火电机组排烟氧量在线软测量方法应用分析.pdf

2 0 1 4 年第 3 2 卷第 6 期 内 蒙 古 电 力 技 术 I NNER MONGOLI A ELECTRI C POW ER 6 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 6 2 1 8 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 5 火 电机组排烟氧量在线软测量方法应用分析 陈起 ， 周晓东 ‘ ， 丁建学 ， 贾瑛 。 ， 田亮 1 ． 内蒙古电力科学研究院， 呼和浩特0 1 0 0 2 0 ； 2 ． 北方联合电力有限责任公司包头第三热电厂， 内蒙古 包头0 1 4 0 6 0 ； 3 ． 华北 电力大学 ， 河北保 定0 7 1 0 0 3 摘要 针对 目前火电机组普遍采用的氧化锆氧量计存在的重复性差、 故障率高、 检修 维护 困难等 问题 ， 在对几种常见的排 烟氧量测量方法进行分析比较的基础上 ， 提 出了 1 种基 于基 理建模和数据融合的软测量方法。该方法通过机理分析和统计分析 ， 采用风烟侧信号构造锅 炉热量信号， 利用煤燃烧的空气热量比为常数的性质， 通过计算热量和风量得出锅炉排烟氧； ；量。该方法利用D C S 原有测点， 不需新增测点， 利用D C S 算法组态， 易于实现， 应用效果表明， 锅炉排烟氧量测量结果准确。 ； 关键词 排烟氧量 ； 软测量； D C S ； 建模 ； 锅炉 文献标志码 B 中图分类号 T M6 2 1 ． 2 9 文章编号 1 0 0 8 6 2 1 8 2 0 1 4 0 6 0 0 6 50 4 ． On l i n e S o ft Me a s u r i n g Me t h o d o f Ex ha us t Ga s Ox y g e n Co n t e n t o n Th e r ma l Un i t C h e n Q i ， Z h o u X i a o d o n g ，D i n g J i a n x u e ， J i a Y i n g ， T i a n L i a n g 1 ． I n n e r Mo n g o l i a P o we r R e s e a r c h I n s t i t u t e ，Ho h h o t 0 1 0 0 2 0 ；2 ． N o ． 3 B a o t o u T h e r ma l P o w e r P l a n t ， I n n e r Mo n g o l i a B a o t o u 0 1 4 0 6 0 ；3 ． No Ah C h i n a El e c t r i c P o we r Un i v e r s i t y ，He b e i B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 0 引言 锅炉燃烧效率的提高对降低机组发电煤耗 、 改 优化是提高锅炉效率 、 降低 N O 等污染物排放的有 效措施 。锅炉运行监测及优化调整需要 1 个能够代 表炉内平均燃烧水平 ， 静态稳定性好、 动态响应速 善机组运行经济性具有非常明显 的作用 ， 炉内燃烧 度快的氧量信号 ， 而精确测量及控制排烟氧量是优 f 收稿 日期】2 0 1 4 1 1 0 5 【 作者简介1陈起 1 9 7 7 一 ， 男， 内蒙古人， 硕士， T程师， 从事热工专业技术监督管理丁作。 [ 基金项目J北方联合电力有限责任公司2 0 1 1 年第一批科技项 目 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 1 4 年第3 2 卷第6 期 化燃烧的关键手段之一 ， 开展锅炉排烟氧量的测 2 排烟氧量软测量模型 量研究工作具有十分重要 的意义。 1 排烟氧量测量方式 1 ． 1 传统方法及存在的问题 目前火 电机组广泛使用氧化锆氧量计测量排 烟氧量 ， 因其采用 电化学方法 ， 存在稳定性差 、 易受 还原 性气体影 响等问题 。 由于传感器 探头安装 于 锅炉尾部烟 道 中 ， 环境 恶劣 ， 易发 生飞灰磨损 、 堵 灰 、 电加热器损坏等故障， 检修、 维护、 校验都 比较 困难 。