CN1120956C - 锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锅炉炉膛燃烧控制方法，特别涉及多火嘴炉膛燃烧优化控制，适合四角切圆燃烧锅炉的燃烧监控。本发明在炉膛内布置多个火焰图象探测器，获取炉膛三维温度分布，然后通过检测数据拟合辐射能E同机组发电负荷N_E之间的关系式，测试火焰中心高度、火焰断面温度中心随各层、各角燃烧器燃料量、风量分配比例变化的变化规律，在根据负荷和锅炉主蒸汽压力反馈信号给出的锅炉总燃料量和总风量确定的情况下，根据火焰中心偏离其理想位置的状态给出各层、各角燃烧器中燃料量和风量的分配的控制指令，从而实现高效、低氮氧化物排放优化控制。

Description

锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法

技术领域

本发明属于锅炉炉膛燃烧的控制方法，特别涉及多火嘴炉膛燃烧优化控制。

背景技术

为了降低火电站NO_X排放水平，实践中应用的分级燃烧、烟气再循环、催化燃烧、选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)，以及非选择性催化还原法(NSCR)等，均需要投入巨资进行锅炉设备改造或者烟气处理装置建设。对于单火嘴燃烧系统，直接检测烟气中NO_X排放量等参数对燃料量和风量进行优化控制能够取得很好的效果。但对多火嘴的锅炉燃烧系统，文献(K.Pitscheider and E.Welfonder，Modelbasedonline minimization of NO_X-emission in power plants with pulverized coalcombustion，Proceedings of the 13th IFAC World Congress，Volume O，PowerPlants and Systems，Computer Control，Edited by J.J.Gertler，J.B.Cruz Jr andM.Peshkin，San Francisco，USA，30th June-5th July 1996，pp.49-54.)认为实施NO_X优化控制的困难在于锅炉燃烧系统的输入参量很多，包括各个火嘴的燃料和一次风量、二次、三次风量，以及燃尽风量，而从烟气中测量得到的输出参量数量一般较小。为此，该文献将汽水系统作为燃烧系统的辅助系统一并考虑，通过汽水系统的参数检测和分析，获得燃烧侧物理和化学现象的在线信息，比如，从汽水系统各部件的吸热分析中获得燃烧烟气温度沿炉膛高度的变化情况。该文献报道的燃烧控制方法能够分别给出各层燃烧器燃烧器燃料量和风量不同的控制指令。事实上，采用烟气中气体成分测量值作为输入控制NO_X生成的时间延迟比起燃烧反应的时间尺度而言太长，从汽水系统分析中获取燃烧系统的信息也是间接的。所以文献(R.Obertacke，H.Wintrich，F.Wintrich and A.Leipertz，A new sensorsystem for industrial combustion monitoring and control using UV emissionspectroscopy and tomography，Combustion science and Technology，1996，121：133-151)指出，炉内温度和中间产物分布的同时测量将是加快测量结果响应速度的必然选择。但该文献仅仅讨论了用于燃烧控制的二维断面温度分布检测方法，没有论及燃烧控制方法。申请者所提出的“炉膛燃烧温度场检测方法”已获得国家知识产权局发明专利(专利号ZL95114823.0)授权，该方法在炉膛燃烧二维温度场检测的基础上，通过在被测对象不同角度不同高度提取多幅燃烧二维辐射图象，从图象上各点所对应的从炉内接受的辐射能同炉内三维空间中相关点辐射能的对应关系得到三维燃烧温度分布，但直到目前还没有见到将炉膛燃烧温度场可视化结果应用于多火嘴燃烧系统低NO_X排放的优化控制中。

发明内容

本发明的任务是提出一种在炉膛燃烧三维温度场可视化基础上实现的电站锅炉多火嘴炉膛低氮氧化物排放燃烧优化控制方法，为此，本发明将影响锅炉氮氧化物(NO_X)排放总量(输出变量)的所有燃烧器各自的燃料量、一次风、二次风量，以及三次风、燃尽风量等众多变量作为输入(控制)变量，将炉膛三维燃烧温度分布作为中间变量，以优化炉膛三维燃烧温度场分布为基础实现入炉燃料量及其在各层、各角燃烧器中的分配、风煤配比和配风方式的全面优化控制，在维持燃烧经济性的同时最大限度地达到低NO_X排放。

