專利名稱：一種鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及鍋爐燃燒熱量測量與控制技術(shù)，特別是涉及一種鍋爐燃煤(煤粉)燃燒熱量控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃燒鍋爐廣泛的應(yīng)用于電力、冶金、水泥、化工等行業(yè)。以下以發(fā)電廠為例，簡要說明鍋爐煤粉燃燒熱量控制現(xiàn)狀。電廠有諸多控制系統(tǒng)，其中蒸汽壓力控制系統(tǒng)或鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是根據(jù)鍋爐蒸汽壓力的偏差或發(fā)電機組的蒸汽負荷需求，來控制進入鍋爐的燃煤量、送風量和引風量，以保證鍋爐運行的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性。由于氣壓控制慣性較大，加之難以準確的測量入爐燃煤燃燒熱的流量，以及所燃煤的品質(zhì)多變，導致氣壓控制系統(tǒng)難以及時有效的克服燃煤熱量內(nèi)擾、難以確保燃燒過程穩(wěn)定性和負荷適應(yīng)性，從而影響該系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性。存在上述缺陷的主要原因是煤的燃燒熱量并不僅僅取決于入爐煤重量，還與煤品質(zhì)(發(fā)熱量)有關(guān)。即燃燒熱量=(發(fā)熱量)* (煤重量)可見燃燒熱量取決于煤發(fā)熱量以及煤重量這兩個因素，如果僅僅采用入爐煤的重量控制，則僅考慮了其中一個因素，使得燃燒熱量的控制精度較低，會產(chǎn)生較大的熱量波動而導致運行的不穩(wěn)定性，降低了安全性。另外，在預(yù)定的目標熱量下，根據(jù)煤發(fā)熱量精確的控制入爐煤重量可以避免燃煤熱量擾動，降低煤耗，降低成本，提高效率。對于大型電廠來說意義尤為重大。當前技術(shù)中，尚未見到能夠精確控制燃燒鍋爐的入爐煤的燃燒熱量的控制裝置。針對上述問題，本實用新型提出“一種鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)及其方法”，對煤粉燃燒熱量進行精確測量與閉環(huán)控制用以減少燃煤熱量的擾動，提高電廠運行的穩(wěn)定性和安全性，有效的降低煤耗。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型解決的技術(shù)問題在于，精確獲取煤粉的燃燒熱量。更進一步的，根據(jù)目標熱量，精確控制燃燒鍋爐的入爐煤量。更進一步的，根據(jù)當前的入爐煤量獲取其燃燒熱量。本實用新型公開了一種鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)，包括輸送機以及煤粉燃燒器，該輸送機輸送煤粉至該煤粉燃燒器，該系統(tǒng)還包括測量該輸送機所輸送的煤粉的灰分信號的灰分測量裝置；測量該輸送機所輸送的煤粉的含水量的水分測量裝置；測量該輸送機所輸送的煤粉的揮發(fā)分值的揮發(fā)分測量裝置；測量該輸送機所輸送的煤粉的重量值的稱重裝置；接收測量得到的該灰分信號、含水量、揮發(fā)分值以及重量值并據(jù)以計算煤粉的燃燒熱量，并根據(jù)該燃燒熱量與一目標熱量的差值，發(fā)出調(diào)整該輸送機的輸送量的控制信號的數(shù)據(jù)采集處理控制器。該水分測量裝置采用的是紅外水分測量裝置或微波水分測量裝置。該稱重裝置采用的是X光秤或者電子皮帶秤。該輸送機采用的是螺旋輸送機或皮帶輸送機或煤粉給料機。該測厚裝置采用超聲波測厚或壓輥式測厚裝置。該灰分測量裝置為輻射式灰分測量裝置，該輻射式灰分測量裝置采用X射線源或r射線源。
