一種電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法，包括以下步驟：（1）建立爐膛截面參考坐標(biāo)系；（2）在爐膛截面的橫向和縱向上分別布置溫度測量裝置；（3）獲取各測量路徑上的溫度值；（4）作爐膛截面測量路徑的溫度與坐標(biāo)之間的擬合曲線；（5）對(duì)爐膛截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分；（6）建立爐膛截面的二維溫度場；（7）計(jì)算爐膛截面的二維溫度場的中心坐標(biāo)；（8）采用PID控制器對(duì)爐膛溫度場進(jìn)行控制修正量計(jì)算；（9）計(jì)算鍋爐四個(gè)角噴口燃料風(fēng)風(fēng)門開度的控制修正量；（10）溫度場平衡控制方法在分散控制系統(tǒng)DCS中的實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是保證鍋爐燃燒時(shí)煤粉充分燃盡，火焰中心處于爐膛中央，爐膛溫度場均勻分布，提高爐膛燃燒的效率和穩(wěn)定性。
【專利說明】一種電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電站鍋爐爐膛溫度場控制方法，尤其是涉及一種電站鍋爐爐膛溫度場平衡控制方法，適用于四角切圓燃煤機(jī)組，屬于自動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]火電機(jī)組的燃燒優(yōu)化是電站鍋爐控制中的難點(diǎn)問題，當(dāng)前電站鍋爐的運(yùn)行面臨降低運(yùn)行成本與降低氮氧化物排放的雙重壓力，高效低污染的鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)日益引起人們的關(guān)注，其目標(biāo)是在一定的鍋爐負(fù)荷條件下，通過調(diào)整鍋爐配風(fēng)、給煤等運(yùn)行參數(shù)而使鍋爐處于高效率、低污染排放以及更安全的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。鍋爐燃燒是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性過程，鍋爐效率和氮氧化物排放受到氧量、配風(fēng)方式、負(fù)荷、風(fēng)粉分配均勻性等燃燒控制參數(shù)的影響，并且各個(gè)因素之間還具有強(qiáng)耦合關(guān)系。一般而言，煤粉高效燃燒與低氮氧化物排放是互為矛盾的，降低氮氧化物生成的關(guān)鍵在于控制燃燒區(qū)域煤粉高濃度和高溫不同時(shí)存在，但是他們不同時(shí)存在又會(huì)影響煤粉燃燒效率，為達(dá)到最優(yōu)的爐膛燃燒效果，就要求對(duì)煤粉燃燒全過程加以優(yōu)化控制，采用既保證煤粉著火穩(wěn)定，同時(shí)具有較低的燃燒溫度，而且在此溫度下又能保證煤粉燃盡的鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)。為達(dá)到上述目標(biāo)，調(diào)整爐膛火焰中心位于爐膛的幾何中心是關(guān)鍵因素之一，這樣還可以避免爐膛局部結(jié)焦、結(jié)渣甚至過熱器爆管。但是長期以來由于缺乏爐膛內(nèi)部的監(jiān)測手段，對(duì)爐膛火焰中心的控制一直是個(gè)空白。
[0003]鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)研究的熱點(diǎn)是采用數(shù)據(jù)挖掘或者是人工智能的方法。數(shù)據(jù)挖掘方法就是在大量過去不同負(fù)荷下的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中，通過應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，挖掘出鍋爐燃燒目標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)間的最佳關(guān)系模型，再利用智能優(yōu)化的算法結(jié)合挖掘出的關(guān)系模型進(jìn)行鍋爐的在線燃燒優(yōu)化。