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專利名稱：大型鍋爐燃燒率信號測量方法
技術領域：
本發明屬于熱工參數測量及熱工自動化技術領域。特別涉及利用鍋爐總風量和排 煙氧量信號的一種大型鍋爐燃燒率信號的實時計算和測量方法。
背景技術：
鍋爐燃燒率定義為燃料在鍋爐爐膛內燃燒瞬時釋放的熱量，單位為MW，也稱之為 鍋爐熱量信號，目前尚無直接測量方法及儀器。此信號能對鍋爐運行狀態中主要運行參數 的監測、控制中發揮重要作用。因其無法直接測量，所以在當前的大型鍋爐測控系統中，只 能采用與鍋爐燃燒率信號存在一定相關性的其它信號替代，但是在應用中存在許多問題。大型燃煤鍋爐根據燃燒方式的不同主要包括煤粉鍋爐和循環流化床鍋爐，煤粉鍋 爐制粉系統又包括雙進雙出鋼球磨正壓直吹式制粉系統、中速磨正壓直吹式制粉系統和中 間倉儲式制粉系統。對于雙進雙出鋼球磨正壓直吹式制粉系統煤粉鍋爐，現有控制方案采用容量風 (進入磨煤機的一次風)或經過煤發熱量修正的容量風，代表鍋爐燃燒率信號引入測控系 統。存在的主要問題是(1)送入鍋爐爐膛煤粉量不僅僅受容量風影響，還與煤質、磨煤機 內煤位等因素有關。(2)容量風與其攜帶的煤粉量僅僅呈近似線性關系，在不同磨煤機負荷 下存在非線性誤差。(3)煤粉在爐膛內燃燒產生的熱量，不僅與煤量有關，還與煤發熱量有 關。目前煤發熱量修正邏輯采用鍋爐汽水側參數計算得到，滯后很大并且存在一定干擾，不 能迅速反映實際煤發熱量，在鍋爐負荷頻繁變時應用效果并不好。對于中速磨正壓直吹式制粉系統煤粉鍋爐，現有控制方案采用給煤量信號或經過 發熱量修正的給煤量信號代替鍋爐燃燒率信號引入控制系統。存在的主要問題是(1)給 煤量信號和鍋爐燃燒率信號在動態時間上存在較大差異。給煤量在給煤機處測得，實際燃 煤需經過給煤機并在磨煤機內被磨制成煤粉，然后經過一次風粉管道進入爐膛。這一過程 存在著較大的慣性和遲延。(2)在制粉系統異常情況下，給煤量信號不能準確代表鍋爐燃燒 率信號。主要的異常包括磨煤機及一次風粉管道堵塞、漏粉或煤粉自燃，磨煤機石子煤排 量大，煤粉細度大燃燒不完全等。(3)實際進入爐膛燃料量不僅與給煤量有關，還與一次風 量有關。由于磨煤機內有較大存煤量，當給煤量不變一次風量增加時，也會瞬時增加進入爐 膛的煤粉量，導致鍋爐燃燒率增加。這一現象在鍋爐負荷頻繁變化及啟動/停止磨煤機時 表現尤為明顯。(4)煤發熱量修正應用效果不好。對于中間倉儲式制粉系統煤粉鍋爐，現有控制方案采用給粉機轉速信號代替鍋爐 燃燒率信號引入控制系統。存在的主要問題是(1)用給粉機轉速代表給粉量誤差很大，特 別是發生堵粉或煤粉自流現象時，信號完全失真。(2)不同負荷下給粉機轉速與給粉量之間 存在很大的非線性。(3)煤發熱量修正應用效果不好。對于循環流化床鍋爐，鍋爐負荷多采用給煤量為主，爐床溫度為輔的控制方案。現 有控制方案中采用無論給煤量或爐床溫度或一次風率代表鍋爐燃燒率，都存在很大不足。 存在準確度低、非線性誤差大、滯后大以及需要發熱量修正等問題。
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除以上方法外，在鍋爐控制系統中，也經常采用DEB(直接能量平衡)熱量信號替 代鍋爐燃燒率信號。其物理意義為鍋爐吸收有效熱量，計算公式為<formula>formula see original document page 5</formula>
其中Pl為汽輪機調節級后壓力(MPa) ；k為調節級后壓力折算蒸汽熱量的系數 (MW/MPa)，kPl代表進入汽輪機的蒸汽所包含的熱量，即為鍋爐輸出的有效熱量；pd為汽包 壓力(MPa)，Cb為鍋爐蓄熱系數(MJ/ MPa)，蓄熱系數乘以汽包壓力的微分代表鍋爐的蓄熱。DEB熱量信號替代鍋爐燃燒率信號存在的主要問題是(1)隨著鍋爐蒸汽參數的 提高，特別是超臨界參數的直流鍋爐，能量在鍋爐內的傳遞過程呈現出更大的分布性特征， 僅僅依靠汽包壓力變化反映鍋爐蓄熱誤差很大，同時汽包壓力也更多地受到其它信號影 響，DEB熱量信號精度變差、噪聲變大。(2)DEB熱量信號由鍋爐汽水系統參數計算得到， 燃料在鍋爐內燃燒釋放熱量，需經過鍋爐受熱面的吸熱、蓄熱環節后才到達汽水系統，因此 DEB熱量信號動態特性較差，難以反映燃燒過程的瞬時特征。另外還有通過在鍋爐爐膛內安裝CXD攝像機通過圖像分析測量鍋爐燃燒率、通過 在鍋爐爐膛內安裝聲波測溫裝置計算鍋爐燃燒率等方法，存在設備投資大、安裝維護困難、 測量精度差等問題。

發明內容
