一种从锅炉运行数据中提取燃烧器配风挡板过流特性的方法与流程

本发明属于锅炉燃烧器运行监测和控制领域，尤其涉及一种从锅炉运行数据中提取燃烧器配风挡板过流特性的方法。

背景技术

锅炉配风挡板的过流特性是指其开度与流过的空气流量的对应关系，通常采用流量系数或阻力系数随开度的变化曲线来描述，这种流量或阻力特性曲线是表征挡板调节性能的重要数据，不仅决定了送入炉膛的空气气流的分配和调节特性，还可以用来测量燃烧器喷口的空气流量，从而对整个炉膛的配风进行监控和调整，提高煤粉燃烧效率，降低氮氧化物的生成。

目前，锅炉配风挡板流量或阻力特性曲线通过炉膛冷态通风试验获得，这项试验是在维持配风挡板和炉膛总压降不变的情况下，测量不同挡板开度下的空气流量或流速。申请号为201510493413.2的中国专利公开了一种通过对多个运行状态下的风箱-炉膛压降和燃烧器喷口风速的测试，确定燃烧器二次风挡板阻力特性曲线的方法。由于大容量锅炉二次风配风挡板和燃烧器喷口的数量大，炉膛冷态通风试验工况多，风量或风速的测试工作费时费力，劳动强度较大；为便于测量燃烧器喷口风速，申请号为201520265921.0的中国专利公开了一种用于测试二次风挡板特性的装置，使喷口风速测量条件有一定改善，但炉膛冷态通风试验的测量项目、试验工况以及费时费力的特点并没有得到实质性改变。

技术实现要素：

为解决现有技术的缺陷，本发明具体公开了一种从运行数据中提取锅炉配风挡板过流特性的方法，该方法无需进行炉膛冷态通风试验，而是从锅炉日常运行数据中通过学习算法获取锅炉配风挡板过流特性，特别适用于配备直吹式制粉系统的切向燃煤锅炉。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种从运行数据中提取锅炉配风挡板过流特性的方法，包括以下步骤：

(1)采集n组锅炉运行工况的数据，这些运行工况应覆盖重要运行参数的典型调节范围；

(2)对锅炉二次风配风挡板进行分类，对于同类配风挡板，它们的阻力特性曲线相同；对于不同种类的配风挡板，阻力特性曲线存在差异；所有配风挡板的阻力特性曲线通过标准挡板阻力特性曲线的横坐标向左平移得到，每类挡板阻力曲线的横坐标平移量是唯一未知的参数，也是本发明要确定的参数，这些横坐标平移量参数通过如下试算方法求取；

(3)假定各类二次风配风挡板的横坐标向左平移量，根据标准挡板的阻力特性曲线，得到每类二次风配风挡板的阻力特性曲线；

(4)利用n组工况数据中各二次风配风挡板的开度，根据各挡板的阻力特性曲线，得到各工况下每个二次风挡板在所处开度下的阻力系数；

(5)利用n组工况数据中的二次风温度和压力，计算各组数据中的二次风密度；利用n组数据中的磨煤机出口一次风温度和压力，计算各工况下的一次风密度；

(6)利用n组工况数据中的运行磨煤机通风量和磨煤量，得到各工况下进入炉膛的总一次风流量和总燃煤煤流量；

(7)利用n组工况数据中二次风箱到炉膛出口压降数据，根据步骤(4)得到的二次风挡板的阻力系数，计算各工况下每个二次风喷口风速，再计算二次风喷口流量，进而得到总二次风流量；

(8)根据n组工况数据中的总一次风流量和总二次风流量，计算各工况下进入炉膛的总空气量；

(9)利用n组工况数据中入炉煤的元素分析数据、锅炉飞灰和炉渣含碳量，得到各工况下每千克入炉煤根据实际烧掉的碳计算的理论空气量；

(10)利用n组工况数据中进入炉膛的总空气量、总燃煤煤流量以及每千克入炉煤中按照实际烧掉的碳所确定的理论空气量，计算各工况下炉膛出口过剩空气系数，得到的结果称为过剩空气系数定义值；

(11)利用n组工况数据中炉膛出口烟气含氧量，计算各工况下炉膛出口过剩空气系数，得到的结果称为过剩空气系数测量值；

(12)对于每组工况数据，计算炉膛出口过剩空气系数的定义值和测量值之间偏差的平方值；计算n组工况数据的总偏差平方和；

(13)改变步骤(3)中假设的横坐标平移量，重复步骤(4)到步骤(12)，寻找使过剩空气系数定义值和测量值偏差平方和最小值的横坐标平移量；

(14)使过剩空气系数定义值和测量值偏差平方值和最小的横坐标平移量，作为最终求得的横坐标平移量，根据标准挡板的阻力特性曲线，得到各个二次风配风挡板的阻力特性曲线。

