粉煤燃烧蒸汽锅炉的完全燃烧优化系统和方法

摘要

一种用于控制粉煤燃烧锅炉的方法和系统，其中监视并向集散控制系统发送流向每个燃烧器的煤/空气混合物的流量。该集散控制系统也监视和控制向燃烧器馈送煤/空气混合物的分路器中的节气阀的位置。以闭环方式控制节气阀以实现最优锅炉性能。

说明书

背景技术

有许多用于优化粉煤燃烧锅炉(PCFB)内的燃烧的高级控制技术。这些方法通常涉及到使用高级模型预测控制和/或基于神经网络的控制以监视、平衡和控制燃料和空气到锅炉各级的进入，包括主要、辅助、过度燃烧和燃烧不足控制。也可以控制其它变量如燃烧器倾斜和恒温器喷射流量以便优化燃烧过程。众所周知，恒温器通过使过热蒸汽与水直接接触来减少蒸汽温度。通过水的蒸发来冷却蒸汽。

应当控制和优化燃烧过程以获得“最佳可能”性能，由此以经济上和/或环境上优化的方式满足减少NOx、减少CO和未燃烧燃料以及提高热比这些相互矛盾的目标。然而这一优化主要受制于用来优化燃烧的系统常常没有能力控制的物理过程参数。

在图1的空气和燃料流程图中示出了使用这样的无煤流量管理的现有控制技术的系统1的一个示例。如本领域众所周知，图1的系统1通常包括用于控制过程的集散控制系统(DCS)(比如图2中所示DCS 14)，并且也可以包括燃烧控制和优化系统(COS)(比如该图中所示COS 12)。

如图1中所示，环境空气在图1的左手侧上进入系统1。这一空气的大部分变成主要功能在于从一个或者多个煤粉碎机2送出粉状燃料的主要空气。

空气和粉状燃料必须在燃烧器4处具有化学当量比，并且如图的右手侧上所示通过添加辅助环境空气来获得该混合。

图1也示出了与空气流量关联的若干节气阀6a、6b、6c和6d。称为热空气节气阀的节气阀6a与在主要空气管道3中的已加热环境空气流量关联。称为冷空气节气阀的节气阀6b与用于对热主要空气进行回火的回火空气管道5中的未加热环境空气关联。称为主要空气节气阀的节气阀6c向粉碎机2以及与粉碎机和燃烧器4关联的燃烧器线路7提供主要空气和回火空气的混合物并且向燃烧器4提供回火的热主要空气。称为控制节气阀的节气阀6d向燃烧器4提供辅助空气管道8中的辅助加热空气。如本领域技术人员众所周知，对这些节气阀6a、6b、6c和6d的主要调节与负荷有关，并且用于进行该调节的信号来自集散控制系统，比如图2的DCS 14。

现有技术缺失的一个要素在于向PCFB的燃烧器系统提供均衡和平衡的空气-燃料混合物的闭环可控流量的能力。以往的技术和实现方式已经使用比如过滤箱(riffle box)这样的方法和装置以使空气-燃料混合物均衡。过滤箱已经与可能导致迅速磨损的高压力降关联。也已经使用配置用于PCFB的手动的一劳永逸(set-and-forget)的平衡技术，其通常被配置为在PCFB的一种负荷条件下利用固定的孔板平衡主要燃烧空气的进入和来自粉碎机2的燃料流。

本发明提供一种改进燃烧优化系统，其设计成监视、修改和控制燃烧过程，包括负荷可变的空气-燃料混合和均衡化过程。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于控制粉煤燃烧锅炉的系统，该锅炉具有用于粉碎煤并且形成空气和煤的混合物的至少一个粉碎机、多个燃烧器，各所述燃烧器通过燃烧器线路来馈送所述空气和煤的混合物。该系统包括具有粉煤燃烧锅炉的燃烧模型的燃烧优化系统。集散控制系统与燃烧优化系统通信连接并且从燃烧优化系统接收控制命令。煤流量传感器定位成监视向各燃烧器中馈送的空气和煤的混合物的速率。空气流量均衡器定位于粉碎机下游并且包括用于将空气和煤的混合物分离到燃烧器线路中的分路器。分路器具有用于控制流向燃烧器的空气和煤的混合物的流量的多个节气阀。集散控制系统结合来自煤流量传感器的信号使用表明节气阀的当前位置的信号以闭环方式控制节气阀的位置。

