粉煤燃燒蒸汽鍋爐的完全燃燒優化系統和方法

2023-05-25 17:01:56

專利名稱：粉煤燃燒蒸汽鍋爐的完全燃燒優化系統和方法
粉煤燃燒蒸汽鍋爐的完全燃燒優化系統和方法
背景技術：
有許多用於優化粉煤燃燒鍋爐(PCFB)內的燃燒的高級控制技術。這些方法通常 涉及到使用高級模型預測控制和/或基於神經網絡的控制以監視、平衡和控制燃料和空氣 到鍋爐各級的進入，包括主要、輔助、過度燃燒和燃燒不足控制。也可以控制其它變量如燃 燒器傾斜和恆溫器噴射流量以便優化燃燒過程。眾所周知，恆溫器通過使過熱蒸汽與水直 接接觸來減少蒸汽溫度。通過水的蒸發來冷卻蒸汽。應當控制和優化燃燒過程以獲得「最佳可能」性能，由此以經濟上和/或環境上優 化的方式滿足減少NOx、減少CO和未燃燒燃料以及提高熱比這些相互矛盾的目標。然而這 一優化主要受制於用來優化燃燒的系統常常沒有能力控制的物理過程參數。在圖1的空氣和燃料流程圖中示出了使用這樣的無煤流量管理的現有控制技術 的系統1的一個示例。如本領域眾所周知，圖1的系統1通常包括用於控制過程的集散控 制系統(DCS)(比如圖2中所示DCS 14)，並且也可以包括燃燒控制和優化系統(COS)(比如 該圖中所示COS 12)。如圖1中所示，環境空氣在圖1的左手側上進入系統1。這一空氣的大部分變成主 要功能在於從一個或者多個煤粉碎機2送出粉狀燃料的主要空氣。空氣和粉狀燃料必須在燃燒器4處具有化學當量比，並且如圖的右手側上所示通 過添加輔助環境空氣來獲得該混合。圖1也示出了與空氣流量關聯的若干節氣閥6a、6b、6c和6d。稱為熱空氣節氣閥 的節氣閥6a與在主要空氣管道3中的已加熱環境空氣流量關聯。稱為冷空氣節氣閥的節 氣閥6b與用於對熱主要空氣進行回火的回火空氣管道5中的未加熱環境空氣關聯。稱為 主要空氣節氣閥的節氣閥6c向粉碎機2以及與粉碎機和燃燒器4關聯的燃燒器線路7提 供主要空氣和回火空氣的混合物並且向燃燒器4提供回火的熱主要空氣。稱為控制節氣閥 的節氣閥6d向燃燒器4提供輔助空氣管道8中的輔助加熱空氣。如本領域技術人員眾所 周知，對這些節氣閥6a、6b、6c和6d的主要調節與負荷有關，並且用於進行該調節的信號來 自集散控制系統，比如圖2的DCS 14。現有技術缺失的一個要素在於向PCFB的燃燒器系統提供均衡和平衡的空氣_燃 料混合物的閉環可控流量的能力。以往的技術和實現方式已經使用比如過濾箱(riffle box)這樣的方法和裝置以使空氣-燃料混合物均衡。過濾箱已經與可能導致迅速磨損的高 壓力降關聯。也已經使用配置用於PCFB的手動的一勞永逸(set-and-forget)的平衡技術， 其通常被配置為在PCFB的一種負荷條件下利用固定的孔板平衡主要燃燒空氣的進入和來 自粉碎機2的燃料流。本發明提供一種改進燃燒優化系統，其設計成監視、修改和控制燃燒過程，包括負 荷可變的空氣_燃料混合和均衡化過程。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供一種用於控制粉煤燃燒鍋爐的系統，該鍋爐具有用
3於粉碎煤並且形成空氣和煤的混合物的至少一個粉碎機、多個燃燒器，各所述燃燒器通過 燃燒器線路來饋送所述空氣和煤的混合物。該系統包括具有粉煤燃燒鍋爐的燃燒模型的燃 燒優化系統。集散控制系統與燃燒優化系統通信連接並且從燃燒優化系統接收控制命令。 煤流量傳感器定位成監視向各燃燒器中饋送的空氣和煤的混合物的速率。空氣流量均衡器 定位於粉碎機下遊並且包括用於將空氣和煤的混合物分離到燃燒器線路中的分路器。分路 器具有用於控制流向燃燒器的空氣和煤的混合物的流量的多個節氣閥。集散控制系統結合 來自煤流量傳感器的信號使用表明節氣閥的當前位置的信號以閉環方式控制節氣閥的位 置。


圖1是現有技術的粉煤燃燒鍋爐的部分示意圖；圖2是用於粉煤燃燒鍋爐的COS和DCS控制系統的示意圖；圖3是煤流量監視傳感器；圖4是根據本發明的粉煤燃燒鍋爐控制系統的部分示意圖；並且圖5是用於粉煤燃燒鍋爐控制系統的過程流程圖。