人工智能方法是從電廠分散控制系統(tǒng)中提取數(shù)據(jù)或者是根據(jù)鍋爐燃燒調(diào)整優(yōu)化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)建立燃燒系統(tǒng)的輸入、輸出模型，然后利用智能優(yōu)化算法對(duì)鍋爐效率和污染物排放進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到污染物排放和鍋爐效率綜合最優(yōu)的鍋爐運(yùn)行控制參數(shù)，從而指導(dǎo)電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但是由于鍋爐設(shè)備的特性會(huì)隨著使用時(shí)間的增長會(huì)有所改變，而且燃用的煤種有時(shí)也會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)由于這些采用人工智能方法的優(yōu)化過程計(jì)算成本往往較大，在線實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)行比較困難，因此如何保證模型能夠快速、高效地更新以適應(yīng)新的情況成為了這類方法的瓶頸問題。
[0004]鍋爐燃燒狀況的最直觀的反映。之前由于缺乏有效的爐膛溫度測量手段，直接影響了燃燒優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。近年來，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了越來越多且有效的爐膛溫度測量方法，比如基于圖像處理的測溫技術(shù)、聲波測溫技術(shù)以及激光光譜測溫技術(shù)等，有效解決了爐膛溫度測量的問題，為燃燒過程中爐膛溫度場這一重要參數(shù)的在線測量和控制提供了可能。在電站鍋爐實(shí)際生產(chǎn)過程中，如果通過能精確地得到爐膛溫度場這一優(yōu)勢(shì)，針對(duì)具體的負(fù)荷指令、具體的鍋爐和燃用煤種的情況，運(yùn)行人員便可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者導(dǎo)航判斷當(dāng)前的鍋爐燃燒情況，調(diào)節(jié)燃燒器的出口一、二、三次風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)率，各燃燒器之間的負(fù)荷分配和運(yùn)行方式，以及爐膛風(fēng)量、燃料量和煤粉細(xì)度等參數(shù)，從而保證正常穩(wěn)定的汽壓、汽溫和蒸發(fā)量，這一過程也可以由控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，從而保證著火穩(wěn)定、燃燒完全，火焰均勻充滿爐膛，不結(jié)渣，不燒壞燃燒器和水冷壁，過熱器不超溫；使機(jī)組保持最高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，減少燃燒污染物的排放。
[0005]目前，大容量鍋爐的燃燒器主要分為直流燃燒器和旋流燃燒器兩種形式，而在我國，直流式煤粉燃燒器占據(jù)了很大的比重，而且大部分采用四角切圓燃燒方式。四角切圓燃燒鍋爐是將直流式燃燒器布置在四角，出口氣流幾何軸線在爐膛中央相交形成燃燒切圓，造成氣流在爐內(nèi)強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，并呈現(xiàn)螺旋式上升。由于四角射流著火相交后強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，相互點(diǎn)燃，湍流的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量交換十分強(qiáng)烈，火焰在爐內(nèi)充滿系數(shù)高，因此具有煤粉著火穩(wěn)定性好，煤粉燃盡程度高，爐內(nèi)熱負(fù)荷分配均勻和煤種適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。四角切圓鍋爐燃燒時(shí)的切圓大小與爐膛火焰位置主要是由燃燒器噴口的二次風(fēng)(主要是燃料風(fēng))和一次風(fēng)(輸送煤粉)進(jìn)行控制的，四角風(fēng)粉分配均勻才能保證鍋爐安全穩(wěn)定的運(yùn)行。但是，由于各燃燒器配風(fēng)不當(dāng)或者個(gè)別燃燒器工作不正常，會(huì)造成火焰中心偏向一側(cè)，整個(gè)爐膛溫度場也會(huì)隨之偏移，造成離火焰中心近的水冷壁過熱或者結(jié)焦，局部地區(qū)管壁溫度升高，熱應(yīng)力高而造成爆管，而遠(yuǎn)離火焰中心的水冷壁管則加熱不足，水循環(huán)減慢，造成整個(gè)鍋爐水循環(huán)失去平衡；同時(shí)，由于溫度場的不均勻還會(huì)造成爐內(nèi)燃燒工況惡化，低溫處煤粉得不到充分燃燒，煤粉在爐膛內(nèi)燃盡率降低，會(huì)把未燃盡煤粉帶入尾部受熱面，造成過熱器、省煤器的磨損，降低了鍋爐的使用壽命。
