CN202598584U - 一种锅炉煤粉燃烧热量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锅炉煤粉燃烧热量控制系统，该系统包括输送机及煤粉燃烧器，该输送机输送煤粉至该煤粉燃烧器，该系统还包括：灰分测量装置，测量该输送机所输送的煤粉的灰分信号；水分测量装置，测量该输送机所输送的煤粉的含水量；挥发分测量装置，测量该输送机所输送的煤粉的挥发分值；称重装置，测量该输送机所输送的煤粉的重量值；数据采集处理控制器，接收测量得到的该灰分信号、含水量、挥发分值以及重量值并据以计算煤粉的燃烧热量，该数据采集处理控制器根据该燃烧热量与一目标热量的差值，发出调整该输送机的输送量的控制信号。本实用新型精确获取煤粉的燃烧热量。可根据一目标热量，精确控制燃烧锅炉的入炉煤量。

Description

一种锅炉煤粉燃烧热量控制系统

技术领域

本实用新型涉及锅炉燃烧热量测量与控制技术，特别是涉及一种锅炉燃煤（煤粉）燃烧热量控制系统。

背景技术

燃烧锅炉广泛的应用于电力、冶金、水泥、化工等行业。以下以发电厂为例，简要说明锅炉煤粉燃烧热量控制现状。

电厂有诸多控制系统，其中蒸汽压力控制系统或锅炉燃烧控制系统是根据锅炉蒸汽压力的偏差或发电机组的蒸汽负荷需求，来控制进入锅炉的燃煤量、送风量和引风量，以保证锅炉运行的经济性、稳定性和安全性。

由于气压控制惯性较大，加之难以准确的测量入炉燃煤燃烧热的流量，以及所燃煤的品质多变，导致气压控制系统难以及时有效的克服燃煤热量内扰、难以确保燃烧过程稳定性和负荷适应性，从而影响该系统运行的经济性、稳定性和安全性。

存在上述缺陷的主要原因是：煤的燃烧热量并不仅仅取决于入炉煤重量，还与煤品质（发热量）有关。即：燃烧热量=（发热量）*（煤重量）

可见燃烧热量取决于煤发热量以及煤重量这两个因素，如果仅仅采用入炉煤的重量控制，则仅考虑了其中一个因素，使得燃烧热量的控制精度较低，会产生较大的热量波动而导致运行的不稳定性，降低了安全性。

另外，在预定的目标热量下，根据煤发热量精确的控制入炉煤重量可以避免燃煤热量扰动，降低煤耗，降低成本，提高效率。对于大型电厂来说意义尤为重大。

当前技术中，尚未见到能够精确控制燃烧锅炉的入炉煤的燃烧热量的控制装置。针对上述问题，本实用新型提出“一种锅炉煤粉燃烧热量控制系统及其方法”，对煤粉燃烧热量进行精确测量与闭环控制用以减少燃煤热量的扰动，提高电厂运行的稳定性和安全性，有效的降低煤耗。

发明内容

本实用新型解决的技术问题在于，精确获取煤粉的燃烧热量。

更进一步的，根据目标热量，精确控制燃烧锅炉的入炉煤量。

更进一步的，根据当前的入炉煤量获取其燃烧热量。

本实用新型公开了一种锅炉煤粉燃烧热量控制系统，包括输送机以及煤粉燃烧器，该输送机输送煤粉至该煤粉燃烧器，该系统还包括：

测量该输送机所输送的煤粉的灰分信号的灰分测量装置；

测量该输送机所输送的煤粉的含水量的水分测量装置；

测量该输送机所输送的煤粉的挥发分值的挥发分测量装置；

测量该输送机所输送的煤粉的重量值的称重装置；

接收测量得到的该灰分信号、含水量、挥发分值以及重量值并据以计算煤粉的燃烧热量，并根据该燃烧热量与一目标热量的差值，发出调整该输送机的输送量的控制信号的数据采集处理控制器。

