利用在床装载中堆积木炭的cfb锅炉的控制的制作方法

文档序号:4533732阅读:189来源:国知局
专利名称:利用在床装载中堆积木炭的cfb锅炉的控制的制作方法
技术领域
实施例通常涉及CFB (循环流化床)锅炉装置、系统和方法。实施例也涉 及控制CFB锅炉的方法和系统。
背景技术
循环流化床(circulating fluidizedb喊CFB)锅炉是用于M31在燃烧室中燃 烧化石燃料产生蒸汽的装置,燃烧室在特殊的流俠hydrodynamic)条件下运行。 CFB技术通常在燃烧和气体处理工艺中实现。循环流化床技术与其它反应形式 相比最重要的优点是优异的原料以及颗粒与气体之间的传热。通过利用足够的 气体速度,在反应器中产生几乎等温的状态。这实质上方便了燃烧和气体处理 工艺的管理。
CEB锅炉可以被简要地描写如下。带有少量燃料颗粒添加的若干吨微细固 体颗粒(例如沙和灰)悬浮在从锅炉底部吹出的强力初次空气流中。如果空气 速度正确地选择,被气流拖运的固体颗粒显示出与沸腾的液体非常相似的特性。 通过初次空气流实现的这种现象称为流化,并且悬浮原料称为流化床。同时, 燃料颗粒在这种状态下燃烧,以便产生热量被水获得,从而产生蒸汽。燃料必 须tf^卖不断地被提供以连续运行。
流化床燃烧器由于低排放和會,燃烧较低或可变质量的燃料,例如泥炭或 褐煤,而闻名。原因是流化状态允许低燃烧纟鹏(例如大约800-900摄氏度), 此时几乎没有氮氧化物排放出现。而且,低^^和慢燃烧允许石灰石被加到床 中以有效地获ff^氧化物。另一方面,可以认为CFB锅炉难以突然地改变它们 的热功率。这限制了它们的使用,因为根据电网的变动负载经常需要改变锅炉 的热功率。
因此相信需要一种改进的控制方法和系统,用于实现CFB锅炉负荷的增强 的动态响应,如在此更详细地公开的。

发明内容
提供本发明的以下概述以便于理解一些只有本发明才有的创新的特征,这 不意 是完全的描述。本发明不同方面的完全的评价可以通过旨说明书、 权利要求、附图和摘要总体上获得。
因此本发明的一个方面是提供用于控制CFB锅炉的M的方法和系统。 本发明的另一个方面是提供用于实现增强CFB锅炉负荷动态响应的改进 的方法和系统。
本发明前述的方面及其他目的和优点现在可以如在此描述的而实现。锅炉 的控制方法和系统被公开。与锅炉相关的BFI (床燃料装载)值可以从利用推理 传麟的锅炉的可测数据(ffiil传感)被估算。床燃料装载值(inventory value) 能因此利用电连接至雌理传感器的反馈控制器稳定在特定值,以便优化用于改 变锅炉运行条件的床燃料装载值,从而允许通过分别增加或减少与锅炉相关的 初次空气供应率而增加或减少与锅炉相关的热功率。
相对于反馈控制器、推理传繊和锅炉,还可以提供反馈回路,由此反馈 控制^相应地改变初次空气供应率和锅炉燃料供应率,以便同时稳定热功率和 床燃料装载值。反馈控制器以允许锅炉热功率占有比床燃料装载值更大优先权 的方式运行。稳定床燃料装载值保证在锅炉运行的所有时候,锅炉的运^^似 接近于假定的最优运行点。
另外,推理传自配置成帮助从一组与锅炉相关的过程变量之中估算床燃 料装载值。这种变量可以被利用作为推理传感器的输入,并且可以包括一个或 多个以下变量输出烟道气氧浓度、床温度、蒸汽压力、蒸汽流、蒸汽温度、 初次空气流、二次空气流和燃料供应率。


在附图中,遍及所有单独的视图,同样的附图标记表示相同的或功能上类 似的元件,且附图被组合并形成说明书的一部分,并且,附图与发明的详细说 明一起进一步示出了本发明,用来说明本发明的原理。
图1示出了CFB (循环流化床)锅炉的示意侧视图,其可以根据优选实施 例实现;
图2示出了根据i她实施例的系统的高级方框图,其包括与算法推理传感 器和反馈控制器相关联的图1的CFB锅炉;