該系統(tǒng)還包括整形料倉，安裝在該輸送機的物料入口處。實用新型本實用新型的技術(shù)效果在于，能夠精確獲取煤粉的燃燒熱量，特別是根據(jù)當前的入爐煤量獲取其燃燒熱量。另外，可根據(jù)一目標熱量，精確控制燃燒鍋爐的入爐煤量。

圖I所示為本實用新型的鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2所示為本實用新型的鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3所示為本實用新型的鍋爐煤粉燃燒熱量控制方法的流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖說明本實用新型的技術(shù)方案。煤的燃燒熱量與煤重量和煤的發(fā)熱量(燃燒值)相關(guān)。為了精確控制鍋爐煤的燃燒熱量，需首先確認影響發(fā)熱量的參數(shù)。煤的發(fā)熱量主要取決于煤的水分、灰分和揮發(fā)分。水分包括內(nèi)在水分、外在水分和全水分(全水分是內(nèi)在、外在水分總和)全水分常用Mat表示，此外還有空氣干燥基水分Mad。灰分包括空氣干燥基灰分Aad和收到基灰分Am等。揮發(fā)分，也稱揮發(fā)分產(chǎn)率，它是指煤中有機物和部分礦物質(zhì)加熱分解后的產(chǎn)物，常用空氣干燥基揮發(fā)分Vad和收到基揮發(fā)分L表示。煤化研究所收集了全國各產(chǎn)地煤質(zhì)的大量數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法和多元回歸分析法推出了多種煤發(fā)熱量計算公式，包括彈筒發(fā)熱量Qb、高位發(fā)熱量(^、低位發(fā)熱量Qnrt以及各自4種基(空氣干燥基(ad)、干基(d)、收到基(ar)、恒濕無灰基(maf ))等多種煤發(fā)熱量計算公式。本實用新型可任意選取其中的低位或高位空氣干燥基發(fā)熱量計算公式，也可采用其他國際常用的煤發(fā)熱量計算公式，如高特(Gouta)公式。本實用新型也專門給出了一種具備較高準確度的煤發(fā)熱量計算公式，容后詳敘。圖I所示為本實用新型的鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)100(采用螺旋輸送機)的結(jié)構(gòu)示意圖。輸送機3用于輸送煤粉4至煤粉燃燒器7中進行燃燒。該輸送機可以選用螺旋輸送機、給粉機、電磁震動給料機以及封閉式的皮帶輸送機等。本實施例中采用了螺旋輸送機。[0037]水分測量裝置13包括水分測量探頭131和水分測量主機132，水分測量探頭131設(shè)置在該輸送機3的上方。水分測量探頭131發(fā)出的紅外或微波射線照射煤粉，并獲取反射的水分信號。該水分測量探頭131將水分信號傳送至水分測量主機132，由水分測量主機132計算該煤粉的含水量。水分測量主機132將含水量數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集處理控制器8，由數(shù)據(jù)采集處理控制器8進行數(shù)據(jù)運算以及控制?；曳譁y量裝置為利用X射線源或r射線源的輻射式灰分測量裝置，其包括射線源5和射線探測器6，二者分別安裝在輸送機3的上方和下方(或左右兩側(cè))。射線源5發(fā)出的射線穿過輸送機3上的煤粉后，被射線探測器6接收產(chǎn)生灰分信號，射線探測器6將該灰分信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集處理控制器8，數(shù)據(jù)采集處理控制器8進行數(shù)據(jù)運算以及控制。