该水分测量装置采用的是红外水分测量装置或微波水分测量装置。

该称重装置采用的是X光秤或者电子皮带秤。

该输送机采用的是螺旋输送机或皮带输送机或煤粉给料机。

该测厚装置采用超声波测厚或压辊式测厚装置。

该灰分测量装置为辐射式灰分测量装置，该辐射式灰分测量装置采用X射线源或г射线源。

该系统还包括整形料仓，安装在该输送机的物料入口处。

实用新型本实用新型的技术效果在于，能够精确获取煤粉的燃烧热量，特别是根据当前的入炉煤量获取其燃烧热量。另外，可根据一目标热量，精确控制燃烧锅炉的入炉煤量。

附图说明

图1所示为本实用新型的锅炉煤粉燃烧热量控制系统的结构示意图；

图2所示为本实用新型的锅炉煤粉燃烧热量控制系统的结构示意图；

图3所示为本实用新型的锅炉煤粉燃烧热量控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图说明本实用新型的技术方案。

煤的燃烧热量与煤重量和煤的发热量（燃烧值）相关。为了精确控制锅炉煤的燃烧热量，需首先确认影响发热量的参数。

煤的发热量主要取决于煤的水分、灰分和挥发分。

水分包括内在水分、外在水分和全水分（全水分是内在、外在水分总和）全水分常用M_at表示，此外还有空气干燥基水分M_ad。

灰分包括空气干燥基灰分A_ad和收到基灰分A_ar等。

挥发分，也称挥发分产率，它是指煤中有机物和部分矿物质加热分解后的产物，常用空气干燥基挥发分V_ad和收到基挥发分V_ar表示。

煤化研究所收集了全国各产地煤质的大量数据，采用数理统计方法和多元回归分析法推出了多种煤发热量计算公式，包括：弹筒发热量Q_b、高位发热量Q_sr、低位发热量Q_net以及各自4种基（空气干燥基（ad）、干基(d)、收到基(ar)、恒湿无灰基（maf））等多种煤发热量计算公式。本实用新型可任意选取其中的低位或高位空气干燥基发热量计算公式，也可采用其他国际常用的煤发热量计算公式，如高特(Gouta)公式。本实用新型也专门给出了一种具备较高准确度的煤发热量计算公式，容后详叙。

图1所示为本实用新型的锅炉煤粉燃烧热量控制系统100（采用螺旋输送机）的结构示意图。

输送机3用于输送煤粉4至煤粉燃烧器7中进行燃烧。该输送机可以选用螺旋输送机、给粉机、电磁震动给料机以及封闭式的皮带输送机等。本实施例中采用了螺旋输送机。

水分测量装置13包括水分测量探头131和水分测量主机132，水分测量探头131设置在该输送机3的上方。水分测量探头131发出的红外或微波射线照射煤粉，并获取反射的水分信号。该水分测量探头131将水分信号传送至水分测量主机132，由水分测量主机132计算该煤粉的含水量。水分测量主机132将含水量数据发送至数据采集处理控制器8，由数据采集处理控制器8进行数据运算以及控制。

灰分测量装置为利用X射线源或г射线源的辐射式灰分测量装置，其包括射线源5和射线探测器6，二者分别安装在输送机3的上方和下方（或左右两侧）。射线源5发出的射线穿过输送机3上的煤粉后，被射线探测器6接收产生灰分信号，射线探测器6将该灰分信号发送至数据采集处理控制器8，数据采集处理控制器8进行数据运算以及控制。由于煤与灰分对射线的吸收能力不同，因此可以比较射线投射在煤粉前、后的强度变化，就可以得到煤的灰分值。故而，该灰分信号可以包括该输送机上有/无煤粉时该射线探测器6接收到的探测信号。该利用X射线源的灰分测量装置的测量方法在中国专利申请：201110162779.3中有所记载。

称重装置可以是辐射式称重装置，或是电子皮带秤。辐射式称重装置包括称重放射源2以及称重探测器9，二者分别安装在输送机3的上方和下方（或左右两侧），用于测量输送机所输送的煤粉的重量值。该称重装置采用的是现有技术中的X光秤或者电子皮带秤。特别是，如果输送机采用螺旋输送机，则称重装置可采用X光秤，如果输送机采用皮带输送机，则称重装置可采用电子皮带秤。称重装置将该重量值送至数据采集处理控制器8，由数据采集处理控制器8进行数据运算以及控制。

