CN103453548A - 基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，包括：根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组；其中，所述物质平衡公式是指入炉煤中的各种元素成分在入炉煤燃烧前后相等；根据建立的所述方程组，计算电站锅炉中的入炉煤元素成分；根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。此外，还公开了一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置。采用本发明可以实现对入炉煤元素成分的实时在线计算，对电站锅炉进行实时调节，具有很好的调节效果，而且具有足够的安全性，成本较低，易于推广。

Description

基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法及装置

技术领域

本发明涉及电站锅炉技术领域，尤其涉及一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法和一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置。

背景技术

对于电力锅炉而言，入炉煤元素成分是原煤的重要监视成分，但入炉煤元素成分的检测却是热工检测的一个难点。实时检测入炉煤元素成分具有重要意义，它直接影响对电站锅炉的调节精度和调节效果。通过分析原煤燃烧转化的整个过程可以发现，燃烧所产生的烟气中蕴含着较为丰富的煤质元素相关信息。随着节能减排相关技术的应用，目前国内大型机组均配备有完善的脱硫脱销设备。这些设备对锅炉尾部烟气成分进行了分析，其中包括了O₂在烟气中容积份额和SO₂质量浓度等重要的信息，从而为煤质元素级的实时检测提供了基础。

目前，对入炉煤元素成分的检测主要是通过含有放射性元素的设备，例如利用快速γ中子活化分析（PGNAA）技术的煤元素全分析检测方法。这种设备检测法具有明显的缺点，例如无法实现在线和实时地检测，且风险较大。另外，设备投资也较高。这不仅影响了电站制粉***的调节效果，也增大了调节难度，不利于电站锅炉的稳定运行。

发明内容

基于此，本发明提供了一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法和一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置。

一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，包括以下步骤：

根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组；其中，所述物质平衡公式是指入炉煤中的各种元素成分在入炉煤燃烧前后相等；

根据建立的所述方程组，计算电站锅炉中的入炉煤元素成分；

根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。

与一般技术相比，本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组。通过方程组可以快速和精确地计算出电站锅炉中的入炉煤元素成分，然后根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。采用本发明可以实现对入炉煤元素成分的实时在线计算，对电站锅炉进行实时调节，具有很好的调节效果，而且具有足够的安全性，成本较低，易于推广。

一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置，包括建立模块、计算模块和调节模块；

所述建立模块，用于根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组；其中，所述物质平衡公式是指入炉煤中的各种元素成分在入炉煤燃烧前后相等；

所述计算模块，用于根据建立的所述方程组，计算电站锅炉中的入炉煤元素成分；

所述调节模块，用于根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。

与一般技术相比，本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组。通过方程组可以快速和精确地计算出电站锅炉中的入炉煤元素成分，然后根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。采用本发明可以实现对入炉煤元素成分的实时在线计算，对电站锅炉进行实时调节，具有很好的调节效果，而且具有足够的安全性，成本较低，易于推广。

附图说明

图1为本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法的流程示意图；

图2为迭代计算流程图；

图3为本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

请参阅图1，为本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法的流程示意图。

本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，包括以下步骤：

S101根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组；其中，所述物质平衡公式是指入炉煤中的各种元素成分在入炉煤燃烧前后相等；

S102根据建立的所述方程组，计算电站锅炉中的入炉煤元素成分；

S103根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。

在步骤S101中，煤质元素的计算主要基于物质能量守恒定律以及煤燃烧的化学分析：即可从尾部烟气成分来提取煤质元素的相关信息，并将实时煤质收到基水分和灰分信息引入到相关参数中，对元素计算结果进行修正。

作为其中一个实施例，所述入炉煤元素成分包括氢元素成分、氧元素成分、硫元素成分、碳元素成分和氮元素成分。

通过计算入炉煤中的上述五种成分，基本上可完全地掌握煤质信息，从而对入炉煤的燃烧特性进行有针对性的计算和分析，大大利于电站锅炉的燃烧控制。

作为其中一个实施例，所述建立用于计算入炉煤元素成分的方程组的步骤，包括以下步骤：

根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立如下方程组：

100＝C_daf+S_daf+H_daf+O_daf+N_daf

H_daf＝a₁C_daf+b₁

O_daf＝a₂C_daf+b₂

${\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}=\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\γ}}_{o_2}}{1+\mathrm{\β}}-{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{so}}_2}$

$S_{\mathrm{daf}}={142.86\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{so}}_2}(V_{{\mathrm{RO}}_2,\mathrm{daf}}{+V}_{O_2,\mathrm{daf}}+V_{N_2,\mathrm{daf}})$

$C_{\mathrm{daf}}={53.59\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}(V_{{\mathrm{RO}}_2,\mathrm{daf}}+V_{O_2,\mathrm{daf}}+V_{N_2,\mathrm{daf}})+(1-{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}){\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{cucr}}$