由于煤與灰分對射線的吸收能力不同，因此可以比較射線投射在煤粉前、后的強度變化，就可以得到煤的灰分值。故而，該灰分信號可以包括該輸送機上有/無煤粉時該射線探測器6接收到的探測信號。該利用X射線源的灰分測量裝置的測量方法在中國專利申請201110162779. 3中有所記載。稱重裝置可以是輻射式稱重裝置，或是電子皮帶秤。輻射式稱重裝置包括稱重放射源2以及稱重探測器9，二者分別安裝在輸送機3的上方和下方(或左右兩側(cè))，用于測量輸送機所輸送的煤粉的重量值。該稱重裝置采用的是現(xiàn)有技術(shù)中的X光秤或者電子皮帶秤。特別是，如果輸送機采用螺旋輸送機，則稱重裝置可采用X光秤，如果輸送機采用皮帶輸送機，則稱重裝置可采用電子皮帶秤。稱重裝置將該重量值送至數(shù)據(jù)采集處理控制器8，由數(shù)據(jù)采集處理控制器8進行數(shù)據(jù)運算以及控制。揮發(fā)分測量裝置20與數(shù)據(jù)采集處理控制器8連接，其用于測量輸送機3上所輸送的煤粉的揮發(fā)分值，并將該揮發(fā)分值輸送至數(shù)據(jù)采集處理控制器8進行數(shù)據(jù)運算以及控制。由于一定種類的煤，其揮發(fā)分的數(shù)值相對變化不大，且揮發(fā)分對發(fā)熱量的影響較小，故而，可采用定時采樣的離線測量方式?？稍诿悍鄯胖迷谳斔蜋C3上進行輸送之前，或者在輸送機的輸送過程中，定時在輸送機3中進行采樣，并送至揮發(fā)分測量裝置20進行測量，獲得揮發(fā)分值Vad。數(shù)據(jù)采集處理控制器8，接收測量得到的該灰分信號、含水量、揮發(fā)分值以及重量值并據(jù)以計算煤粉的燃燒熱量，該數(shù)據(jù)采集處理控制器根據(jù)該燃燒熱量與一目標熱量的差值，發(fā)出調(diào)整該輸送機的輸送量的控制信號。該數(shù)據(jù)采集處理控制器8可采用PLC實現(xiàn)。該輸送機3由輸送機驅(qū)動器10驅(qū)動，輸送機驅(qū)動器10接收數(shù)據(jù)采集處理控制器8發(fā)出的控制信號，調(diào)整輸送機3的輸送速度,從而改變輸送機3的煤粉輸送量。該系統(tǒng)還可包括一整形料倉1，安裝在該輸送機3的物料入口處。其作用在于，使被測物(煤粉)的形狀和厚度保持一致，從而提高測量準確度。更為具體的，該數(shù)據(jù)采集處理控制器的處理過程包括如下步驟A、根據(jù)該灰分信號，及灰分數(shù)學模型計算煤粉的灰分值，實現(xiàn)灰分在線測量。B、根據(jù)灰分值、含水量、揮發(fā)分值，并依據(jù)發(fā)熱量計算公式，計算煤粉的發(fā)熱量，實現(xiàn)發(fā)熱量的在線測量。C、根據(jù)該發(fā)熱量和稱重裝置測量得到的該重量值，計算該煤粉的燃燒熱量，燃燒熱量=發(fā)熱量X重量值，實現(xiàn)燃燒熱量的在線測量。D、數(shù)據(jù)采集處理控制器8中可預(yù)先設(shè)定一所欲實現(xiàn)的目標熱量Q@p此時，計算當前獲取的燃燒熱量與目標熱量Q gg之間的差值，根據(jù)該差值調(diào)整輸送機的煤粉輸送量。特別是，該數(shù)據(jù)采集處理控制器8根據(jù)該差值計算調(diào)整該輸送機的輸送量，并發(fā)出一控制信號，從而增加或減少煤粉的輸送量。更為具體的，步驟D中，根據(jù)該差值Λ Q( Λ Q=Q目標-Q燃燒熱量)，利用PID運算(或模糊控制)得到一回控量Λ Qa0eo根據(jù)該回控量Λ Qs0e計算出重量回控量Λ W, Δ W= Δ QS0e/發(fā)熱量Qnet.ad。數(shù)據(jù)采集處理控制器8根據(jù)該Λ W調(diào)節(jié)輸送機的運轉(zhuǎn)速度，進而調(diào)整輸送量，以實現(xiàn)對鍋爐煤粉燃燒熱量的控制。該灰分數(shù)學模型以及該發(fā)熱量計算公式均為事先建立。