CN112446156A - 基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法 - Google Patents

基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法，其特征在于：步骤一：将影响飞灰含碳量的燃烧因子分解为热风温度因子、燃尽因子、一次风压因子和煤质因子；步骤二、根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵得到四个因子的影响权重；并对飞灰含碳量建立因子分析模型；本发明采用的建模方法相比于其它建模方法，不受算法的限制，在DCS系统中实用性较强；数据较其它单一算法更全面；与硬件测量比对，参数的适应性更强；具有超前性和灵敏度高、稳定性好、测量精确度高、通用性强的特点，可广泛应用在电力等领域。

Description

基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法
技术领域
本发明涉及飞灰含碳量的测量方法，具体涉及一种基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法。
背景技术
飞灰含碳量是反映煤粉锅炉炉内燃烧工况的一项重要指标，其影响因素众多。利用因子分析法，对炉内燃烧过程进行诊断，从众多相关的影响因素中找出少数几个综合性的指标来反映原来因素所包含的主要信息，从而方便运行人员及时准确地找出影响飞灰含碳量的主要因素，调整燃烧，提高锅炉效率。
飞灰含碳量每降低1％,锅炉效率将提高0.31％,平均可降低发电煤耗1.019g/kwh，其重要性不言而喻。而随着火电厂自动化程度的提高，准确测量锅炉各部分风量，并使之可靠、稳定地投入自动，对火电厂的安全生产运行、节能降耗具有重要意义。目前对于火电厂，尤其是磨煤机一次风量，普遍较难准确测量。风煤比的变化对炉膛燃烧的安全、经济性及磨煤机本身安全有较大影响。磨煤机入口风量过大，会加剧对燃烧器附近水冷壁的冲刷，严重时导致锅炉爆管；风量过小，最常见现象是堵煤；而测量不准，会造成自动投入困难。在冷热风调节过程中，若磨煤机入口风量不随调节挡板按比例变化，将难以掌握，甚至因一次风量低导致磨煤机跳闸。且磨煤机入口风量测量不准易造成锅炉燃料主控无法投入自动，影响机组协调系统的正常投运。因此对磨煤机入口风量进行正确测量，获得准确的风量数据，已摆到十分重要的位置。
由于目前各种专用的飞灰含碳量测量设备的安装维护费用均较高，且大多存在测量精度受煤种变化影响大、干扰测量的因素多、实时性差等缺点，因此，飞灰含碳量硬测量设备在国内市场使用效果及其不佳。国内生产的采用微波吸收法、光学反射法等的飞灰含碳量测量装置准确度没有保证，国内燃煤火电机组一般采用灼烧失重法的飞灰含碳量测量装置，但数据滞后15-20分钟，不利于锅炉燃烧的及时调整。且存在故障率高、维护量大等缺点，所以，飞灰含碳量的实时准确测量一直是行业难点问题，一套飞灰硬件测量设备价格动辄几十万，为了运行人员能实时参考还不得不花高昂费用采购。随着检测技术水平的发展，今后的发展方向为软测量技术，飞灰含碳量由于受煤种、锅炉结构、运行操作水平等多种因素的影响，而且关系复杂，耦合性强、非线性强，故很难采用机理建模，比较适合采用经验建模。工人员运用软测量技术进行建模，指导运行燃烧调整。现国内燃煤火电机组尚未发现投入实践的飞灰含碳量软测量技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法。
本发明的技术方案是,基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法，其特征在于：
步骤一：由于影响飞灰含碳量的因素较多，将其耦合的部分进行拆分，将影响飞灰含碳量的燃烧因子分解为热风温度因子、燃尽因子、一次风压因子和煤质因子；
步骤二、根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵得到四个因子的影响权重；并对飞灰含碳量建立因子分析模型；
步骤A：该飞灰含碳量的因子分析模型具体为：
飞灰含碳量＝-0.248F1+0.871F2+0.243F3-0.083F4……(1)
其中：F1为热风温度因子，F2为燃尽因子，F3为一次风压因子，F4为煤质因子；
步骤B：获取热风温度因子
步骤B1：获取影响所述热风温度因子F1的一次风温度T1和二次风温度T2：
所述一次风温度T1采用磨煤机出口的温度平均值；
所述二次风温度T2为左、右侧空气预热器出口的温度平均值；
步骤B2：根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵,得到一次风温度T1和二次风温度T2在热风因子中的影响权重，得到公式(2)
F1＝0.4485KT1+0.5515KT2……(2)
KT1为一次风温度系数；KT2为二次风温度系数；
步骤B3：利用单一变量进行试验，得到一次风温度T1和二次风温度T2单一影响飞灰含碳量的试验曲线，得到公式(3)、(4)：
KT1＝-0.0242T1+8.8347……(3)
KT2＝-0.0237T2+9.8733……(4)
步骤C、获取燃尽因子F2：
步骤C1、燃尽因子F2受过剩空气和煤粉细度的影响，根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵,得到K、Km在燃尽因子中的影响权重，得到公式(5)：
F2＝0.45K+0.55Km……(5)
K为过剩空气影响系数；Km为煤粉细度影响系数；
Km＝0.16×m1.16+0.02……(6)
m为煤粉细度。
