CN113884651A - 火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法，属于锅炉燃烧参数监视领域。本发明预先建立以工业分析为输入、元素分析为输出的预测模型。同时，获取数字化煤场管理系统的上煤皮带煤质信息，借助上述建立的元素分析预测模型可实时获取皮带上煤元素分析。结合输煤皮带运行状态信号确定可上煤的原煤仓，再联合可上煤的原煤仓犁煤器开关信号确定正上煤的原煤仓，最终确定各磨煤机原煤仓的上煤煤质。根据原煤仓几何结构及给煤量信息可动态确定原煤仓内的煤质空间分布和入炉煤质。因此，采用本发明可实现直吹式制粉系统电站锅炉入炉煤质的在线监测，为磨煤机和锅炉的精细化运行调节提供更为准确的依据，对锅炉的智能运行具有重要意义。

Description

火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法

技术领域：

本发明涉及一种火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法。

背景技术：

为进一步提升发电经济性，国内燃煤电厂实际燃煤普遍偏离设计煤种，且大多掺烧多种经济煤种，导致入炉煤质波动，对锅炉燃烧的稳定性和安全性带来不利影响。因此，实现入炉煤质的在线监测对锅炉的安全、环保、经济运行意义较大。

目前，燃煤电厂普遍在输煤皮带处获取煤样后采取实验室烧灼法进行工业分析，化验结果一般滞后于生产的需要，且上煤煤质不一定与入炉煤质一致，导致锅炉运行时无法掌握入炉煤质，运行相对粗放。此外，煤质的工业分析成分只能初步判断煤的性质，不利于燃烧的精细化指导；而煤的元素分析能够确定煤中有机物的元素含量，可根据元素分析结果进一步计算燃烧产物、理论燃烧温度等关键燃烧参数，有利于指导锅炉运行精确调整。由于元素分析操作要求较高，电厂一般不开展此项目。

现有的煤质在线分析设备根据原理可分为X(γ)射线、荧光技术、激光诱导等，主要测量煤中的一些元素，然后通过算法算出煤中的灰分、发热量等。由于煤质在线分析设备测量精度低、存在安全隐患等，一般电厂不使用。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法。

本发明所采用的技术方案有：

一种火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法，包括如下步骤：

步骤1)：建立火电厂常用煤种的工业分析与元素分析的基础数据库，建立以工业分析为输入、元素分析为输出的预测模型；

所述工业分析包括收到基低位热值Q_net,ar、收到基高位热值Q_gr,ar、收到基挥发分V_ar、收到基水分M_ar和收到基灰分A_ar；

所述元素分析包括收到基C_ar、收到基H_ar、收到基O_ar、收到基N_ar、收到基硫S_ar和干燥无灰基氮含量N_daf。

具体过程如下：

(1)收到基H_ar的预测公式如下：

(2)利用数据库中的样本对干燥无灰基C_daf和O_daf进行线性拟合，公式如下：

C_daf＝k₁O_daf+k₂，其中k₁、k₂为拟合系数。

将干燥无灰基碳含量转换为收到基碳含量，转换公式如下：

C_ar＝k₃×C_daf＝k₃×(k₁O_daf+k₂)＝k₁O_ar+k₃k₂

其中，

(3)收到基氧含量预测公式如下：

(4)利用数据库中的样本对干燥无灰基N_daf和V_daf进行线性拟合，公式如下：

N_daf＝k₄V_daf+k₅，其中k₄、k₅为拟合系数。

将干燥无灰基氮含量转换为收到基碳含量，转换公式如下：

N_ar＝N_daf×k₃

(5)收到基硫含量计算公式如下：

S_ar＝100-M_ar-A_ar-C_ar-H_ar-O_ar-N_ar

(6)将第(1)、(2)、(4)、(5)步结果代入第(3)步公式联合求解，即可求解收到基O_ar；进一步地，可以计算得到收到基C_ar、收到基S_ar。

步骤2)：根据数字化煤场管理系统获取火电厂输煤皮带的煤质工业分析信息，将获取的工业分析信息输入到步骤1)中建立的预测模型中，得到输煤皮带的煤种元素分机

步骤3)：根据步骤2)获得的煤种元素分析的结果，结合输煤皮带运行状态信号确定可上煤的原煤仓，同时联合可上煤的原煤仓犁煤器开关信号确定正上煤的原煤仓，最终确定各磨煤机原煤仓的上煤煤质(工业分析和元素分析)；

