CN111239360B - 一种基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，包括监测单元、控制模块单元和执行机构单元。监测单元发出监测参数的数据至控制模块单元。控制模块单元根据监测单元发出的参数、位置等信号，加入燃烧预测模型、燃烧寻优数据、锅炉负荷、调峰指令、各受热面汽温、汽压和壁温情况数据，输出控制信号至执行机构单元，执行机构单元输出的信号返回控制模块单元。控制模块单元根据执行机构单元返回的信号和监测单元下一步的监测数据，判定是否达到控制目标，发出执行机构操作指令和监测单元的停启指令。本发明适用于燃煤电站煤粉锅炉全过程烟气成分监测和配风控制，提高了锅炉机组的负荷调峰范围和调峰速率，改善了锅炉混煤条件下的燃烧效果。
Description
技术领域
本发明属于电站锅炉节能环保技术领域，具体涉及一种基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统。
背景技术
通过将原煤磨制成煤粉在炉膛内燃烧是大部分燃煤电站锅炉的燃烧形式。煤粉在炉膛内的燃烧涉及复杂的化学反应，是一个多相流、多形式放热传热过程，煤粉燃烧行程较短，燃烧时间短，其燃烧过程的特性复杂而多变。现有的监测参数都是基于在锅炉出口的尾部烟道（通常是省煤器出口烟道）上监测烟气成分和排烟温度等用于评价锅炉的效率和环保效果。这些参数不能反应燃烧过程的配风情况，不能用于煤粉燃烧过程的监测。因此，根据这些参数进行一次、二次、燃尽风等手段进行的配风，显得有些盲目和滞后。煤粉在锅炉内燃烧过程未见有效的监测方法和根据燃烧过程分步、分目的控制配风的方法。
随着环保压力的增加，燃煤锅炉为了满足排放要求，通过燃料分级、空气分级等手段降低炉膛出口的NOx和SO2浓度，一般的手段是在燃烧区形成还原气氛以降低燃料型NOx的生成，在炉膛上部补充燃尽风保证煤粉的燃尽。
在以上“两段式”的煤粉燃烧过程中其目的不同，达到的效果也不相同，如煤粉在燃烧区的目的有二个：第一保证稳定燃烧，第二保证足够的还原性气氛抑制燃料NOx的生成。这使得煤粉在燃烧区燃烧过程中的配风不能太低，使得煤粉不能稳定燃烧，同时还有高温腐蚀的风险，也不能太高造成燃料型NOx生成太多。该区域的配风方式应与该区域的目的相适应。当煤粉在炉膛上部燃烧时其目的有：第一有足够的氧量保证煤粉的燃尽，第二保证达到尾部烟道对流受热面换热效果足够的烟气量，第三防止炉膛尾部的高温腐蚀。该区域的目的造成配风必然与燃烧区不相同。现阶段只靠炉膛尾部烟道的烟气成分和温度难以反应每一段的燃烧效果，相应的其配风手段也需改进。
随着风电、光伏等新能源的发展，燃煤电站逐渐参与电网调峰。其最低负荷率越来越多，负荷变动率越来越高。这使得锅炉需要较低的不投油最低稳燃负荷，保证燃烧区的稳定燃烧。在煤粉燃烧的“两段”过程各自加入前馈控制，根据煤粉量及时调整配风，提高锅炉的响应能力。快速组织配风，及时进行燃烧调整的响应。在基于尾部烟道成分监测控制策略基础上，加入燃烧区监测参数修正控制，并进行优化。
在现有的煤炭市场下，燃煤电厂的燃煤来源复杂，有时经常两种以上的煤种进行混烧。有研究表明，在多煤种混烧过程中各煤种各自保持着自己的着火特性。相应的其燃烧过程也不尽相同，排放效果也不相同。现有的监测参数已经难以反应混煤掺烧过程中的特性，配风手段也需更有目的性。因此，迫切需要一种能全程监测煤粉燃烧过程的方法和配风控制手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，适用于燃煤电站煤粉锅炉全过程烟气成分监测和配风控制，能快速进行燃烧调整和配风控制，提高锅炉的效率，降低污染物排放，防止高温腐蚀，提高锅炉机组的负荷调峰范围和调峰速率，改善锅炉混煤条件下的燃烧效果。
