CN112555896A - 一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***及方法，该***和方法是采取开环控制和闭环控制相结合的方式；包括锅炉实时测量和计算模块、目标控制模块、策略控制模块和边界评判模块；分析方法基于O2/CO的耦合关系，以锅炉热效率为主要控制目标，兼顾NOx、CO浓度；通过燃烧优化试验，确定了O2/CO浓度与灰渣含碳量、NOx浓度的关联性，确定了不同负荷下制粉***运行参数和锅炉O2/CO最佳协同运行参数；根据试验研究，制定出O2/CO最佳协同运行方案，并在DCS上修改相关控制逻辑，形成一套具有自主知识产权的智能化燃烧效率分析***，智能化的提示当前最佳运行方案，指导运行人员进行燃烧调整，按照方案运行，实现了锅炉效率提高1％以上。

Description

一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***及方法
技术领域
本发明涉及火电厂燃煤锅炉的优化运行技术领域，具体的说，尤其涉及一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***及方法。
背景技术
电站锅炉炉内煤粉燃烧是一个复杂的多项流物理、化学变化过程，锅炉燃烧***是一个非线性、多变量、强耦合的复杂***，单一变量的调节影响会其他参数，属于典型的多目标的优化***，即在保证污染物排放达标的前提下，追求锅炉运行安全性、经济性和环保性的综合指标最优，使综合成本最小化。
锅炉效率是重要的经济指标，主要受排烟热损失、固体未完全燃烧热损失和气体未完全燃烧热损失的影响，而这三项热损失互相牵制，均与运行氧量及炉膛温度相关，运行氧量又与影响气体未完全燃烧热损失的CO浓度有关。因此要达到锅炉效率最高、热损失之和最小的目的，需要通过监测炉膛温度、炉内O2和CO浓度，得到锅炉最佳空气过量系数。
炉膛结渣和水冷壁高温腐蚀是影响机组安全运行、降低锅炉寿命的主要原因之一。运行氧量不但影响炉膛出口CO浓度分布，而且影响炉膛水冷壁近壁区还原性气体(H2S、CO)浓度，实践证明当水冷壁近壁区CO浓度高于3％时水冷壁高温腐蚀问题已经较为严重；在强还原性气氛中灰熔点降低，加剧炉膛区域结渣问题，同时，氧量的骤然降低导致氧气从水冷壁管中析出，造成水冷壁管道加速老化、变薄，造成不必要的损失。为了保证锅炉安全稳定的运行，控制水冷壁高温腐蚀和结渣风险，需要做好运行氧量和近壁区CO浓度的协同控制。
NOx是燃煤锅炉排放的最主要的污染物之一，按其产生主要分为燃料型和热力型，燃料型NOx的生成主要与煤质有关，热力型NOx受炉膛温度影响较大。为了利用深度分级配风减少NOx的生成量、增加还原量，低氮燃烧降低了主燃区炉膛温度和氧浓度，推迟了煤粉着火时间、提升了火焰中心高度，整个主燃烧器区域为还原性气氛，使得大量未燃尽碳和未燃尽可燃气体需要在燃尽区二次燃尽，炉膛出口CO浓度和飞灰含碳量升高，增加了锅炉q3和q4热损失，降低了锅炉热效率，加剧水冷壁高温腐蚀及炉膛结焦的风险。由此可知，NOx浓度与强化燃烧在理论上是矛盾的存在，在煤质一定的情况下，其关键影响因素是运行氧量及配风方式。
综上所述，锅炉燃烧调整及控制需要综合考虑锅炉热效率、NOx、近壁区和省煤器出口CO浓度等众多指标，而锅炉燃烧过程涉及多边界、多变量的耦合控制，实际运行控制过程很难做到多个耦合变量的准确控制和调整，若以所有变量作为优化目标，优化控制***就非常复杂且难以达到理想效果。
基于以上论述分析可知，锅炉燃烧最主要的控制目标包括锅炉热效率、NOx、炉膛水冷壁近壁区CO、省煤器出口CO浓度和炉膛温度分布，而这些控制目标的共同影响因素为运行氧量和配风方式，依据问题的本质提出了基于O2/CO的耦合关系为主线的解决思路，以锅炉热效率为主要控制目标，兼顾NOx、CO浓度控制的燃烧效率智能化分析***和方法。基于该***使锅炉运行的经济指标、环保指标(NOx、CO浓度)和安全指标达到最佳平衡状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***及方法，该***和方法是采取开环控制和闭环控制相结合的方式。首先，通过试验摸索炉膛出口过量空气系数(氧量)与炉膛出口CO、NOx的关系及与未燃尽碳热损失的关联性；试验摸索沿炉膛高度方向氧量分布对水冷壁近壁区还原性气体(CO、H2S)浓度的影响和炉膛温度分布对结焦特性的影响，分析氧量对影响水冷壁高温腐蚀的水冷壁近壁区还原性气体浓度的关联性和炉膛温度与结焦特性的关联性。