步骤4)：根据各台磨煤机中原煤仓的锥形几何结构，结合各原煤仓的存煤量、实时上煤量和对应的磨煤机给煤量，确定各原煤仓中的煤质动态分布，具体过程如下：

a)根据原煤仓几何结构，建立第i层煤种存煤体积V_i与煤层下部高度坐标h′_i、煤层上部高度坐标h″_i之间的关系式：

其中，h0为锥形状的原煤仓的锥顶点到原煤仓落煤口的距离，hz为锥形状的原煤仓的锥口到原煤仓落煤口的距离，S、S′_i、S″_i为原煤仓不同高度处的原煤仓截面积；

b)设原煤仓最下层为煤种1、存煤量为m₁、堆积密度为ρ₁；依次向上，第i层为煤种i、存煤量为m_i、堆积密度为ρ_i；最上层为煤种n、存煤量为m_n、堆积密度为ρ_n。各层煤种体积为：

c)确定各层煤种上、下分界面高度坐标，首先从最下部第一层开始计算，依次向上计算，且若存在两层以上煤种时，满足下述条件：

h″_i＝h′_i+1

联合步骤a)、步骤b)和步骤c)中的公式，可以得到磨煤机原煤仓中各煤种的空间分布，并对不同煤种以不同颜色展示；

d)当磨煤机原煤仓存在上煤或卸煤时，可同步计算原煤仓的煤质动态分布，计算过程如下：

在时间间隔Δt内，磨煤机原煤仓上煤量为m_in、给煤机给煤量为m_out。根据步骤三得到给煤机上煤煤质，若该煤质与原煤仓最上层煤质一致，原煤仓的煤种仍为n层分布；若该煤质与原煤仓最上层煤质不一致，原煤仓的煤种增加至n+1层分布。同时，根据给煤机给煤量m_out，依次动态计算第一层直至最上层煤种的存煤量m_i，根据a)～c)的步骤更新各层煤种的高度坐标。

步骤5)：结合步骤4)中确定的各原煤仓最下层煤种，结合各磨煤机运行状态加以确定磨煤机入口煤质，从而确定锅炉各层燃烧器的煤质。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出在电厂已有煤质工业分析的基础上结合输煤控制系统信号可确定各磨原煤仓的上煤工业分析成分，借助以工业分析为输入、元素分析为输出的预测模型，从而可获取各磨原煤仓上煤工业分析和元素分析结果。同时，根据原煤仓几何结构及给煤量信息动态确定原煤仓内的煤质(工业分析和元素分析)空间分布情况，依此可实现直吹式制粉系统电站锅炉入炉煤质的在线监测，对锅炉的智能化燃烧具有重要意义。

附图说明：

图1为本发明的流程图。

图2为磨煤机原煤仓结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1，本发明一种火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法，包括如下步骤

步骤1)：获取实施电厂所有常用煤种的工业分析和元素分析结果，建立煤质标准数据库；后期若新增煤种，可将新样本添加到煤质标准数据库。

利用数据库中的样本对C_daf和O_daf进行线性拟合，拟合结果如下：

C_daf＝-1.1O_daf+94.2

利用数据库中的样本对N_daf和V_daf进行线性拟合，拟合结果如下：

N_daf＝0.016V_daf+0.9

预测模型中使用的各系数为：

k₁＝-1.1，k₂＝94.2，k₄＝0.016，k₅＝0.9

步骤2)：输煤皮带上煤工业分析为

M_ar＝28％、A_ar＝21.86％、V_ar＝19.63％、Q_net，ar＝14517KJ/Kg、Q_gr，ar＝15742KJ/Kg将其按照上述步骤进行求解，结果如下：

C_ar＝39.79％、H_ar＝2.3％、O_ar＝6.72％、N_ar＝0.765％、S_ar＝0.53％

步骤3)：结合输煤皮带运行状态信号、各台磨煤机原煤仓犁煤器开关信号，确定输煤皮带正在对A磨原煤仓上煤。

步骤4)：根据A磨锥形原煤仓几何结构，结合A磨原煤仓存煤量、实时上煤量和对应的磨煤机给煤量，确定A磨原煤仓中的煤质动态分布，具体过程如下：

a)如图2，A磨原煤仓上部为圆柱形、下部为圆锥形，圆柱直径为8m、高度为6m，圆锥下端卸煤口直接为0.8m、高度hz为6m、圆锥下端截面与圆锥顶点高度h0为0.67m、圆锥体部分体积为：V_z＝111.65m³。建立A磨原煤仓第i层煤种存煤体积V_i与煤层下部高度坐标h′_i、煤层上部高度坐标h″_i之间的关系式：

b)t时刻，A磨原煤仓有存煤为两层分布，第一层(下层)为煤种1、存煤量为100t、堆积密度为1.1t/m³，工业分析为M_ar＝12.03％、A_ar＝32.93％、V_ar＝19.63％、Q_net，ar＝17560KJ/Kg、Q_gr，ar＝16760KJ/Kg，预测的元素分析为C_ar＝45.2％、H_ar＝2.22％、O_ar＝5.99％、N_ar＝0.67％、S_ar＝0.96％。

