/N独立取样母管上的独立取样母管关断阀，同时打开第2- M/N独立取样母管上的独立取样母管吹扫关断阀，表明这些支路处于吹扫状态，其目的是为了防止没有进行取样测量的取样孔发生堵塞；
（4）当第一独立取样母管完成取样后，关闭第一独立取样母管上的独立取样母管关断阀，同时打开第一独立取样母管上的独立取样母管吹扫关断阀；然后打开第二独立取样母管上的独立取样母管关断阀，重复步骤（3）中的操作，直至第M/N独立取样母管完成取样；经历过取样后的独立取样母管所测量出来的CO浓度值将进入自保持阶段，直到下一个取样周期到来，检测到新的CO浓度后，才更新该独立取样母管区域的CO浓度值；
（5）所述的每个独立取样母管取样时间为（t0+t） s，其中，t0为最长取样管路内的取样烟气从最末端流动到烟气成分分析单元中的时间，单位为s；t为有效的取样时间，该时间在取样测量过程中能够进行调整，由取样吹扫控制单元进行控制，其数值主要取决于锅炉负荷、燃烧煤质和所测量的尾部烟道全截面CO浓度分布等因素；通过上述步骤，能够实现整个烟道截面上的CO浓度测量，当取样母管垂直布置时，经过M×（t0+t）s时间，即可完成一个完整的检测周期；当取样母管水平布置时，经过N×（t0+t）s时间，即可完成一个完整的检测周期。
进一步方案，所述步骤（1）中测量网格面积均相等，不论烟道全截面为矩形、圆形，所述取样孔布置在测量网格的面积中心。
进一步方案，所述步骤（1）中测量烟道全截面上的CO浓度分布时，至少测量三个不同锅炉负荷点，比如100%、75%、50%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明对锅炉尾部烟道全截面进行分区形成多个测量网格，通过在每个测量网格布置测量取样孔，可以检测烟道整个截面上的CO浓度；本发明通过独立取样母管关断阀和独立取样母管吹扫关断阀切换，实现了每根独立取样母管中的测量轮换、吹扫等检测流程，布置结构合理，节省了系统投资成本；且通过控制单元，实现了每根独立取样母管的取样时间、吹扫时间和保持时间的轮换，从而实现整个烟道截面上的CO浓度的全面检测，有利于全面监控炉膛内的燃烧工况。
（2）本发明根据测量截面的CO浓度分布特性，将二维平面多点测量转化为一维测量，简化系统布置。
（3）本发明可以实现锅炉尾部烟道全截面的CO浓度测量，减少测量仪表的配置。
附图说明
图1为本发明的独立取样母管垂直布置的烟道全截面取样示意图；
图2为本发明的独立取样母管水平布置的烟道全截面取样示意图；
图3为本发明的烟道全截面CO浓度测量系统结构示意图；
图中：1-烟道全截面、2-测量网格、3-独立取样母管、4-取样孔、5-锅炉宽度方向、6-锅炉深度或者高度方向、7-第一独立取样母管关断阀、8-第二独立取样母管关断阀、9-第三独立取样母管关断阀、10-第M-2独立取样母管关断阀、11-第M-1独立取样母管关断阀、12-第M独立取样母管关断阀、13-第一独立取样母管吹扫关断阀、14-第二独立取样母管吹扫关断阀、15-第三独立取样母管吹扫关断阀、16-第M-2独立取样母管吹扫关断阀、17-第M-1独立取样母管吹扫关断阀、18-第M独立取样母管吹扫关断阀、19-烟气取样母管、20-压缩空气吹扫母管、21-烟气成分分析单元、22-压缩空气反吹单元、23-取样吹扫控制单元、24-独立取样吹扫母管。
具体实施方式
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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
请参阅图3，一种监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量系统，包括取样吹扫控制单元23、取样管路系统、吹扫管路系统、烟气成分分析单元21和压缩空气反吹单元22，其中：
取样管路系统包括多个独立取样母管3以及烟气取样母管19，独立取样母管3的一端开设有多个取样孔4，独立取样母管3的另一端汇流后与烟气取样母管19连接；独立取样母管3伸出烟道全截面1外部设置有独立取样母管关断阀（7-12）；通过独立取样母管关断阀的开关，实现该支路烟气取样的投入或者退出。多个独立取样母管之间等间距布置，独立取样母管上的取样孔均匀布置。
