[发明专利]基于含氧量和飞灰含碳量在线监测的煤粉炉燃烧调控方法

权利要求书

1.一种基于含氧量和飞灰含碳量在线监测的煤粉炉燃烧调控方法，它包括的步骤有：

1)经典判定锅炉最优工况的热效率法

热效率被定义为:

由于反平衡法对于各项热损失更有针对性，燃烧优化要解决的问题就是通过燃烧调整使锅炉热效率在不同工况下始终达到最大值，即：

其中：

Q_r：每公斤燃料带入锅炉的输入热量，可近似取燃煤应用基低位发热量kJ/kg；

Q₁：每公斤燃料锅炉有效利用热量，可通过锅炉工质的进出口焓值、蒸汽流量和燃煤量算出，kJ/kg；

q₁＝(Q₁/Q_r)×100：锅炉有效利用热量占输入热量的百分比；

q₂＝(Q₂/Q_r)×100：锅炉排烟热损失占输入热量的百分比，Q₂为每公斤燃料排烟热损失，单位是kJ/kg，根据理论空气量、燃烧产物及其比热、燃煤量、排烟温度和过量空气系数算出；

q₃＝(Q₃/Q_r)×100：锅炉化学未完全燃烧热损失占输入热量的百分比，Q₃为每公斤燃料化学未完全燃烧热损失，单位是kJ/kg，需根据测定的烟气中可燃气体含量和燃煤量算出；

q₄＝(Q₄/Q_r)×100：锅炉机械未完全燃烧热损失占输入热量的百分比，Q₄为每公斤燃料机械未完全燃烧热损失，单位是kJ/kg，需根据测定的燃烧产物烟气、灰渣中固体可燃物含量算出飞灰、灰渣含碳量和煤种灰分；

q₅＝(Q₅/Q_r)×100：锅炉散热损失占输入热量的百分比，与锅炉结构、保温状况和燃煤量相关；

q₆＝(Q₆/Q_r)×100：锅炉其它热损失占输入热量的百分比，如灰渣带走的物理热损失；

本发明特征是对上述经典热效率法进行简化，从而导出“一种基于含氧量和飞灰含碳量在线监测的煤粉炉燃烧调控方法”；

2)对热效率表达式中各项热损失的简化:

首先，将各项热损失分为在线可调整热损失和在线不可调整热损失以及合并相似热损失，对锅炉最优工况的判定作出简化，得出如下结果：

q₅、q₆或Q₅、Q₆热损失占比很小并且不可以通过燃烧调整得到明显改善，属于在线不可调整热损失，作为燃烧准最优工况判定指标将其舍去不予考虑；

q₃、q₄或Q₃、Q₄热损失均为不完全燃烧损失，其发生的原因相同，即缺氧、温度不够以及燃尽时间不足，因此，如果q₄损失达到最优状态，q₃通常也应达到；并且气体可燃物相对固体可燃物更易燃尽，其损失占比也很小，因此，可用q₄损失同时代表q₃损失，使其不出现在准最优燃烧工况判定指标中，避免了在线烟气分析所带来的困难；

q₂或Q₂热损失其实可以分为两部分，一部分是由燃烧反应方程式决定的理论燃烧产物随烟气带走的热量，计算涉及到燃烧产物的成分，比较复杂，是燃烧反应的必然产物，是不可调整的；另一部分是由于供入了过量的空气而随烟气带走的热量，是燃烧需要调整减少的部分，即燃烧优化的目标之一，将其定义为“可调排烟热损失”，用来表示，即每公斤燃料排烟热损失中可以调整并加以利用的部分，单位为kJ/kg；另外，排烟热损失中的漏风热损失亦不属于燃烧可调整部分，在此也没有考虑；

作出上述简化之后，公式(3)变成了如下形式：

3)求解使“可调排烟热损失”和“机械未完全燃烧热损失”之和最小的优化问题，并兼顾了“化学未燃烧热损失”的影响：

根据锅炉理论，在实时可调整的范围内，这两项热损失都与供入锅炉助燃的空气量有关，该空气量通常用“过量空气系数”α表示，其定义为：

α＝V/V⁰ (5)