挥发分测量装置20与数据采集处理控制器8连接，其用于测量输送机3上所输送的煤粉的挥发分值，并将该挥发分值输送至数据采集处理控制器8进行数据运算以及控制。由于一定种类的煤，其挥发分的数值相对变化不大，且挥发分对发热量的影响较小，故而，可采用定时采样的离线测量方式。可在煤粉放置在输送机3上进行输送之前，或者在输送机的输送过程中，定时在输送机3中进行采样，并送至挥发分测量装置20进行测量，获得挥发分值V_ad。

数据采集处理控制器8，接收测量得到的该灰分信号、含水量、挥发分值以及重量值并据以计算煤粉的燃烧热量，该数据采集处理控制器根据该燃烧热量与一目标热量的差值，发出调整该输送机的输送量的控制信号。该数据采集处理控制器8可采用PLC实现。

该输送机3由输送机驱动器10驱动，输送机驱动器10接收数据采集处理控制器8发出的控制信号，调整输送机3的输送速度，从而改变输送机3的煤粉输送量。

该系统还可包括一整形料仓1，安装在该输送机3的物料入口处。其作用在于，使被测物（煤粉）的形状和厚度保持一致，从而提高测量准确度。

更为具体的，该数据采集处理控制器的处理过程包括如下步骤：

A、根据该灰分信号，及灰分数学模型计算煤粉的灰分值，实现灰分在线测量。

B、根据灰分值、含水量、挥发分值，并依据发热量计算公式，计算煤粉的发热量，实现发热量的在线测量。

C、根据该发热量和称重装置测量得到的该重量值，计算该煤粉的燃烧热量，燃烧热量=发热量×重量值，实现燃烧热量的在线测量。

D、数据采集处理控制器8中可预先设定一所欲实现的目标热量Q_目标，此时，计算当前获取的燃烧热量Q_燃烧热量与目标热量Q_目标之间的差值，根据该差值调整输送机的煤粉输送量。

特别是，该数据采集处理控制器8根据该差值计算调整该输送机的输送量，并发出一控制信号，从而增加或减少煤粉的输送量。

更为具体的，步骤D中，根据该差值△Q(△Q=Q_目标-Q_燃烧热量)，利用PID运算（或模糊控制）得到一回控量△Q_热回控。根据该回控量△Q_热回控计算出重量回控量△W，△W=△Q_热回控/发热量Q_net.ad。数据采集处理控制器8根据该△W调节输送机的运转速度，进而调整输送量，以实现对锅炉煤粉燃烧热量的控制。

该灰分数学模型以及该发热量计算公式均为事先建立。当输送机开始进行在线输送时，数据采集处理控制器8中已经存储有该灰分数学模型以及该发热量计算公式。

在本实用新型的优化实施例中，推荐采用X射线源和X射线探测器的灰分测量装置。

X射线比常用的γ射线具有更低的能量，煤中的轻元素物质（可燃物质）与重元素物质（不可燃物质）对X射线吸收能力的差别更大，因此，X射线能更准确的分辨出煤中的灰分成分，有较高的测量准确度和更高的辐射安全性。

测量煤灰分时，煤吸收X射线，除与灰分有关外还与物质的多少有关，因此，测量必须是在归一为同一重量（或同一物质厚度）的情况下进行测量。即，重量或厚度是影响灰分的一个因素。但是，煤粉的含水量多少也影响射线的吸收，进而影响灰分值测量的准确度。故而，中国专利申请201110162779.3所记载的灰分计算公式仅在含水量变化较小范围（与标定K_A时含水量M_o相比变化较小）内适用，在含水量变化较大时，会对灰分测量带来较大误差。本实用新型则进一步利用具有水分修正的灰分数学模型以计算灰分值，提高灰分测量的准确度。

具体的，本实用新型利用水分修正系数KM建立灰分数学模型：

A_ad=K_A K_M[ln（N_i/N_o）/w]                           （1）；

其中，A_ad为灰分值（%），K_A为煤灰分标定系数。N_o为输送机上无煤粉时该灰分测量装置输出的灰分信号（X射线探测器输出的探测信号），N_o相当于一基准值，N_i为输送机上有煤粉时该灰分测量装置输出的灰分信号（X射线探测器输出的探测信号），w为煤粉的重量值，K_M为水分修正系数，K_M用于表示水分对灰分信号的影响程度。

