CN113639266B - 四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统及方法，该系统包括核心的控制器及其三类采集输入回路和二次风箱小风门的开度控制输出回路。采集的三类传感器信号，包括煤质在线监测系统输出的在线煤质信号、来自给煤机的给煤量信号、安装在一次风粉管道上的一次风粉在线监测装置输出的一次风粉流量、风速信号。本发明基于当前煤质在线与风粉在线测量技术，实现配风燃烧控制的精细化。

Description

四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电站锅炉燃烧的自动控制领域，具体涉及一种四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统及方法。
背景技术
锅炉是现代化火力发电站的核心主机之一，但长期以来，其配风燃烧控制相对粗放，普遍以排烟含氧量等宏观参数的控制与优化为主，难以实现局部精细化的配风燃烧自动控制，给污染物生成控制、避免高温腐蚀、节能高效运行等都带来了巨大的挑战。
四角切圆燃烧锅炉是现代大功率燃煤锅炉最常见的燃烧器布置形式之一。如上图所示，在锅炉炉膛的四角分别布置多层(大功率机组常见为六层)燃烧器，从而使进入炉膛的煤粉以一定的速度旋转，从而使燃烧火焰在炉膛中的放热可以均匀传递给四周的水冷壁。
四角切圆锅炉的配风控制普遍根据每层燃烧器对应的燃料量控制携带煤粉的一次风量；同层的燃烧器各二次风门同步开大或关小，从而控制该层燃烧器总的二次风量并保持燃烧切圆的稳定。不同层燃烧器之间和同层燃烧器之间一般没有配风策略的差异，或通过专家试验优化后固定下来。由于每层燃烧器的燃料来自于不同的磨煤机而存在煤质的天然差异，因此，不同层燃烧器燃烧的燃料所需理论空气量存在一定的偏差，而且同一层燃烧器因管道布置等差异，管道之间的燃料量分配不均匀对燃烧空气量的需求也存在一定的偏差。而这些偏差随着煤质、负荷工况与时间的推移都发生不同程度的变化，这是四角切圆锅炉燃烧控制存在的普遍难题之一。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出一种四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统及方法，基于当前煤质在线与风粉在线测量技术，实现配风燃烧控制的精细化。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统，包括核心的控制器8及其三类采集输入回路和二次风箱小风门7的开度控制输出回路；三类采集输入回路包括与控制器8输入端连接的煤质在线监测系统10、与控制器8输入端连接的给煤机4以及与控制器8输入端连接的安装在一次风粉管道5上的一次风粉在线监测装置9，三类采集输入回路采集的三类传感器信号包括煤质在线监测系统10输出的在线煤质信号、来自给煤机4的给煤量信号、安装在一次风粉管道5上的一次风粉在线监测装置9输出的一次风粉流量、风速信号。
所述的四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统的控制方法，首先计算每层燃烧器入炉煤质对应的单位煤量理论燃烧所需空气量，然后根据给煤机4输出的给煤量信号和一次风粉在线监测装置9输出的一次风粉流量、风速信号计算每个燃烧器的二次风量目标，并根据每个燃烧器的二次风量目标控制每个燃烧器对应的二次风箱小风门7开度，从而完成四角切圆锅炉的精细化配风控制。
其中每层燃烧器入炉煤质对应的单位煤量理论燃烧所需空气量计算方法为，根据煤质在线监测系统10输出的煤质元素含量及化学反应方程式，计算理论燃烧所需氧量，进而计算单位煤量所需空气量；如煤质在线监测系统10不包含元素含量测量结果而只包含工业分析结果，则按煤质的挥发分划分不同的方法，对于挥发分小于15％的煤质忽略非碳元素燃烧所需空气量与煤质含氧量的影响，即直接利用含碳量计算理论燃烧所需空气量；对于挥发分高于20％的煤质，在根据含碳量计算单位煤量理论燃烧所需空气量的基础上乘以煤量比例系数，该煤量比例系数根据实际运行空气量与根据含碳量计算理论燃烧所需空气量的平均比值来近似估算；对于挥发分在15％与20％之间的煤质根据实际运行空气量与根据含碳量计算理论燃烧所需空气量的偏差大小，人工判断是否有必要根据高挥发分煤质即挥发分高于20％的方法进行修正。