进一步地，步骤(1)中，每组锅炉运行数据包括如下参数：机组负荷，所有二次风配风挡板的开度，二次风温度和压力，一次风温度和压力，运行磨煤机通风量和磨煤量，二次风箱到炉膛出口压降，入炉煤的元素分析，飞灰和炉渣含碳量，炉膛出口烟气含氧量；重要运行参数是指机组负荷、二次风配风挡板开度、二次风箱到炉膛出口压降和炉膛出口烟气含氧量，在所选择的n组运行工况数据中，这些参数的变化范围应覆盖日常运行中的调节范围。

进一步地，步骤(2)中，二次风配风挡板所分类的类数应少于步骤(1)中运行工况数据组数n；二次风配风挡板分类根据它们所对应的二次风喷嘴的功能来进行，将辅助风、周界风、紧凑燃尽风、分离燃尽风以及最底层火下风等二次风喷嘴所对应的挡板分作不同类挡板。

进一步地，步骤(2)中，标准挡板的阻力特性为：在开度为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0时，阻力系数分别为200，65，26，16，8.3，4，1.8，0.85，0.48，0.3，该对应关系可拟合成函数曲线。

进一步地，步骤(5)中，一、二次风密度由对标准状态下空气的密度进行温度和压力修正得到。

进一步地，步骤(6)中，对于中速磨直吹式制粉系统，进入炉膛的总一次风流量等于运行磨煤机通风量之和；总燃煤煤流量等于运行磨煤机的磨煤量之和。

进一步地，步骤(7)中，二次风喷口风速根据下列关系计算：二次风箱到燃烧器喷口的阻力系数等于风道进、出口局部阻力系数和二次风挡板阻力系数之和，该阻力系数和燃烧器喷口动压的乘积为二次风箱到燃烧器喷口的压降，该压降与炉膛压降之和等于二次风箱到炉膛出口压降；

二次风喷口流量等于喷口风速、二次风密度和喷口面积的乘积；

总二次风流量等于所有二次风喷口流量之和。

步骤(8)中，进入炉膛的总空气量等于总一次风流量、总二次风流量和炉膛漏风量之和，炉膛漏风量根据炉膛设计漏风系数得到。

进一步地，步骤(9)中，实际烧掉的碳是指1kg煤含有的碳元素质量减去1kg煤所产生的灰渣中的碳的质量；对于n组工况数据，当入炉煤质稳定时，这些工况可采用相同的入炉煤元素分析数据；理论空气量是指完全燃烧所需要的空气量。

进一步地，步骤(10)中，进入炉膛的总空气流量除以总燃煤流量与每千克入炉煤按照实际烧掉的碳计算的理论空气量的乘积，所得的商即为炉膛出口过剩空气系数的定义值。

进一步地，步骤(12)中，n组工况数据的总偏差平方和是指每组工况数据中炉膛出口过剩空气系数的定义值和测量值之间偏差的平方值之和；

步骤(13)中，改变各挡板阻力特性曲线的横坐标平移量，寻找过剩空气系数偏差平方和最小值，可采用试算算法；为求解提高效率，也可采用目标函数求最小值的数学算法来进行，其中目标函数为过剩空气系数定义值和测量值偏差平方值和。

综上，本发明的上述技术方案的有益效果如下：

为得到锅炉配风挡板阻力特性曲线，采用传统的炉膛冷态通风试验法，测试工作费时费力，劳动强度大，本发明公开了一种从运行数据中提取锅炉配风挡板过流特性的方法，无需进行专门的炉膛冷态通风试验，节约了锅炉点火启动时间，节省了人力和物力；本发明得到的配风挡板的阻力特性曲线可用于测量燃烧器喷口的空气流量，从而对整个炉膛的配风进行监控和调整，能够显著提高炉膛内煤粉的燃烧效率，降低氮氧化物的生成。

附图说明

图1为标准挡板不同开度下的阻力系数值、标准挡板阻力系数的拟合曲线以及经过横坐标平移得到的实际挡板的阻力系数曲线；

图2为实例锅炉的燃烧器喷口布置、喷口面积及配置的二次风配风挡板；

图3为过剩空气系数偏差平方和函数f(x1,x2,......,x6)的计算流程；

图4为aa层二次风挡板阻力系数ζ1与开度γ1的坐标图；

图5为辅助二次风挡板阻力系数ζ2与开度γ2的坐标图；

图6为油枪二次风挡板阻力系数ζ3与开度γ3的坐标图；

图7为sofa二次风挡板阻力系数ζ6与开度γ6的坐标图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的特征和原理进行详细说明，所举实施例仅用于解释本发明，并非以此限定本发明的保护范围。