當輸送機開始進行在線輸送時，數(shù)據(jù)采集處理控制器8中已經(jīng)存儲有該灰分數(shù)學模型以及該發(fā)熱量計算公式。在本實用新型的優(yōu)化實施例中，推薦采用X射線源和X射線探測器的灰分測量裝置。X射線比常用的Y射線具有更低的能量，煤中的輕元素物質(zhì)(可燃物質(zhì))與重元素物質(zhì)(不可燃物質(zhì))對X射線吸收能力的差別更大，因此，X射線能更準確的分辨出煤中的灰分成分，有較高的測量準確度和更高的輻射安全性。測量煤灰分時，煤吸收X射線，除與灰分有關(guān)外還與物質(zhì)的多少有關(guān)，因此，測量必須是在歸一為同一重量(或同一物質(zhì)厚度)的情況下進行測量。即，重量或厚度是影響灰分的一個因素。但是，煤粉的含水量多少也影響射線的吸收，進而影響灰分值測量的準確度。故而，中國專利申請201110162779. 3所記載的灰分計算公式僅在含水量變化較小范圍(與標定Ka時含水量Μ。相比變化較小)內(nèi)適用，在含水量變化較大時，會對灰分測量帶來較大誤差。本實用新型則進一步利用具有水分修正的灰分數(shù)學模型以計算灰分值，提高灰分測量的準確度。具體的，本實用新型利用水分修正系數(shù)KM建立灰分數(shù)學模型Aad=KA Km [In (NiZN0) /w](I);其中，Aad為灰分值(％)，Ka為煤灰分標定系數(shù)。N。為輸送機上無煤粉時該灰分測量裝置輸出的灰分信號(X射線探測器輸出的探測信號)，N。相當于一基準值，Ni為輸送機上有煤粉時該灰分測量裝置輸出的灰分信號(X射線探測器輸出的探測信號)，w為煤粉的重量值，Km為水分修正系數(shù)，Km用于表示水分對灰分信號的影響程度。公式(I)中的KA、KM，需要預(yù)先確定。特別是KM需要通過標定以及直線擬合進行確定。該確定過程包括首先設(shè)Km為1，確定Ka的值。取一份已知灰分值為Kio的標準煤樣A。。利用灰分測量裝置對該標準煤樣A。進行測量，輸出該標準煤樣的灰分信號(隊。、N。)。N0為該灰分測量裝置在無該標準煤樣A。時(未透射該標準煤樣A。時)輸出的灰分信號(X射線探測器輸出的探測信號)，Nitj為該灰分測量裝置發(fā)出的射線穿過該標準煤樣A。時所輸出的灰分信號(X射線探測器輸出的探測信號)。利用稱重裝置測量該標準煤樣A。的重量值w。，利用水分測量裝置測量該標準煤樣A。的含水量M。。設(shè)該標準煤樣A。的當前含水量M。為水分修正的原點，即，標準煤樣A。的灰分值為Aad。、含水量為M。時的Km為I。此時,公式(I)變?yōu)閇0062]Aad=KA[ln (NiZN0) /w](2)將測量得到的Ni()、N。、W()、Aad。代入公式(2)中，可以得到Ka的一個具體數(shù)值。KA=Aad0/[ln (Ni0/N0) /wj此時，收集針對標準煤樣A。的一組水分修正數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為包括含水量與水分修正系數(shù)(MmKm),即，(M。，I )，作為收集的第一組數(shù)據(jù)。接下來對Km進行標定。由于Ka的數(shù)值已知，則公式(I)變?yōu)镵ltl=Aad/[In (隊/N。)/w]/Ka(3)取灰分仍為Aad。的煤樣A1,使其水分為M115即，煤樣A1與標準煤樣A。的灰分值相同，含水量不同。針對煤樣A1，利用灰分測量裝置對該煤樣A1進行測量，輸出該煤樣A1的灰分信號(Nil, N。)。利用稱重裝置測量該煤樣A1的重量值W1，利用水分測量裝置測量該煤樣A1的含水量Mp將測量得到的Nil、N。、W1、Aado及Ka代入公式(3)中，可以得到Km的一個具體數(shù)值KM1。從對煤樣A1的測量中，可收集第二組數(shù)據(jù)(M1, KM1)。取灰分仍為Aad。的煤樣A2,使其水分為M2。通過上述方式可收集第三組數(shù)據(jù)(M2,