图3-4示出了描^/人现有技术锅炉控制方法学收集的数据的一组图表;和 图5示出了根据优选实施例,描述相对于锅炉收集的数据的一组图表。
具体实施例方式
在这些非限定的例子中论述的特定值和结构可以改变,并且仅仅被弓l用以 示出本发明的至少一个实施例,不意味着限定本发明的范围。
图1示出了CFB (循环流化床)锅炉100的示意侧视图,其可以根据i^ 实施例实现。可以理解图1描述的CFB锅炉100仅仅表示可以适于使用根据公 开的实施例的一种CFB锅炉。各种其它CFB锅炉型式和结构可以根据优选的 或替换的实施例而被利用,这取决于设计的目标和考虑。通常,循环流化床锅 炉101包括炉102,旋风除尘器103 (在炉102中it烧产生的烟道气涼邀其中, 并且其捕捉包含在烟道气中的颗粒),密封箱104 (由旋风除尘器103捕捉的颗 粒流入其中),和外部换热器6 (M循环颗粒和换热器6中的埋(in-bed)管之 间完成热交换)。
炉102包括7K冷炉壁102a,空气分配喷嘴107设置在炉102的底部并引导 流化空气A到炉102中,以便在炉102中形成流化状态。旋风除尘器103可以 连接炉102的上部。旋风除尘器103的上部可以连接热回收区域108,在炉102 中燃烧从而产生的烟道气^A热回收区域108中,并且旋风除尘器103的底部 与密封箱104连接,被捕捉的颗粒流入密封箱104中。过热器和节能器等可以 包含在热回收区域108中。
空气箱110可以设置在密封箱104底部以便fflil空气分配板109向上吸入 流化空气B。密封箱4中的颗粒在流化状态下被引导到外部换热器106和埋管 105。在战说明的循环流化床锅炉的炉中,包括灰、沙和石灰石等的床原料111 由于流化状态成为悬浮状。
烟道气携带的大多f(^^m出炉102并且被旋风除尘器103捕捉,并被 引导到密封箱104。由此引导到密封箱104的颗粒被流化空气B充气(aerate) 并且与外部换热器106的埋管105进行热交换以便被7賴卩。颗粒ffl31管道112 回到炉102的底部以便ffl31炉102循环。
需要指出锅炉100仅仅表示在此公开的方法和系统可以适用的CFB锅炉的 一个例子。例如,根据替换的实施例,可被利用以实现锅炉100的另一种锅炉 是美国专利6,532,905公开的CFB锅炉,其名称为"带有可控制的内换热器的 CFB", 2003年3月13日颁布给Bdin等,其全部结合在此作为参考。此外, 根据另一个实施例,锅炉的另一个例子可被利用以实现锅炉100是美国专利
6,325,985公开的CFB锅炉,其名称为"用于在包含大量挥发性成分燃料的燃烧 的CFB反应器中减少NOX排放的方法和设备",2001年12月4日颁布给 Koskinen等,其全部结合在此作为参考。由此,替换的实施例可以j柳不同型 式的CFB锅炉,可以理解的是本发明不局限于图1中示出的锅炉100的特定结 构,而是提供各式各样的CFB锅炉结构和设计。
图2示出了根据i尤选实施例的系统200的高级方框图,其包括与算法推理 传皿202和反馈控制器204相关联的图1的CFB锅炉100。需要指出在图1-2 中相同的或类似的零件或元件通常通过相同的附图标记表示。系统200是基于 床炭装载(bedchar inventoiy)的使用,由此与锅炉100相关的CFB热功率可以 i!51改变初次(pnmaiy)空气流更快地减小或增加。典型的是在床中有若几十
^A百千克的未;)tM料。