其中每个燃烧器的二次风量目标计算方法为，根据得到的单位煤量理论燃烧所需空气量，乘以每个燃烧器的煤量，即计算出每个燃烧器完全燃烧所需总空气量；如果一次风粉在线监测装置9输出每个一次风粉管道5对应的煤粉流量，则直接利用该煤粉流量作为对应燃烧器的煤量，并进而直接用对应燃烧器的煤量乘以单位煤量理论燃烧所需空气量计算该燃烧器3对应的燃烧器完全燃烧所需空气量；如果一次风粉在线监测装置9只能输出各粉管之间的煤粉流量偏差比，则还需先计算各粉管中煤粉流量占比，逐一乘以给煤机4输出的给煤量信号作为对应燃烧器的煤量，进而乘以单位煤量理论燃烧所需空气量计算该燃烧器3对应的燃烧器完全燃烧所需空气量；每个燃烧器完全燃烧所需空气量还需乘以90％后减掉一次风粉在线监测装置9输出的对应一次风粉管道5中流过的一次风流量，剩余所需风量作为该燃烧器所需配风的二次风量控制目标。
每个燃烧器的二次风配风控制方法，首先控制器根据各燃烧器所需配风的二次风量控制目标，控制二次风箱6出口二次风箱小风门7开度，使每个燃烧器二次风箱小风门7流过的风量等于计算出的二次风量控制目标。
以上系统及方法有以下特点可明显区别于其他同类技术。
(1)系统同时包含一次风粉在线监测装置和煤质在线监测系统。由于煤燃烧时所需的风量同时与煤质和煤量有关，因此，只有同时包含这两类在线测量装置，才能真正做到煤质燃烧的精细化配风；
(2)常规燃烧配风技术是无法区分每层燃烧器所需空气量的不同的，因此其配风优化前提是假设所有燃烧器燃烧的煤质相似，这与我国实际大多数电站锅炉的实际情况想去甚远。这必然造成了需要空气量大的燃烧器缺氧，从而不完全燃烧损失增大，运行经济性差；需要空气量小的燃烧器过氧，从而使NOx生成量增大，环保性能差。
(3)常规燃烧配风技术中每层多个燃烧器对应的小风门缺乏优化控制的依据，往往仅根据对火焰中心的影响从而固定一个开度差异，无法根据实际粉管的不均匀分布进行燃烧配风。本发明方法认为炉膛火焰的最高温度出现在燃烧器区上部，因此可通过上部的燃尽风进行火焰中心的调整，而二次风的配风控制一般仅需关注适当的燃烧空气系数即可，这样可更好地兼顾节能、环保的精细化运行需要。
附图说明
图1为本发明前后墙对冲锅炉精细化燃烧配风控制系统示意图。
图中：1——磨煤机；2——锅炉；3——燃烧器；4——给煤机；5——一次风粉管道；6——二次风箱；7——二次风箱小风门；8——控制器；9——一次风粉在线监测装置；10——煤质在线监测系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，电站燃煤锅炉一般通过给煤机4将燃煤送入磨煤机1，在磨煤机1中将燃煤磨成足够细度的煤粉，利用空气将煤粉通过一次风粉管道12将煤粉携带至对应的燃烧器3，进入锅炉2燃烧放热，从而为发电系统提供能量。另一股空气通过二次风箱6，然后通过每个燃烧器3对应的二次风箱小风门7控制进入每个燃烧器的气流，称为二次风。一次风用于携带煤粉进入锅炉2，二次风用于补充燃料燃烧所需的空气，最终保障燃烧的高效、环保和稳定。
本发明四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统，包括核心的控制器8及其三类采集输入回路和二次风箱小风门7的开度控制输出回路。三类采集输入回路包括与控制器8输入端连接的煤质在线监测系统10、与控制器8输入端连接的给煤机4以及与控制器8输入端连接的安装在一次风粉管道5上的一次风粉在线监测装置9，三类采集输入回路采集的三类传感器信号，包括煤质在线监测系统10输出的在线煤质信号、来自给煤机4的给煤量信号、安装在一次风粉管道5上的一次风粉在线监测装置9输出的一次风粉流量、风速(和浓度)信号。
本发明四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制方法，首先计算每层燃烧器入炉煤质对应的单位煤量理论燃烧所需空气量，然后根据给煤机4输出的给煤量信号和一次风粉在线监测装置9输出的一次风粉流量、风速(和浓度)信号计算每个燃烧器的二次风量目标，并根据每个燃烧器的二次风量目标控制每个燃烧器对应的二次风箱小风门7开度，从而完成四角切圆锅炉的精细化配风控制。
其中每层燃烧器入炉煤质对应的单位煤量理论燃烧所需空气量计算方法，可根据煤质在线监测系统10输出的煤质元素含量及标准化学反应方程式，计算理论燃烧所需氧量，进而计算单位煤量所需空气量。如煤质在线监测系统10不包含元素含量测量结果而只包含工业分析结果(发热量、含碳量、灰分、挥发分、硫分、水分)，则按煤质的挥发分划分不同的方法。对于挥发分小于15％的煤质可考虑忽略非碳元素燃烧所需空气量与煤质含氧量的影响，即直接利用含碳量计算理论燃烧所需空气量；对于挥发分高于20％的煤质，在根据含碳量计算单位煤量理论燃烧所需空气量的基础上乘以煤量比例系数。该煤量比例系数可根据实际运行空气量与根据含碳量计算理论燃烧所需空气量的平均比值来近似估算。对于挥发分在15％与20％之间的煤质可根据实际运行空气量与根据含碳量计算理论燃烧所需空气量的偏差大小，人工判断是否有必要根据高挥发分煤质即挥发分高于20％的方法进行修正。