Km2 )。通過上述方式，可進一步收集多組數(shù)據(jù)(Mi, KMi)。將收集到的上述多組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多組KMi與以Mtj為基點的Λ Mi (Δ Mi=Mi-Mtl)的數(shù)據(jù)，對KMi與Δ Mi進行直線擬合，測量得到擬合直線的截距和斜率，可得擬合直線的方程式為KM=C+K (Mi-M0)(4)。C為所擬合的直線的截距，K為直線的斜率，至此，KA, M0, Km^K(M1-M0)均為已知。將Km與Ka的具體數(shù)值代入公式(I)中，則公式(I)中的1、凡、、、11。、(、1(均為已知值，NptMi均可通過測量得到，則公式(I)中的各系數(shù)完整，將針對生產(chǎn)線上輸送機所輸送的煤粉進行測量所得到的灰分信號(Ni, N。)、重量值W、含水量Mi代入公式(I)中，即可獲得所輸送的煤粉的灰分值。該公式(I)預(yù)先存儲于數(shù)據(jù)采集處理控制器中。如圖2所示為本實用新型的鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中采用皮帶輸送機。與皮帶輸送機配合使用的稱重裝置是電子皮帶秤。在圖I所示的基礎(chǔ)上，本實用新型還可包括一測厚裝置11，用于測量輸送機3上所輸送的煤粉的厚度d。該測厚裝置可采用超聲波測厚或壓輥式測厚裝置。圖中所示為壓輥式測厚裝置，其包括它包括壓輥115、連桿114、支承軸113、支撐架112和角位移傳感器111。壓輥放置在輸送機的被測物上，通過連桿連接至角位移傳感器。在皮帶傳送時，被測物厚度不同導致壓輥上下運動，角位移傳感器可感知連桿的角度變化。通過當前位置與初始位置的連桿的角度變化以及固定的連桿長度可以獲知當前被測物的厚度值，并將檢測的厚度值數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集處理控制器。另外，該測厚裝置還可包括一壓力調(diào)節(jié)器116，壓力調(diào)節(jié)器116用于調(diào)整壓輥對煤粉施加的壓力。此時，灰分數(shù)學模型可相應(yīng)調(diào)整為利用厚度修正的灰分計算數(shù)學模型。Aad=KA KM[ln (隊/N。)/d](5)d為煤粉的厚度，其余參數(shù)與公式(I)相同。以下介紹發(fā)熱量計算公式的預(yù)先準備工作過程。發(fā)熱量計算公式除了采用國內(nèi)、國外現(xiàn)有公式外，本實用新型提出了一種針對所控鍋爐的燃煤實際情況而建立的準確性更高的發(fā)熱量計算公式Qnet. Bd=D-K1Vadi-K2Aadi-K3Mi(6)其中，D為煤種常數(shù)(如對計算煙煤低位空氣干燥基發(fā)熱量D=35859)，K1為揮發(fā)分系數(shù)，K2為灰分系數(shù)，K3為水分系數(shù)，Qnet. ad為發(fā)熱量。式中體現(xiàn)出了灰分、水分與揮發(fā)分對發(fā)熱量的影響。系數(shù)KpK2、K3通過標定方法確定。將Qnet. ad視為HK3的三元函數(shù)，S卩，Qnet. ad=f (KijK27K3)0取三份煤樣，進行離線測量，分別對其含水量、揮發(fā)分、灰分和Qnet. ad進行離線測量，得到三組具體的Qnet.ad，Vadi, Aadi, Mi的數(shù)值，帶入公式中構(gòu)成一個三元一次聯(lián)立方程式，則可解出I、K2, K3的數(shù)值，帶入公式(6)，得到一個完整的公式(7)，存儲在數(shù)據(jù)采集處理控制器8中，便于后續(xù)計算。