本发明的技术方案是：基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，包括：监测单元、控制模块单元和执行机构单元。监测单元与控制模块单元通信连通，控制模块单元B与执行机构单元通信连通。监测单元发出监测参数的数据至控制模块单元。控制模块单元根据监测单元发出的参数、位置等信号，加入燃烧预测模型、燃烧寻优数据、锅炉负荷、调峰指令、各受热面汽温、汽压和壁温情况数据，输出控制信号至执行机构单元，执行机构单元输出的信号返回控制模块单元。控制模块单元根据执行机构单元返回的信号和监测单元下一步的监测数据，判定是否达到控制目标，发出执行机构操作指令和监测单元的停启指令。
监测单元包括燃烧区监测模块、贴壁风监测模块、燃尽风区监测模块和尾部烟道区监测模块，燃烧区监测模块、贴壁风监测模块、燃尽风区监测模块和尾部烟道区监测模块集分别与控制模块单元连通。执行机构单元根据控制模块发出的指令进行动作，并及时反馈动作信号和位置信号。执行机构单元包括燃烧区执行机构，贴壁风区执行机构，燃尽风区执行机构和尾部烟道区执行机构。燃烧区执行机构，贴壁风区执行机构，燃尽风区执行机构和尾部烟道区执行机构单元分别与控制模块单元连通。
燃烧区监测模块中沿燃烧器气流方向深入炉膛布置采样管，采样管深入的距离为炉膛温度1100℃左右时终止。采样管材选用耐高温的刚玉管,编号分别为A11～A1n。刚玉管连接烟气采集分析仪器，所述燃烧区监测模块（A1）监测的参数为CO、NO和CO2浓度。采样管附有防堵吹扫系统，且可定期维护烟气采集分析仪器的传感器，当该燃烧器停用时由控制单元发出指令退出采样管，停止烟气采集分析。
贴壁风监测模块，在燃烧区每个墙面均匀布置4个采样管。采样管深入炉膛0.3±0.1 m，采样管材选用耐高温的刚玉管，刚玉管连接烟气采集分析仪器，贴壁风监测模块监测的参数为CO浓度。采样管附有防堵吹扫系统，且可定期维护烟气采集分析仪器的传感器。
燃尽风监测模块在燃尽风喷口层标高上部1m、下部1m的四个墙面上各均匀布置4个采样管。采样管炉膛插入深度在炉膛温度1100℃左右的位置，采样管管材选用刚玉管，编号分别为A31～A3n。刚玉管连接烟气采集分析仪器，燃尽风监测模块监测的参数为CO和NO。采样管附有防堵吹扫系统，且可定期维护烟气采集分析仪器的传感器。
尾部烟道监测模块中监测的参数为O2、CO和NO浓度，控制目标为10ppm以下，且O2和NO浓度最低。当低负荷时汽温不足时，根据控制模块的信号提高O2浓度。
每个区域建立相应的控制模块，控制各区域的监测配风系统。控制模块单元整合为一个统一的控制模块，控制各区域的配风系统。控制模块单元的控制模块留有接口连接电厂DCS和电厂控制系统，根据各个监测单元采集的数据，加入燃烧预测模型、燃烧寻优数据、锅炉负荷、调峰指令、各受热面汽温、汽压和壁温情况数据，输出控制信号至执行机构单元，同时接受监测单元采集的数据的变化情况，做出下一步操作指令。
与燃烧区监测模块相关的控制模块设有燃烧区预测模型、混煤燃烧预测模型、燃烧寻优曲线和一次二次周界风风量风门关系曲线，根据上述模型的计算结果输出指令到燃烧区监测模块构。与燃烧区监测模块相关的控制模块设有高温腐蚀预测模型、贴壁风量和贴壁风门关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到贴壁风区执行机构。与燃尽风区监测模块相关的控制模块设有高温腐蚀预测模型、燃尽风量和风门关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到燃尽风区执行机构。与尾部烟道区监测模块相关的控制模块有CO-O2关系曲线模型，总风量、各区域匹配模型、总风量与风机电流关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到尾部烟道区执行机构。同时要根据煤粉燃烧预测模型和锅炉调峰情况，输出各区域的配风参数，做到前置反馈和及时响应。