另外， 由于锅炉烟道流通截面积比较大， 氧 化锆氧量 计安装位置的氧量能否代 表锅炉平 均氧 量一直存在争议 。 大容量锅 炉在左 右侧烟道 内均安装 了多 只氧 化锆氧量计， 运行中经常出现不同氧量计之间示值 偏差大 、 变负荷工况下变化趋势不一致等 问题 。即 使采用多选一和均值化处理逻辑 ， 某台氧化锆氧量 计测量值 的异 常波动也会 给锅炉送风量 的控制造 成较大干扰 。 1 ． 2 基于基理建模和数据融合的软测量方法 软测量技术是选 取一些与被测变量有密切联 系的辅助变量 ， 通过对其进行在线分析来 间接估算 不可测或难测变量的1 种方法 I， 其核心内容是发现 和建立辅助变量与主要变量间的数学模型关系 。 近年来建模方法一直是软测量研究 的热点 ， 虽 然基 于统计分析和人工智能 的建模方法取得 了很 多成果 ， 但此类算法较 为复杂 ， 对实现运算 的硬件 要求较高， 而目 前电厂普遍采用的D C S 控制系统硬 件资源配置有限 ， 组态算法单一且封 闭 ， 因此很难 在 D C S 上实现此类算法 1 。如采用专用计算机进 行计算 的外挂系统 ， 不但增加 了电厂人员的维护工 作量 ， 而且在兼容性 、 安全性上也无法保证 。这些 影响因素使得软测量方法很难在电厂得到推广应 用 。 将算法简化且能够利用 D C S 组态 实现运算 建 模 ， 是 软测量技术 能够在 电厂得到广 泛应用 的关 键。本文介绍的基于基理建模和数据融合技术的 软测量方法 ， 通过机理分析和数据统计分析 ， 利用 D C S 提供的函数组态， 使用风烟侧信号构造锅炉热 量信号 ， 实现了利用热量和风量计算锅炉排烟氧量 的 目标 。该方法易于实 现 ， 不需新增测 点 ， 与 D C S 兼容性好 ， 电厂实 际应用情况表 明 ， 排烟氧量测量 结果准确。 2 ． 1 基本原理 2 ． 1 ． 1 理论计算 煤完全燃烧过程 中， 煤 内元素与空气问的主要 化学反应式见式 1 一 3 C O C O ， 1 S O S O ， 2 4 H O 2 2 H 0， 3 煤中各元素间的主要化学反应式见式 4 、 式 5 2 H 0 H 0， 4 N N N 。 5 煤 中水分将 转变为水蒸气形态 ， 而煤中灰分不 参与燃烧。因此， 理论上只要知道煤中各元素的化 学分析结果、 给煤量、 参与燃烧的总风量， 就可以通 过化学平衡关系计算 出煤燃烧后 烟气 中主要气 体 的含量 。但 目前 火电机组中并未安装煤 质成分在 线分析仪 ， 无法实时获取人炉煤元素成分。对于中 间仓储式制粉系统， 目 前尚无准确测量煤粉浓度和 流量 的方法 ； 直吹式制粉 系统虽然安装了皮带秤测 量给煤量 ， 但其长期运行精度也相对较差 ； 另外 ， 煤 燃烧过程 中一定会存在未完全燃烧成分 ， 因此 ， 上 述理论分析结果虽然成立 ， 但不适合于工程应用。 2 ． 1 ． 2间接 测 量 通过计算 、 比较单位质量煤完全燃烧时产生的 热量 及需要 的理论空气量 V o 可发现 ， 当煤 中 可燃成分碳 占绝 大部分 比例时 ， 煤燃烧过程 中理论 空气量与发热量之比非常接近于常数， 见式 6 I T ， K 0 ． 2 6 2， 6 Y 0 式 中K 一 煤燃烧过程 中理论空气量与发热量之 比 ， m 3 ／ MJ 。 单位质量煤在空气中燃烧后烟气含氧量可以 采用公式 7 [5 1计算 7 式中 。 一烟气中氧气的体积百分数 ， ％； ～ 实际空气量 ， 1／ 13 ； ～ 煤燃烧产生的烟气量 ， n l 。 。 从公式 1 、 2 可知 ， 空气中氧气与碳 、 硫发生 的化学反应都不会导致烟气体积发生变化 ； 从公式 4 一 5 可知 ， 煤中一些化学成分燃烧后产生的气 体将使烟气体积增加， N的含量较小， 对烟气体积的 2 0 1 4 年第3 2 卷第6 期 陈起 ， 等 火电机组排炯氧量在线软测量方法应用分析 6 7 影响很小 ； 而煤 中水分气化后 变成 水蒸气 ， 是烟气 体积增加的主要影响因素。对 于水质量分数在 7 ％ ～ 1 5 ％的烟煤 ， 烟气含氧量可以采用公式 8 I 5 1计算 ， 2 1 V V o 2 1 V ． 一 K q o 2 1 V ． 一 0 ．2 6 2 Q 。 