过剩空气影响系数用锅炉出口氧量得出，见公式(7)：
K＝61.7284a2-146.9136a+89.2136……(7)
步骤D:一次风压因子F3通过一次风压设计值与实际一次风压的差值x与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；
步骤E:煤质因子F4通过燃烧产物在炉膛中停留时间s与飞灰含碳量的经验折线函数来表征。
本发明具有通用性、超前性、稳定性好、测量精确度尚可和灵敏度高的特点。利用本方法，飞灰含碳量的测量值为DCS直接算出，变化反应迅速灵敏，幅值能及时反应出各因子的瞬时变化情况，与锅炉其它参数具有同步性，十分有利于锅炉燃烧的及时调整和下一步的自动控制。
采用本发明进行软测量的故障率极低，间接测点故障可通过逻辑保持输出或切除坏点等方法来规避，故软测量一般情况下只在DCS出故障时才有可能故障。
本发明在利用现有DCS系统和火电厂常规测点的基础上，引入因子分析法和反代法的软测量技术，建立飞灰含碳量软测量的经验数学模型，与飞灰化验数据对比用以完善软测量模型，以实现辅助测量对主导测量的最佳估计。采用本发明的飞灰含碳量软测量平均误差值为5％至10％，运行人员据此实时数据及时进行锅炉燃烧调整，进而控制飞灰含碳量在较低水平，同时兼顾维持锅炉其它重要参数寻优值。进行燃烧控制优化，达到节能减排的目的。
根据本发明所述的基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法的优选方案，步骤D中一次风压因子F3通过一次风压设计值与实际一次风压的差值x与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；具体为：
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-4≤x＜-3时：F3＝0.072x+0.79；
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-3≤x＜-1时：F3＝1.94x+5.68；
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-1≤x＜0时：F3＝1.05x+4.45；
根据本发明所述的基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法的优选方案，步骤E中煤质因子F4通过燃烧产物在炉膛中停留时间s与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；具体为：
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为3≤s＜3.5时：
F4＝-3.64s+16.9；
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为3.5≤s＜4.5时：
F4＝-2.668s+13.79；
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为4.5≤s＜6时：
F4＝-0.075s+2.147；
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为6≤s时：
F4＝-0.002s+1.712。
根据本发明所述的基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法的优选方案，燃烧产物在炉膛中停留时间s采用与煤质特性参数的经验折线函数来表征；具体为：
当煤质硫分含量小于5％时：
s＝τ×[-0.0433×(δ-7.8)-0.0184×(δ-64.14)+0.0068×η+0.0433×(5-μ)]+0.0068×h；
当煤质中硫分含量大于5％时：
s＝τ×[-0.0433×(δ-7.8)-0.0184×(δ-64.14)+0.0068×η-0.1104×(μ-5)]+0.0068×h；
τ为煤质设计停留时间，单位用s；δ为煤质中水分含量,单位用％；
η为煤质中可燃基挥发分含量，单位用％；
μ为煤质中硫分含量，单位用％。
h为煤质中挥发份含量，单位用％。
因子分析是多元分析的一个分支，具有处理较多且复杂变量，并简化变量的能力。它是用少数几个随机变量来描述许多变量之间的协方差关系。利用统计分析软件对飞灰含碳量建立因子分析的模型，进行因子分析，求出因子解。
本发明所述的基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法的有益效果是:本发明采用的建模方法相比于其它建模方法，不受算法的限制，在DCS系统中实用性较强；数据较其它单一算法更全面；与硬件测量比对，参数的适应性更强；具有超前性和灵敏度高、稳定性好、测量精确度高、通用性强的特点，可广泛应用在电力等领域。
附图说明
图1是本发明所述的基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法的测量方法示意图。
具体实施方式
参见图1，一种基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法，包括如下步骤：步骤一：将影响飞灰含碳量的燃烧因子分解为热风温度因子、燃尽因子、一次风压因子和煤质因子；步骤二、根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵得到四个因子的影响权重，并对飞灰含碳量建立因子分析模型；
步骤A：根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵得到的该飞灰含碳量的因子分析模型，具体为：