公式（1）中的K_A、K_M，需要预先确定。特别是KM需要通过标定以及直线拟合进行确定。该确定过程包括：

首先设K_M为1，确定K_A的值。取一份已知灰分值为A_ado的标准煤样A_o。利用灰分测量装置对该标准煤样A_o进行测量，输出该标准煤样的灰分信号（N_io、N_o）。N_o为该灰分测量装置在无该标准煤样A_o时（未透射该标准煤样A_o时）输出的灰分信号（X射线探测器输出的探测信号），N_io为该灰分测量装置发出的射线穿过该标准煤样A_o时所输出的灰分信号（X射线探测器输出的探测信号）。利用称重装置测量该标准煤样A_o的重量值w_o，利用水分测量装置测量该标准煤样A_o的含水量M_o。

设该标准煤样A_o的当前含水量M_o为水分修正的原点，即，标准煤样A_o的灰分值为A_ado、含水量为M_o时的K_M为1。

此时，公式（1）变为：

A_ad=K_A[ln（N_i/N_o）/w]                             （2）

将测量得到的N_io、N_o、w_o、A_ado代入公式（2）中，可以得到K_A的一个具体数值。

K_A=A_ado/[ln（N_io/N_o）/w_o]

此时，收集针对标准煤样A_o的一组水分修正数据，该数据为包括含水量与水分修正系数（M_o，K_M），即，（M_o，1），作为收集的第一组数据。

接下来对K_M进行标定。

由于K_A的数值已知，则公式（1）变为：

K_M=A_ad/[ln（N_i/N_o）/w]/K_A                           （3）

取灰分仍为A_ado的煤样A₁，使其水分为M₁。即，煤样A₁与标准煤样A_o的灰分值相同，含水量不同。

针对煤样A₁，利用灰分测量装置对该煤样A₁进行测量，输出该煤样A₁的灰分信号（N_i1、N_o）。利用称重装置测量该煤样A₁的重量值w₁，利用水分测量装置测量该煤样A₁的含水量M₁。

将测量得到的N_i1、N_o、w₁、A_ado及K_A代入公式（3）中，可以得到K_M的一个具体数值K_M1。从对煤样A₁的测量中，可收集第二组数据（M₁，K_M1）。

取灰分仍为A_ado的煤样A₂，使其水分为M₂。通过上述方式可收集第三组数据（M₂，K_M2）。

通过上述方式，可进一步收集多组数据（M_i，K_Mi）。

将收集到的上述多组数据转换成多组K_Mi与以M_O为基点的△M_i（△M_i=M_i-M₀）的数据，对K_Mi与△M_i进行直线拟合，测量得到拟合直线的截距和斜率，可得拟合直线的方程式为：

K_M=C+K（M_i-M_o）                                 （4）。

C为所拟合的直线的截距，K为直线的斜率，至此，K_A,M_O,K_M=C+K(M_i-M_o)均为已知。

将K_M与K_A的具体数值代入公式（1）中，则公式（1）中的K_A、N_o、、、M_o、C、K均为已知值，N_i、w、M_i均可通过测量得到，则公式（1）中的各系数完整，将针对生产线上输送机所输送的煤粉进行测量所得到的灰分信号（N_i，N_o）、重量值w、含水量M_i代入公式（1）中，即可获得所输送的煤粉的灰分值。

该公式（1）预先存储于数据采集处理控制器中。

如图2所示为本实用新型的锅炉煤粉燃烧热量控制系统100的结构示意图，图中采用皮带输送机。与皮带输送机配合使用的称重装置是电子皮带秤。

在图1所示的基础上，本实用新型还可包括一测厚装置11，用于测量输送机3上所输送的煤粉的厚度d。该测厚装置可采用超声波测厚或压辊式测厚装置。图中所示为压辊式测厚装置，其包括它包括压辊115、连杆114、支承轴113、支撑架112和角位移传感器111。