本发明公开了一种从运行数据中提取锅炉配风挡板过流特性的方法，具体包括以下步骤：

(1)从电厂分散控制系统的数据库中选取n个工况的锅炉运行数据，这些工况的选取原则是，主要参数如机组负荷、二次风配风挡板开度、二次风箱到炉膛出口压降和炉膛出口烟气含氧量的变化范围应在日常运行调节区间内，工况的个数n应大于二次风喷口的种类数m。

(2)对于切向燃烧锅炉，二次风喷口按功能分为辅助风、周界风、紧凑燃尽风、分离燃尽风以及最底层火下风等，不同种类喷口对应的二次风配风挡板具有不同的阻力特性曲线，某类二次风配风挡板的阻力特性曲线可通过标准挡板阻力特性曲线的横坐标向左平移得到，图1是标准挡板不同开度下阻力系数值、标准挡板阻力系数的拟合曲线以及标准挡板阻力系数曲线向左平移x个单位横坐标后所得的曲线，平移x个单位横坐标后所得的曲线可作为实际二次风配风挡板的阻力特性曲线，其中，x为待定参数，与配风挡板的种类有关。

图1中标准挡板阻力系数拟合函数曲线如下：

ζ＝ζ0+ae^-γ/p+be^-γ/q

式中γ为挡板开度，ζ为阻力系数，ζ0＝-0.457，a＝97.258，b＝689.233，p＝0.202，q＝0.063。

图1中平移x个单位横坐标后得到的实际二次风配风挡板阻力特性曲线如下：

ζ＝ζ0+ae^-(γ+x)/p+be^-(γ+x)/q

式中x个为向左平移的横坐标量。

(3)假定m类二次风配风挡板的横坐标向左平移量分别为x1，x2，……，xm，如图1所示，对标准挡板的阻力特性曲线进行横坐标平移，得到各类二次风配风挡板的阻力特性曲线。

(4)每个数据工况中，各个二次风配风挡板的开度分别为γ1,γ2,......γn，根据各个挡板的阻力特性曲线，计算每个二次风挡板在所处开度下的阻力系数值ζ1,ζ2,......ζn。

(5)根据每个数据工况中的一次风温度和压力、二次风温度和压力，分别按下式计算一次风密度、二次风密度。

ρ＝0.003483(p0+p)/(273.15+t)

式中ρ为一、二次风密度，kg/m³；p为一、二次风压力，pa；t为一、二次风温度，℃；p0为标准大气压力，pa。

(6)根据每个数据工况中的运行磨煤机通风量mfi和磨煤量mci，计算各工况下进入炉膛的总一次风流量m1和总燃煤煤流量mc。对于配有中速磨直吹式制粉系统的锅炉：

式中mfi、mci分别为第i台磨煤机的通风量和给煤量，kg/s。

(7)根据每个数据工况中二次风箱到炉膛出口压降dp，计算每个二次风喷口风速、风量以及总二次风流量。

第j个二次风喷口的风速uj按下式计算

式中δpb为风箱到喷口出口的压降，pa；ζj为配风挡板阻力系数；ζ1为二次风箱到风道进口的局部阻力系数，ζ2为二次风道到炉膛入口的阻力系数，ρ2为二次风密度，kg/m³。

δpb等于二次风箱到炉膛出口压降δp与炉膛压降δpl之差，按下式计算：

δpb＝δp-δpl

炉膛压降δpl按下式计算：

式中ρl为炉内烟气密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；h为燃烧器中心线到炉膛出口的高度，m；ζl炉膛阻力系数；为一、二次风平均密度，按流量加权平均计算如下：

式中m2为二次风总流量，kg/s；其余符号同前。

一、二次风平均风速u0根据一、二次风总流量m1+m2、总喷口面积和平均密度按下式计算：

式中分别为所有一、二次风喷嘴面积之和，m²。

单个二次风喷口的流量根据喷口风速uj、二次风密度ρ2和喷口面积a2j计算，二次风总流量m2等于所有二次风喷口流量之和：

式中β为喷口附加漏风修正系数。

二次风喷口风速uj的计算方程右边隐含了uj值，因此，可采用迭代法求解，迭代的变量选为风箱到喷口出口的压降δpb，迭代收敛后求得uj值，并最终求得二次风总流量m2。

(8)根据每个数据工况中得到的总一次风流量和总二次风流量，计算进入炉膛的总空气量，炉膛漏风系数为δαl，得到进入炉膛的总空气量mt为：

mt＝(1+δαl)(m1+m2)

(9)每个数据工况中，每千克入炉煤根据实际烧掉的碳计算的理论空气量m0按下式计算：

m0＝0.1151cb+0.342har+0.0431sar-0.0432oar

其中实际烧掉的碳cb为

式中car、har、sar、oar、aar分别为煤的收到基氢、收到基硫、收到基氧和收到基灰含量，％；为灰渣中平均未燃尽碳含量，％。

(10)每个数据工况中，过剩空气系数定义值αld为

(11)每个数据工况中，过剩空气系数测量值αlm按下式计算：

αlm＝21/(21-γo2)