燃烧区执行机构模块包括与监测单元相应燃烧器的一次风门挡板、二次风门挡板、周界风挡板、给煤量控制器和给粉机转速控制器。贴壁风区执行机构模块包括贴壁风门挡板。燃尽风区执行机构模块包括燃尽风门挡板。尾部烟道区执行机构单元包括送风机挡板、一次风机挡板和引风机挡板。
每个区域的控制优先顺序为C1＞C2＞C3＞C4，首先完成高优先级区域的控制目标后再完成较低优先级区域的控制目标；当出现锅炉出现调峰时，及时反馈和响应。
本发明基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统将煤粉燃烧全过程分为4个区域，分别是燃烧区、贴壁风区、燃尽风风区和尾部烟道区。根据每个区域不同的控制目标完成监测、控制、执行、反馈全过程。提高了各个区域的响应速度，同时实现由小及大最终达到综合效果最优的结果。本发明将电站煤粉锅炉的监测点提前至燃烧全过程，提高了锅炉的燃烧的煤、风等的响应速度，实现了电站锅炉快速调峰的目的。
本发明基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，适用于燃煤电站煤粉锅炉全过程烟气成分监测和配风控制，能快速进行燃烧调整和配风控制，有利于提高锅炉的效率，降低污染物排放，防止高温腐蚀，提高了锅炉机组的负荷调峰范围和调峰速率，改善了锅炉混煤条件下的燃烧效果。电站锅炉的监测点前置在煤粉燃烧全过程，有利于寻找煤粉燃烧过程燃尽、污染物排放规律，并据此精确配风，降低现阶段煤粉锅炉配风的盲目性，达到既提高锅炉效率又降低锅炉污染物排放的目的，具有推广价值。
附图说明
图1为本发明基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统的结构示意图；
图2为监测配风系统的布置示意图；
其中：A—监测单元、A1—燃烧区监测模块、A2—贴壁风监测模块、A3—燃尽风区监测模块、A4—尾部烟道区监测模块、B—控制模块单元、C—执行机构单元、C1—燃烧区执行机构，C2—贴壁风区执行机构，C3—燃尽风区执行机构、C4—尾部烟道区执行机构。
具体实施方式
下面结合附图和 实施例对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
本发明基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统如图1所示，包括：监测单元A、控制模块单元B和执行机构单元C。监测单元A与控制模块单元通信连通，控制模块单元B与执行机构单元C通信连通。监测单元A发出监测参数的数据至控制模块单元B，控制模块单元根据监测单元发出的参数、位置等信号，加入燃烧预测模型、燃烧寻优数据、锅炉负荷、调峰指令、各受热面汽温、汽压和壁温情况数据，输出控制信号至执行机构单元C，执行机构单元C输出的信号返回控制模块单元。控制模块单元根据执行机构单元返回的信号和监测单元下一步的监测数据，判定是否达到控制目标，发出执行机构操作指令和监测单元的停启指令。如图2所示，监测单元A包括燃烧区监测模块A1、贴壁风监测模块A2、燃尽风区监测模块A3和尾部烟道区监测模块A4，燃烧区监测模块、贴壁风监测模块、燃尽风区监测模块和尾部烟道区监测模块集分别与控制模块单元B连通。执行机构单元C根据控制模块发出的指令进行动作，并及时反馈动作信号和位置信号。执行机构单元C包括燃烧区执行机构C1，贴壁风区执行机构C2，燃尽风区执行机构C3和尾部烟道区执行机构C4，燃烧区执行机构，贴壁风区执行机构，燃尽风区执行机构和尾部烟道区执行机构单元分别与控制模块单元B连通。