其中，和

为尾部烟气中氧气、二氧化碳和二氧化硫的容积份额，a₁、a₂、b₁、b₂为拟合常数，C_daf、H_daf、O_daf、N_daf和S_daf分别为碳元素、氢元素、氧元素、氮元素和硫元素的元素成分，V_RO2,daf、V_O2,daf和V_N2,daf分别为三原子气体、氧气和氮气的标准气体量，φ为空气中氧气容积。

根据元素之间化学键的强弱以及物质平衡原理构建了如下方程：

100＝C_daf+S_daf+H_daf+O_daf+N_daf                (1)

H_daf＝a₁C_daf+b₁                             (2)

O_daf＝a₂C_daf+b₂                             (3)

${\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}=\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\γ}}_{o_2}}{1+\mathrm{\β}}-{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{so}}_2}---\left(4\right)$

$S_{\mathrm{daf}}={142.86\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{so}}_2}(V_{{\mathrm{RO}}_2,\mathrm{daf}}{+V}_{O_2,\mathrm{daf}}+V_{N_2,\mathrm{daf}})---\left(5\right)$

$C_{\mathrm{daf}}={53.59\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}(V_{{\mathrm{RO}}_2,\mathrm{daf}}+V_{O_2,\mathrm{daf}}+V_{N_2,\mathrm{daf}})+(1-{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}){\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{cucr}}---\left(6\right)$

上述方程中，

和

为尾部烟气中O₂、CO₂和SO₂的容积份额（多数机组提供了尾部烟气中SO₂的浓度，需结合尾部烟气温度和压力，根据理想气体状态方程将其转换为容积比）。联立上述各方程，可组成以煤质水分、灰分、

和

为输入量，C_daf、H_daf、O_daf、N_daf、S_daf以及

为未知量的非线性方程组。

根据对相关元素之间化学键作用强弱进行分析，煤质干燥无灰基中氢和氧分别与碳的含量存在近似的线性关系，因此，可根据对大多数煤种的分析，将a₁、a₂、b₁、b₂拟合为常数。其中，a₁=-0.1675，b₁=18.8593；a₂=-0.4044，b₂=43.0141。也可以对被计算的煤质长期化验数据进行拟合得到。一般该关系变化不大。

而V_RO2,daf、V_O2,daf和V_N2,daf分别为三原子气体、O₂和N₂的标准气体量（m/kg）；V_gk,daf为标准计算理论空气量（m/kg）；上述各变量可由下列各式计算：

$V_{{\mathrm{RO}}_2,\mathrm{daf}}=0.01866(C_{\mathrm{daf}}+{0.375S}_{\mathrm{daf}}-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{cucr}})---\left(7\right)$

$V_{N_2,\mathrm{daf}}={0.008N}_{\mathrm{daf}}+(1-\mathrm{\φ})\mathrm{\α}{V}_{\mathrm{gk},\mathrm{daf}}---\left(8\right)$

$V_{O_2,\mathrm{daf}}=(\mathrm{\α}-1){\mathrm{\φV}}_{\mathrm{gk},\mathrm{daf}}---\left(9\right)$

V_gk,daf＝0.0889(C_daf+0.375S_daf)+0.265H_daf-0.0333O_daf-0.0889Γ_cucr(10)

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\φ}(1-{\mathrm{\γ}}_{o_2})V_{\mathrm{gk},\mathrm{daf}}+V_{{\mathrm{RO}}_2,\mathrm{daf}}{\mathrm{\γ}}_{O_2}+0.008N_{\mathrm{daf}}{\mathrm{\γ}}_{O_2}}{(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\γ}}_{O_2})V_{\mathrm{gk},\mathrm{daf}}}---\left(11\right)$

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{cucr}}=\frac{{100A}_{\mathrm{ar}}{C}_{\mathrm{ucr}}}{(100-M_{\mathrm{ar}}-A_{\mathrm{ar}})(100-C_{\mathrm{ucr}})}---\left(12\right)$

$\mathrm{\β}=2.35\frac{H_{\mathrm{daf}}-0.126O_{\mathrm{daf}}+{0.038N}_{\mathrm{daf}}}{{0.375S}_{\mathrm{daf}}+C_{\mathrm{daf}}^{\′}}---\left(13\right)$

式中φ为空气中氧气容积；通常在海平面，φ=0.21。随着海拔的上升，φ会降低，所以需要根据海拔或者根据大气压进行修正。通常海拔1000米，φ为海拔0米的92.4%。

α为尾部烟气过量空气系数；

公式（13）中的C'_daf为不同于燃料的干燥无灰基含碳量C_daf，而是基于修正系数Γ_cucr，考虑未燃尽碳损失影响，对C_daf进行修正后的结果，可定义为：

