CN112255978A - 一种燃煤锅炉智慧运维系统及方法 - Google Patents

一种燃煤锅炉智慧运维系统及方法 Download PDF

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CN112255978A CN202011080798.7A CN202011080798A CN112255978A CN 112255978 A CN112255978 A CN 112255978A CN 202011080798 A CN202011080798 A CN 202011080798A CN 112255978 A CN112255978 A CN 112255978A
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黄辉
许涛
岳良
李阳海
王盼盼
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G—PHYSICS
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    • G05B2219/32—Operator till task planning
    • G05B2219/32339—Object oriented modeling, design, analysis, implementation, simulation language

Abstract

本发明提供一种燃煤锅炉智慧运维系统及方法，系统包括数据采集模块、数据分析模块、性能评估模块及锅炉自动控制耦合模块，所述数据采集模块采集的数据包括DCS系统锅炉运行数据和导入的化验数据，数据分析模块连接数据采集模块，用以接收数据采集模块采集的数据并进行数据计算和分析；性能评估模块连接数据分析模块，用以接收数据分析模块计算和分析后的数据；锅炉自动控制耦合模块连接性能评估模块，将解决问题的具体方案措施耦合到锅炉自动控制单元，对锅炉主辅设备进行自动优化调整，使锅炉运行工况达到最佳状态，锅炉调整后参数又重新导入至数据采集模块，建立循环。本发明帮助发电企业挖掘机组增效潜能、提升企业智慧运维水平。

Description

一种燃煤锅炉智慧运维系统及方法
技术领域
本发明涉及火力发电厂节能减排与智慧能源技术领域，具体是一种燃煤锅炉智慧运维系统及方法。
背景技术
随着我国以风电、太阳能为代表的新能源产业投资比例的不断增加，近年来我国发电能力结构逐步优化，但以燃煤为主的火力发电仍占有不可替代的比重(截止到2019年，火电占比59.2％)。因我国能源结构特点，以燃煤为主的火力发电仍将是我国主要的发电方式。
当前燃煤锅炉运维有以下特点：
一是，随着锅炉各主辅设备设计、制造、安装、调试水平的逐步提升，锅炉运行的安全性、可靠性、稳定性以及锅炉在线测量装置的准确性、代表性均得到大幅度提高，这也进一步促进锅炉自动化水平的提升。基于此，如何对DCS控制系统在线测点采集的数据进行深入挖掘，用以指导并优化锅炉经济运维将变得可行且意义重大。
二是，随着发电厂运行人员结构日趋年轻化、精简化以及发电企业经营压力的增加，如何帮助发电企业克服人员紧缺、经验欠缺等问题提升企业经济效益，建立一套完备地能随时指导锅炉经济运维的智慧控制系统则变得很有必要且很有意义。
三是，随着新能源不断接入电网，为减少弃风、弃光比例，火力发电企业必须面临频繁的调峰现状，如何使锅炉在满足调峰需求的同时尽量提高运行经济性能，则需要一套实时、在线、可行的智慧运维系统来解决人员的反应滞后性及不确定性问题。
综上，建立一套基于DCS控制系统在线测点采集的数据、搭建适当的数据分析模块、构建正确的性能评估模型、耦合传统的锅炉自动控制系统的智慧运维系统，帮助发电企业挖掘机组增效潜能、提升企业智慧运维水平，则显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃煤锅炉智慧运维系统及方法，帮助发电企业挖掘机组增效潜能、提升企业智慧运维水平。
本发明的技术方案：
一种燃煤锅炉智慧运维系统，包括数据采集模块、数据分析模块、性能评估模块及锅炉自动控制耦合模块，
所述数据采集模块采集的数据包括DCS系统锅炉运行数据和导入的化验数据，数据分析模块连接数据采集模块，用以接收数据采集模块采集的数据并进行数据计算和分析；
