CN112781029A - 一种基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，包括贴壁风喷口、近壁面气氛取样管、燃烧器和炉膛，炉膛底部的燃烧器附近前后墙设有2‑5层贴壁风喷口，炉膛的侧墙设置有近壁面气氛取样管；近壁面气氛取样管安装于炉膛的左右侧墙上，近壁面气氛取样管的高度位于燃烧器区域的中上部；近壁面气氛取样管采用耐热不锈钢，近壁面气氛取样管安装于水冷壁鳍片上；近壁面气氛取样管的管径为10‑20mm，共2‑4层；近壁面气氛取样管连接烟气分析仪。本发明的有益效果是：本发明整个系统结构简单合理，仅需增加贴壁风喷嘴及少量壁面采样测试管，便于改造实施，技术效益和经济效益显著。

Description

一种基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置及方法

技术领域

本发明涉及锅炉燃烧技术领域，特别涉及一种基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置及方法。

背景技术

我国的火力发电通常以煤作为主要燃料,但由于动力用煤中硫含量普遍过高，造成火电厂锅炉中的受热面经常发生高温腐蚀。随着电站锅炉不断向高参数、大容量、环保型发展，锅炉受热面管的高温腐蚀问题更加突出，是造成火电机组非计划停运的一个重要原因，成为影响火电厂安全运行的重点问题而备受关注。据有关统计显示，我国燃煤火电厂锅炉自20世纪60年代发现受热面的高温腐蚀问题至1999年，就己有超过40家大型火电厂的燃煤锅炉存在较严重的高温腐蚀，而且2000年以后这个数量还在不断增加。

为避免锅炉受热面因高温腐蚀而发生泄漏，国内外研究者提出了诸多方法，比如：提高受热面管材料等级，采用耐腐蚀的高铬材料甚至铬镍合金；高温腐蚀腐蚀倾向比较强的区域使用耐腐蚀防护涂层；换热管的金属表面渗镀抗腐蚀层等。另外，在锅炉燃烧调整方面，也有多种方法可减轻或避免高温腐蚀的发生，其核心思想均是防止水冷壁壁面附近产生还原性气氛或者采取技术措施将水冷壁与还原性气氛隔开，判断水冷壁近壁气氛是否为还原性气氛，主要以烟气成分中的O₂、CO含量为依据。国外有研究表明：如果将水冷壁近壁面烟气气氛中的O₂含量控制在1.5％以上、CO浓度低于3％时，水冷壁几乎不可能发生高温腐蚀。

在锅炉燃烧器区域增设贴壁风喷嘴，将高速空气射流送至燃烧器区域还原性气氛较强的水冷壁附近，是一种切实可行的防止锅炉高温腐蚀的方法，在国内已有部分应用。然而，贴壁风如何根据锅炉运行状态进行合理调整是难点。如果贴壁风风量较大，风速很高，则能够较好地缓解特定区域的还原性气氛，但是对炉内空气动力场的组织影响较大，也会降低空气分级燃烧的效果；如果贴壁风风量不足，则射流刚性较弱，难以有效改善特定区域的还原性气氛。因此，亟需一种能够实时监测燃烧器近壁面气氛并合理调整风量的贴壁风防结渣方法。

一些专利公布了监测锅炉水冷壁近壁面气氛的方法，如：《一种实现在线测试水冷壁高温腐蚀的系统》(申请号201811617115.X)及《锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测系统》(申请号200810195414.9)公开了实现在线测试水冷壁高温腐蚀的系统，采用烟气取样及预处理系统、烟气分析系统及数据处理系统，能够实时监测壁面气氛。专利《一种在线监测锅炉水冷壁高温腐蚀的装置和方法》(申请号200810236550.8)提供了一种在线监测锅炉水冷壁高温腐蚀的方法和装置，由烟气采样管、烟气分析仪等组成。在膜式水冷壁壁面管间连接板上开孔，通过烟气采样管抽取烟气，经烟气分析仪测得气体浓度。专利《电站锅炉高温腐蚀的监测控制系统及方法》(申请号201710285411.3)提供一种电站锅炉高温腐蚀的监测控制系统，利用包括取样单元、冷却单元、气氛预处理单元和分析单元等复杂的测试系统，以便在线监测还原性气氛的浓度。专利《一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法及监测系统》(申请号201710374497.7)公开了一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法及其系统，从水冷壁处抽取贴壁烟气并进行高倍率稀释，在线实时测取稀释烟气中组分数据，进而了解近壁面组分。