本发明的锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法，在炉膛四周不同高度不同角度布置火焰图象探测器，获取炉内燃烧二维辐射图象，再从图象上各点所对应的从炉内接受的辐射能同炉内三维空间中相关点辐射能的对应关系得到三维燃烧温度分布T_i，j，k，其特征为：

(1)检测系统在锅炉运行中采集炉膛总辐射能水平E和机组发电

负荷N_E的数据，进行线性拟合得到：

N_E＝a₀+a₁E+a₂E²+a₃E³，其中 $E=\underset{i,j,k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_0{T}_{i,j,k}^4,$ σ₀为斯蒂芬-玻尔茨曼常数；

(2)对应不同负荷，测试建立相应总燃料量和总风量不变条件下，不同层燃烧器之间燃料量和风量分配比例变化时火焰中心高度变化的规律；

(3)测试建立同层燃烧器之间燃料量和风量分配比例变化时火焰中心在水平面上的变化规律；

(4)确定不同负荷所对应的火焰中心理想高度，某一负荷下总燃料量和总风量不变，改变燃料量和风量在各层燃烧器间的分配比例，记录锅炉蒸汽流量D和火焰中心高度H，若锅炉蒸汽流量D增加，则在相同改变方向进一步改变燃料量和风量在各层燃烧器间的分配比例，重复进行，直至蒸汽流量D减少发生，前一次火焰中心即为该负荷下火焰中心的理想位置；

(5)负荷指令N经过前馈控制器产生负荷反馈信号，锅炉主蒸汽压力P和蒸汽压力设定值P”比较后经反馈控制器产生压力反馈信号，负荷反馈信号和压力反馈信号共同产生燃烧率指令信号F；

(6)燃烧率指令信号F同机组发电能力N_E比较，获得偏差信号R，R＝F-N_F，偏差信号R和烟气含氧量信号O₂均送进辐射能控制器，产生锅炉总燃料量TF和总风量TA控制指令；

(7)根据火焰中心位置在高度方向的变化分配总燃料量和总风量

沿炉膛高度的不同层燃烧器中的比例，如果火焰中心从理想位

置上移，则减少总燃料量和总风量在上层燃烧器中的分配比例、

增加总燃料量和总风量在下层燃烧器中的比例，反之亦然，燃

料量和风量增减幅度按(2)中规律决定：(8)根据火焰中心位置在水平面上的偏移改变同层燃烧器中燃料

量和风量在不同位置燃烧器的分配比例，如果火焰中心从炉膛

几何中心偏向一侧，则应减少该侧燃烧器中分配的燃料量和风

量，增加与之相对的另一侧燃烧器中分配的燃料器和风量，反

之亦然，燃料量和风量增减的幅度按(3)中规律决定。所述的锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法，其进一步的特征在于：

(1)火焰中心由炉膛最高温度所在位置i_c,j_c,k_c描述， $T_{i_c,j_c,k_c}=\max \{T_{i,j,k},i=1,\·\·\·,I,j=1,\·\·\·,J,k=1,\·\·\·K\}$

(2)测试建立不同层燃烧器之间燃料量和风量比例变化时火

焰中心高度变化的规律：设有Q层燃烧器，将q₁层燃料量和风量减少ΔFA加至q₂层燃烧器中，火焰中心高度变化量ΔH，则 $\frac{\∂H}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{q_1,q_2}\≈\frac{\mathrm{\ΔH}}{\mathrm{\ΔFA}},$ 这里 $\frac{\∂H}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{q_1,q_2}=(-1)\frac{\∂H}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{q_2,q_1},$ $\frac{\∂H}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{q_1,q_1}=0,q_1,q_2=\mathrm{1,2},\·\·\·,\mathrm{\θ}$ 对于θ层燃烧器，测试次数为θ·(θ-1)/2，