压辊放置在输送机的被测物上，通过连杆连接至角位移传感器。在皮带传送时，被测物厚度不同导致压辊上下运动，角位移传感器可感知连杆的角度变化。通过当前位置与初始位置的连杆的角度变化以及固定的连杆长度可以获知当前被测物的厚度值，并将检测的厚度值数据发送至数据采集处理控制器。

另外，该测厚装置还可包括一压力调节器116，压力调节器116用于调整压辊对煤粉施加的压力。

此时，灰分数学模型可相应调整为利用厚度修正的灰分计算数学模型。

A_ad=K_A K_M[ln（N_i/N_o）/d]                              （5）

d为煤粉的厚度，其余参数与公式（1）相同。

以下介绍发热量计算公式的预先准备工作过程。

发热量计算公式除了采用国内、国外现有公式外，本实用新型提出了一种针对所控锅炉的燃煤实际情况而建立的准确性更高的发热量计算公式：

Qnet.ad=D-K₁V_adi-K₂A_adi-K₃M_i                          （6）

其中，D为煤种常数（如对计算烟煤低位空气干燥基发热量D=35859），K₁为挥发分系数，K₂为灰分系数，K₃为水分系数，Qnet.ad为发热量。式中体现出了灰分、水分与挥发分对发热量的影响。

系数K₁、K₂、K₃通过标定方法确定。

将Qnet.ad视为K₁、K₂、K₃的三元函数，即，Qnet.ad=f（K₁，K₂，K₃）。取三份煤样，进行离线测量，分别对其含水量、挥发分、灰分和Qnet.ad进行离线测量，得到三组具体的Q_net.ad，V_adi，A_adi，M_i的数值，带入公式中构成一个三元一次联立方程式，则可解出K₁、K₂、K₃的数值，带入公式（6），得到一个完整的公式（7），存储在数据采集处理控制器8中，便于后续计算。

该离线测量即在输送机正式输送煤粉之前的实验环节，总之，并非在实际输送煤粉进行燃烧的工作环节。而在线测量，指在输送机正式输送煤粉至煤粉燃烧器进行燃烧的同时获取测量数据。

上述标定过程可进行多次，求出多个K₁、K₂、K₃，进而求K₁、K₂、K₃各自的平均数，或收集K₁与V_adi的多组数据，利用曲线拟合的方法求出K₁与V_adi变化关系的方程式，同理，还可求出K₂与A_adi、K₃与M_i变化关系的方程式，从而得到更加准确的发热量计算公式。

在一具体实例中，分别测出各自的Q_net.ad、A_adi、V_adi、M_i如下表：

煤样	Qnet.ad（J/g）	Vad	Aad	Mi
					煤样1	25552.5	8	17	25
煤样2	25691.5	8	15	25
					煤样3	23079	10	17	28

根据上述数据建立如下方程式：

煤样1    25552.5＝35859-K₁（8%）-K₂（17%）-K₃（25%）

煤样2    25691.5＝35859-K₁（8%）-K₂（15%）-K₃（25%）

煤样3    23079＝35859-K₁（10%）-K₂（17%）-K₃（28%）

解上述三元一次联立方程式可得：

K₁=695，K₂=365，K₃=365

从而建立了具体的煤发热量的计算公式：

Qnet.ad＝35859-695V_adi-365A_adi-365M_i。               （7）

本实用新型除采用低位分析基发热量计算公式外，还可采用其他类型发热量计算公式，利用本实用新型给出的方法，也可建立其他类型的发热量计算公式。

如图3所示为本实用新型的锅炉煤粉燃烧热量控制方法的流程图。经过前述的准备工作，步骤A-D的具体执行过程包括：

步骤301，输送机开始输送煤粉，该数据采集处理控制器8接收针对当前煤粉测量得到的该灰分信号（N_i、N_o）、含水量M_i、挥发分值V_adi以及重量值w_i（或厚度值d_i），i=0，1，2……，代表测量的顺序。