Mil燃烧率和燃料供应率之间的平衡限定了这种数量,并称为BFI,床燃 料装载(bedfoelinventoiy)。系统200基于改进的控制方法(i)估算BFI和(ii) 稳定BFI在为了改变锅炉100运行劍牛(负荷)而可以被优化的所需值。如果 BFI是稳定的,则可能Sil增加或减少初次空气来增加或减小锅炉热功率。fflil 初次空气的改变引起燃烧率的改变几乎是即时的,不需要增加BFI,当it料必需 被传送到床时其总是花费一些时间。除了 CFB锅炉100的动态响应力Q速,这种 改进的控制方法论和系统有下列好处:BFI稳定也使锅炉100对燃料和初次空气 供应率中的改变的动态响应稳定,其大大简化了反馈控制算法并改进了它的运 行。
来自CFB锅炉100的M可以被用于作为推理传繊202的输入(即观糧、 传感等),并且作为传感器输出 被提供,其以循环结构被输入到反馈控制器 204。反馈控制器204利用来自推理传繊202的输出。推理传繊202估算当 前BFI值。其后,这种估算可以在系统200的反馈回路中被利用,如同它是被 传感量。BFI值不冑腿过任何传 直接计量,并且算法推理传感器202优选地 用于计算来自其它测量数量的BFI值。
然后反馈控制器204可以改变与CFB锅炉100相关的燃料供应率和初次空 气,从而同时稳定CFB功率和BFI。反馈控制器204以允许锅炉100热功率具 有比BFI值更大优先权的方式运行,这被允许在一个范围内。由此,如果需要 突然的功率提升,反馈控制器204增加燃烧率,从而立即增加能量。BFI暂时减
小。同时,燃料供应率还可以通,制器204增加,以便BFI值最后可以恢复。 现在参考图3,其示出了图表302、 304、 306和308,其描述从现有技术的 控帝仿法收集的麵。图4示出了图表402、 404、 406和408,其分别描述关于 另一个现有技术的控制方法收集的数据。另一方面,图5示出了图表502、 504、 506和508,其描述相对于在此公开的改进的方法和系统收集的数据。由此,图 34可以与公开的新颖的CFB锅炉热功率控制策略,其以关于图5的502、 504、 506和508收集的数据为例,相比较。图34和图5的比较皿模拟现有的300MW 锅炉的非线性数学模型产生。因此,关于图34和图5显示的i^是Mil计^m 模拟产生的,而不是真实的锅炉运行。
为了比较两个控制策略,可以模拟锅炉功率需求从150MW到170MW然 后回到150MW的阶段改变。假定的取样周期可以是例如5秒。为了比较的目 的,新颖的(例如图5)和现有技术的控制系统(例如图34)设计成锅炉模型。 它们被设置成在如下限定的运行点几乎同样开动能量150MW、锅炉装载 (inventory)的未燃炭50kg。模拟显示锅炉运行由这个点开始。
由于这些参数,比较将显示由于未燃炭量(理想公开的)的应用而获得的 锅炉特性的不同,而不是由于两个控制系统参数不同设置的不同。模拟关注以 下工艺变量
1. F[k^s],燃料供应率
2. PA[m3/s;|,初次空气供应率
3. BFI[kg],床燃料装载,存在于锅炉床原料中的未燃M料的量
4. 功率[MW],传递到蒸汽的热能(thermal energy)率
常规控制
现有技术控制规律4顿反馈控制器控制燃料供应率以控制锅炉热功率。初 次空气供应率被设计成'燃料供应率的函数。锅炉制造厂提供F和PA应该怎样配 合的控制曲线。因此,如果实际功率比目标值更低(更高),控制系统增加(减 小)燃料供应率。锅炉功率直接与产生的蒸汽流[t/hr]有关。
现有技术控制运行可以被检测,例如,关于图3,其示出了CFB锅炉计算 机模拟的运行。对于运行点控制器被最佳地设置。在时间25,锅炉输出需要从 150MW改变到170MW。在时间125,需要的输出被改回。取决于锅炉功率, 来自模拟运行的BFI值集中到30-35kg。这可能表示这个值取决于F和PA变量
配合的方式。
稍有不同的配合曲线可以导致更高的BFI值,如图4所示。每lkg燃料这