r Q 、 ， n 一一一 二 I J 。 一 0．07vo O． 07 K 。Q 。 一 o ． o o 1 8 3 Q 。’ 、 当采用实际热量替换单位煤燃烧产生的热量 时 ， 即可得 到氧量 软测量技术 采用 的基本计算 方 法 ， 如公式 9 [5 - 7 1 2 1 V ． 一 o ．2 6 2 Q 。z ’ 9 式中 q 一煤在锅炉内燃烧产生的热量 ， MW。 经过以上推导 ， 即可将氧量计算所需的原始信 号中煤量信号转变为热量信号 ， 而锅炉热量计算 的 精确度要 比煤量计算高很多。 2 ． 2 热量计算 排烟损失热量可通过烟气 比热 、 烟气流量 、 排 烟温度与环境温度差计算 。原理性 的烟气 比热计 算方法非常复杂 ， 需要考虑烟气成分和温度变化等 因素 1 。实际观测 中发 现 ， 锅炉烟气 中各成分 的体 积分数 基本保 持稳定 ， 典型值 为 7 2 ％、 为 1 5 ％、 为 8 ％、 为5 ％， 此时烟气 比热可以按公 式 1 0 计算 l G 1 ． 3 5 9 3 0 ． 0 0 0 1 8 8 t ， 1 0 式 中c 一烟气 比热 ， MJ ／ m ； ．『 排烟温度 ， ℃。 烟气流量需加入空预器漏风量 ， 当空预器漏风 率为6 ％时 ， 计算方法如公式 1 1 1 ． 0 6 0 ． 0 0 1 8 3 Q ， 1 1 式 中 一 烟气流量 ， m ／ s 。 排烟温度取空预器出 口温度 ， 环境温度可以取 送风机 、 一次风机人 口温度。 2 ． 3 风量计算 锅 炉风量包 括一次风量 、 二次风量及漏风量 。 当锅炉未安装一次热风量和一次冷风量测点时 ， 可 以采用各 台磨煤机入 口一次风量之和计算总一次 风量 ； 锅炉二次风量可通过在空预器 出口二次热风 管道 内安装测点进行测量 ， 未安装测点时 ， 可采用 各层 燃烧器 二次风 量 、 燃烬风 之和计算 总二次 风 量 ； 锅炉漏风量主要为制粉系统密封风 向内的泄漏 量 ， 可取一次风量 的 8 ％计算 ； 目前大型锅炉炉膛漏 风量都很小 ， 可 以忽略 l 。 机组实际运行过程 中， 风量测量装置容易发生 堵塞、 磨损等故障导致风量测量不准确 ， 而采用 自 振打均速管式风量测量装置能够有效避免 以上 问 题 ， 测量 准确性较好 】 。如锅炉安装 了以上类型的 风量测 量装置 ， 氧量软测量 风量可 直接采用其 结 果 ， 但 如果 现场风量测量装置可靠性差 ， 需要引入 其他方法计算风量 。 2 ． 4 动态 补偿 在稳定负荷下 ， 直接应用公式 9 计算氧量的 静态准确度能够满足要求 ， 但在变负荷工况下会存 在较大动态误差 。L N公司在其 D E B 直接能量平 衡 协调控制系统设计方案 中构造 的“ 热量” 信号 为 Q D E S P l C ， 式 中p 一汽轮机调速级后压力 ， MP a ； c 一锅炉蓄热系数 ； p 厂 锅炉汽包压力 ， MP a 。 该热量信号比锅炉汽水系统吸热量信号具有 明显 的超前 性 ， 能够 克服锅炉 蓄热惯性 环节 的影 响 ， 可更好地反映燃烧热量信号 的动态变化 ， 但其 静态准确性较差。通过采用频率互补滤波器 ， 可发 挥该热量信号动态性能好和汽水吸热量信号静态 精度高的优点 ， 动态补偿方法见公式 1 2 t 9 ] q o 惫 K ⋯Q e Q w ， 1 2 式中 Q 一锅炉汽水 、 风烟系统计算热量信号 ， MW 一 滤波时间 ， S ； 一 汽轮机调速级后压力与热量信号 比例 系数 ， MW／ MP a ， 其计算方法见公式 1 3 ， 1 3 ‘ p1 式 中Q 一机组额定负荷下汽水 、 风 烟系统计算 热量 ， MW； 一 机 组额定 负荷下 汽轮机 调速级 后压 力， MP a 3 应用效果 该方法在包头第三热电厂2 号供热锅炉机组上 进行 了实 际应用 。该锅 炉由哈尔滨锅 炉有 限公 司 采 用 美 国 A B B C E公 司技 术 设 计 制 造 ， 型 号 为 HG 一 1 0 2 5 ／ 1 7 ． 5 一 Y M1 1 ， 配 3 0 0 MW亚 临界汽 轮发 电 机组。机组 D C S 采用新华控制系统。 2 号锅炉氧量软测量采用的信号都来自于D C S 原有信号。为了提高可靠性 ， 采取冗余方式选取信