进一步地，一些专利提出了利用水冷壁近壁面气氛实时监测数据对贴壁风进行调节的方法。如：专利《一种用于防止电站锅炉水冷壁高温腐蚀的贴壁风装置》(申请号200910218992.4)公布了一种用于防止电站锅炉水冷壁高温腐蚀的贴壁风装置，包括风道、调节风门、贴壁风风箱、贴壁风单元喷口、烟气成分在线监测仪以及测速装置等，在水冷壁上安装烟气在线检测仪，用来监测燃烧器区域内水冷壁附近烟气的成分，以便调节贴壁风风量。《燃烧锅炉贴壁气氛检测方法与系统》(申请号201310456105.3)提供一种燃烧锅炉贴壁气氛检测方法与系统，利用气体成分数据采集装置采集燃烧锅炉贴壁多个位置的气体成分，通过随机多次调节燃烧锅炉运行环境，可实时获取燃烧锅炉贴壁气体成分数据。《适用于大型电站锅炉智能型水冷壁高温腐蚀防止系统及方法》(申请号201410001607.1)公布了用于大型电站锅炉智能型水冷壁高温腐蚀防止系统及方法，通过直接从水冷壁表面气体测量系统获取数据并进行判定分析，随后智能地调节贴壁风增压系统。专利《一种减缓旋流对冲燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀的装置及方法》(申请号201410675467.6)公开了一种减缓锅炉水冷壁高温腐蚀的装置及方法，利用壁面气氛实时监测系统，调整贴壁风系统。专利《一种适用于四角切圆燃烧方式锅炉的贴壁风系统》(申请号201620360698.2)提供一种用于适用于四角切圆燃烧方式锅炉的贴壁风系统，利用壁面气氛监测仪的实时监测数据，建立反馈和调节机制，对贴壁风实施调节。

尽管现在已有燃烧器近壁面气氛实时监测的方法，以及利用近壁面气氛数据对贴壁风进行调节的技术。然而，上述方法仍有局限性：(1)近壁面气氛实时监测系统设备复杂、投资较大，例如1套包含十余个测点的近壁面气氛实时监测系统，费用高达两百余万。(2)采样测点位于锅炉燃烧最剧烈、温度最高的区域，且高温烟气中含二氧化硫、高浓度水蒸气及大量细灰颗粒，极易引起管路堵塞及测量元件损坏等问题，难以长期正常运行。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置及方法。

这种基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，包括贴壁风喷口、近壁面气氛取样管、燃烧器和炉膛，炉膛底部的燃烧器附近前后墙设有2-5层贴壁风喷口，炉膛的侧墙设置有近壁面气氛取样管。

作为优选：近壁面气氛取样管安装于炉膛的左右侧墙上，近壁面气氛取样管的高度位于燃烧器区域的中上部。

作为优选：近壁面气氛取样管采用耐热不锈钢，近壁面气氛取样管安装于水冷壁鳍片上；近壁面气氛取样管的管径为10-20mm，共2-4层。

作为优选：近壁面气氛取样管连接烟气分析仪。

作为优选：贴壁风喷口采用热一次风或热二次风，风温为300-400度，风压为3-6kPa，设计流速为40-80m/s。

作为优选：贴壁风喷口向燃烧器区域倾斜，贴壁风喷口的轴线延伸方向与所安装的前后墙壁面夹角θ为70-80度。

这种基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、首先，将近壁面气氛取样管连接烟气分析仪，在调整不同的锅炉运行参数及贴壁风参数的情况下，对各测点近壁面气氛进行短期(5-15天)离线实测，获得的数据用于训练最小二乘支持向量机(LSSVM)预测模型，以获得模型中的相关参数；

S2、完成短期离线实测和模型训练后，后续就无需再利用测点进行采样测量，而是利用该模型，根据锅炉运行参数及贴壁风参数为输入量，预测各测点近壁面气氛，为贴壁风调节提供依据，目标是燃烧器近壁面O₂浓度处于1.5％-2.5％、CO处于1％-3％范围；