其中：

V:每公斤燃料实际供入锅炉的空气量，Nm³/kg；

V⁰:每公斤燃料理论空气量，Nm³/kg，可根据入炉煤、空气成分由燃烧反应方程换算得到，

为提供足够的氧气促使燃煤尽可能完全燃烧，应V＞V⁰，即：α＞1，α通过氧量计在线测量到的烟气中氧的容积含量o₂(％)通过下式计算得到：

则式(4)写成：根据优化理论，该极小值可以通过求解以下方程得到，从而获得取得最小热损失的最佳过量空气系数α_2，4：

因此燃烧优化控制的目标可归结为求取Q₄(α)的导数，并保持式(7)成立：根据“可调排烟热损失”的定义，其计算公式表示为：

其中：空气的平均定压容积比热，kJ/Nm³.℃，可以由空气的物性参数查到；

t₂：排烟温度，℃；

t₁：空气入炉时的温度，为环境温度；

令：

则式(8)有如下形式：

当煤种、排烟温度、环境温度一定时，为简化计算可取设计值，A可视作常数,由式(9)可以看出，其物理意义为理论空气量在炉内吸收的热量，在Q-α坐标图上为一递增的直线1，即：“可调排烟热损失”与过量空气系数α之间成正比关系，则有：

机械未完全燃烧热损失Q₄可以表示为：

其中：

a_fh、a_lz：飞灰、炉渣占总灰量的份额，a_fh+a_lz＝1；

A^y：燃煤应用基灰分，煤质一定时其为定值；

C_fh、C_lz：飞灰、炉渣含碳量，C_fh与α有关，可由飞灰含碳量在线监测装置实时测定；

上式中，为免去在线监测灰渣含碳量的麻烦，近似地将灰渣中含碳量用飞灰含碳量来替代，即C_fh＝C_1z，因为大容量煤粉炉灰渣份额很小，因此不会带来很大误差；

由式(12)，飞灰含碳量C_fh是α的函数，即Q₄也是α的函数，但关系比较复杂，即使同一台锅炉在不同煤种、不同负荷时其关系也会有较大的变化，不能用一个简单的公式表达，但其变化规律我们可以从下面的讨论中定性的表述；

根据燃烧理论，当过量空气系数较小时，由于作为燃烧条件之一的氧气与燃料接触机会减少，使未燃尽颗粒较多，从而Q₄较大；随着α的增加，Q₄逐渐减小并将维持在较小的范围内；而当α足够大时，又将破坏燃烧的另一个条件，即在较多过量空气时由于温度较低，燃烧会推迟，未燃尽颗粒也会增多，使Q₄又会随着α的增加而增加；因此，Q₄随α的变化规律曲线2，为一下凹、单谷、小曲率曲线，曲线2将随锅炉负荷、燃用煤种等的变化而改变，但其形状或变化规律不会改变，由式(12)，曲线2的导数表示为：

因为为直线1，则亦为一具有下凹、单谷、小曲率特征的曲线3；

将式(11)、(13)带入式(7)，则获得燃烧准最优工况的条件是：

或

定义：

E^kt定义为新的大型煤粉炉“准最优工况判断指数”，当：

时，使式(7)满足，则锅炉燃烧处于准最优工况；

由于C_fh与α的关系不确定，实际计算时将代入有限的实时监测值，式(16)可以近似地表示为：

定义为“平均准最优工况判断指数”，当时，锅炉燃烧处于“准最优工况”；

在式(16)或(19)中，当负荷和煤种一定时，分母B为一大于0的定数，也可近似取设计值计算，运行时通过调整送风量，即改变α，并对C_fh在线监测，取α、C_fh监测值代入式(19)算得根据偏离1的程度，判断燃烧状况的优劣；

若则寻优方向为使α减小的方向；若则寻优方向为使α增加的方向，可选用最优化算法寻优，使式(18)成立，则此时锅炉处于准最优燃烧工况，即曲线3中最低点所表示的工况，此时的α_2，4为“最佳过量空气系数”；当时，即：说明Q₄达到最低值，曲线2中最低点所表示的工况，锅炉燃烧工况已接近准最优工况，这也是燃烧调控时，仅凭飞灰含碳量在线监测结果就能判别的重要标志。