CN103727530A - 一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***及监控方法，该***包括：给煤量检测装置，用于检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；风量检测装置，用于检测供应至所述锅炉的总风量；煤炭热值测量装置，用于测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及数据处理装置，用于利用根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值，计算所述锅炉的炉膛出口氧量，以对炉膛出口氧量进行准确地、动态性良好的监测。

Description

一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***及监控方法

技术领域

本发明涉及一种锅炉的炉膛出口氧量监控***及监控方法，具体地，涉及一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***及监控方法。

背景技术

烟气含氧量（即炉膛出口氧量）对于电厂节约能源、维护锅炉经济性燃烧是一项重要的热工参数，它与过剩空气系数成函数关系，其直接反映锅炉燃烧过程的风煤比，对燃烧经济性具有重要意义。烟气含氧量过高或过低，都会造成能源的浪费，因此要将其限制在一个合理的范围内。

目前测量锅炉烟气含氧量的氧气传感器主要是热磁式氧量传感器和氧化锆氧量传感器，其存在以下问题：

（1）故障率高，主要故障包括飞灰磨损、堵灰、铂电极中毒或剥离脱落、电加热器损坏等。

（2）测量精度低，受传感器本身精度、烟气氧量分布不均匀、安装处漏风的影响，测量精度不易保证，综合误差为大。

（3）动态特性差，氧化锆氧量计是利用浓差电池原理而进行工作的，氧分子在氧化锆电介质内有一个渗透过程，该渗透过程造成测量的滞后；同时为了减少飞灰磨损，许多氧量计探头上加装陶瓷保护套管，但这样又增加了堵灰的可能性和测量的滞后性。

（4）检修、维护、校验困难。

另外还存在成本高，反应速度慢，不利于过程的在线监视和提供在线闭环控制所需的反馈信号等诸多缺点。

因而无法对炉膛出口氧量进行准确地、动态性良好的监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***，该***能够对炉膛出口氧量进行准确地、动态性良好的监测。

为了实现上述目的，本发明提供一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***，该***包括：给煤量检测装置，用于检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；风量检测装置，用于检测供应至所述锅炉的总风量；煤炭热值测量装置，用于测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及数据处理装置，用于根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值，计算所述锅炉的炉膛出口氧量。

本发明还提供一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控方法，该方法包括：检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；检测供应至所述锅炉的总风量；测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值计算所述锅炉的炉膛出口氧量。

本发明通过检测供应至锅炉的给煤量、总风量及煤炭热值，然后根据这些参数来计算锅炉的炉膛出口氧，以便实现对炉膛出口氧量准确的、动态性良好的监测。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***的结构框图；

图2是根据本发明实施方式的给煤量检测装置的结构框图；

图3是根据本发明实施方式的PLC控制器的结构框图；以及

图4是根据本发明实施方式的循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***各部分之间的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明实施方式的循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***的结构框图。如图1所示，该***包括给煤量检测装置11，用于检测从炉膛入口进入锅炉的给煤量；风量检测装置12，用于检测供应至锅炉的总风量；煤炭热值测量装置13，用于测量送入锅炉的煤炭热值；以及数据处理装置10，用于根据给煤量、总风量和煤炭热值，计算锅炉的炉膛出口氧量。

根据本发明的实施方式，可以根据以下模型计算锅炉的炉膛出口氧量：

即燃碳量模型： $\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=F\left(t\right)-\frac{1}{H}\left(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)\right)---\left(1\right)$

炉膛出口氧量信号模型： $\begin{array}{c}{Y}_{o_2}=21-\frac{{\mathrm{Kl}}_{o_2}\mathrm{KB}\left(t\right)\mathrm{PM}\left(t\right)}{(\mathrm{PM}\left(t\right)-l)}---\left(2\right)\\ \mathrm{Kl}{o}_2=16.191{\left(W\right)}^{-1.5924}---\left(3\right)\end{array}$

其中，Yo₂为炉膛出口氧量，%；B(t)为t时刻的即燃碳量，单位为kg；PM(t)为t时刻的总风量，单位为m³/s；K为模型总系数；H为燃料的单位发热量，即煤炭热值，单位为MJ/kg；F(t)为t时刻从炉膛入口进入锅炉的给煤量，kg/s；Klo₂为氧量模型系数；l为风量校正系数；W为机组负荷，单位为MW。根据方程式（1）、（2）和（3）来计算炉膛出口氧量。