A磨原煤仓，第二层(上层)为煤种2、存煤量为60t、堆积密度为1.2t/m³，工业分析为M_ar＝12.03％、A_ar＝32.93％、V_ar＝19.63％、Q_net，ar＝17560KJ/Kg、Q_gr，ar＝16760KJ/Kg，预测的元素分析为C_ar＝45.2％、H_ar＝2.22％、O_ar＝5.99％、N_ar＝0.67％、S_ar＝0.96％。

t时刻，A磨原煤仓第一层煤种1体积为：

h′₁＝0

c)由于V₁＜V_z，所以煤种1的上分界面高度坐标h″₁＜hz。

使用步骤4)中a)中的体积计算公式可得：

h″₁＝4.76m

t时刻，A磨原煤仓第二层煤种2体积为：

h′₂＝h″₁＝4.76m

使用步骤4)中a)中的体积计算公式可得：

h″₂＝6.58m

进一步地，可知原煤仓高度区间[0，4.76m]为煤种1，高度区间[4.76m，6.58m]为煤种2。

在t到t+Δt时间段，A磨原煤仓共上煤40t，上煤煤种为步骤2)确定，与原煤仓第二层煤种一致，累加到第二层煤2中；A磨给煤机共卸煤30t。

据上可知，t+Δt时刻，A磨原煤仓第一层煤种仍为煤种1，存煤量变为：

m₁＝100-30＝70t

第二层煤种仍为煤种2，存煤量变为：

m₂＝60+40＝100t

重新计算，更新各煤层高度区间，结果如下：

A磨原煤仓高度区间[0，3.13m]为煤种1，高度区间[3.13m，6.7m]为煤种2。

根据上述方式不断对各磨煤机原煤仓进行计算，即可实时更新各磨煤机原煤仓煤质空间分布。

步骤5)：实时更新各磨煤机原煤仓第一层煤质，即可获知锅炉入炉煤质(工业分析和元素分析)，为磨煤机和锅炉精细化调节提供依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法，其特征在于：包括

1)建立火电厂常用煤种的工业分析与元素分析的基础数据库，建立以工业分析为输入、元素分析为输出的预测模型；

2)根据数字化煤场管理系统获取火电厂输煤皮带的煤质工业分析信息，将获取的工业分析信息输入到步骤1)中建立的预测模型中，得到输煤皮带的煤种元素分析；

3)根据步骤2)获得的煤种元素分析的结果，结合输煤皮带运行状态信号确定可上煤的原煤仓，同时联合可上煤的原煤仓犁煤器开关信号确定正上煤的原煤仓，最终确定各磨煤机原煤仓的上煤煤质；

4)根据各台磨煤机中原煤仓的锥形状的几何结构，结合各原煤仓的存煤量、实时上煤量和对应的磨煤机给煤量，确定各原煤仓中的煤质动态分布；

5)根据步骤4)中各原煤仓的煤质动态分布，确定各原煤仓的最下层煤种，结合各磨煤机运行状态加以确定磨煤机入口煤质，从而确定锅炉各层燃烧器的煤质。

2.如权利要求1所述的火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法，其特征在于：所述工业分析包括收到基低位热值Q_net,ar、收到基高位热值Q_gr,ar、收到基挥发分V_ar、收到基水分M_ar和收到基灰分A_ar；

所述元素分析包括收到基C_ar、收到基H_ar、收到基O_ar、收到基N_ar、收到基硫S_ar和干燥无灰基氮含量N_daf。

3.根据权利要求2所述的火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法，其特征在于：步骤1)中建立的预测模型为：

其中，k₁、k₂、k₄、k₅为拟合系数，

4.根据权利要求1所述的火电厂直吹式制粉系统入炉煤质在线监测方法，其特征在于：步骤4)中各磨煤机原煤仓中煤质动态分布的确定过程为：

a)根据各原煤仓的锥形状几何结构，建立每个原煤仓第i层煤种存煤体积V_i对应与煤层下部高度坐标h′_i，以及与煤层上部高度坐标h″_i之间的关系式：

其中，h0为锥形状的原煤仓的锥顶点到原煤仓落煤口的距离，hz为锥形状的原煤仓的锥口到原煤仓落煤口的距离，S、S′_i、S″_i为原煤仓不同高度处的原煤仓截面积；

b)设原煤仓最下层为煤种1、存煤量为m₁、堆积密度为ρ₁；依次向上，第i层为煤种i、存煤量为m_i、堆积密度为ρ_i；最上层为煤种n、存煤量为m_n、堆积密度为ρ_n；

得出各层煤种体积为：

c)确定各层煤种上、下分界面高度坐标，首先从最下部第一层开始计算，依次向上计算，且若存在两层以上煤种时，满足下述条件：

h″_i＝h′_i+1

联合步骤a)、步骤b)和步骤c)中的公式，可以得到原煤仓中各煤种的空间分布，并对不同煤种以不同颜色展示；

d)当磨煤机原煤仓存在上煤或卸煤时，可同步计算原煤仓的煤质动态分布，计算过程如下：

在时间间隔Δt内，磨煤机原煤仓上煤量为m_in、给煤机给煤量为m_out，根据步骤3)中得到的上煤煤质，若该煤质与原煤仓最上层煤质一致，则原煤仓的煤种仍为n层分布；

若该煤质与原煤仓最上层煤质不一致，则原煤仓的煤种增加至n+1层分布；同时，根据给煤机给煤量m_out，依次动态计算原煤仓内第一层直至最上层煤种的存煤量m_i，更新各层煤种的高度坐标。

Images