S3、当锅炉运行超过一定时间后(比如半年)，可以再进行短期离线实测和模型训练，对预测模型进行修正。

作为优选：所述步骤S1中，锅炉运行参数包括锅炉负荷、主蒸汽压力和流量、煤质参数、磨煤机投入组合、各层燃烧器叶片角度和风门开度、炉膛出口温度和氧量、尾部NOx排放值、炉膛负压、送风机和引风机电流、以及一二次风的风压和风温；贴壁风参数包括贴壁风开度、风压和风温。

作为优选：所述步骤S1中，用于训练的短期离线实测的数据集合共计M个，为：

式中，x_i表示输入量；y_i表示输出量，即贴壁风气氛CO、O₂及H₂S浓度；根据最小二乘支持向量机建立如下最优决策函数：

f(x)＝w^Tφ(x)+b

式中，w为可调整权重向量，上标T表示向量转置；Φ(x)是非线性函数，将原始数据映射到更高维度的特征空间；b为偏置量；w^T和b满足以下条件：

|y_i-w^Tφ(x)+b|≤ε

式中，J为误差总和，ε为最大允许误差；引入惩罚系数γ，并转化为：

y_i＝w^Tφ(x_i)+b+e_i

式中，J(w,e)为误差总和；e为拟合误差向量；e_i为拟合误差向量中的元素；定义拉格朗日函数L对上式进行求解:

式中，α为Lagrange乘子；α_i为支持向量的元素；通过优化条件消除w和e，并引入核函数，得到燃烧器近壁面气氛的预测表达式为：

式中，K(x_i,x_j)为核函数，x_i及x_j均为训练样本数据集合中的样本。

作为优选：所述步骤S2中，如果燃烧器近壁面还原性气氛较强，即O₂浓度低于1.5％或CO浓度高于3％时，则以5％为增量，逐步增加贴壁风开度，同时采用最小二乘支持向量机预测模型，对燃烧器近壁面气氛进行预测分析，直到还原性气氛达到目标范围为止；如果燃烧器近壁面氧化性气氛较强，即O₂浓度高于2.5％或CO浓度低于1％时，则以5％为增量，逐步降低贴壁风开度，同时采用最小二乘支持向量机预测模型，对燃烧器近壁面气氛进行预测分析，直到氧化性气氛达到目标范围为止。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用短期离线实测与最小二乘支持向量机预测模型相结合的方法，对各个工况下燃烧器区域近壁面气氛进行软测量，避免了近壁面气氛实时在线监测系统存在的投资高、系统复杂、管路易堵塞及测量元件易失效等问题。

2、本发明建立的最小二乘支持向量机预测模型源于短期离线实测数据，并定期进行校验修正，具有很好的准确性。

3、本发明整个系统结构简单合理，仅需增加贴壁风喷嘴及少量壁面采样测试管，便于改造实施，技术效益和经济效益显著。

附图说明

图1为本发明基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置的结构示意图；

图2为图1的局部放大图。

图3为图1的正视图。

图4为图1的侧视图。

图5为图4的A-A剖面图。

图6为贴壁风喷口的安装示意图。

图7为最小二乘支持向量机软测量预测模型的输入量和输出量具体包含的数据示意图。

图8为利用短期离线实测数据建立、训练及定期修正二乘支持向量机软测量预测模型的方法流程示意图。

图9为利用建立完成的二乘支持向量机软测量预测模型，进行锅炉防高温腐蚀优化调整的方法流程示意图。

图10为贴壁风关闭与开启条件下的近壁面O₂浓度分布示意图。

图11为贴壁风关闭与开启条件下的近壁面CO浓度分布示意图。

附图标记说明：1-贴壁风喷口；2-近壁面气氛取样管；3-燃烧器；4-炉膛。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例一

如图1-图6所示，所述基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，包括贴壁风喷口1、近壁面气氛取样管2、燃烧器3和炉膛4。一台前后墙对冲的锅炉，在炉膛4底部的燃烧器附近前后墙增设2-5层贴壁风喷口1，并在炉膛4的侧墙设置近壁面气氛取样管2。

作为一种优选的实施例，近壁面气氛取样管2安装于炉膛4的左右侧墙上，高度位于燃烧器区域的中上部，采用耐热不锈钢，安装于水冷壁鳍片上，管径为10-20mm，共2-4层。近壁面气氛取样管2经过烟气预处理后，可以连接烟气分析仪。