(3)测试建立同层燃烧器之间燃料量和风量分配比例变化时

火焰中心在水平面上的变化规律：设每层有S个燃烧器，将S₁个燃烧器的燃料量和风量减少ΔFA，加至S₂个燃烧器中，火焰中心在水平面上的变化量分别为ΔX,ΔY，则 $\frac{\∂X}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_2}\≈\frac{\mathrm{\ΔX}}{\mathrm{\ΔFA}},\frac{\∂Y}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_2}\≈\frac{\mathrm{\ΔY}}{\mathrm{\ΔFA}},$ 这里， $\frac{\∂X}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_2}=(-1)\frac{\∂X}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_2,S_1},\frac{\∂X}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_1}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_2}=(-1)\frac{\∂Y}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_2,S_1},\frac{\∂Y}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1{S}_1}=0,$

对于S个燃烧器，测试次数为S×(S-1)/2。

所述的锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法，所述前馈控制器、反馈控制器和辐射能控制器均司以采用PID控制器。

本发明具有如下优点：

一、由于NO_X排放量受炉膛燃烧温度水平的强烈影响，该控制方法通过检测控制燃料总量和与之相适应的风量，使得炉内燃烧放热量水平适应锅炉负荷需要。这样可避免燃烧温度超过锅炉实际需要，其结果是既避免了多余的燃料进入炉膛燃烧造成燃料的浪费、又避免了炉膛燃烧温度过高造成NO_X产生量增加。

二、通过控制各层、各角燃烧器中分配的燃料量和风量，使得炉膛燃烧火焰中心处于锅炉运行的最优位置，其效果是避免了炉膛局部超温可能引起的局部NO_X生成量的增加、同时燃烧效率得到了有效保证。

三、这种方法可使锅炉在运行过程中维持燃烧经济性的同时实现低NO_X排放，对改善大气环境具有重要的环保价值。同时，与其它需要投入巨资进行锅炉设备改造或者烟气处理装置建设的低NO_X排放控制技术相比，本发明作为一种燃烧污染控制技术成本低廉，特别适合四角切圆燃烧锅炉的燃烧监控。

附图说明

图1为锅炉燃烧控制系统示意图，图中N为负荷指令，通过前馈控制器D₁产生负荷反馈信号，P为锅炉主蒸汽压力，P”为蒸汽压力设定值，经反馈控制器D₂产生压力反馈信号，F为燃烧率指令信号，E为锅炉炉膛总辐射能水平，N_E为其对应的机组发电负荷，R为偏差信号，O₂为烟气含氧量信号，它们均送进辐射能控制器D₃产生锅炉总燃料量TF和总风量TA控制指令，D₄为被控锅炉。

具体实施方式

对一台420t/h四角切圆锅炉，八只燃烧器分两层布置在锅炉四角，用八支火焰彩色(可见光)图像探测器组成的检测系统获取炉膛三维温度分布，然后通过检测数据拟合辐射能E同机组发电负荷N_E之间的关系式，用于燃料总量和风量的控制；测试火焰中心高度、火焰断面温度中心同各层各角燃烧器之间燃料量、风量分配比例变化的变化规律，根据火焰中心高度和火焰断面温度中心偏离它们的理想位置的状况给出各层各角燃烧器中燃料量和风量的分配的控制指令，从而实现高效、低氮氧化物排放优化控制。

Claims (3)

1.一种锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法，在炉膛四周不同高度不同角度布置火焰图象探测器，获取炉内燃烧二维辐射图象，再从图象上各点所对应的从炉内接受的辐射能同炉内三维空间中相关点辐射能的对应关系得到三维燃烧温度分布T_i，j，k，其特征为：

(1)检测系统在锅炉运行中采集炉膛总辐射能水平E和机组发电负荷N_E的数据，进行线性拟合得到：

N_E＝a₀+a₁E+a₂E²+a₃E³，其中 $E=\underset{i,j,k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_0{T}_{i,j,k}^4,$ σ₀为斯蒂芬-玻尔茨曼常数；