种配合曲线提供更少的空气体积,但是与早先的例子相比的不同是较小空气
大约少于2mVs。这里BFI值增加到高于100kg。这种设置驱使锅炉状态脱离用 于最佳地调整控制系统的假定的运行点。因此,功率控制是振荡的。这种控制 将完全不能令人满意。需要指出在这些图中,虚线表示所需值(命令),粗线表 /^lil数值模拟获得的真实工艺值。 禾, 装载中堆积的炭的控制
公开的控制运行可以根据图5被分析。在此控制系统控制PA和F两者以 便获得所需的热功率,并且同时稳定BFI在设置到50kg的目标值。因为热功率 追踪具有较高优先级,在功率阶段改变之后,BFI下降到30kg。但是大约30秒 之后控制系统将其恢复回到目标50kg。由此,ffiil具有不同优先级,BFI和热 功率两者都被控制到目标值。
两种控制的比较
现有技术的控制系统没有稳定BFI值。因此,BFI值可能在无法预料的范 围内改变。然后,两种情况的任何一个可能发生。第一,BFI值增加到高于最优 水平,其意味着锅炉功率控制反馈增益比应该有的更高。可能伴随不稳定的或 振荡的运行。因此为了防止这种情况,设置反馈控制器增益更低(次最优的) 可能是必需的。这将进一步恶化控制系统的反应。控制可能缓'漫(sluggish)。第 二 BFI值减小到低于最优级,当没有充足的燃料燃烧时,其可能削弱锅炉对功 率增加的反应。
物理学暗示了锅炉床温度将跟随该BFI无法预测的型式。高BFI数字 (figure)意味着高床^S。当类似S02和NOx的锅炉排放形成率与温度高度相 关时,这是不希望有的。而且,脱硫效率与温度高度相关。而且,温度波动影 响锅炉热效率和它的寿命。
相反,公开的控制方淑系统(例如,参见图1-2和图5)精确地稳定BFI 值。这保证了锅炉运行一直接近假定的最佳运行点。例如,关于控制器204的 反馈控制器增益被很好的限定。而且,床^^更稳定,其意M更好的排放控 制和最优的脱硫效率。最后,BFI可用于暂时增加燃烧率,由此,甚至能比燃料 供应率更快地增加锅炉功率。 一部分设置的BFI可以被燃烧以暂时快速地增加功率。
常规控制的最佳程度取决于M锅炉制造厂提供的燃料空气配合曲线。因 为最优曲线取决于燃料性质、床原料的重量等。难以设置该曲线一直为最优。
为了控制BF1,在此公开的^爐的控制系缀方法,tt^地利用推理传感器204, 其根据测量的另一个工艺M估算BFI值。其中可能出现以下计量錢
1. 输出烟道气氧浓度
2. 床鹏
3. 蒸汽压力、流动和温度
4. 初次空气流动
5. 二次空气流动
6. 燃料供应率(arte)
除了那些计量的变量,BF[可以基于使用数据拟合估计算法的CFB锅炉物 理模型被实时估算。因此,提出的利用BFI信息的CKB锅炉功率控制更加复杂, 因为它必须包含复杂的非线性估计算法。但是这导致对于突然的功率改变更好 的锅炉反应,以及更好的床温度稳定性,其获得更好的排放值、更好的效率和 更好的寿命。
因此,图34和5通常描 过来自利用推理传 的锅炉的检测数据, 估算与锅炉100相关的床燃料装载值的锅炉的控制方法。其后,床燃料装载值 可以利用电连接到推理传感器202的反馈控制器204稳定在特定值,以便优化 用于改变锅炉100运行条件的床燃料装载值,从而允许与锅炉100相关的热功 率分别通过增加或减少与锅炉100相关的初次空气供应率而增加或减少。
可以理解,变化及其他特征和作用或其替换可以希望结合成许多其它不 同的系统或应用。而且那些目前无法预料或预期的不同替换、变形、变化或改 进可以在后^ffi过本领域技术人员完成,其同时意 包括在以下权利要求中。
权利要求