[0092]該離線測量即在輸送機正式輸送煤粉之前的實驗環(huán)節(jié)，總之，并非在實際輸送煤粉進行燃燒的工作環(huán)節(jié)。而在線測量，指在輸送機正式輸送煤粉至煤粉燃燒器進行燃燒的同時獲取測量數(shù)據(jù)。上述標定過程可進行多次，求出多個I、K2、K3,進而求K。K2、K3各自的平均數(shù)，或收集K1與Vadi的多組數(shù)據(jù)，利用曲線擬合的方法求出K1與Vadi變化關(guān)系的方程式，同理，還可求出K2與Aadi、K3與Mi變化關(guān)系的方程式，從而得到更加準確的發(fā)熱量計算公式。在一具體實例中，分別測出各自的Q1^atnAadPVadPMi如下表
權(quán)利要求1.一種鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)，包括輸送機以及煤粉燃燒器，該輸送機輸送煤粉至該煤粉燃燒器，其特征在于，該系統(tǒng)還包括 測量該輸送機所輸送的煤粉的灰分信號的灰分測量裝置； 測量該輸送機所輸送的煤粉的含水量的水分測量裝置； 測量該輸送機所輸送的煤粉的揮發(fā)分值的揮發(fā)分測量裝置； 測量該輸送機所輸送的煤粉的重量值的稱重裝置； 接收測量得到的該灰分信號、含水量、揮發(fā)分值以及重量值并據(jù)以計算煤粉的燃燒熱量，并根據(jù)該燃燒熱量與一目標熱量的差值，發(fā)出調(diào)整該輸送機的輸送量的控制信號的數(shù)據(jù)采集處理控制器。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，該水分測量裝置采用的是紅外水分測量裝置或微波水分測量裝置。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，該稱重裝置采用的是X光秤或者電子皮帶秤。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，該輸送機采用的是螺旋輸送機或皮帶輸送機或煤粉給料機。
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，該灰分測量裝置為輻射式灰分測量裝置，該輻射式灰分測量裝置采用X射線源或r射線源。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括整形料倉，安裝在該輸送機的物料入口處。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括一測厚裝置，該測厚裝置采用超聲波測厚或壓輥式測厚裝置。
專利摘要本實用新型公開了一種鍋爐煤粉燃燒熱量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輸送機及煤粉燃燒器，該輸送機輸送煤粉至該煤粉燃燒器，該系統(tǒng)還包括灰分測量裝置，測量該輸送機所輸送的煤粉的灰分信號；水分測量裝置，測量該輸送機所輸送的煤粉的含水量；揮發(fā)分測量裝置，測量該輸送機所輸送的煤粉的揮發(fā)分值；稱重裝置，測量該輸送機所輸送的煤粉的重量值；數(shù)據(jù)采集處理控制器，接收測量得到的該灰分信號、含水量、揮發(fā)分值以及重量值并據(jù)以計算煤粉的燃燒熱量，該數(shù)據(jù)采集處理控制器根據(jù)該燃燒熱量與一目標熱量的差值，發(fā)出調(diào)整該輸送機的輸送量的控制信號。本實用新型精確獲取煤粉的燃燒熱量?？筛鶕?jù)一目標熱量，精確控制燃燒鍋爐的入爐煤量。
文檔編號F23N5/00GK202598584SQ201220195880
公開日2012年12月12日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者邸生才 申請人:邸生才