C′_daf＝C_daf-Γ_cucr

C_ucr为灰渣中未燃尽碳量，一般小于1%。A_ar为煤灰分。

在步骤S102中，由上述分析可知，待求解的计算模型为非线性方程组，计算较为复杂，涉及的算式较多，不易得到精确的数学解。

作为其中一个实施例，所述计算电站锅炉中的入炉煤元素成分的步骤，包括以下步骤：

根据建立的所述方程组，采用拟合法计算入炉煤中的氢元素和氧元素成分。

通过常规拟合法即可计算得到氢元素和氧元素成分，计算便捷，准确度高。

作为其中一个实施例，所述计算电站锅炉中的入炉煤元素成分的步骤，包括以下步骤：

根据建立的所述方程组，采用迭代法计算入炉煤中的硫元素成分。

作为其中一个实施例，所述计算电站锅炉中的入炉煤元素成分的步骤，包括以下步骤：

根据建立的所述方程组，采用寻优法计算入炉煤中的碳元素成分。

本发明在入炉煤水分、灰分等化学分析成分已知的前提下，利用锅炉尾部烟气的O₂、SO₂的浓度检测数据，在线计算入炉煤元素成分，即：C（碳），H（氢），氧（O），氮（N），硫（S）。其中硫的计算采用迭代解法，碳的计算采用寻优解法。寻优解法有效地解决了无法设置合适的碳初值的问题。

通过分析方程求解过程，发现利用迭代的方法较为有效。可根据一般经验设定S_daf和C_daf的初值，进行迭代计算。具体求解流程可参阅图2，为迭代计算流程图。

S_daf的迭代计算顺序为：

赋C_daf和S_daf的初值；

计算Γ_cucr；

根据拟合公式以及C_daf初值，计算H_daf，O_daf；

根据C_daf和S_daf的初值，以及计算的H_daf和O_daf，计算N_daf；

计算β，r_Co2，V_gk，V_Ro2；

计算alfa，V_N2，V_O2；

计算S_daf1。

由于难以确定C_daf的最佳初值，因此可能将导致不能得到一致的收敛解。采取的办法为在C_daf的主要区间（50%-90%）遍历，增量为1。如果精度不够，可以进一步降低增量到0.1，不过需要权衡实时计算任务的负荷。在遍历所有C_daf初值的情况下，计算所有遍历情况下C_daf和C_daf1的偏差，选择最小值的那个作为最终输出。

在步骤S103中，根据计算的所述入炉煤元素成分，可采取各种相应的措施对电站锅炉进行调节。

作为其中一个实施例，所述对电站锅炉进行调节的步骤，包括以下步骤：

根据计算的所述入炉煤元素成分，计算所述入炉煤的燃烧指标；

如果计算的所述入炉煤的燃烧指标，对电站锅炉的燃烧***进行调节。

通过计算入炉煤的各项燃烧指标，基本上可完全地掌握煤质信息，从而对电站锅炉进行有针对性的燃烧控制。

与一般技术相比，本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组。通过方程组可以快速和精确地计算出电站锅炉中的入炉煤元素成分，然后根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。采用本发明可以实现对入炉煤元素成分的实时在线计算，对电站锅炉进行实时调节，具有很好的调节效果，而且具有足够的安全性，成本较低，易于推广。

下面给出一个采用本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法计算入炉煤元素成分和对电站锅炉进行调节的实施例。

输入参数如下：

尾部烟气二氧化硫（SO2）的体积浓度（ppm），气体的体积浓度是指每立方米大气中含某气体的体积数，常见的单位是ppm（立方厘米/立方米）；

尾部烟气氧气（O2）的体积浓度（ppm），气体的体积浓度是指每立方米大气中含某气体的体积数，常见的单位是ppm（立方厘米/立方米）；

入炉煤收到基灰分（%）；

入炉煤收到基水分（%）；

根据上述算法，根据元素之间化学键的强弱以及物质平衡原理，解算多元非线性方程组，最后得到入炉煤元素成分的解。

下表是在不同工况下计算的入炉煤收到基元素成分计算结果。

通过上表可以得出，本发明的计算结果是可信的和有效的。采用本发明的计算结果进一步进行电站锅炉的调节也是可信和有效的。

请参阅图3，为本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置的结构示意图。

本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置，包括建立模块301、计算模块302和调节模块303；

所述建立模块301，用于根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组；其中，所述物质平衡公式是指入炉煤中的各种元素成分在入炉煤燃烧前后相等；