吹扫管路系统包括多个独立取样吹扫母管24以及压缩空气吹扫母管20，独立取样吹扫母管与独立取样母管一一对应，独立取样吹扫母管的一端与独立取样母管连接，独立取样吹扫母管的另一端汇流后与压缩空气吹扫母管20连接；独立取样吹扫母管与独立取样母管的连接端位于独立取样母管关断阀与烟道全截面1之间，独立取样吹扫母管上设有独立取样母管吹扫关断阀（13-18）；通过设置独立取样母管吹扫关断阀，实现对吹扫压缩空气的投入或者切断运行。另外，独立取样吹扫母管与独立取样母管数量相等，确保每个独立取样母管具有单独的压缩空气吹扫管路，通过独立取样母管吹扫关断阀的开关实现该独立取样母管的吹扫或者取样。
烟气取样母管19通过烟气成分分析单元21与取样吹扫控制单元23相连，压缩空气吹扫母管20通过压缩空气反吹单元22与取样吹扫控制单元23相连；取样吹扫控制单元23能够对独立取样母管关断阀（7-12）和独立取样母管吹扫关断阀（13-18）进行切换控制，实现周期性的取样分析和吹扫防堵。测量过程中，取样吹扫控制单元23将发出指令给烟气成分分析单元21和压缩空气反吹单元22，而烟气成分分析单元21将烟气成分分析结果和独立取样母管关断阀状态反馈给取样吹扫控制单元23，压缩空气反吹单元22将独立取样母管吹扫关断阀状态反馈给取样吹扫控制单元。
一种监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量方法，包括如下步骤：
（1）对锅炉尾部烟道全截面进行分区形成M*N个测量网格2，测量网格2面积均相等，不论烟道全截面1为矩形还是圆形，测量烟道全截面1上的CO浓度分布，当烟道全截面1上的水平方向CO浓度分布相对标准偏差小于垂直方向CO浓度分布相对标准偏差时，独立取样母管3呈水平方向布置，如图2所示；当烟道全截面1上的垂直方向CO浓度分布相对标准偏差小于水平方向CO浓度分布相对标准偏差时，独立取样母管3呈垂直方向布置，如图1所示，测量烟道全截面上的CO浓度分布时，至少测量三个不同负荷点，比如100%、75%、50%。将取样孔4放置在测量网格2区域内，取样孔4布置在测量网格2的面积中心；图3中，取M=6，N=5为例；
（2）图3中，独立取样母管3呈垂直方向布置，从左到右依次为第一独立取样母管、第二独立取样母管、第三独立取样母管、第四独立取样母管、第五独立取样母管、第六独立取样母管；
（3）打开第一独立取样母管上的独立取样母管关断阀，同时关闭第一独立取样母管上的第一独立取样母管吹扫关断阀7，表明该支路的烟气正在取样测量过程中；取样测量过程中每一个独立取样母管上的独立取样母管关断阀和独立取样母管吹扫关断阀不能同时动作，即两个阀门不能同时打开或者同时关闭；并关闭第二-六独立取样母管上的独立取样母管关断阀，同时打开第二-六独立取样母管上的独立取样母管吹扫关断阀，表明这些支路处于吹扫状态，其目的是为了防止没有进行取样测量的取样孔发生堵塞；
（4）当第一独立取样母管完成取样后，关闭第一独立取样母管上的独立取样母管关断阀7，同时打开第一独立取样母管上的独立取样母管吹扫关断阀13；然后打开第二独立取样母管上的独立取样母管关断阀8，重复步骤（3）中的操作，直至第六独立取样母管完成取样；经历过取样后的独立取样母管所测量出来的CO浓度值将进入自保持阶段，直到下一个取样周期到来，检测到新的CO浓度后，才更新该独立取样母管区域的CO浓度值；
（5）所述的每个独立取样母管取样时间为（t0+t） s，其中，t0为最长取样管路内的取样烟气从最末端流动到烟气成分分析单元中的时间，单位为s；t为有效的取样时间，该时间在取样测量过程中能够进行调整，由取样吹扫控制单元23进行控制，其数值主要取决于锅炉负荷、燃烧煤质和所测量的尾部烟道全截面CO浓度分布等因素；通过上述步骤，能够实现整个烟道截面上的CO浓度测量，经过6×（t0+t）s时间，即可完成一个完整的检测周期；如将取样母管水平布置，则经过5×（t0+t）s时间，即可完成一个完整的检测周期。
对于600MW等级燃煤锅炉，采用本专利技术的监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量装置和方法时，布置在锅炉省煤器和SCR脱硝装置之间的烟道垂直烟道上，烟道全截面为水平方向，该截面上的CO浓度分布沿着宽度方向上的相对标准偏差较大，将独立测量母管沿着锅炉深度方向布置，也即垂直布置，如图1所示。
由于省煤器出口分为左右两个烟道，在每个烟道上沿着锅炉宽度方向布置8个独立取样母管，每根独立取样母管上设置6个取样孔，烟道全截面设置48个测量网格。