飞灰含碳量＝-0.248F1+0.871F2+0.243F3-0.083F4……(1)
其中：F1为热风温度因子，F2为燃尽因子，F3为一次风压因子，F4为煤质因子；
步骤B：获取热风温度因子：
步骤B1：获取影响所述热风温度因子F1的一次风温度T1和二次风温度T2：
所述一次风温度T1采用磨煤机出口的温度平均值；每台可取3个点的温度进行平均。
所述二次风温度T2为左、右侧空气预热器出口的温度平均值；
步骤B2：根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵,得到一次风温度T1和二次风温度T2在热风因子中的影响权重，得到公式(2)
F1＝0.4485KT1+0.5515KT2……(2)
KT1为一次风温度系数；KT2为二次风温度系数；
步骤B3：利用单一变量进行试验，得到一次风温度T1和二次风温度T2单一影响飞灰含碳量的试验曲线，得到公式(3)、(4)：
KT1＝-0.0242T1+8.8347……(3)
KT2＝-0.0237T2+9.8733……(4)
步骤C、获取燃尽因子F2：
步骤C1、燃尽因子F2受过剩空气和煤粉细度的影响，根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵,得到K、Km在燃尽因子中的影响权重，得到公式(5)：
F2＝0.45K+0.55Km……(5)
K为过剩空气影响系数；Km为煤粉细度影响系数，可用一次风压、磨煤机频率进行软测量建模得到：
Km＝0.16×m1.16+0.02……(6)
m为煤粉细度。
过剩空气影响系数在由氧量(左右侧的平均值)计算出，其影响飞灰含碳量的系数，通过单一变量试验下过剩空气系数单一影响飞灰含碳量的试验曲线得出，见公式(7)：
K＝61.7284a2-146.9136a+89.2136……(7)
步骤D:一次风压因子F3通过一次风压设计值与实际一次风压的差值x与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；
步骤E:煤质因子F4通过燃烧产物在炉膛中停留时间s与飞灰含碳量的经验折线函数来表征。
飞灰含碳量由于受煤种、锅炉结构、运行操作水平等多种因素的影响，而且关系复杂，耦合性强、非线性强，很难采用机理建模，故引入因子分析法的机理-模糊混合控制软测量技术，选择影响飞灰含碳量的煤质特性参数、锅炉燃烧重要因子、运行关键动态操作进行软测量经验建模。因锅炉燃烧重要因子的关系式比较准确，故通过与飞灰化验数据比对，不断总结出运行关键动态操作影响的飞灰含碳量，最终反代回计算式中，提高测量准确性。
在具体实施例中，步骤D中一次风压因子F3通过一次风压设计值与实际一次风压的差值x与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；具体为：
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-4≤x＜-3时：
F3＝0.072x+0.79；
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-3≤x＜-1时：
F3＝1.94x+5.68；
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-1≤x＜0时：
F3＝1.05x+4.45；
在具体实施例中，
步骤E中煤质因子F4通过燃烧产物在炉膛中停留时间s与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；具体为：
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为3≤s＜3.5时：
F4＝-3.64s+16.9；
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为3.5≤s＜4.5时：
F4＝-2.668s+13.79；
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为4.5≤s＜6时：
F4＝-0.075s+2.147；
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为6≤s时：
F4＝-0.002s+1.712。
在具体实施例中，燃烧产物在炉膛中停留时间s采用与煤质特性参数的经验折线函数来表征；具体为：
当煤质硫分含量小于5％时：
s＝τ×[-0.0433×(δ-7.8)-0.0184×(δ-64.14)+0.0068×η+0.0433×(5-μ)]+0.0068×h；
当煤质中硫分含量大于5％时：
s＝τ×[-0.0433×(δ-7.8)-0.0184×(δ-64.14)+0.0068×η-0.1104×(μ-5)]+0.0068×h；
τ为煤质设计停留时间，单位用秒；δ为煤质中水分含量,单位用％；
η为煤质中可燃基挥发分含量，单位用％；
μ为煤质中硫分含量，单位用％。
h为煤质中挥发份含量，单位用％。
利用燃烧产物在炉膛中设计停留时间的计算公式：τ＝(V*273)/[Bj*Vg*(t+273)]，式中V为炉膛容积，m3；Bj为燃煤消耗量，kg/s；Vg为燃煤烟气体积，Nm3/kg；t为平均烟温，取理论燃烧温度与炉膛出口温度之和的一半，℃。V，Bj，Vg，t均可通过电厂的锅炉性能汇总表及同类型锅炉得知。
影响飞灰含碳量的煤质特性参数选择为全水分、收到基灰分、可燃基挥发分、硫分。其权重以及煤质单一作用下的飞灰含碳量是通过锅炉设计停留时间来计算的。其中，全水分和可燃基挥发份为运行人员根据化验结果手动输入，收到基灰分通过发热量软测量、硫分通过锅炉出口二氧化硫对应等折线函数来进行表征，保证重要数据的实时性。