作为一种优选的实施例，贴壁风喷口1采用热一次风或热二次风，风温为300-400度，风压为3-6kPa，设计流速为40-80m/s。贴壁风喷口1向燃烧器区域倾斜，贴壁风喷口1的轴线延伸方向与所安装的前后墙壁面夹角θ为70-80度。

实施例二

如图7-9所示，所述基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、首先，将近壁面气氛取样管2连接烟气分析仪，在调整不同的锅炉运行参数及贴壁风参数的情况下，对各测点近壁面气氛进行短期(5-15天)离线实测，获得的数据用于训练最小二乘支持向量机预测模型，以获得模型中的相关参数，如图7所示。

作为一种优选的实施例，锅炉运行参数有：锅炉负荷；主蒸汽压力和流量；煤质参数；磨煤机投入组合；各层燃烧器叶片角度和风门开度；炉膛出口温度和氧量；尾部NOx排放值；炉膛负压；送风机和引风机电流；一二次风的风压和风温。贴壁风参数包括：贴壁风开度、风压和风温。

作为一种优选的实施例，用于训练的短期离线实测的数据集合共计M个，为：

式中，x_i表示输入量；y_i表示输出量，即贴壁风气氛(CO、O₂及H₂S浓度)。根据最小二乘支持向量机建立如下最优决策函数：

f(x)＝w^Tφ(x)+b

式中，w为可调整权重向量，上标T表示向量转置；Φ(x)是非线性函数，用于将原始数据映射到更高维度的特征空间；b为偏置量。w^T和b要满足以下条件：

|y_i-w^Tφ(x)+b|≤ε

式中，J为误差总和，ε为最大允许误差。引入惩罚系数γ，可以将上述问题转化为：

y_i＝w^Tφ(x_i)+b+e_i

式中，J(w,e)为误差总和；e为拟合误差向量；e_i为拟合误差向量中的元素。定义拉格朗日函数L对上式进行求解:

式中，α为Lagrange乘子；α_i为支持向量的元素。通过优化条件消除w和e，并引入核函数，可以得到燃烧器近壁面气氛的预测表达式为：

式中，K(x_i,x_j)为核函数，x_i及x_j均为训练样本数据集合中的样本。

需要指出的是，虽然本发明中采用的是二乘支持向量机软测量预测模型，然而不限于该算法，神经网络、深度学习等模型亦可以作为建立近壁面气氛预测模型的数学工具。

S2、如图9所示，完成短期离线实测和模型训练后，后续就无需再利用测点进行采样测量，而是利用该模型，根据锅炉运行参数及贴壁风参数为输入量，预测各测点近壁面气氛，为贴壁风调节提供依据，目标是燃烧器近壁面O₂浓度处于1.5％-2.5％、CO处于1％-3％范围。

作为一种优选的实施例，如果还原性气氛较强(O₂浓度低于1.5％或CO浓度高于3％)，则以5％为增量，逐步增加贴壁风开度，同时采用二乘支持向量机软测量预测模型，对燃烧器近壁面气氛进行预测分析，直到还原性气氛缓解，达到目标范围为止。同样地，如果贴壁风风量过大，燃烧器近壁面气氛氧化性气氛较强(O₂浓度高于2.5％或CO浓度低于1％)，则以5％为增量，逐步降低贴壁风开度，同时采用二乘支持向量机软测量预测模型，直到气氛达到目标范围为止。

S3、当锅炉运行超过一定时间后(比如半年)，可以再进行短期离线测试和模型训练，即重复上述步骤S1，对预测模型进行修正，使之准确性更好。

实施例三

采用ANSYS Fluent对所述基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置进行流动和热态燃烧数值模拟实验，分析贴壁风效果：

1)计算边界条件

以一台660MW超临界锅炉为模拟对象，锅炉采用中速磨煤机正压冷一次风直吹式制粉系统，前后墙对冲燃烧方式，磨煤机共6台，燃料采用烟煤，锅炉负荷为100％。

2)计算模型

湍流模型为Realizable k-ε，辐射模型采用DO模型，燃烧反应采用prePDF方法。

3)计算结果

经过数值模拟研究发现，如图10所示，贴壁风关闭时，近壁面O₂浓度很低；而开启后O₂浓度大幅提高；如图11所示，贴壁风关闭时，近壁面CO浓度很高；而开启后CO浓度大幅降低。结果表明，贴壁风能够有效提高燃烧器近壁面氧化性气氛，可以缓解锅炉的高温腐蚀。