性能评估模块连接数据分析模块，用以接收数据分析模块计算和分析后的数据，然后对锅炉运行状况进行全面评估诊断，判断造成当前锅炉运行问题的原因并自主寻找到解决问题的具体方案措施；
锅炉自动控制耦合模块连接性能评估模块，将解决问题的具体方案措施耦合到锅炉自动控制单元，对锅炉主辅设备进行自动优化调整，使锅炉运行工况达到最佳状态，锅炉调整后参数又重新导入至数据采集模块，建立循环。
所述数据分析模块包含以下内容：
1)锅炉侧总电耗计算主方程式；
2)空预器性能计算主方程式；
3)燃烧器层过量空气系数计算主方程式；
5)脱硝系统理论耗氨量计算主方程式；
6)脱硝系统发每度电耗氨量计算主方程式；
7)输入系统各项外来热量计算主方程式；
8)锅炉热损失和效率计算主方程式；
9)锅炉辅机效率及电耗主方程式；
10)介质吸热主方程式。
所述性能评估模块包含以下内容：
1)制粉系统运行评估模型：包括运行方式评估、磨煤机投运时机评估、磨出口风粉温度评估、磨入口风量评估、煤粉细度评估；
2)风量评估模型：包括总风量评估、二次风量评估；
3)一次风压评估模型；
4)空预器性能评估：包括空预器安全性能评估、空预器阻力评估、空预器漏风评估、排烟温度评估；
5)锅炉热效率评估；
6)介质吸热能力评估；
7)热工测点评估：包括测点准确性评估、测点代表性评估、测点改造建议；
8)锅炉检修评估：包括检修建议指导、检修效果评估。
一种燃煤锅炉智慧运维系统运行方法，包括以下具体步骤：
第一步：数据采集，包括DCS系统锅炉运行数据采集和化验数据导入两部分，化验数据导入包括在DCS系统输入界面增加数据导入子模块；数据导入包括输入煤煤质化验结果、中速磨石子煤化验结果、煤粉细度化验结果；需导入数据通过发电企业建立专项化验制度获取，每个运行班取样化验一次，化验结果出来后由运行人员及时导入DCS系统输入界面；
第二步：数据分析，利用数据采集模块获取的实时在线数据，按照锅炉热力计算相关标准及规程提供的计算方法构建数据分析主方程式；
第三步：性能评估，在数据分析结果的基础上，通过搭建评估模型对当前锅炉运行状况进行全面评估诊断，并自主分析当前锅炉存在的运行问题及原因，自动寻找问题的解决方案措施；
第四步：锅炉自动控制耦合，通过性能评估得到的锅炉运行问题解决方案及措施，通过合理的算法与锅炉自动控制相耦合，对锅炉主辅设备进行自动优化调整，使锅炉运行工况达到最佳状态；
第五步：循环建立，通过锅炉智慧运维系统自动优化调整后的数据返送至数据采集模块重复第二步，从而建立智慧运维循环。
所述第二步中数据分析的方程式包括：
1)锅炉侧总电耗计算主方程式；
2)空预器性能计算主方程式；
3)燃烧器层过量空气系数计算主方程式；
5)脱硝系统理论耗氨量计算主方程式；
6)脱硝系统发每度电耗氨量计算主方程式；
7)输入系统各项外来热量计算主方程式；
8)锅炉热损失和效率计算主方程式；
9)锅炉辅机效率及电耗主方程式；
10)介质吸热主方程式。
所述第三步中性能评估包括
1)制粉系统运行评估模型：包括运行方式评估、磨煤机投运时机评估、磨出口风粉温度评估、磨入口风量评估、煤粉细度评估；
2)风量评估模型：包括总风量评估、二次风量评估；
3)一次风压评估模型；
4)空预器性能评估：包括空预器安全性能评估、空预器阻力评估、空预器漏风评估、排烟温度评估；
5)锅炉热效率评估；
6)介质吸热能力评估；
7)热工测点评估：包括测点准确性评估、测点代表性评估、测点改造建议；
8)锅炉检修评估：包括检修建议指导、检修效果评估。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：建立一套包括数据采集模块、数据分析模块、性能评估模块、锅炉自动控制耦合的火力发电厂锅炉智慧运维系统，帮助发电企业挖掘机组增效潜能、提升企业智慧运维水平。
附图说明
图1为本发明运维系统示意图。
图2为本发明实施例数据采集模块中化验数据导入子模块示意图。
图3为本发明实施例数据分析模块示意图。
图4为本发明实施例性能评估模块示意图。
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。
下面结合某660MW燃煤锅炉上搭建的锅炉智慧运维系统为例，进一步阐述本发明技术思路。本实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，不同大小、类型的锅炉可针对性地搭建智慧运维系统，本领域技术人员基于此对本发明作各种修改或改动同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明涉及的锅炉智慧运维系统由数据采集模块、数据分析模块、性能评估模块、锅炉自动控制耦合四部分构成。