其中，即燃碳量为即时燃烧的煤炭量，模型总系数、氧量模型系数为发明人经过多次实验获得的，风量校正系数可以根据例如风速仪的测量而获得。

根据本发明的实施方式，给煤量检测装置11可以安装于给煤机的输送计量胶带下。如图2所示，给煤量检测装置11可以包括用于检测输入至锅炉的煤炭的重量的称重传感器20及用于检测输送煤炭至锅炉的皮带的速度的速度传感器21。该给煤量检测装置11还可以包括积算器22和通讯模块23，所检测的煤炭重量和皮带的速度可以被传送至积算器22，通过积算而获得煤炭的瞬时流量和累计量，然后经过通讯模块23将给煤量（经计算得出的平均每秒的给煤量）发送至数据处理装置10。但是本发明并不限制于此，如，所检测的煤炭重量和皮带的速度还可以直接传送至数据处理装置10，以由数据处理装置10对其进行处理。

根据本发明的实施方式，风量检测装置12包括置于循环流化床锅炉的一次风机、二次风机和流化风机的出口处的多个风量计，通过该多个风量计来实时测量送入锅炉的总风量。

根据本发明的实施方式，数据处理装置10可以为PLC控制器，该PLC控制器可以采用西门子S7400系列冗余PLC构成双机热备，以提高整个***的稳定性。如图3所示，PLC控制器30可以包括CPU31、AD转换器34、算法存储器32、PID调节器33和I/O通讯控制器35。其中AD转换器34、算法存储器32和PID调节器33均与CPU31连接，I/O通讯控制器与AD转换器34连接。从炉膛入口进入锅炉的给煤量、供应至锅炉的总风量以及送入锅炉的煤炭热值可以在经过AD转换器34转换成数字信号之后，由CPU31读取算法存储器32中的模型以计算锅炉的实时炉膛出口氧量。而且通过PID调节器可以实现对炉膛出口氧量的调节，其调节过程为本领域公知技术手段，因此于此不再赘述。

根据本发明的实施方式，所述***还包括控制装置，用于根据所述锅炉的炉膛出口氧量生成控制信号以控制锅炉的正常运行。而且，该***还可以包括显示装置（如上位机），用于实时显示监测到的锅炉的炉膛出口氧量。在一实施方式中，可以通过监控终端来控制锅炉运行并显示锅炉的炉膛出口氧量，该监控终端可以包括操作员站、历史站、制表/计算站、工程师站、打印机、记录打印机、大屏幕等设备。通过该监控终端可以实时显示监测到的锅炉的炉膛出口氧量，并根据炉膛出口氧量生成控制信号，然后将控制信号返回至用于锅炉的相应控制装置，以保障循环流化床锅炉的正常运行。

如图4所示，给煤量检测装置11、风量检测装置12及煤炭热值测量装置13内可以分别设有通讯模块42、通讯模块43和通讯模块44，上述装置可以通过各自的通讯模块与I/O模块41进行3G/GPRS通讯。而且，上述装置可以通过I/O模块41连接至PLC控制器30。PLC控制器30的I/O通讯控制器35通过I/O总线与I/O模块41进行通讯连接，从炉膛入口进入锅炉的给煤量、供应至锅炉的总风量以及送入锅炉的煤炭热值通过I/O模块41发送至PLC控制器30上的I/O通讯控制器35；监控终端40通过现场总线（如，1000M/100Mbps冗余容错高速公路）与PLC控制器30进行连接。

其中I/O模块41可以包括开关电源、直流电源转换装置、I/O板以及调理板等，其都被封装在铝壳中，以便既可以有效屏蔽电子干扰，又可以防护灰尘和外部环境的侵袭。另外，I/O模块41还可以通过底座与现场***连接，其地址可以由设置在底座上的DIP开关来设定。

本发明所提供的监控***还可以包括报警装置，以便在炉膛出口氧量不在预定范围内时，进行报警。在一种实施方式中，所述监控***可以包括通讯装置或远程上位机，而PLC控制器30可以包括短信模块，通讯装置或远程上位机可以通过无线通讯网络（GSM、CDMA或3G）连接至该短信模块，当炉膛出口氧量不在预定范围内时，短信模块能够向通讯装置或远程上位机进行电话报警、短信报警或上位机监控界面报警，以便及时处理上述情况，保证安全生产。