其中每个燃烧器的二次风量目标计算方法，根据前述方法中得到的单位煤量理论空气量，乘以每个燃烧器的煤量，即可计算出每个燃烧器完全燃烧所需总空气量。如果一次风粉在线监测装置9可以输出每个一次风粉管道5对应的煤粉流量，则可以直接利用该煤粉流量作为对应燃烧器的煤量，并进而直接用对应燃烧器的煤量乘以单位煤量理论燃烧所需空气量计算该燃烧器3对应的燃烧器完全燃烧所需空气量；如果一次风粉在线监测装置9只能输出各粉管之间的煤粉流量偏差比，则还需先计算各粉管中煤粉流量占比，逐一乘以给煤机4输出的给煤量信号作为对应燃烧器的煤量，进而乘以单位煤量理论燃烧所需空气量计算该燃烧器3对应的燃烧器完全燃烧所需空气量。每个燃烧器完全燃烧所需空气量还需乘以90％(剩余燃烧所需空气由燃尽风进行配风)后减掉一次风粉在线监测装置9输出的对应一次风粉管道5中流过的一次风流量，剩余所需风量作为该燃烧器所需配风的二次风量控制目标。
每个燃烧器的二次风配风控制方法，首先控制器根据各燃烧器所需配风的二次风量控制目标，控制二次风箱6出口二次风箱小风门7开度，使每个燃烧器二次风箱小风门7流过的风量等于计算出的二次风量控制目标。

Claims (4)

1.一种四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统，其特征在于：包括核心的控制器(8)及其三类采集输入回路和二次风箱小风门(7)的开度控制输出回路；三类采集输入回路包括与控制器(8)输入端连接的煤质在线监测系统(10)、与控制器(8)输入端连接的给煤机(4)以及与控制器(8)输入端连接的安装在一次风粉管道(5)上的一次风粉在线监测装置(9)，三类采集输入回路采集的三类传感器信号包括煤质在线监测系统(10)输出的在线煤质信号、来自给煤机(4)的给煤量信号、安装在一次风粉管道(5)上的一次风粉在线监测装置(9)输出的一次风粉流量、风速信号；
其中每层燃烧器入炉煤质对应的单位煤量理论燃烧所需空气量计算方法为，根据煤质在线监测系统(10)输出的煤质元素含量及化学反应方程式，计算理论燃烧所需氧量，进而计算单位煤量所需空气量；如煤质在线监测系统(10)不包含元素含量测量结果而只包含工业分析结果，则按煤质的挥发分划分不同的方法，对于挥发分小于15％的煤质忽略非碳元素燃烧所需空气量与煤质含氧量的影响，即直接利用含碳量计算理论燃烧所需空气量；对于挥发分高于20％的煤质，在根据含碳量计算单位煤量理论燃烧所需空气量的基础上乘以煤量比例系数，该煤量比例系数根据实际运行空气量与根据含碳量计算理论燃烧所需空气量的平均比值来近似估算；对于挥发分在15％与20％之间的煤质根据实际运行空气量与根据含碳量计算理论燃烧所需空气量的偏差大小，人工判断是否有必要根据高挥发分煤质即挥发分高于20％的方法进行修正。
2.权利要求1所述的四角切圆锅炉精细化燃烧配风控制系统的控制方法，其特征在于：首先计算每层燃烧器入炉煤质对应的单位煤量理论燃烧所需空气量，然后根据给煤机(4)输出的给煤量信号和一次风粉在线监测装置(9)输出的一次风粉流量、风速信号计算每个燃烧器的二次风量目标，并根据每个燃烧器的二次风量目标控制每个燃烧器对应的二次风箱小风门(7)开度，从而完成四角切圆锅炉的精细化配风控制。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：其中每个燃烧器的二次风量目标计算方法为，根据得到的单位煤量理论燃烧所需空气量，乘以每个燃烧器的煤量，即计算出每个燃烧器完全燃烧所需总空气量；如果一次风粉在线监测装置(9)输出每个一次风粉管道(5)对应的煤粉流量，则直接利用该煤粉流量作为对应燃烧器的煤量，并进而直接用对应燃烧器的煤量乘以单位煤量理论燃烧所需空气量计算该燃烧器(3)对应的燃烧器完全燃烧所需空气量；如果一次风粉在线监测装置(9)只能输出各粉管之间的煤粉流量偏差比，则还需先计算各粉管中煤粉流量占比，逐一乘以给煤机(4)输出的给煤量信号作为对应燃烧器的煤量，进而乘以单位煤量理论燃烧所需空气量计算该燃烧器(3)对应的燃烧器完全燃烧所需空气量；每个燃烧器完全燃烧所需空气量还需乘以90％后减掉一次风粉在线监测装置(9)输出的对应一次风粉管道(5)中流过的一次风流量，剩余所需风量作为该燃烧器所需配风的二次风量控制目标。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：每个燃烧器的二次风配风控制方法，首先控制器根据各燃烧器所需配风的二次风量控制目标，控制二次风箱(6)出口二次风箱小风门(7)开度，使每个燃烧器二次风箱小风门(7)流过的风量等于计算出的二次风量控制目标。
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