燃烧区监测模块A1中沿燃烧器气流方向深入炉膛布置采样管，采样管深入的距离为炉膛温度1100℃左右时终止。采样管材选用耐高温的刚玉管,编号分别为A11～A1n。刚玉管连接烟气采集分析仪器，燃烧区监测模块A1监测的参数为CO、NO和CO2。燃烧区附有防堵吹扫系统，且可定期维护烟气采集分析仪器的传感器，当该燃烧器停用时由控制单元发出指令退出采样管，停止烟气采集分析。其中燃烧区监测单元A1中CO、O2和CO2浓度共同表征煤粉中挥发分的析出过程和着火过程。O2＜1%、CO2大于10%、CO＞5%表示煤粉气流处于稳定着火状态。CO浓度越高表示燃烧区的还原性气氛越强，当CO浓度＞15%以上时表示有很强的还原性气氛，燃烧区有结焦和高温腐蚀的风险。
贴壁风监测模块，在燃烧区每个墙面均匀布置4个采样管。采样管深入炉膛0.3±0.1 m，采样管材选用耐高温的刚玉管，编号分别为A21～A2n。刚玉管连接烟气采集分析仪器，贴壁风监测模块A2监测的参数为CO浓度。刚玉管附有防堵吹扫系统，且可定期维护烟气采集分析仪器的传感器。该处的CO一般为0ppm，CO浓度越高表示该处存在高温腐蚀的风险越大。
燃尽风监测模块A3在燃尽风喷口层标高上部1m、下部1m的四个墙面上各均匀布置4个采样管；所述采样管炉膛插入深度在炉膛温度1100℃左右的位置，采样管管材选用刚玉管，编号分别为A31～A3n。刚玉管连接烟气采集分析仪器，所述燃尽风监测模块A3监测的参数为CO和NO浓度。采样管附有防堵吹扫系统，且可定期维护烟气采集分析仪器的传感器。该处的CO一般为200pm以下，当CO浓度增高时表示炉膛上部缺氧需开大燃尽风门补充风量，一般控制在CO浓度在20ppm左右。该处NO的控制目标是最小浓度，根据脱硝设备的入口限制确定。
尾部烟道监测模块A4中监测的参数为O2、CO和NO浓度，控制目标为10ppm以下，且O2和NO浓度最低。当低负荷时汽温不足时，根据控制模块的信号提高O2浓度。
在每个区域建立相应的控制模块，控制各区域的配风系统。所有控制模块单元B整合为一个统一的控制模块，控制各区域的配风系统。控制模块单元B的控制模块留有接口连接电厂DCS和电厂控制系统，根据各个监测单元采集的数据，加入燃烧预测模型、燃烧寻优数据、锅炉负荷、调峰指令、各受热面汽温、汽压和壁温情况数据，输出控制信号至执行机构单元C，并同时接受监测单元采集的数据的变化情况，做出下一步操作指令。
与所述燃烧区监测模块A1相关的控制模块设有燃烧区预测模型、混煤燃烧预测模型、燃烧寻优曲线和一次二次周界风风量风门关系曲线，根据上述模型的计算结果输出指令到燃烧区监测模块构C1。与燃烧区监测模块A2相关的控制模块设有高温腐蚀预测模型、贴壁风量和贴壁风门关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到贴壁风区执行机构C2。与燃尽风区监测模块A3相关的控制模块设有高温腐蚀预测模型、燃尽风量和风门关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到燃尽风区执行机构C3。与尾部烟道区监测模块A4相关的控制模块有CO-O2关系曲线模型，总风量、各区域匹配模型、总风量与风机电流关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到尾部烟道区执行机构C4。同时要根据煤粉燃烧预测模型和锅炉调峰情况，输出各区域的配风参数，做到前置反馈和及时响应。
燃烧区执行机构模块C1包括与监测单元相应燃烧器的一次风门挡板、二次风门挡板、周界风挡板、给煤量控制器和给粉机转速控制器。贴壁风区执行机构模块C2包括贴壁风门挡板。燃尽风区执行机构模块C3包括燃尽风门挡板。尾部烟道区执行机构单元C4包括送风机挡板、一次风机挡板和引风机挡板。