所述计算模块302，用于根据建立的所述方程组，计算电站锅炉中的入炉煤元素成分；

所述调节模块303，用于根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。

作为其中一个实施例，所述入炉煤元素成分包括氢元素成分、氧元素成分、硫元素成分、碳元素成分和氮元素成分。

通过计算入炉煤中的上述五种成分，基本上可完全地掌握煤质信息，从而对入炉煤的燃烧特性进行有针对性的计算和分析，大大利于电站锅炉的燃烧控制。

作为其中一个实施例，所述计算模块根据建立的所述方程组，采用迭代法计算入炉煤中的硫元素成分，采用寻优法计算入炉煤中的碳元素成分。

本发明在入炉煤水分、灰分等化学分析成分已知的前提下，利用锅炉尾部烟气的O₂、SO₂的浓度检测数据，在线计算入炉煤元素成分，即：C（碳），H（氢），氧（O），氮（N），硫（S）。其中硫的计算采用迭代解法，碳的计算采用寻优解法。寻优解法有效地解决了无法设置合适的碳初值的问题。

与一般技术相比，本发明基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组。通过方程组可以快速和精确地计算出电站锅炉中的入炉煤元素成分，然后根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。采用本发明可以实现对入炉煤元素成分的实时在线计算，对电站锅炉进行实时调节，具有很好的调节效果，而且具有足够的安全性，成本较低，易于推广。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组；其中，所述物质平衡公式是指入炉煤中的各种元素成分在入炉煤燃烧前后相等；

根据建立的所述方程组，计算电站锅炉中的入炉煤元素成分；

根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。

2.根据权利要求1所述的基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，所述入炉煤元素成分包括氢元素成分、氧元素成分、硫元素成分、碳元素成分和氮元素成分。

3.根据权利要求1所述的基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，所述建立用于计算入炉煤元素成分的方程组的步骤，包括以下步骤：

根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立如下方程组：

100＝C_daf+S_daf+H_daf+O_daf+N_daf

H_daf＝a₁C_daf+b₁

O_daf＝a₂C_daf+b₂

${\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}=\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\γ}}_{o_2}}{1+\mathrm{\β}}-{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{so}}_2}$

$S_{\mathrm{daf}}={142.86\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{so}}_2}(V_{{\mathrm{RO}}_2,\mathrm{daf}}{+V}_{O_2,\mathrm{daf}}+V_{N_2,\mathrm{daf}})$

$C_{\mathrm{daf}}={53.59\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}(V_{{\mathrm{RO}}_2,\mathrm{daf}}+V_{O_2,\mathrm{daf}}+V_{N_2,\mathrm{daf}})+(1-{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{co}}_2}){\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{cucr}}$

其中，

和为尾部烟气中氧气、二氧化碳和二氧化硫的容积份额，a₁、a₂、b₁、b₂为拟合常数，C_daf、H_daf、O_daf、N_daf和S_daf分别为碳元素、氢元素、氧元素、氮元素和硫元素的元素成分，V_RO2,daf、V_O2,daf和V_N2,daf分别为三原子气体、氧气和氮气的标准气体量，φ为空气中氧气容积。

4.根据权利要求1所述的基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，所述计算电站锅炉中的入炉煤元素成分的步骤，包括以下步骤：

根据建立的所述方程组，采用拟合法计算入炉煤中的氢元素和氧元素成分。

5.根据权利要求1所述的基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，所述计算电站锅炉中的入炉煤元素成分的步骤，包括以下步骤：

根据建立的所述方程组，采用迭代法计算入炉煤中的硫元素成分。

6.根据权利要求1所述的基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，所述计算电站锅炉中的入炉煤元素成分的步骤，包括以下步骤：

根据建立的所述方程组，采用寻优法计算入炉煤中的碳元素成分。

7.根据权利要求1所述的基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，所述对电站锅炉进行调节的步骤，包括以下步骤：

根据计算的所述入炉煤元素成分，计算所述入炉煤的燃烧指标；

如果计算的所述入炉煤的燃烧指标，对电站锅炉的燃烧***进行调节。

8.一种基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节装置，其特征在于，包括建立模块、计算模块和调节模块；

所述建立模块，用于根据电站锅炉中的物质平衡公式，建立用于计算入炉煤元素成分的方程组；其中，所述物质平衡公式是指入炉煤中的各种元素成分在入炉煤燃烧前后相等；

所述计算模块，用于根据建立的所述方程组，计算电站锅炉中的入炉煤元素成分；

所述调节模块，用于根据计算的所述入炉煤元素成分，对电站锅炉进行调节。

9.根据权利要求8所述的基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，所述入炉煤元素成分包括氢元素成分、氧元素成分、硫元素成分、碳元素成分和氮元素成分。

10.根据权利要求8所述的基于入炉煤元素成分的电站锅炉调节方法，其特征在于，所述计算模块根据建立的所述方程组，采用迭代法计算入炉煤中的硫元素成分，采用寻优法计算入炉煤中的碳元素成分。

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