在其中排他的特性或权利被要求保护的发明实施例被如下限定。因此本发明权利要求是1、一种锅炉控制方法,包括通过检测来自利用推理传感器的所述锅炉的数据估算与锅炉相关的床燃料装载值;和利用电连接到所述推理传感器的反馈控制器,稳定所述床燃料装载值在特定值,以便优化用于改变所述锅炉的运行条件的所述床燃料装载值,从而允许与所述锅炉相关的热功率通过分别增加或减少与所述锅炉相关的初次空气供应率而增加或减少。
1、 一种锅炉控制方法,包括 :检测来自禾|」用推理传感器的所述锅炉的 估算与锅炉相关的床燃料装载值;和禾,电连接到所述推理传感器的反馈控制器,稳定所,燃料装载值在特 定值,以便优化用于改变所述锅炉的运行条件的所述床燃料装载值,从而允许 与所述锅炉相关的热功率通过分别增加或减少与所述锅炉相关的初次空气供应 率而增加或 咸少。
2、 如权利要求1的方法,进一步包括提供关于所述反馈控制器、所述推理 传感器和所述锅炉的反馈回路,由此所述反馈控制器相应地改^^f述初次空气 供应率和所述锅炉的燃料供应率,以便同时稳定所述热功率和所TO燃料装载 值。
3、 如权利要求l的方法,进一步包括以允许所述锅炉的所述热功率占有比 所舰燃料装载《鼓高优先权的方式运行所述反馈控制器。
4、 如权利要求1的方法,其中稳定所舰燃料装载值进一步包括在所述锅炉所有运行期间,稳定所述床燃料装载值以便保证所述锅炉的运^^似接近于所述锅炉假定的最^行点。
5、 如权利要求1的方法,进一步包括配置所述推理传感器,以帮助从通过所述推理传 测量的所述锅炉的多个工艺变量中估算所述床:^料装载值。
6、 如权利要求l的方法,进一步包括自动地调节与基于非统性估算利用所 燃料装载值的所述锅炉相关的功率控制。
7、 一种锅炉控制系统,包括 锅炉;连接到所述锅炉的推理传感器,其中所述推理传繊ilil检测来自所述锅 炉的 帮助估算与所述锅炉相关的床燃料装载值;禾口用于稳定所述床燃料装载值在特定值的反馈控制器,所述反馈控制器电连 接到所述推理传感器,以便优化用于改^^述锅炉的运行条件的所述床燃料装载值,从而允许与所述锅炉相关的热功率通过分别增加或减少与所述锅炉相关 的初次空气供应率而增加或减少。
8、 一种锅炉控制系统,包括-锅炉;连接至U所述锅炉的推理传感器,其中所述推理传麟舰检测来自所述锅 炉的数据帮助估算与所述锅炉相关的床燃料装载值;用于稳定所述床燃料装载值在特定值的反馈控制器,所述反馈控制器电连 接到所述推理传感器,以便优化用于改^^f述锅炉的运行斜牛的所M燃料装 载值,从而允许与所述锅炉相关的热功率通过分别增加或减少与所述锅炉相关 的初次空气供应率而增加或减少;和关于所述反馈控制器、所述推理传感器和所述锅炉的反馈回路,由此所述 反馈控制器相应地改变所述初次空气供应率和所述锅炉的燃料供应率,以便同 时稳定所述热功率和所 燃料装载值。
9、 如权利要求8的系统,其中所述反馈控制器以允许所述锅炉的所述热功 率占有比所 燃料装载值更高优先权的方式运行。
10、 如权禾腰求8的系统,其中在所述锅炉所有运行期间,稳定所舰燃 料装载值保证所述锅炉的运tfifi似接近于所述锅炉假定的最伏jiS4亍点。
全文摘要
一种锅炉控制方法和系统。与锅炉有关的BFI(床燃料装载)值可以通过检测来自利用推理传感器的锅炉的数据被估算。然后床燃料装载值能利用电连接到推理传感器的反馈控制器被稳定在特定值,以便优化用于改变锅炉运行条件的床燃料装载值,从而允许与锅炉有关的热功率通过分别增加或减少与锅炉有关的初次空气供应率而更快地增加或减小。
文档编号F23C10/00GK101377299SQ20081017140
公开日2009年3月4日 申请日期2008年8月28日 优先权日2007年8月29日
发明者D·帕赫纳, V·哈夫列纳 申请人:霍尼韦尔国际公司
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