每个区域的控制优先顺序为C1＞C2＞C3＞C4，首先完成高优先级区域的控制目标后再完成较低优先级区域的控制目标；当出现锅炉出现调峰时，及时反馈和响应。
本发明基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统是一种通过监测煤粉燃烧全过程进行配风的新方法。电站锅炉的监测点前置在煤粉燃烧全过程，有利于寻找煤粉燃烧过程燃尽、污染物排放规律，并据此精确配风，降低现阶段煤粉锅炉配风的盲目性，达到既提高锅炉效率又降低锅炉污染物排放的目的。其配风方法有极大的推广价值。将电站煤粉锅炉的监测点提前至燃烧全过程，可提高锅炉的燃烧的煤、风等的响应速度，保证电站锅炉实现快速调峰的目的。
本发明将煤粉燃烧全过程分为4个区域，分别是燃烧区、贴壁风区、燃尽风风区和尾部烟道区。根据每个区域不同的控制目标完成监测、控制、执行、反馈全过程。提高各个区域的响应速度，同时实现由小及大最终达到综合效果最优的结果。
本发明将煤粉燃烧全过程进行优先等级排序，从高到低分别是燃烧区、贴壁风区、燃尽风区和尾部烟道区。控制目标的顺序为稳燃-稳定运行-高效-低排放等四个阶段的目标。方法简单、目标明确，具有切实可行性。
本发明直接关注煤粉燃烧全过程，对于混煤掺烧时只需在控制模块中进行模型重建或进行数据寻优后，自动生成配风方法，简化了煤质变动后的燃烧调整过程，可积极指导电厂的混煤掺烧过程。
Claims (7)
1.一种基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，其特征是：所述系统包括：监测单元（A）、控制模块单元（B）和执行机构单元（C）；所述监测单元（A）与控制模块单元（B）通信连通，所述控制模块单元（B）与执行机构单元（C）通信连通；所述监测单元（A）发出监测参数的数据至控制模块单元（B）；所述控制模块单元（B）根据监测单元（A）发出的参数、位置信号，加入燃烧预测模型、燃烧寻优数据、锅炉负荷、调峰指令、各受热面汽温、汽压和壁温情况数据，输出控制信号至执行机构单元（C）；执行机构单元（C）输出的信号返回控制模块单元（B）；控制模块单元（B）根据执行机构单元（C）返回的信号和监测单元（A）下一步的监测数据，判定是否达到控制目标，发出执行机构操作指令和监测单元（A）的停启指令；基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统将煤粉燃烧全过程分为4个区域，分别是燃烧区、贴壁风区、燃尽风区和尾部烟道区，根据每个区域不同的控制目标完成监测、控制、执行、反馈全过程；所述监测单元（A）包括燃烧区监测模块（A1）、贴壁风监测模块（A2）、燃尽风区监测模块（A3）和尾部烟道区监测模块（A4）；所述燃烧区监测模块（A1）监测的参数为CO、NO和CO2，所述贴壁风监测模块（A2）监测的参数为CO浓度，所述燃尽风区监测模块（A3）监测的参数为CO和NO浓度，所述尾部烟道区监测模块（A4）中监测的参数为O2、CO和NO浓度；所述燃烧区监测模块（A1）、贴壁风监测模块（A2）、燃尽风区监测模块（A3）和尾部烟道区监测模块（A4）分别与控制模块单元（B）连通；所述执行机构单元（C）根据控制模块发出的指令进行动作，并及时反馈动作信号和位置信号；所述执行机构单元（C）包括燃烧区执行机构（C1）、贴壁风区执行机构（C2）、燃尽风区执行机构（C3）和尾部烟道区执行机构（C4），所述燃烧区执行机构（C1）、贴壁风区执行机构（C2）、燃尽风区执行机构（C3）和尾部烟道区执行机构（C4）分别与控制模块单元（B）连通；与所述燃烧区监测模块（A1）相关的控制模块设有燃烧区预测模型、混煤燃烧预测模型、燃烧寻优曲线和一次二次周界风风量风门关系曲线，根据上述模型的计算结果输出指令到燃烧区执行机构 （C1）；与贴壁风监测模块（A2）相关的控制模块设有高温腐蚀预测模型、贴壁风量和贴壁风门关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到贴壁风区执行机构（C2）；与燃尽风区监测模块（A3）相关的控制模块设有高温腐蚀预测模型、燃尽风量和风门关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到燃尽风区执行机构（C3）；与尾部烟道区监测模块（A4）相关的控制模块有CO-O2关系曲线模型，总风量、各区域匹配模型、总风量与风机电流关系曲线，根据上述模型和曲线的计算结果输出指令到尾部烟道区执行机构（C4）；同时要根据煤粉燃烧预测模型和锅炉调峰情况，输出各区域的配风参数，做到前置反馈和及时响应；所述燃烧区执行机构（C1）包括与监测单元（A）相应燃烧器的一次风门挡板、二次风门挡板、周界风挡板、给煤量控制器和给粉机转速控制器；所述贴壁风区执行机构（C2）包括贴壁风门挡板；所述燃尽风区执行机构（C3）包括燃尽风门挡板；所述尾部烟道区执行机构（C4）包括送风机挡板、一次风机挡板和引风机挡板。
2.根据权利要求1所述的基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，其特征是：所述燃烧区监测模块（A1）中沿燃烧器气流方向深入炉膛布置采样管，采样管深入的距离为炉膛温度1100℃左右时终止；所述采样管材选用耐高温的刚玉管；所述刚玉管连接烟气采集分析仪器；燃烧区附有防堵吹扫系统，且可定期维护烟气采集分析仪器的传感器，当该燃烧器停用时由控制单元发出指令退出采样管，停止烟气采集分析。
3.根据权利要求1所述的基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，其特征是：所述贴壁风监测模块（A2），在燃烧区每个墙面均匀布置4个采样管；所述采样管深入炉膛0.3±0.1 m，采样管材选用耐高温的刚玉管；刚玉管连接烟气采集分析仪器。
4.根据权利要求1所述的基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，其特征是：所述燃尽风区监测模块（A3）在燃尽风喷口层标高上部1m、下部1m的四个墙面上各均匀布置4个采样管；所述采样管炉膛插入深度在炉膛温度1100℃左右的位置，采样管管材选用刚玉管；刚玉管连接烟气采集分析仪器。
5.根据权利要求1所述的基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，其特征是：所述尾部烟道区监测模块（A4）中O2、CO和NO浓度控制目标为10ppm以下，且O2和NO浓度最低。
6.根据权利要求1所述的基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，其特征是：每个区域建立相应的控制模块，控制各区域的监测配风系统；所述控制模块单元（B）整合为一个统一的控制模块，控制各区域的配风系统；所述控制模块单元（B）的控制模块留有接口连接电厂DCS和电厂控制系统，根据各个监测单元（A）采集的数据，加入燃烧预测模型、燃烧寻优数据、锅炉负荷、调峰指令、各受热面汽温、汽压和壁温情况数据，输出控制信号至执行机构单元（C），并同时接受监测单元（A）采集的数据的变化情况，做出下一步操作指令。
7.根据权利要求1所述的基于煤粉燃烧全过程烟气成分监测配风系统，其特征是：每个区域的控制优先顺序为C1＞C2＞C3＞C4，首先完成高优先级区域的控制目标后再完成较低优先级区域的控制目标；当出现锅炉出现调峰时，及时反馈和响应。
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