[0006]對(duì)于四角切圓燃燒鍋爐來講，爐膛火焰中心的位置是由鍋爐四個(gè)角的燃燒器射流動(dòng)量決定的，射流動(dòng)量大小取決于燃料風(fēng)風(fēng)門的開度，爐膛燃燒火焰是由鍋爐四角射流動(dòng)量間的相互作用而形成的，既取決于每個(gè)角射流動(dòng)量的大小，又取決于各角射流的作用點(diǎn)，當(dāng)爐膛火焰中心發(fā)生偏斜時(shí)，通過合理地改變鍋爐四個(gè)角的燃料風(fēng)風(fēng)門開度，進(jìn)而改變鍋爐四角的射流動(dòng)量，便可以控制火焰中心位置，實(shí)現(xiàn)溫度場的平衡控制。因此為了解決上述難題，需要一種電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法，確保爐膛火焰中心位于爐膛中央，爐膛溫度場均勻分布，煤粉得到充分燃燒，使電站鍋爐在保證高效率的情況下安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
[0007]經(jīng)現(xiàn)有學(xué)術(shù)及技術(shù)文獻(xiàn)的檢索，未發(fā)現(xiàn)專門針對(duì)爐膛火焰中心均衡控制問題的研究。而對(duì)于燃燒優(yōu)化控制問題的研究多集中在對(duì)各種先進(jìn)優(yōu)化控制算法的嘗試和仿真對(duì)比上，卻很難在工業(yè)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，實(shí)用價(jià)值不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服采用四角切圓燃燒方式的大型電站鍋爐由于火焰中心偏斜而導(dǎo)致的爐膛溫度場不均勻的問題，提供一種簡單、便捷、安全、有效，且貼近實(shí)際運(yùn)行情況、實(shí)用性強(qiáng)的電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法。
[0009]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明采用的步驟如下:
步驟一、建立爐膛截面參考坐標(biāo)系:
取爐膛截面的幾何中心作為參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以過原點(diǎn)沿爐膛截面橫向的直線作為參考坐標(biāo)系的X軸，以過原點(diǎn)沿爐膛截面縱向的直線作為參考坐標(biāo)系的Y軸；
步驟二、在爐膛截面的橫向和縱向上分別布置溫度傳感器:
在爐膛截面上與Y軸平行方向均勻設(shè)置M條直線，形成M條溫度測量路徑，從左到右依次為ΙΛ、ΙΛ、…、LXn、…、LXM，在M條測量路徑上分別布置溫度測量裝置，各測量路徑對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)依次為XU、XL2>…、xLm>…、Xlm ;其中m的取值范圍為Il ;所述溫度測量路徑的數(shù)目M大于等于2;
在爐膛截面上與X軸平行方向均勻設(shè)置N條直線，形成N條溫度測量路徑，從下到上依次為LY1、LY2、…、LYn、…、LYn，在N條測量路徑上分別布置溫度測量裝置，各測量路徑對(duì)應(yīng)的Y軸坐標(biāo)依次為yu、yL2>…、yLn>…、yLN;其中η的取值范圍為1、;所述溫度測量路徑的數(shù)目N大于等于2 ;
步驟三、獲取各測量路徑上的溫度值:
測量得到爐膛截面各測量路徑LXm上的溫度值TXp TX2,…、TXm,…、TXm,以及各測量路徑LYn上的溫度值TYp TY2、…、Τyη、…、ΤyΝ;
步驟四、作爐膛截面測量路徑的溫度與坐標(biāo)之間的擬合曲線:
步驟三測量得到的(Μ+Ν)個(gè)溫度值實(shí)際上是各測量路徑上的溫度平均值。
[0010]將步驟三測得的各測量路徑LXm上的溫度值與爐膛截面上對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)采用樣條擬合的方式進(jìn)行溫度曲線擬合，得到爐膛截面中與Y軸相平行方向上M條路徑的M個(gè)溫度值的擬合曲線的公式(I)如下:
TXm=A (xLm)(I)
將步驟三測得的各測量 路徑LYn上的溫度值與爐膛截面上對(duì)應(yīng)的Y軸坐標(biāo)采用樣條擬合的方式進(jìn)行溫度曲線擬合，得到爐膛截面中與X軸相平行方向上N條路徑的N個(gè)溫度值的擬合曲線的公式(2)如下:
TYn=Zy (yL?)(2)
步驟五、為建立爐膛截面的二維溫度場，對(duì)爐膛截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分:
將爐膛截面均勻劃分為(I+1)X(J+1)個(gè)網(wǎng)格，得到爐膛截面范圍內(nèi)劃分后的X軸坐標(biāo)依次為…、X1、…、X1，以及劃分后的Y軸坐標(biāo)依次為ypy；^…、y」、…、yj;其中i的取值范圍為廣I，j的取值范圍為f J ；1的取值范圍為(1(T20)M J的取值范圍為(10-20)N；
步驟六、建立爐膛截面的二維溫度場:
利用步驟四得到的爐膛截面上的各測量路徑的溫度擬合曲線的公式(I廣(2)，代入劃分后的X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)，得到/； (Xi)和(Yj)，根據(jù)如下公式(3)得到爐膛截面上經(jīng)步驟五劃分的網(wǎng)格交匯節(jié)點(diǎn)處的溫度值，完成爐膛截面二維溫度場的建立:
【權(quán)利要求】
1.一種電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法，其特征在于步驟如下: 步驟一、建立爐膛截面參考坐標(biāo)系: 取爐膛截面的幾何中心作為參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以過原點(diǎn)沿爐膛截面橫向的直線作為參考坐標(biāo)系的X軸，以過原點(diǎn)沿爐膛截面縱向的直線作為參考坐標(biāo)系的Y軸； 步驟二、在爐膛截面的橫向和縱向上分別布置溫度測量裝置: 在爐膛截面上與Y軸平行方向均勻設(shè)置M條直線，形成M條溫度測量路徑，從左到右依次為LX^LXh...、:□&、…、LXm，在M條測量路徑上分別布置溫度測量裝置，各測量路徑對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)依次為xu、xL2>…、xLm>…、xLM ;其中m的取值范圍為1~M ;所述溫度測量路徑的數(shù)目M大于等于2; 在爐膛截面上與X軸平行方向均勻設(shè)置N條直線，形成N條溫度測量路徑，從下到上依次為LY1、LY2、…、LYn、…、LYn,在N條測量路徑上分別布置溫度測量裝置，各測量路徑對(duì)應(yīng)的Y軸坐標(biāo)依次為yu、yL2>…、yLn>…、yLN;其中η的取值范圍為1、;所述溫度測量路徑的數(shù)目N大于等于2 ; 步驟三、獲取各測量路徑上的溫度值: 測量得到爐膛截面各測量路徑LXw上的溫度值Τ\、ΤΧ2、…、TXltl,..T11,以及各測量路徑LYn上的溫度值TY1'TY2、…、TYn、…、ΤΥΝ; 由于爐膛結(jié)構(gòu)的特殊性，測量各點(diǎn)的溫度是相當(dāng)困難的，該步測量得到的(Μ+Ν)個(gè)溫度值實(shí)際上是各測量路徑上的溫度平均值； 步驟四、作爐膛截面測量路徑的溫度與坐標(biāo)之間的擬合曲線: 將步驟三測得的各測量路徑IXni上的溫度值與爐膛截面上對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)采用樣條擬合的方式進(jìn)行溫度曲線擬合，得到爐膛截面中與Y軸相平行方向上M條路徑的M個(gè)溫度值的擬合曲線的公式(I)如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法，其特征在于:所述控制器PIDj^P PIDy均采用比例積分控制，其控制律分別依據(jù)如下公式(14)~(15):
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法，其特征在于:所述比例增益系數(shù)Ipx和的取值范圍為f 50之間，所述積分時(shí)間Tix和Til的取值范圍為30-60之間，所述微分時(shí)間rdx和T1dy的取值范圍均為5~15之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法，其特征在于:所述步驟三中測量爐膛截面各測量路徑LXm上的溫度值TX1' TX2,…、TXm,…、TXm以及各測量路徑LYn上的溫度值TYp TY2,…、TYn,…、TYn的技術(shù)為聲波測溫技術(shù)或激光光譜測溫技術(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述電站鍋爐爐膛溫度場的平衡控制方法，其特征在于:所述溫度測量路徑的數(shù)目M的取值范圍為6~10 ;所述溫度測量路徑的數(shù)目N的取值范圍為6~10。
【文檔編號(hào)】F23N5/00GK103557535SQ201310576921
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】王東風(fēng), 劉千, 江溢洋, 牛成林 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)（保定）