式中γo2为炉膛出口烟气含氧量，％。

(12)每个数据工况中，计算炉膛出口过剩空气系数的定义值和测量值之间偏差的平方值，并得到n组数据工况的总偏差平方和为：

式中αld(i)为第i个数据工况中过剩空气系数定义值，αlm(i)为第i个数据工况中过剩空气系数测量值。

(13)将步骤(3)中假设的横坐标平移量x1，x2，……，xm视为总偏差平方和的函数，即

可以用试算的方法确定使函数f达到最小时的x1,x2,......,xm值；为提高求解效率，也可用采用求函数f(x1,x2,......,xm)最小值的方法，搜索使函数f达到最小值时的x1,x2,......,xm的值。

(14)将求得的x1,x2,......,xm值代替图1中的x，得到每个二次风挡板的阻力特性曲线，该挡板的阻力特性曲线也可用下面的函数表示：

式中ζj为第j个二次风配风挡板的阻力系数，γj为第j个二次风配风挡板的开度，xj为第j个二次风配风挡板的横坐标平移量。

实施例一：

某300mw切向燃烧煤粉锅炉，采用直吹式制粉系统，配有5台中速磨煤机，同一台磨煤机出口的一次风分配到同一层的4只燃料喷口，总计有5层共20只燃料喷口，从下至上，燃料喷口依次记为a、b、c、d、e层；空气喷口共19层，每层4只，共76只；这19层空气喷口分为6类：①aa层二次风，位于最底层；②辅助二次风：共3层，分别是cd、de和ee层二次风；③油枪二次风：共2层，分别是ab、bc层油枪二次风；④燃料喷口周界二次风：共5层，分别是a周界风、b周界风、c周界风、d周界风、e周界风，⑤贴壁二次风，共4层，分别是bc、de、ee和ofa层贴壁二次风；⑥sofa二次风，共4层，分别为sofa1、sofa2、sofa3和sofa4。

上述19层空气喷口由15层二次风配风挡板γaa、γa、γab、γb、γbc、γc、γcd、γd、γde、γe、γee、γsofa1、γsofa2、γsofa3、γsofa4控制，见图2，这些挡板采用分层控方式，即同层4只挡板同步控制，因此，可作为1个挡板处理；同类空气喷口对应的风道尺寸和挡板结构相同，安装时预留相同的零位空隙，因此具有相同的过流特性，但不同类的配风挡板因结构和安装预留间隙不同，具有不同的过流特性。二次风喷口配风挡板共分6类。燃烧器喷口和二次风挡板的布置见图2。该锅炉基本数据如下：

同层四只喷口的面积之和见图2；

二次风挡板数量n＝15；

二次风配风挡板分类数量m＝6；

燃烧器中心线到炉膛出口的高度h＝34.3m；

二次风箱到风道进口的局部阻力系数ζ1＝0.5；

二次风道到炉膛入口的阻力系数ζ2＝1.0；

炉膛阻力系数ζl＝0.78；

炉膛漏风系数δαl＝0.05；

炉内烟气密度ρl＝0.24kg/m³；

喷口附加漏风修正系数β＝1.277；

大气压力p0＝100900pa；

重力加速度g＝9.8m/s²。

从电厂控制系统dcs中选择了12组数据，即n＝12，其中机组负荷me、二次风箱到炉膛出口压降△p、炉膛出口烟气含氧量γo2和二次风配风挡板的开度γ的变化范围较大，覆盖了日常运行调节区间，选取的数据工况个数n(＝12)大于挡板分类数量m(＝6)，这n组数据见下表1：

表1

假定aa层二次风、辅助二次风、油枪二次风、燃料喷口周界二次风、贴壁二次风、sofa二次风等六类配风挡板的横坐标平移量分别为x1,x2,...,x6，它们作为自变量，按照图3给出的框图计算采用迭代算法计算二次风喷口的风速uj、总二次风量m2以及12组数据的过剩空气系数偏差平方和函数f(x1,x2,......,x6)，求函数f的最小值，并得到函数f取得最小值时的x1,x2,...,x6的值，结果为x1＝0.173，x2＝0.155，x3＝0.25，x4＝0.02，x5＝0.169，x6＝0.25，分别将这些值代入中，可得到第j类挡板阻力系数ζj与开度γj的函数关系式，图4到图7是主要二次风挡板阻力系数ζj随开度γj的变化，图中实线为本发明得到的挡板阻力系数与开度的函数曲线，图中实点是采用传统的炉膛冷态通风试验得到的挡板阻力系数与开度关系的数据，可以看出，本发明得到的结果与传统的炉膛冷态通风试验方法接近。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。