通过燃烧优化调整，最终确定最佳运行氧量和控制炉膛高度方向氧量分布的最佳过量空气系数、二次风风门开度、燃尽风门开度、燃烧器和燃尽风摆角、磨通风量和磨出口温度等，作为制定控制策略的依据；其次，确定多煤种、多工况的最佳优化参数，作为智能化分析***优化调整的控制目标值；最后，制定针对性的优化控制策略，作为运行调整的控制方法和控制参数，同时在线分析影响锅炉经济性、环保性和安全性的实时测量参数和计算参数与目标值的偏差，并实时通过控制策略指导锅炉运行调整。定期离线分析锅炉边界中对燃烧影响最大的入炉煤质参数与试验煤质参数的偏差，当偏差超过允许误差时，及时调整目标控制模块中相应参数的指标值，并对控制策略进行相应优化，使燃烧效率***的适应性更强。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过燃烧优化试验，确定了O2/CO浓度与灰渣含碳量、NOx浓度的关联性，确定了不同负荷下制粉***运行参数和锅炉O2/CO最佳协同运行参数，提供了提高锅炉燃烧效率智能化分析的基础；根据试验研究，制定出O2/CO最佳协同运行方案，并在DCS上修改相关控制逻辑，形成一套具有自主知识产权的智能化燃烧效率分析***，智能化的提示当前最佳运行方案，指导运行人员进行燃烧调整，按照方案运行，实现了锅炉效率提高1％以上。
附图说明
图1为本发明提出的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***的控制流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例
请参阅说明书附图，本发明实施例中，一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***，包括锅炉实时测量和计算模块、目标控制模块、策略控制模块和边界评判模块。
所述锅炉实时测量和计算模块，其中热损失计算的方法依据《GB/T10184-2015电站锅炉性能试验规程》，主要计算对锅炉热效率影响较大且与边界条件密切的排烟热损失、气体未完全燃烧热损失和固体未完全燃烧热损失，其他各项热损失影响较小且变化不大，故设为定值，锅炉效率采用反平衡方法计算。
所述锅炉实时测量和计算模块，计算实时锅炉热效率所需要的参数包括：锅炉热负荷、大气压力、环境温度、入炉煤质、排烟氧量、排烟温度、排烟CO浓度、灰渣可燃物含碳量，其中入炉煤质来自于电厂燃料***，其它数据来自机组DCS控制***；实时测量数据包括水冷壁近壁区气体(O2、H2S、CO)浓度、炉膛高度方向温度场、炉膛出口CO浓度均值和省煤器出口NOx均值，如果部分测量数据存在缺失，需新增在线数据测点。
所述锅炉实时测量和计算模块，计算实时锅炉热效率，同时得到锅炉效率的主要损失：q2、q3、q4、炉膛温度场分布、炉膛高度近壁区气体浓度分布、炉膛出口CO浓度均值和省煤器出口NOx浓度均值。
所述锅炉目标控制模块，包括锅炉热效率中q2、q3、q4热损失的参考值、排烟温度参考值、灰渣可燃物含碳量参考值、炉膛高度方向温度场参考值、近壁区气体浓度参考值、炉膛出口CO浓度参考值和省煤器出口NOx浓度参考值，这些参考值是通过燃烧优化试验得到的最佳值，并经过试验验证是具有可重复性的数据，目标控制模块的参考值是采用开环控制方式优化。
所述锅炉策略控制模块，是根据燃烧优化试验得到的最佳炉膛出口氧量和最佳炉膛高度方向氧量分布所对应的调整方法和运行控制参数。控制策略中包括不同负荷、不同煤质、不同磨组对应的调整方法及控制参数，主要调整措施是总风量、二次风门开度和燃尽风风门开度、燃烧器摆角和燃尽风摆角、磨通风量、磨出口温度等，通过控制措施调整炉膛出口氧量和炉膛高度方向氧量(包括近壁区)分布。由于总氧量影响锅炉各项热损失及锅炉热效率、炉膛出口CO浓度和省煤器出口NOx浓度；炉膛高度方向氧量分布影响水冷壁近壁区CO、H2S浓度和炉膛温度场分布，将得到的实时测量和计算数据模块参数同锅炉目标控制模块参数进行对比，若偏差大于设定允许误差时，锅炉策略控制模块进一步调整改变总氧量和炉膛高度氧量分布，完成运行优化闭环控制，实现锅炉智能优化运行。
所述边界评判模块，主要是用于评判入炉煤质的挥发分、热值、水分和硫分与燃烧优化试验对应煤质参数的偏差是否在设定允许误差范围内。由于煤质中的挥发分、热值、水分和硫分对于锅炉运行的影响侧重点不一样，挥发分主要影响煤粉初期着火和NOx浓度、热值和水分主要影响磨煤机出力和磨通风量，硫分主要影响近壁区H2S浓度和原烟气SO2浓度，因此通过煤质参数评判可以了解实际入炉煤质的变化偏差，一方面可以通过当前入炉煤质的变化情况评判目标控制模块的可行性；另一方面可以评判控制策略的适应性，进而对其进行进一步优化，提高锅炉控制目标和控制策略对煤质变化的适应性。