步骤302，该数据采集处理控制器8利用该灰分信号（N_i、N_o）、含水量M_i和重量值w_i，并根据该数据采集处理控制器8中预先存储的完整的公式（1）计算该煤粉的灰分值，或者，利用该灰分信号（N_i、N_o）、含水量M_i和厚度值d_i，根据该数据采集处理控制器8中预先存储的完整的公式（5）计算该煤粉的灰分值A_adi。

步骤303，该数据采集处理控制器8利用灰分值A_adi、含水量M_i、挥发分值V_adi，并根据该数据采集处理控制器8中预先存储的完整的公式（7）或现有的发热量计算公式计算该煤粉的发热量Q_net.ad。

该数据采集处理控制器8将当前测量得到的灰分值A_adi、含水量M_i、挥发分值V_adi代入公式（7），可获得当前煤粉的发热量Q_net.ad值。

步骤304，该数据采集处理控制器8根据发热量Q_net.ad和重量值w_i计算燃烧热量。燃烧热量Q_燃烧热量=发热量Q_net.ad×重量值w_i。

步骤305，该数据采集处理控制器8利用该燃烧热量Q_燃烧热量和预先存储的目标热量Q_目标，计算热量差△Q(△Q=Q_目标-Q_燃烧热量)。根据该热量差△Q进行PID运算（或模糊控制）得到一回控量△Q_热回控。

步骤306，该数据采集处理控制器8计算一重量回控量△W，重量回控量△W=△Q_热回控/发热量Q_net.ad。

步骤307，数据采集处理控制器8根据该△W调节输送机的运转速度，进而调整输送量，从而实现锅炉燃烧过程在线控制。

在本实用新型中，灰分信号、含水量、挥发分值的测量方式可采用如下方式：

1、在线测量灰分信号，定时取样离线测量含水量，定时取样离线测量挥发分值；

2、在线测量灰分信号，在线测量含水量，定时取样离线测量挥发分值；

3、在线测量灰分信号，在线测量含水量，在线测量挥发分值。

第三种方式为通过测量挥发分的相关参数而在线测量挥发分值。特别是对煤粉燃烧器的尾气进行挥发分的相关参数在线测量。

以上三种方式中的第二种方式的测量方式为最佳方式。

由于灰分与含水量数据对燃烧热量控制的影响至关重要，针对灰分测量采用在线测量的方式，能够保证所测的数据与当前传输的煤粉相契合，从而得到准确的燃烧热量。

而对煤种一定的煤，其挥发分的变化范围较小，且对燃烧值影响也较小，即使是离线测量的数据，也能够保证一定的准确性。同时，可省去挥发分在线检测的困难。故而，采用第二种方式的测量方式最优。

本实用新型的技术效果在于，能够精确获取煤粉的燃烧热量，特别是根据当前的入炉煤量获取其燃烧热量。可根据一目标热量，精确控制燃烧锅炉的入炉煤量，从而实现燃烧锅炉入煤燃烧热量准确控制。采用本实用新型的技术方案可降低煤耗、降低热量扰动、提高运行稳定性和安全性，为企业带来可观的经济效益。

Claims (7)

1.一种锅炉煤粉燃烧热量控制系统，包括输送机以及煤粉燃烧器，该输送机输送煤粉至该煤粉燃烧器，其特征在于，该系统还包括：

测量该输送机所输送的煤粉的灰分信号的灰分测量装置；

测量该输送机所输送的煤粉的含水量的水分测量装置；

测量该输送机所输送的煤粉的挥发分值的挥发分测量装置；

测量该输送机所输送的煤粉的重量值的称重装置；

接收测量得到的该灰分信号、含水量、挥发分值以及重量值并据以计算煤粉的燃烧热量，并根据该燃烧热量与一目标热量的差值，发出调整该输送机的输送量的控制信号的数据采集处理控制器。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该水分测量装置采用的是红外水分测量装置或微波水分测量装置。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该称重装置采用的是X光秤或者电子皮带秤。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该输送机采用的是螺旋输送机或皮带输送机或煤粉给料机。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该灰分测量装置为辐射式灰分测量装置，该辐射式灰分测量装置采用X射线源或г射线源。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括整形料仓，安装在该输送机的物料入口处。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括一测厚装置，该测厚装置采用超声波测厚或压辊式测厚装置。

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