本發明的目的是提出一種大型鍋爐燃燒率信號的實時計算和測量方法。該方法具 有成本低、精度高、動態特性好、可靠性高、維護簡單的特點。該信號可以用于鍋爐燃燒狀態 檢測及鍋爐汽溫、給水、燃燒等主要控制系統優化設計及改造。實現上述目的的技術方案如 下1)排煙氧量信號校準，排煙氧量指鍋爐內煤與空氣在鍋爐爐膛中燃燒后產生煙氣 中氧氣的體積百分含量；在大型鍋爐尾部煙道安裝氧化鋯氧量計測量排煙氧量；在鍋爐的 每一側煙道內安裝一只氧化鋯氧量計，大型鍋爐尾部煙道分雙側布置，取兩側氧量平均值 作為鍋爐排煙氧量信號，以提高測量可靠性和準確度，氧化鋯氧量計的安裝位置需要經過 實驗確定，在機組額定負荷穩定工況下達到現場氧化鋯氧量計測量值同標準儀器測量值誤 差小于士0.2%氧量水平；2)風量信號校準，風量指鍋爐中參與燃燒的全部空氣量，單位Nm3/S，在大型鍋爐 內即為生成流經排煙氧量測點處的煙氣所包含的進入鍋爐的空氣量，從送風側或引風側進 行測量計算；對于采用雙進雙出鋼球磨正壓直吹式制粉系統、中速磨正壓直吹式制粉系統 的煤粉鍋爐，采用送風側參數計算總風量，總風量為鍋爐一次風、二次風、爐膛漏風、制粉系 統漏風量之和；對于循環流化床鍋爐采用送風側參數計算總風量，總風量為一次風、二次 風、爐膛漏風量之和；對于中間倉儲式制粉系統煤粉鍋爐，可采用引風側參數計算總風量； 總風量為引風風量減去空氣預熱器漏風和除塵器漏風量；3)空氣熱量比計算IKg煤完全燃燒所需理論干空氣量V' ^m3)為V'。= 0. 0889Car+0. 0333Sar+0. 265Har-0. 03330ar(2)IKg煤完全燃燒時低位發熱量Q'。(MJ)為<formula>formula see original document page 6</formula>公式2-5中，C 、H 、0 、S 、M 分別為煤收到基碳、氫、氧、硫、水分體積比百分含量。注意觀察公式5中煤質修正系數計算方法，可以發現分子分母各種元素成分前系 數非常接近，而僅僅分母中增加了一個水分計算項。原煤中硫、氫、氧含量相對較少，碳燃燒 在消耗干空氣量和產生熱量中起主要作用。所以對于不同煤種，煤質修正系數都非常接近 于1。國內主要煤種收到基水分體積比百分含量在10% -30%之間，煤質修正系數略微大于 1，并且隨水分含量增加略有增加；因此煤空氣熱量比也非常近似等于一常數。通過對世界主要煤礦煤質分析數據進行統計發現，80%以上煤種空氣熱量比Kvq 在0. 262 0. 264之間，實際可取0. 263 (m3/MJ)；4)鍋爐燃燒率軟測量，采用以下公式計算鍋爐燃燒率，
^ (21 —02冗Qb=。…(6)
^ 1^vq公式中02為鍋爐排煙氧量，單位m3/s ；Vl為鍋爐總風量，單位m3/s ；Kvq為煤空氣 熱量比，單位m3/MJ。從計算過程可以發現，本發明燃燒率計算方法本質上不受煤發熱量變 化影響，計算精度大為提高。所述一次風量測量根據測量裝置在大型鍋爐內安裝位置分為以下兩種情況一是 測量位置在磨煤機入口處，則取所有磨煤機入口風量之和為鍋爐一次風量；二是測量位置 安裝在一次風管道內，則取所有熱一次風量和冷一次風量之和為鍋爐一次風量；若以上兩 種測量裝置同時存在，則優先選取經過實驗標定過的風量信號。所述二次風量測量根據測量裝置在大型鍋爐內安裝位置分為以下兩種情況一是 測量裝置安裝在二次風管道內，則取所有二次管道風量之和為鍋爐二次風量；二是測量裝 置安裝在燃燒器風箱側，則取包括各層燃燒器二次風、爐底風和燃燼風的所有二次風箱風 量之和為鍋爐二次風量；若以上兩種測量裝置同時存在，則優先選取經過實驗標定過的風
量信號。所述制粉系統漏風、爐膛漏風、除塵器漏風無法直接測量，則以采用設備設計值或 運行規程限定值計算；在鍋爐正常運行情況下，一次風量和二次風量之和占鍋爐總風量的 95%以上，這部分風量無法測量造成的誤差，修正后小于1 %。所述空氣預熱器漏風計算采用以下方法對于管式空氣預熱器，取漏風量為零； 對于回轉式空氣預熱器，漏風量參照GB10184-88規定計算；靜電除器漏風量取設計值，這 部分漏風占引風風量的15%。本發明的有益效果是相對于目前的各種替代鍋爐燃燒率的信號，本發明具有可靠 性高、準確度高、動態特性好的優點。本發明的原理和公式，物理意義明確，從原理上消除了煤發熱量對軟測量的影響；同時計算誤差可控，實際上構造燃燒率的誤差，主要取決于風量 和氧量的測量誤差。另外，風量和氧量信號都取自鍋爐風煙系統，由于燃燒過程非常迅速， 因此軟測量得到的鍋爐燃燒率能夠實時反映鍋爐實際燃燒率的變化，相對于信號取自汽水 系統的構造方法具有更好的動態特性；具有較高等級的可靠性，此項計算邏輯不會降低原 控制系統的可靠性，適用范圍廣。本方法適用于目前常見的大型鍋爐，包括各種煤粉鍋爐、 循環流化床鍋爐。只要鍋爐上具有測量總風量和排煙氧量的測量裝置，就可以應用本發明。 實施簡便、成本低。本發明利用鍋爐原有總風量信號和排煙氧量信號計算鍋爐燃燒率信號， 不需要增加新的測點。組態邏輯非常簡單，可在任何DCS (分散控制系統)、PLC (可編程控 制器)、SCADA(分布式監控與數據采集系統)中實現。調試非常容易。最佳實施方式為在 如 SUMPHONY、OVATION、HAICS5000、XDPS, EDPF 等 DCS 系統中組態實現。