第一步，数据采集。如图2所示，本发明数据采集模块中化验数据导入子模块包括燃煤煤质数据、煤粉细度、飞灰、炉渣、石子煤参数等，同时包括数据开始导入、导入完成并开始计算功能。
第二步，数据分析。如图3所示，本发明数据分析模块包括风机效率计算、制粉系统性能计算、脱硝系统性能计算、受热面换热计算、锅炉热损失及热效率计算、空预器性能计算、过量空气系数计算等。
风机效率计算主方程式：
①风机空气功率
Figure BDA0002718648340000061
②风机轴效率
Figure BDA0002718648340000062
③风机总效率
Figure BDA0002718648340000063
式中：qm.S为风机流量；ΔPS风机压头；ρm风机进出口平均密度；Pa风机轴功率；Pe风机输入功率。
1、制粉系统性能计算主程式
①磨煤机风煤比
Figure BDA0002718648340000064
②磨煤机负荷率
Figure BDA0002718648340000065
③制粉系统总输入功率
Pzf＝Pm+Pfc+Pmf+Pfl+PPA (6)
④磨煤机单耗
Figure BDA0002718648340000066
⑤制粉单耗(考虑磨煤机、给煤机、旋转分离器、密封风机、一次风机)
Figure BDA0002718648340000067
式中：Qm.en磨入口风量；Bm磨煤机出力；Pm磨煤机电耗；Pfc给煤机电耗；Pmf密封风机分摊电耗；Pfl旋转分离器电耗；PPA一次风机分摊电耗。
2、脱硝系统性能计算主方程式
①实际氨耗量
Figure BDA0002718648340000071
②理论氨耗量
Figure BDA0002718648340000072
③每度电耗氨率
Figure BDA0002718648340000073
式中：qm尿素水解后氨蒸汽流量；NOSCR.EN脱硝进口NO浓度；Vgy.SCR.EN脱硝进口单位燃料烟气体积；NOSCR.LV脱硝出口NO浓度；Vgy.SCR.LV脱硝出口单位燃料烟气体积；B总燃料量；E总发电量。
3、受热面换热计算主方程式
①介质侧吸热量
Qw＝qw×(hsrm.lv-hsrm.en) (12)
式中：qw受热面介质流量；hsrm.lv受热面出口焓；hsrm.en受热面进口焓。
4、锅炉热损失及热效率计算
①外来热量总和
Qex＝Qf+Qaux+Qa.d+Qwv+Qfg.SCR (13)
②排烟热损失
Figure BDA0002718648340000074
③气体未完全燃烧热损失
Figure BDA0002718648340000075
④固体未完全燃烧热损失
Figure BDA0002718648340000076
⑤灰渣物理显热损失
Figure BDA0002718648340000081
⑥其它热损失
Figure BDA0002718648340000082
⑦输入系统的外来热量增量
Figure BDA0002718648340000083
⑧锅炉效率
η＝100-q2-q3-q4-q5-q6-qoth+qex (20)
式中：Qf燃料物理显热；Qaux辅助设备带入热量；Qa.d干空气带入热量；Qwv空气中水带入热量；Qfg.SCR脱硝投运带入热量；Vfg.d.AH.lv空预器出口干烟气量；cp.fg.d空预器出口干烟气比热；Vwv.fg.AH.lv空预器出口烟气中水蒸汽量；cp.wv空预器出口烟气中水蒸汽比热；Qnet.ar燃料低位热值；tfg.AH.lv空预器出口烟气温度；tre参考温度；COAH.lv空预器出口烟气中CO浓度；Asar煤中灰分含量；ωc.rs.m灰渣平均可燃物含量；ωs渣可燃物含量；cs渣比热；ts排渣温度；ωc.s渣份额；ωas灰可燃物含量；cas灰比热；tas灰温度；ωc.as灰份额；qm.pr石子煤流量；Qnet.pr石子煤热值；qm.f总燃料量。
5、空预器性能计算
①空预器漏风率
Figure BDA0002718648340000084
②空预器烟气侧换热效率
Figure BDA0002718648340000085
③空预器烟气侧压降
Δpfg＝pfg.AH.en-pfg.AH.lv (23)