通过燃烧优化试验，确定了O2/CO浓度与灰渣含碳量、NOx浓度的关联性，确定了不同负荷下制粉***运行参数和锅炉O2/CO最佳协同运行参数，提供了提高锅炉燃烧效率智能化分析的基础；根据试验研究，制定出O2/CO最佳协同运行方案，并在DCS上修改相关控制逻辑，形成一套具有自主知识产权的智能化燃烧效率分析***，智能化的提示当前最佳运行方案，指导运行人员进行燃烧调整，按照方案运行，实现了锅炉效率提高1％以上。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***，其特征在于，包括锅炉实时测量和计算模块、目标控制模块、策略控制模块和边界评判模块。
2.根据权利要求1所述的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***，其特征在于，所述锅炉实时测量和计算模块计算实时q2、q3、q4热损失和锅炉效热率，所需要的参数包括：锅炉负荷、大气压力、环境温度、入炉煤质、排烟氧量、排烟温度、排烟CO浓度、灰渣含碳量，其中入炉煤质来自于电厂燃料***，其它数据来自机组DCS控制***。
3.根据权利要求2所述的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***，其特征在于，所述锅炉实时测量和计算模块中实时测量、计算数据包括水冷壁近壁区气体浓度(O2、H2S、CO)，作为判断高温腐蚀的依据；炉膛高度方向温度场，作为判断炉膛结渣状况的依据；炉膛出口CO浓度均值和省煤器出口NOx均值，作为判断运行氧量和污染物排放指标的依据。
4.根据权利要求1所述的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***，其特征在于，所述锅炉目标控制模块将燃烧优化试验的最佳运行参数作为锅炉运行控制的参考值，包括锅炉热效率中q2、q3、q4热损失的参考值、排烟温度参考值、灰渣含碳量参考值、炉膛高度方向温度场参考值、近壁区气体浓度参考值、炉膛出口CO排放浓度参考值和省煤器出口NOx浓度参考值，用于将实际参数与参考值进行对比分析，得到测量参数以及计算参数与参考值的偏差及主要影响因素，为优化控制运行操作提供优化目标和优化方向。
5.根据权利要求1所述的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***，其特征在于，所述锅炉策略控制模块是根据燃烧优化试验得到的最佳炉膛出口氧量和最佳炉膛高度方向氧量分布所对应的调整方法和运行控制参数完成对锅炉燃烧过程的控制。
6.根据权利要求2所述的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***，其特征在于，所述锅炉策略控制模块的控制策略中包括不同负荷、不同煤质、不同磨组对应的调整方法和控制参数，主要调整措施包括总风量、二次风门开度和燃尽风风门开度、燃烧器摆角和燃尽风摆角、磨通风量、磨出口温度等，运用这些调整措施改变炉膛出口氧量和炉膛高度方向氧量(包括近壁区)分布，运行参数随着变化，实时测量和计算数据同锅炉目标控制模块进行对比，若偏差大于设定允许误差时，锅炉策略控制模块进一步调整改变总氧量和炉膛高度氧量分布，完成运行优化闭环控制，实现锅炉智能优化运行。
7.根据权利要求1所述的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析***，其特征在于，所述边界评判模块用于评判入炉煤质与试验煤质的偏差，通过掌握当前入炉煤质的变化情况评判目标控制模块的可行性和评判控制策略模块的适应性，进而对目标控制模块和控制策略模块进行优化，提高控制目标和控制策略对煤质的适应性。
8.一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析方法，其特征在于，该分析方法是基于O2/CO的耦合关系，以锅炉热效率为主要控制目标，兼顾NOx、CO浓度的综合分析方法。
9.根据权利要求8所述的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析方法，其特征在于，利用试验方法得到省煤器出口氧量与NOx、CO浓度的对应关系和炉膛高度氧量分布与近壁区CO、H2S浓度和炉膛结渣情况的对应关系得到并将得到的最佳工况对应的数据和运行方法作为目标控制模块和策略控制模块的基础数据。
10.根据权利要求8所述的一种火力发电厂锅炉燃烧效率智能化分析方法，其特征在于，采用开环控制和闭环控制相结合的方式，其目标控制模块的参考值是采用开环控制方式优化，策略控制模块的优化和控制策略对于实时测量和计算模块的控制采用闭环控制优化。
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