具體實施例方式本發明提出一種大型鍋爐燃燒率信號的實時計算和測量方法。其實現的技術方案 如下以該方法在一 600MW火電機組鍋爐中實施過程為例說明。1)排煙氧量信號校準，排煙氧量指鍋爐內煤與空氣在鍋爐爐膛內燃燒后產生煙氣 中氧氣的體積百分含量，在尾部煙道安裝氧化鋯氧量計測量排煙氧量。由于氧化鋯氧量計 故障率偏高，漂移現象相對嚴重的缺點，因此對氧化鋯氧量表的選型、安裝和現場維護工作 提出要求如下(1)氧化鋯氧量計基本參數應達值測量誤差不超過士2%滿量程或0. 氧量； 90%響應時間不超過10秒；(2)氧化鋯氧量計配有標準氣接口，以方便現場標定。測量探頭配有抽氣裝置，以 提高測量精度和動態響應速度；對于自然對流式儀表，安裝時應注意空氣流通；(3)嚴格執行氧化鋯氧量計的維護及標準氣標定工作，大型鍋爐尾部煙道分雙側 布置，在鍋爐的每一側煙道內安裝一只氧化鋯氧量計測量氧量，再取兩側氧量平均值作為 鍋爐排煙氧量信號提高測量可靠性和準確度，在機組額定負荷穩定工況下達到現場氧化鋯 氧量計測量值同標準儀器測量值誤差小于0. 2%氧量水平；2)風量信號校準，風量指鍋爐中參與燃燒的全部空氣量，單位Nm3/S。對于大型鍋 爐，即為生成流經排煙氧量測點處的煙氣所進入鍋爐的空氣量，針對鍋爐采用中速磨正壓 直吹式制粉系統的特點，采用送風側參數進行計算；取所有磨煤機入口風量之和為鍋爐一次風量V11 (Nm3)。取鍋爐左右二次管道風量之和為鍋爐二次風量V12 (Nm3)。制粉系統漏風、爐膛漏風按照鍋爐設計值取4%。則鍋爐總風量V1 (Nm3)為<formula>formula see original document page 7</formula>3)空氣熱量比計算IKg煤完全燃燒所需理論干空氣量V' ^m3)為V'。= 0. 0889Car+0. 0333Sar+0. 265Har-0. 03330ar(2)IKg煤完全燃燒時低位發熱量Q' Q (MJ)為
Q' ο = 0. 339Car+0. 109Sar+l. 032Har_0· 1090ar-0. 025Mar (3)定義煤空氣熱量比為<formula>formula see original document page 8</formula>定義煤質修正系數為K 二Caf+2.98Har+0.375(S,-Oar)_(5) …咖」 c c訂 +3.04Har +0.322(Sar -Oar)-0.025Mar公式2-5中，C 、H 、0 、S 、M 分別為煤收到基碳、氫、氧、硫、水分體積比百分含量。注意觀察公式5中煤質修正系數計算方法，可以發現分子分母各種元素成分前系 數非常接近，而僅僅分母中增加了一個水分計算項。原煤中硫、氫、氧含量相對較少，碳燃燒 在消耗干空氣量和產生熱量中起主要作用。所以對于不同煤種，煤質修正系數都非常接近 于1。國內主要煤種收到基水分體積比含量在15% -30%之間，煤質修正系數略微大于1， 并且隨水分含量增加略有增加。因此煤空氣熱量比也非常近似等于一常數。通過對世界主要煤礦煤質分析數據進行統計發現，80%以上煤種空氣熱量比在 0. 262 0. 264 之間，實際可取 0. 263 (m3/MJ)。本鍋爐設計煤種為神府煤，元素分析為收到基碳Car 54. 04%、收到基氫Har 3.62%,收到基氧Oar 9. 94 %、收到基氮Nar 0. 7 %、收到基硫Sar 0. 7 %、收到基水份 Mar 13%、收到基灰份Aar 13%。依據公式4計算其空氣熱量比Kvq為0. 2632。符合要 求。4)鍋爐燃燒率軟測量采用以下公式計算鍋爐燃燒率，<formula>formula see original document page 8</formula>公式中02為鍋爐排煙氧量，單位m3/s -,Y1為鍋爐總風量，單位m3/s ；Kvq為煤空氣 熱量比，單位m3/MJ。從計算過程可以發現，本發明燃燒率計算方法本質上不受煤發熱量變 化影響，計算精度大為提高。該方法具有成本低、精度高、動態特性好、可靠性高、調試非常容易、維護簡單的大 型鍋爐燃燒率信號進行軟測量的特點。該信號可以用于鍋爐燃燒狀態檢測及鍋爐汽溫、給 水、燃燒等主要控制系統優化設計及改造。實施簡便、成本低。本發明利用鍋爐原有總風量 信號和排煙氧量信號計算鍋爐燃燒率信號，不需要增加新的測點。組態邏輯非常簡單，可在 任何DCS、PLC、SCADA中實現。