另外，在一种实施方式中，PLC控制器30还可以与触摸屏连接，操作人员可以根据炉膛出口氧量，通过触摸屏来输入控制信号，以便控制锅炉的正常运行。

循环流化床(CFB)锅炉与煤粉锅炉相比，最大的不同在于燃烧机制的不同。煤粉炉的燃烧释放热量来自于瞬间进入炉膛的给煤量，一旦给煤供应停止，燃烧便很快终止；而循环流化床锅炉的燃烧发热量主要来自于锅炉中大量未燃尽的即燃碳（即当前大量存储在炉膛中即将燃烧的碳），而不是瞬间加入的给煤量。大量存储在炉膛中碳的燃烧发热量为当前锅炉主导发热量，这种即燃碳质量动态蓄积的机制代表了循环流化床燃烧的本质机制，贯穿于循环流化床运行过程的始终。基于上述燃烧原理，本发明应用软件测量技术，引入即燃碳量模型，计算炉膛出口氧量监测值。本发明所提供的监控***摒弃了现有烟气氧量的检测装置存在的故障率高、测量精度低等诸多问题，其具有可靠性高、计算精度高、使用及维护方便的优点，同时还优化了氧量控制，保障了超临界CFB锅炉运行安全，提高了超临界CFB锅炉运行效率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控***，其特征在于，所述***包括：

给煤量检测装置，用于检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；

风量检测装置，用于检测供应至所述锅炉的总风量；

煤炭热值测量装置，用于测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及

数据处理装置，用于根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值，计算所述锅炉的炉膛出口氧量。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，根据以下模型计算所述锅炉的炉膛出口氧量：

即热煤炭量模型： $\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=F\left(t\right)-\frac{1}{H}\left(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)\right);$

炉膛出口氧量信号模型： $\begin{array}{c}{Y}_{o_2}=21-\frac{{\mathrm{Kl}}_{o_2}\mathrm{KB}\left(t\right)\mathrm{PM}\left(t\right)}{(\mathrm{PM}\left(t\right)-l)}\\ \mathrm{Kl}{o}_2=16.191{\left(W\right)}^{-1.5924}\end{array};$

其中，Yo₂为炉膛出口氧量；B(t)为t时刻的即燃碳量；PM(t)为t时刻的总风量；K为模型总系数；H为燃料的单位发热量，即煤炭热值；F(t)为t时刻从炉膛入口进入锅炉的给煤量；Klo₂为氧量模型系数；l为风量校正信号；W为机组负荷。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述给煤量检测装置包括用于检测输入至所述锅炉的煤炭的重量的称重传感器及用于检测输送煤炭至所述锅炉的皮带的速度的速度传感器。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述风量检测装置包括置于所述循环流化床锅炉的一次风机、二次风机和流化风机的出口处的多个风量计。

5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的***，其特征在于，所述***还包括控制装置，用于根据所述锅炉的炉膛出口氧量生成控制信号以控制所述锅炉的正常运行。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括报警装置，用于在所述炉膛出口氧量不在预定范围内时，进行报警。

7.一种循环流化床锅炉的炉膛出口氧量监控方法，其特征在于，所述方法包括：

检测从炉膛入口进入所述锅炉的给煤量；

检测供应至所述锅炉的总风量；

测量送入所述锅炉的煤炭热值；以及

根据所述给煤量、所述总风量和所述煤炭热值计算所述锅炉的炉膛出口氧量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据以下模型计算所述锅炉的炉膛出口氧量：

即热煤炭量模型： $\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=F\left(t\right)-\frac{1}{H}\left(K\left(\mathrm{PM}\left(t\right)\right)B\left(t\right)\right);$

炉膛出口氧量信号模型： $\begin{array}{c}{Y}_{o_2}=21-\frac{{\mathrm{Kl}}_{o_2}\mathrm{KB}\left(t\right)\mathrm{PM}\left(t\right)}{(\mathrm{PM}\left(t\right)-l)}\\ \mathrm{Kl}{o}_2=16.191{\left(W\right)}^{-1.5924}\end{array};$

其中，Yo₂为炉膛出口氧量；B(t)为t时刻的即燃碳量；PM(t)为t时刻的总风量；K为模型总系数；H为燃料的单位发热量，即煤炭热值；F(t)为t时刻从炉膛入口进入锅炉的给煤量；Klo₂为氧量模型系数；l为风量校正信号；W为机组负荷。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述检测给煤量包括检测输入至所述锅炉的煤炭重量和输送煤炭至所述锅炉的皮带的速度。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述总风量包括所述循环流化床锅炉的一次风机、二次风机和流化风机的出口处的风量。

11.根据权利要求7-10中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据所述锅炉的炉膛出口氧量生成控制信号以控制所述锅炉的正常运行。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述炉膛出口氧量不在预定范围内时，进行报警。

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