④因给水温度偏差造成排烟温度修正值
Figure BDA0002718648340000091
⑤因进风温度偏差造成排烟温度修正值
Figure BDA0002718648340000092
⑥修正后排烟温度
tfg.AH.lv.cr＝tfg.AH.lv.m+Δtcr.a+Δtcr.fw (26)
式中：ωAH.lv空预器出口烟气量；ωAH.en空预器进口烟气量；tfg.AH.en.m空预器进口烟气温度；tfg.AH.lv.nl空预器出口无漏风修正温度；ta.AH.en.m空预器进口空气温度；pfg.AH.en空预器进口烟气压力；pfg.AH.lv空预器出口烟气压力；tfg.ECO.en省煤器进口烟温；tfg.ECO.lv省煤器出口烟温；tfw.m实际给水温度；tfg.AH.lv空预器出口烟温；ta.AH.en空预器进口空气温度；tfg.AH.en空预器进口烟温；tfw.d设计给水温度。
6、过量空气系数计算
④一次风率
Figure BDA0002718648340000093
⑤二次风率
Figure BDA0002718648340000094
⑥燃尽风率
Figure BDA0002718648340000095
⑦主燃烧区过量空气系数
Figure BDA0002718648340000101
⑧炉膛出口过量空气系数
Figure BDA0002718648340000102
⑨层燃烧区过量空气系数
Figure BDA0002718648340000103
式中：
Figure BDA0002718648340000104
总一次风量；Qm.t总风量；
Figure BDA0002718648340000105
总二次风量；
Figure BDA0002718648340000106
总燃尽风量；
Figure BDA0002718648340000107
实际燃料燃烧总风量；Qm.s.iA+Qm.s.iB+Qm.p.i每一层实际总风量；(1+ha.ab)Mq.a.d.th.cr×Bm.i每一层按实际燃料燃烧需要总风量。
第三步，性能评估。如图4所示，本发明性能评估模块包括制粉系统评估、风量评估、一次风压评估、空预器性能评估、脱硝性能评估、锅炉热效率评估、介质吸热能力评估、热工测点评估、锅炉检修评估等。
1、制粉系统评估
Figure BDA0002718648340000108
Figure BDA0002718648340000109
Figure BDA0002718648340000111
Figure BDA0002718648340000112
Figure BDA0002718648340000113
Figure BDA0002718648340000121
Figure BDA0002718648340000122
2、风量评估
Figure BDA0002718648340000123
3、一次风压评估
Figure BDA0002718648340000124
Figure BDA0002718648340000131
4、空预器性能评估(包括锅炉检修评估)
Figure BDA0002718648340000132
Figure BDA0002718648340000133
Figure BDA0002718648340000134
Figure BDA0002718648340000141
Figure BDA0002718648340000142
Figure BDA0002718648340000151
5、脱硝性能评估(包括测点评估、锅炉检修评估)
Figure BDA0002718648340000152
6、锅炉热效率评估
Figure BDA0002718648340000161
Figure BDA0002718648340000171
第四步，锅炉自动控制耦合。通过性能评估得到的锅炉运行问题解决方案及措施，通过合理的算法与锅炉自动控制相耦合，对锅炉主辅设备进行自动优化调整，使锅炉运行工况达到最佳状态。
第五步：循环建立。通过锅炉智慧运维系统自动优化调整后的数据返送至数据采集模块重复第二步，从而建立智慧运维循环。
此外，应当理解，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。

Claims (6)

1.一种燃煤锅炉智慧运维系统，其特征在于，包括数据采集模块、数据分析模块、性能评估模块及锅炉自动控制耦合模块，