(2)对应不同负荷，测试建立相应总燃料量和总风量不变条件下，不同层燃烧器之间燃料量和风量分配比例变化时火焰中心高度变化的规律；

(3)测试建立同层燃烧器之间燃料量和风量分配比例变化时火焰中心在水平面上的变化规律；

(4)确定不同负荷所对应的火焰中心理想高度，某一负荷下总燃料量和总风量不变，改变燃料量和风量在各层燃烧器间的分配比例，记录锅炉蒸汽流量D和火焰中心高度H，若锅炉蒸汽流量D增加，则在相同改变方向进一步改变燃料量和风量在各层燃烧器间的分配比例，重复进行，直至蒸汽流量D减少发生，前一次火焰中心即为该负荷下火焰中心的理想位置；

(5)负荷指令N经过前馈控制器产生负荷反馈信号，锅炉主蒸汽压力P和蒸汽压力设定值P”比较后经反馈控制器产生压力反馈信号，负荷反馈信号和压力反馈信号共同产生燃烧率指令信号F；

(6)燃烧率指令信号F同机组发电能力N_E比较，获得偏差信号R，

R＝F-N_E，偏差信号R和烟气含氧量信号O₂均送进辐射能控制

器，产生锅炉总燃料量TF和总风量TA控制指令；

(7)根据火焰中心位置在高度方向的变化分配总燃料量和总风量

沿炉膛高度的不同层燃烧器中的比例，如果火焰中心从理想位

置上移，则减少总燃料量和总风量在上层燃烧器中的分配比例、

增加总燃料量和总风量在下层燃烧器中的比例，反之亦然，燃

料量和风量增减幅度按(2)中规律决定；

(8)根据火焰中心位置在水平面上的偏移改变同层燃烧器中燃料

量和风量在不同位置燃烧器的分配比例，如果火焰中心从炉膛

几何中心偏向一侧，则应减少该侧燃烧器中分配的燃料量和风

量，增加与之相对的另一侧燃烧器中分配的燃料器和风量，反

之亦然，燃料量和风量增减的幅度按(3)中规律决定。

2．如权利要求1所述的锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法，其特征在于：

(1)火焰中心由炉膛最高温度所在位置i_c,j_c,k_c描述， $T_{i_c,j_c,k_c}=\max \{T_{i,j,k},i=1,\·\·\·,I,j=1,\·\·\·,J,k=1,\·\·\·K\}$

(2)测试建立不同层燃烧器之间燃料量和风量比例变化时火焰中心高度变化的规律：设有Q层燃烧器，将q₁层燃料量和风量减少ΔFA，加至q₂层燃烧器中，火焰中心高度变化量ΔH，则 $\frac{\∂H}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{q_1,q_2}\≈\frac{\mathrm{\ΔH}}{\mathrm{\ΔFA}},$ 这里 $\frac{\∂H}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{q_1,q_2}=(-1)\frac{\∂H}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{q_2,q_1},$ $\frac{\∂H}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{q_1{q}_1}=0,q_1,q_2=\mathrm{1,2},\·\·\·,\mathrm{\θ}$ 对于θ层燃烧器，测试次数为θ×(θ-1)/2，(3)测试建立同层燃烧器之间燃料量和风量分配比例变化时火焰

中心在水平面上的变化规律：设每层有S个燃烧器，将S₁燃烧器的燃料量和风量减少ΔFA，加至S₂燃烧器中，火焰中心在水平面上的变化量分别为ΔX，ΔY，则 $\frac{\∂X}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1{S}_2}\≈\frac{\mathrm{\ΔX}}{\mathrm{\ΔFA}},\frac{\∂Y}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_2}\≈\frac{\mathrm{\ΔY}}{\mathrm{\ΔFA}},$ 这里， $\frac{\∂X}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_2}=(-1)\frac{\∂X}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_2,S_1},\frac{\∂X}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_1}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_2}=(-1)\frac{\∂Y}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_2,S_1},\frac{\∂Y}{\∂\mathrm{FA}}{|}_{S_1,S_1}=0,$

对于S个燃烧器，测试次数为S×(S-1)/2。

3.如权利要求1或权利要求2所述的锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法，其特征在于所述前馈控制器、反馈控制器和辐射能控制器采用PID控制器。