具體實施例方式現在參照圖2，示出了用於本發明的系統10的一個實施例的框圖。系統10包括高 級燃燒控制和優化系統(COS) 12。COS 12對燃燒過程的多變量非線性關係進行建模。通過 分析信號/參數的歷史數據來標識信號/參數之間的關係。COS 12基於高級模型預測控 制技術並且使用燃燒模型和描述加權客戶優化目標的成本函數以向系統10的集散控制系 統(DCS) 14提供設定值和設定值偏置值18。DCS 14包括操作者設定值並且向COS 12提供 過程值20。COS 12具有過程的模型並且具有作為輸入的約束變量限制22、受控制的變量 目標24以及受操控的變量目標和限制26。COS 12的一個示例為可從ABB獲得的Optimax Combustion Optimizer System。DCS 14連接到系統10的鍋爐和最終控制單元16。DCS 14向鍋爐和最終控制單元 16提供多個鍋爐控制值28、空氣節氣閥位置30和煤/空氣門位置32。具有儀器和最終控制單元16的鍋爐過程也包括向DCS 14提供過程值34的各種 儀器。DCS 14又通過向最終控制單元發送控制信號來控制過程。儀器可以例如包括火焰 檢測器，比如檢測火焰存在或者不存在並且也測量火焰質量的火焰檢測器。這一火焰質量 測量可以用來保證燃燒過程高效地工作。這樣的火焰檢測器的一個示例為可從ABB獲得的 Uvisor SFSlOi系統，該系統在單個殼中提供火焰檢測和火焰質量測量兩者。與火焰檢測 器關聯的是用於監視火焰質量的適當解決方案，比如也可從ABB獲得的Flame Explorer.,儀器也可以包括具有傳感器的系統，這些傳感器用於測量向鍋爐中的粉末饋送速 率、其中的煤濃度以及可選地測量溫度。這一系統使用來自傳感器的輸入以提供對用粉煤 燃燒的鍋爐的閉環燃燒優化。這樣的系統的一個示例為可從ABB獲得的PfMaster系統，該 系統用一個信號處理單元可以測量多達24個粉狀燃料(pf)燃燒器饋送。這樣的傳感器的 一個示例為圖3中所示ABB煤流量監視傳感器。在圖4中示出了用於系統10的空氣和燃料流程圖。如圖中所示，系統10包括圖1中所示各組成並且也具有圖1的現有技術圖中沒有的以下單元(a)空氣-燃料流量均衡 器40，其在從粉碎機2的燃燒器線路7中具有燃料流分路器，該分路器具有節氣閥(在圖4 中標識為控制門節氣閥42)，該均衡器用於控制粉煤的均衡空氣_燃料混合物向鍋爐的兩 個或者更多燃燒器4的流量；(b)具有燃燒指數的火焰掃描器46，可以例如是上述火焰掃描 器；(c)監視各燃燒器線路的煤流量傳感器48。傳感器48和關聯煤流量監視系統的一個示例為上述Pf Master系統。傳感器48 可以用單個傳感器測量速率、煤濃度和溫度。與圖1的現有技術的空氣和煤流程圖一樣，圖4中所示空氣節氣閥6a、6b、6c和 6d由DCS 14控制。在現有技術中，在一種負載條件下手動配置分路器42的節氣閥。根據 本發明，分路器42的節氣閥的位置設置由DCS 14控制。DCS 14通過結合來自煤流量監視 系統的信號使用表明用於分路器42的節氣閥的當前位置的信號來提供對節氣閥的閉環控 制。定位器和致動器設備(比如可從ABB獲得的定位器和致動器設備)提供表明節氣閥位 置的信號並且將關聯節氣閥移向來自DCS 14的設定值。均衡的空氣-燃料混合物的受控制分流造成空氣和燃料以適當化學當量比向燃 燒器陣列內的個別燃燒器4的平衡遞送。此外，C0S12可以修改向燃燒器陣列的整個空 氣_燃料遞送分布，從而可以針對給定負荷實現在陣列中的燃燒器4之間的最佳燃燒器輸 入流量。空氣-燃料流量均衡器40的一個示例為可從GreenbankTerotech Ltd.獲得 的可變面積鋼絲繩斷路器系統PF。具有節氣閥的燃料流分路器42的一個示例為也可從 Greenbank獲得的煤流量控制門分路器。如上文所述，分路器42中的煤流量控制門節氣閥 通過DCS 14由系統10的COS 12控制。如可以理解的那樣，燃料流分路器42向閉環受控制操作的轉換提供對通過燃燒 器4的管線向燃燒器4饋送的空氣-燃料混合物的初始平衡。這實現在可變負荷條件之下 動態地平衡向PCFB的個別燃燒器的空氣-燃料流量的能力。這些可變負載條件影響空氣 和燃料的進入的兩階段分配並且產生在所需負載範圍內的動態響應的需要。如可以進一步理解的那樣，燃料流分路器42的本地閉環控制向COS 12的耦合產 生在單獨單元中的任一個可以獨自提供的益處之外的附加益處(a)完整監視和控制燃燒 過程從燃料與空氣以均衡和比率平衡方式的初始混合、經過向PCFB內的各種燃燒器的所 需分配以及最終為空氣-燃料流在鍋爐內部的界限內的受控制點燃和優化燃燒；(b)動態 地產生、監視和控制PCFB的多個燃燒器之間的相對空氣-燃料流量的能力，使得可以操控 和優化來自粉碎、空氣引入和火焰產生過程的由負荷誘發的效果，從而以經濟上和/或環 境上優化的方式滿足減少NOx、減少CO和未燃燒燃料以及提高熱比這些相互矛盾的目標； (c)可以用自動化方式實現如上所述能力，其中PCFB的操作者顯著減少對手動平衡和控制 典型粉煤燃燒鍋爐燃燒過程的多個個別空氣和燃料流量的需要。