附图说明

图1是现有技术的粉煤燃烧锅炉的部分示意图；

图2是用于粉煤燃烧锅炉的COS和DCS控制系统的示意图；

图3是煤流量监视传感器；

图4是根据本发明的粉煤燃烧锅炉控制系统的部分示意图；并且

图5是用于粉煤燃烧锅炉控制系统的过程流程图。

具体实施方式

现在参照图2，示出了用于本发明的系统10的一个实施例的框图。系统10包括高级燃烧控制和优化系统(COS)12。COS 12对燃烧过程的多变量非线性关系进行建模。通过分析信号/参数的历史数据来标识信号/参数之间的关系。COS 12基于高级模型预测控制技术并且使用燃烧模型和描述加权客户优化目标的成本函数以向系统10的集散控制系统(DCS)14提供设定值和设定值偏置值18。DCS 14包括操作者设定值并且向COS 12提供过程值20。COS 12具有过程的模型并且具有作为输入的约束变量限制22、受控制的变量目标24以及受操控的变量目标和限制26。COS 12的一个示例为可从ABB获得的Optimax Combustion Optimizer System。

DCS 14连接到系统10的锅炉和最终控制单元16。DCS 14向锅炉和最终控制单元16提供多个锅炉控制值28、空气节气阀位置30和煤/空气门位置32。

具有仪器和最终控制单元16的锅炉过程也包括向DCS 14提供过程值34的各种仪器。DCS 14又通过向最终控制单元发送控制信号来控制过程。仪器可以例如包括火焰检测器，比如检测火焰存在或者不存在并且也测量火焰质量的火焰检测器。这一火焰质量测量可以用来保证燃烧过程高效地工作。这样的火焰检测器的一个示例为可从ABB获得的Uvisor^TM SF810i系统，该系统在单个壳中提供火焰检测和火焰质量测量两者。与火焰检测器关联的是用于监视火焰质量的适当解决方案，比如也可从ABB获得的Flame Explorer。

仪器也可以包括具有传感器的系统，这些传感器用于测量向锅炉中的粉末馈送速率、其中的煤浓度以及可选地测量温度。这一系统使用来自传感器的输入以提供对用粉煤燃烧的锅炉的闭环燃烧优化。这样的系统的一个示例为可从ABB获得的PfMaster系统，该系统用一个信号处理单元可以测量多达24个粉状燃料(pf)燃烧器馈送。这样的传感器的一个示例为图3中所示ABB煤流量监视传感器。

在图4中示出了用于系统10的空气和燃料流程图。如图中所示，系统10包括图1中所示各组成并且也具有图1的现有技术图中没有的以下单元：(a)空气-燃料流量均衡器40，其在从粉碎机2的燃烧器线路7中具有燃料流分路器，该分路器具有节气阀(在图4中标识为控制门节气阀42)，该均衡器用于控制粉煤的均衡空气-燃料混合物向锅炉的两个或者更多燃烧器4的流量；(b)具有燃烧指数的火焰扫描器46，可以例如是上述火焰扫描器；(c)监视各燃烧器线路的煤流量传感器48。

传感器48和关联煤流量监视系统的一个示例为上述Pf Master系统。传感器48可以用单个传感器测量速率、煤浓度和温度。

与图1的现有技术的空气和煤流程图一样，图4中所示空气节气阀6a、6b、6c和6d由DCS 14控制。在现有技术中，在一种负载条件下手动配置分路器42的节气阀。根据本发明，分路器42的节气阀的位置设置由DCS 14控制。DCS 14通过结合来自煤流量监视系统的信号使用表明用于分路器42的节气阀的当前位置的信号来提供对节气阀的闭环控制。定位器和致动器设备(比如可从ABB获得的定位器和致动器设备)提供表明节气阀位置的信号并且将关联节气阀移向来自DCS 14的设定值。