所述数据采集模块采集的数据包括DCS系统锅炉运行数据和导入的化验数据，数据分析模块连接数据采集模块，用以接收数据采集模块采集的数据并进行数据计算和分析；
性能评估模块连接数据分析模块，用以接收数据分析模块计算和分析后的数据，然后对锅炉运行状况进行全面评估诊断，判断造成当前锅炉运行问题的原因并自主寻找到解决问题的具体方案措施；
锅炉自动控制耦合模块连接性能评估模块，将解决问题的具体方案措施耦合到锅炉自动控制单元，对锅炉主辅设备进行自动优化调整，使锅炉运行工况达到最佳状态，锅炉调整后参数又重新导入至数据采集模块，建立循环。
2.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉智慧运维系统，其特征在于，所述数据分析模块包含以下内容：
1)锅炉侧总电耗计算主方程式；
2)空预器性能计算主方程式；
3)燃烧器层过量空气系数计算主方程式；
5)脱硝系统理论耗氨量计算主方程式；
6)脱硝系统发每度电耗氨量计算主方程式；
7)输入系统各项外来热量计算主方程式；
8)锅炉热损失和效率计算主方程式；
9)锅炉辅机效率及电耗主方程式；
10)介质吸热主方程式。
3.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉智慧运维系统，其特征在于，所述性能评估模块包含以下内容：
1)制粉系统运行评估模型：包括运行方式评估、磨煤机投运时机评估、磨出口风粉温度评估、磨入口风量评估、煤粉细度评估；
2)风量评估模型：包括总风量评估、二次风量评估；
3)一次风压评估模型；
4)空预器性能评估：包括空预器安全性能评估、空预器阻力评估、空预器漏风评估、排烟温度评估；
5)锅炉热效率评估；
6)介质吸热能力评估；
7)热工测点评估：包括测点准确性评估、测点代表性评估、测点改造建议；
8)锅炉检修评估：包括检修建议指导、检修效果评估。
4.一种燃煤锅炉智慧运维系统运行方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
第一步：数据采集，包括DCS系统锅炉运行数据采集和化验数据导入两部分，化验数据导入包括在DCS系统输入界面增加数据导入子模块；数据导入包括输入煤煤质化验结果、中速磨石子煤化验结果、煤粉细度化验结果；需导入数据通过发电企业建立专项化验制度获取，每个运行班取样化验一次，化验结果出来后由运行人员及时导入DCS系统输入界面；
第二步：数据分析，利用数据采集模块获取的实时在线数据，按照锅炉热力计算相关标准及规程提供的计算方法构建数据分析主方程式；
第三步：性能评估，在数据分析结果的基础上，通过搭建评估模型对当前锅炉运行状况进行全面评估诊断，并自主分析当前锅炉存在的运行问题及原因，自动寻找问题的解决方案措施；
第四步：锅炉自动控制耦合，通过性能评估得到的锅炉运行问题解决方案及措施，通过合理的算法与锅炉自动控制相耦合，对锅炉主辅设备进行自动优化调整，使锅炉运行工况达到最佳状态；
第五步：循环建立，通过锅炉智慧运维系统自动优化调整后的数据返送至数据采集模块重复第二步，从而建立智慧运维循环。
5.根据权利要求4所述的一种燃煤锅炉智慧运维系统运行方法，其特征在于，所述第二步中数据分析的方程式包括：
1)锅炉侧总电耗计算主方程式；
2)空预器性能计算主方程式；
3)燃烧器层过量空气系数计算主方程式；
5)脱硝系统理论耗氨量计算主方程式；
6)脱硝系统发每度电耗氨量计算主方程式；
7)输入系统各项外来热量计算主方程式；
8)锅炉热损失和效率计算主方程式；
9)锅炉辅机效率及电耗主方程式；
10)介质吸热主方程式。
6.根据权利要求4所述的一种燃煤锅炉智慧运维系统运行方法，其特征在于，所述第三步中性能评估包括
1)制粉系统运行评估模型：包括运行方式评估、磨煤机投运时机评估、磨出口风粉温度评估、磨入口风量评估、煤粉细度评估；
2)风量评估模型：包括总风量评估、二次风量评估；
3)一次风压评估模型；
4)空预器性能评估：包括空预器安全性能评估、空预器阻力评估、空预器漏风评估、排烟温度评估；
5)锅炉热效率评估；
6)介质吸热能力评估；
7)热工测点评估：包括测点准确性评估、测点代表性评估、测点改造建议；
8)锅炉检修评估：包括检修建议指导、检修效果评估。
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