Claims (10)

1.一种基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，其特征在于：包括贴壁风喷口(1)、近壁面气氛取样管(2)、燃烧器(3)和炉膛(4)，炉膛(4)底部的燃烧器(3)附近前后墙设有2-5层贴壁风喷口(1)，炉膛(4)的侧墙设置有近壁面气氛取样管(2)。

2.如权利要求1所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，其特性在于：近壁面气氛取样管(2)安装于炉膛(4)的左右侧墙上，近壁面气氛取样管(2)的高度位于燃烧器区域的中上部。

3.如权利要求1所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，其特性在于：近壁面气氛取样管(2)采用耐热不锈钢，近壁面气氛取样管(2)安装于水冷壁鳍片上；近壁面气氛取样管(2)的管径为10-20mm，共2-4层。

4.如权利要求1所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，其特性在于：近壁面气氛取样管(2)连接烟气分析仪。

5.如权利要求1所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，其特性在于：贴壁风喷口(1)采用热一次风或热二次风，风温为300-400度，风压为3-6kPa，流速为40-80m/s。

6.如权利要求1所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置，其特性在于：贴壁风喷口(1)向燃烧器区域倾斜，贴壁风喷口(1)的轴线延伸方向与所安装的前后墙壁面夹角θ为70-80度。

7.一种如权利要求1所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、首先，将近壁面气氛取样管(2)连接烟气分析仪，在调整不同的锅炉运行参数及贴壁风参数的情况下，对各测点近壁面气氛进行5-15天离线实测，获得的数据用于训练最小二乘支持向量机预测模型，以获得模型中的相关参数；

S2、完成离线实测和模型训练后，利用该模型，根据锅炉运行参数及贴壁风参数为输入量，预测各测点近壁面气氛，为贴壁风调节提供依据，目标是燃烧器近壁面O₂浓度处于1.5％-2.5％、CO处于1％-3％范围；

S3、当锅炉运行超过一定时间后，再进行离线实测和模型训练，对预测模型进行修正。

8.根据权利要求7所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S1中，锅炉运行参数包括锅炉负荷、主蒸汽压力和流量、煤质参数、磨煤机投入组合、各层燃烧器叶片角度和风门开度、炉膛出口温度和氧量、尾部NOx排放值、炉膛负压、送风机和引风机电流、以及一二次风的风压和风温；贴壁风参数包括贴壁风开度、风压和风温。

9.根据权利要求7所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S1中，用于训练的离线实测的数据集合共计M个，为：

式中，x_i表示输入量；y_i表示输出量，即贴壁风气氛CO、O₂及H₂S浓度；根据最小二乘支持向量机建立如下最优决策函数：

f(x)＝w^Tφ(x)+b

式中，w为可调整权重向量，上标T表示向量转置；Φ(x)是非线性函数；b为偏置量；w^T和b满足以下条件：

|y_i-w^Tφ(x)+b|≤ε

式中，J为误差总和，ε为最大允许误差；引入惩罚系数γ，并转化为：

y_i-w^Tφ(x_i)+b+e_i

式中，J(w,e)为误差总和；e为拟合误差向量；e_i为拟合误差向量中的元素；定义拉格朗日函数L对上式进行求解:

式中，α为Lagrange乘子；α_i为支持向量的元素；通过优化条件消除w和e，并引入核函数，得到燃烧器近壁面气氛的预测表达式为：

式中，K(x_i,x_j)为核函数，x_i及x_j均为训练样本数据集合中的样本。

10.根据权利要求7所述的基于燃烧器近壁面气氛软测量的锅炉贴壁风装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S2中，如果燃烧器近壁面还原性气氛较强，即O₂浓度低于1.5％或CO浓度高于3％时，则以5％为增量，逐步增加贴壁风开度，同时采用最小二乘支持向量机预测模型，对燃烧器近壁面气氛进行预测分析，直到还原性气氛达到目标范围为止；如果燃烧器近壁面氧化性气氛较强，即O₂浓度高于2.5％或CO浓度低于1％时，则以5％为增量，逐步降低贴壁风开度，同时采用最小二乘支持向量机预测模型，对燃烧器近壁面气氛进行预测分析，直到氧化性气氛达到目标范围为止。

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