均衡的空气-燃料混合物的受控制分流造成空气和燃料以适当化学当量比向燃烧器阵列内的个别燃烧器4的平衡递送。此外，COS12可以修改向燃烧器阵列的整个空气-燃料递送分布，从而可以针对给定负荷实现在阵列中的燃烧器4之间的最佳燃烧器输入流量。

空气-燃料流量均衡器40的一个示例为可从GreenbankTerotech Ltd.获得的可变面积钢丝绳断路器系统PF。具有节气阀的燃料流分路器42的一个示例为也可从Greenbank获得的煤流量控制门分路器。如上文所述，分路器42中的煤流量控制门节气阀通过DCS 14由系统10的COS 12控制。

如可以理解的那样，燃料流分路器42向闭环受控制操作的转换提供对通过燃烧器4的管线向燃烧器4馈送的空气-燃料混合物的初始平衡。这实现在可变负荷条件之下动态地平衡向PCFB的个别燃烧器的空气-燃料流量的能力。这些可变负载条件影响空气和燃料的进入的两阶段分配并且产生在所需负载范围内的动态响应的需要。

如可以进一步理解的那样，燃料流分路器42的本地闭环控制向COS 12的耦合产生在单独单元中的任一个可以独自提供的益处之外的附加益处：(a)完整监视和控制燃烧过程：从燃料与空气以均衡和比率平衡方式的初始混合、经过向PCFB内的各种燃烧器的所需分配以及最终为空气-燃料流在锅炉内部的界限内的受控制点燃和优化燃烧；(b)动态地产生、监视和控制PCFB的多个燃烧器之间的相对空气-燃料流量的能力，使得可以操控和优化来自粉碎、空气引入和火焰产生过程的由负荷诱发的效果，从而以经济上和/或环境上优化的方式满足减少NOx、减少CO和未燃烧燃料以及提高热比这些相互矛盾的目标；(c)可以用自动化方式实现如上所述能力，其中PCFB的操作者显著减少对手动平衡和控制典型粉煤燃烧锅炉燃烧过程的多个个别空气和燃料流量的需要。

在图5中示出了系统10的流程图。如图中所示，COS 12响应于外部负荷需求和来自DCS 14的过程值、状态和控制模式向DCS 14提供实时优化和高级过程控制两者。DCS 14控制用来对图4中所示节气阀进行定位的致动器和提供与过程有关的值(比如煤流量以及火焰检测和质量)的传感器。

如也可以理解的那样，对火焰状态和质量的监视保证个别燃烧器如预计的那样表现，其中来自COS 12的MPC模型跟踪燃烧指数与个别燃烧器负荷和性能的相关。

如根据上文描述可以理解的那样，本发明与现有技术相比提供显著提高的燃烧效率和单位热比以及将排放减少和控制至可接受水平。附加益处可以包括由于在粉碎机与燃烧器之间的空气-燃料路径中的阻力整体上降低而缓解高成本、鼓风机受限的操作。

本发明的系统提供的优点包括减少LOI(点燃损耗——即未燃烧燃料和耗费)、减少或者消除在低负载情况下对辅助燃料(共同燃烧)的使用、减少由于富含CO的“暗区”所致的水壁耗费以及减少排放(CO2、CO和NOx)。由于运用本发明而可以获得的更多PCFB操作改进包括提高单位热比(热效率)、提高单位斜坡率、在宽得多的负荷范围内提高火焰和和火球稳定性、消除用于燃料分配的一些/所有过滤箱、改进通气扇效率结果和空气/燃料之比的可控变化以适应锅炉负荷条件。

应当理解，尽管图2中所示本发明系统的实施例以及图4中所示它的关联空气和燃料流程图可以如上所述包括具有燃烧指数的火焰扫描器，但是即使本发明的系统中所用火焰扫描器无燃烧指数，该系统仍将提供较现有技术的系统而言的改进。