通过计算出的不考虑煤质的锅炉设计停留时间，再加上其它典型锅炉在燃烧调整不变的情况下只考虑煤质的设计停留时间，以及锅炉设计煤种的全水分、收到基灰分、可燃基挥发分等四个数值来解四元一次方程组，得到全水分、收到基灰分、可燃基挥发分影响燃烧产物停留时间的比重，最终通过设计停留时间与飞灰含碳量的经验折线函数，得到煤质单一作用下的飞灰含碳量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法，其特征在于：
步骤一：将影响飞灰含碳量的燃烧因子分解为热风温度因子F1、燃尽因子F2、一次风压因子F3和煤质因子F4；
步骤二、根据正交旋转法，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵得到四个因子的影响权重，并对飞灰含碳量建立因子分析模型；
步骤A：该飞灰含碳量的因子分析模型具体为：
飞灰含碳量＝-0.248F1+0.871F2+0.243F3-0.083F4……(1)
其中：F1为热风温度因子，F2为燃尽因子，F3为一次风压因子，F4为煤质因子；
步骤B：获取热风温度因子
步骤B1：获取影响所述热风温度因子F1的一次风温度T1和二次风温度T2：
所述一次风温度T1采用磨煤机出口的温度平均值；
所述二次风温度T2为左、右侧空气预热器出口的温度平均值；
步骤B2：利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵,得到一次风温度T1和二次风温度T2在热风因子中的影响权重，得到公式(2)
F1＝0.4485KT1+0.5515KT2……(2)
KT1为一次风温度系数；KT2为二次风温度系数；
步骤B3：利用单一变量进行试验，得到一次风温度T1和二次风温度T2单一影响飞灰含碳量的试验曲线，得到公式(3)、(4)：
KT1＝-0.0242T1+8.8347……(3)
KT2＝-0.0237T2+9.8733……(4)
步骤C、获取燃尽因子F2：
步骤C1、燃尽因子F2受过剩空气和煤粉细度的影响，利用最大方差正交旋转后的因子成分矩阵,得到K、Km在燃尽因子中的影响权重，得到公式(5)：
F2＝0.45K+0.55Km……(5)
K为过剩空气影响系数；Km为煤粉细度影响系数；
Km＝0.16×m1.16+0.02……(6)
m为煤粉细度；
过剩空气影响系数用锅炉出口氧量得出，其影响飞灰含碳量的系数，通过单一变量试验下过剩空气系数单一影响飞灰的试验曲线得出，见公式(7)：
K＝61.7284a2-146.9136a+89.2136……(7)
a为锅炉出口氧量；
步骤D:一次风压因子F3通过一次风压设计值与实际一次风压的差值x与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-4≤x＜-3时：
F3＝0.072x+0.79；
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-3≤x＜-1时：
F3＝1.94x+5.68；
当实际一次风压与一次风压设计值的差值x为-1≤x＜0时：
F3＝1.05x+4.45；
步骤E:煤质因子F4通过燃烧产物在炉膛中停留时间τ与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；具体为：
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为3≤s＜3.5时：
F4＝-3.64s+16.9。
2.根据权利要求1所述的基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法，其特征在于：
步骤E中煤质因子F4通过燃烧产物在炉膛中停留时间s与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；还表示为：
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为3.5≤s＜4.5时：
F4＝-2.668s+13.79。
3.根据权利要求1或者2所述的基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法，其特征在于：
步骤E中煤质因子F4通过燃烧产物在炉膛中停留时间s与飞灰含碳量的经验折线函数来表征；还表示为：
当燃烧产物在炉膛中停留时间s为4.5≤s＜6时：
F4＝-0.075s+2.147。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于炉膛飞灰停留时间的电站锅炉飞灰含碳量的测量方法，其特征在于：燃烧产物在炉膛中停留时间s采用与煤质特性参数的经验折线函数来表征；具体为：
当煤质硫分含量小于5％时：
s＝τ×[-0.0433×(δ-7.8)-0.0184×(δ-64.14)+0.0068×η+0.0433×(5-μ)]+0.0068×h；
当煤质中硫分含量大于5％时：
s＝τ×[-0.0433×(δ-7.8)-0.0184×(δ-64.14)+0.0068×η-0.1104×(μ-5)]+0.0068×h；
τ为煤质设计停留时间，单位用s；
δ为煤质中水分含量,单位用％；
η为煤质中可燃基挥发分含量，单位用％；
μ为煤质中硫分含量，单位用％；
h为煤质中挥发份含量，单位用％。
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