在圖5中示出了系統10的流程圖。如圖中所示，COS 12響應於外部負荷需求和 來自DCS 14的過程值、狀態和控制模式向DCS 14提供實時優化和高級過程控制兩者。DCS 14控制用來對圖4中所示節氣閥進行定位的致動器和提供與過程有關的值(比如煤流量以 及火焰檢測和質量)的傳感器。如也可以理解的那樣，對火焰狀態和質量的監視保證個別燃燒器如預計的那樣表現，其中來自COS 12的MPC模型跟蹤燃燒指數與個別燃燒器負荷和性能的相關。如根據上文描述可以理解的那樣，本發明與現有技術相比提供顯著提高的燃燒效 率和單位熱比以及將排放減少和控制至可接受水平。附加益處可以包括由於在粉碎機與燃 燒器之間的空氣-燃料路徑中的阻力整體上降低而緩解高成本、鼓風機受限的操作。本發明的系統提供的優點包括減少LOI (點燃損耗——即未燃燒燃料和耗費)、減 少或者消除在低負載情況下對輔助燃料(共同燃燒)的使用、減少由於富含CO的「暗區」所 致的水壁耗費以及減少排放(C02、C0和NOx)。由於運用本發明而可以獲得的更多PCFB操 作改進包括提高單位熱比(熱效率)、提高單位斜坡率、在寬得多的負荷範圍內提高火焰和 和火球穩定性、消除用於燃料分配的一些/所有過濾箱、改進通氣扇效率結果和空氣/燃料 之比的可控變化以適應鍋爐負荷條件。應當理解，儘管圖2中所示本發明系統的實施例以及圖4中所示它的關聯空氣和 燃料流程圖可以如上所述包括具有燃燒指數的火焰掃描器，但是即使本發明的系統中所用 火焰掃描器無燃燒指數，該系統仍將提供較現有技術的系統而言的改進。
權利要求
一種用於控制粉煤燃燒鍋爐的系統，所述鍋爐具有用於粉碎煤並且形成空氣和煤的混合物的至少一個粉碎機、多個燃燒器，每個所述燃燒器通過燃燒器線路來饋送所述空氣和煤的混合物，所述系統包括燃燒優化系統，具有所述粉煤燃燒鍋爐的燃燒模型；集散控制系統，與所述燃燒優化系統通信連接，並且從所述燃燒優化系統接收控制命令；煤流量傳感器，定位成監視向每個所述燃燒器中饋送的空氣和煤的混合物的速率；空氣流量均衡器，定位於所述粉碎機的下遊，所述空氣流量均衡器具有用於將空氣和煤的混合物分離到所述燃燒器線路中的分路器，所述分路器具有用於控制流向所述燃燒器的空氣和煤的混合物的流量的多個節氣閥；並且其中所述集散控制系統結合來自所述煤流量傳感器的信號，使用表明所述節氣閥的當前位置的信號以閉環方式控制所述節氣閥的位置。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括向所述集散控制系統發送表明每個所述節氣閥 的位置的信號的一個或者多個定位器。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述一個或者多個定位器將所述節氣閥中的關聯 節氣閥移向從所述集散控制系統發送的設定值。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述燃燒優化系統還包括成本函數，所述成本函 數包括加權客戶優化目標。
5.根據權利要求4所述的系統，其中所述燃燒優化系統利用所述燃燒模型和成本函 數，以向所述集散控制系統提供設定值和設定值偏置值。
6.根據權利要求1所述的系統，還包括火焰檢測器，與所述燃燒器鄰近定位用於檢測 火焰存在或者不存在，並且還測量火焰質量提供給所述集散控制系統。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所述煤流量傳感器還監視流入每個燃燒器中的空 氣和煤的混合物的煤濃度和溫度。
全文摘要
一種用於控制粉煤燃燒鍋爐的方法和系統，其中監視並向集散控制系統發送流向每個燃燒器的煤/空氣混合物的流量。該集散控制系統也監視和控制向燃燒器饋送煤/空氣混合物的分路器中的節氣閥的位置。以閉環方式控制節氣閥以實現最優鍋爐性能。
文檔編號F23K3/02GK101939591SQ200880124335
公開日2011年1月5日 申請日期2008年12月5日 優先權日2007年12月7日
發明者H·多哈利克, P·伊莫南, R·維塞爾, T·馬特斯科 申請人:Abb技術有限公司