權利要求
一種大型鍋爐燃燒率信號的實時計算和測量方法，具體步驟如下1)排煙氧量信號校準，排煙氧量指鍋爐內煤與空氣在鍋爐爐膛內燃燒后產生煙氣中氧氣的體積百分含量；在大型鍋爐尾部煙道安裝氧化鋯氧量計測量排煙氧量；在鍋爐的每一側煙道內安裝一只氧化鋯氧量計測量氧量，大型鍋爐尾部煙道分雙側布置，再取兩側氧量平均值作為鍋爐排煙氧量信號，從而提高測量可靠性和準確度，達到現場氧化鋯氧量計測量值同標準儀器測量值誤差小于0.2％氧量水平；2)風量信號校準，風量指鍋爐中參與燃燒的全部空氣量，單位Nm3/s，在大型鍋爐內即為生成流經排煙氧量測點處的煙氣所進入鍋爐的空氣量，從送風側或引風側進行測量計算；對于采用雙進雙出鋼球磨正壓直吹式制粉系統、中速磨正壓直吹式制粉系統的煤粉鍋爐，采用送風側參數計算總風量，總風量為鍋爐一次風、二次風、爐膛漏風、制粉系統漏風量之和；對于循環流化床鍋爐采用送風側參數計算總風量，總風量為一次風、二次風、爐膛漏風量之和；對于中間倉儲式制粉系統煤粉鍋爐，可采用引風側參數計算總風量；總風量為引風風量減去空氣預熱器漏風和除塵器漏風量；3)空氣熱量比計算1Kg煤完全燃燒所需理論干空氣量V0′(m3)為V′0＝0.0889Car+0.0333Sar+0.265Har-0.0333Oar (2)1Kg煤完全燃燒時低位發熱量Q0′(MJ)為Q′0＝0.339Car+0.109Sar+1.032Har-0.109Oar-0.025Mar(3)定義煤空氣熱量比為 <mrow><msub> <mi>K</mi> <mi>vq</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mi>V</mi> <mn>0</mn> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>/</mo><msubsup> <mi>Q</mi> <mn>0</mn> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>0.262</mn><mfrac> <mrow><msub> <mi>C</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mrow><mn>0.375</mn><mi>S</mi> </mrow> <mi>ar</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mrow><mn>2.98</mn><mi>H</mi> </mrow> <mi>ar</mi></msub><mo>-</mo><mn>0.375</mn><msub> <mi>O</mi> <mi>ar</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>C</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>+</mo><mn>0.322</mn><msub> <mi>S</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>+</mo><mn>3.04</mn><msub> <mi>H</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>-</mo><mn>0</mn><mo>.</mo><msub> <mrow><mn>322</mn><mi>O</mi> </mrow> <mi>ar</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mrow><mn>0.025</mn><mi>M</mi> </mrow> <mi>ar</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>定義煤質修正系數為 <mrow><msub> <mi>K</mi> <mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>C</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>+</mo><mn>2.98</mn><msub> <mi>H</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>+</mo><mn>0.375</mn><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>S</mi><mi>ar</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>O</mi><mi>ar</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>C</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>+</mo><mn>3.04</mn><msub> <mi>H</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>+</mo><mn>0.322</mn><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>S</mi><mi>ar</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>O</mi><mi>ar</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mn>0.025</mn><msub> <mi>M</mi> <mi>ar</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式2-5中，Car、Har、Oar、Sar、Mar分別為煤收到基碳、氫、氧、硫、水分體積比百分含量。注意觀察公式(5)中煤質修正系數計算方法，可以發現分子分母各種元素成分前系數非常接近，而僅僅分母中增加了一個水分計算項；原煤中硫、氫、氧含量相對較少，碳燃燒在消耗干空氣量和產生熱量中起主要作用；所以對于不同煤種，煤質修正系數都非常接近于1。國內主要煤種收到基水分含量在15％-30％(體積比)之間，煤質修正系數略微大于1，并且隨水分含量增加略有增加；因此煤空氣熱量比也非常近似等于一常數；通過對世界主要煤礦煤質分析數據進行統計發現，80％以上煤種空氣熱量比在0.262～0.264之間，實際可取0.263(m3/MJ)；4)鍋爐燃燒率軟測量，采用以下公式計算鍋爐燃燒率， <mrow><msub> <mi>Q</mi> <mi>B</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mn>21</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>O</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>V</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <mrow><mn>21</mn><msub> <mi>K</mi> <mi>vq</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式中O2為鍋爐排煙氧量，單位m3/s；V1為鍋爐總風量，單位m3/s；Kvq為煤空氣熱量比，單位m3/MJ；從計算過程可以發現，本發明燃燒率計算方法本質上不受煤發熱量變化影響，計算精度大為提高。
2.根據權利要求1所述大型鍋爐燃燒率信號的實時計算和測量方法，其特征在于，所
全文摘要
本發明公開了屬于熱工參數測量及熱工自動化技術領域的涉及利用鍋爐總風量和排煙氧量信號的一種大型鍋爐燃燒率信號的實時計算和測量方法。該方法是首先對大型鍋爐排煙氧量信號和風量信號進行校準，根據所給煤種及煤量計算空氣熱量比，采用以下公式計算鍋爐燃燒率，實現大型鍋爐燃燒率信號的實時計算和測量。本發明利用鍋爐原有總風量信號和排煙氧量信號計算鍋爐燃燒率信號，不需要增加新的測點。組態邏輯非常簡單，可在任何DCS、PLC、SCADA中實現。該方法具有成本低、精度高、動態特性好、可靠性高、調試非常容易、維護簡單的的特點。可以用于鍋爐燃燒狀態檢測及鍋爐汽溫、給水、燃燒等主要控制系統優化設計及改造。
文檔編號G01K17/06GK101832826SQ20101017344
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月10日 優先權日2010年5月10日
發明者劉吉臻, 劉鑫屏, 楊婷婷, 田亮 申請人:華北電力大學