在每个烟道上设置一套烟气成分分析单元、一套压缩空气反吹单元和一套取样吹扫控制单元。通过取样管路系统和吹扫管路系统将上述三个单元与8个独立取样关断阀和8个独立取样吹扫关断阀连接起来，取样吹扫控制单元通过控制逻辑实现对上述16个关断阀进行切换控制，实现周期性的取样分析和吹扫防堵，从而达到对锅炉尾部烟道全截面的CO浓度进行测量。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量系统，其特征在于：包括取样吹扫控制单元、取样管路系统、吹扫管路系统、烟气成分分析单元和压缩空气反吹单元，其中：
所述取样管路系统包括多个独立取样母管以及烟气取样母管，所述独立取样母管的一端开设有多个取样孔，独立取样母管的另一端汇流后与烟气取样母管连接；所述独立取样母管伸出烟道全截面外部设置有独立取样母管关断阀；
所述吹扫管路系统包括多个独立取样吹扫母管以及压缩空气吹扫母管，所述独立取样吹扫母管与独立取样母管一一对应，所述独立取样吹扫母管的一端与独立取样母管连接，独立取样吹扫母管的另一端汇流后与压缩空气吹扫母管连接；所述独立取样吹扫母管与独立取样母管的连接端位于独立取样母管关断阀与烟道全截面之间，所述独立取样吹扫母管上设有独立取样母管吹扫关断阀；
所述烟气取样母管通过烟气成分分析单元与取样吹扫控制单元相连，所述压缩空气吹扫母管通过压缩空气反吹单元与取样吹扫控制单元相连；所述取样吹扫控制单元能够对独立取样母管关断阀和独立取样母管吹扫关断阀进行切换控制，实现周期性的取样分析和吹扫防堵。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述多个独立取样母管之间等间距布置，独立取样母管上的取样孔均匀布置。
3.一种基于如权利要求1所述的测量系统监控锅炉尾部烟道全截面CO浓度的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）对锅炉尾部烟道全截面进行分区形成M*N个测量网格，测量烟道全截面上的CO浓度分布，当烟道全截面的水平方向CO浓度分布相对标准偏差小于垂直方向CO浓度分布相对标准偏差时，独立取样母管呈水平方向布置；当烟道全截面上的垂直方向CO浓度分布相对标准偏差小于水平方向CO浓度分布相对标准偏差时，独立取样母管呈垂直方向布置，将取样孔放置在测量网格区域内；其中M、N均大于1；
（2）当独立取样母管垂直布置时，个数共有M个；当独立取样母管水平布置时，个数共有N个；依次编号为一、二、三……M-2/N-2、M-1/N-1、M/N；
（3）打开第一独立取样母管上的独立取样母管关断阀，同时关闭第一独立取样母管上的独立取样母管吹扫关断阀；并关闭第2- M/N独立取样母管上的独立取样母管关断阀，同时打开第2- M/N独立取样母管上的独立取样母管吹扫关断阀；
（4）当第一独立取样母管完成取样后，关闭第一独立取样母管上的独立取样母管关断阀，同时打开第一独立取样母管上的独立取样母管吹扫关断阀；然后打开第二独立取样母管上的独立取样母管关断阀，重复步骤（3）中的操作，直至第M/N独立取样母管完成取样；经历过取样后的独立取样母管所测量出来的CO浓度值将进入自保持阶段，直到下一个取样周期到来，检测到新的CO浓度后，才更新该独立取样母管区域的CO浓度值；
（5）每个独立取样母管取样时间为（t0+t）s，其中，t0为最长取样管路内的取样烟气从最末端流动到烟气成分分析单元中的时间，单位为s；t为有效的取样时间，该时间在取样测量过程中能够进行调整，由取样吹扫控制单元进行控制；通过上述步骤，能够实现整个烟道截面上的CO浓度测量，当取样母管垂直布置时，经过M×（t0+t）s时间，即可完成一个完整的检测周期；当取样母管水平布置时，经过N×（t0+t）s时间，即可完成一个完整的检测周期。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：所述测量网格的面积均相等，所述取样孔布置在测量网格的面积中心。
5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：所述测量烟道全截面上的CO浓度分布时，至少测量三个不同锅炉负荷点。
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