一种煤粉锅炉生物质自适应掺烧系统及方法与流程

本发明属于煤粉锅炉低碳燃烧及生物质耦合发电，具体涉及一种煤粉锅炉生物质自适应掺烧系统及方法。

背景技术：

1、在能源低碳转型和燃煤机组存量优化的背景下，利用现有大型煤粉锅炉掺烧农林废弃物、木质残余物及其他可再生生物质，可以在不新建独立生物质锅炉的条件下减少化石煤消耗。煤粉锅炉容量大、蒸汽参数高、发电效率相对较高，若能够安全稳定地提高生物质替代热量比例，既有利于降低单位供电量的化石二氧化碳排放，也能为秸秆、林业剩余物等低品位资源提供规模化消纳途径，因此具有明显的节能减排、资源循环利用和存量机组改造意义。

2、现有煤粉锅炉生物质掺烧技术主要采用以下几种方式：炉前与煤混合磨制后送入煤粉燃烧器、独立制粉后送入原煤粉燃烧器、增设生物质专用燃烧器或利用专设喷口直接喷入炉膛、以及先气化或热解后再将产物送入炉膛。工程化掺烧项目通常根据当地生物质资源条件确定一种主要掺烧原料，在较长运行周期内保持生物质种类、制备方式和主要燃料特性相对稳定。因此，实际运行中的主要矛盾通常并不是频繁识别不同种类的生物质，而是同一种生物质在不同炉膛位置燃烧时，受锅炉负荷、燃烧器投运组合、一次二次风配比、炉膛积灰结渣状态及局部空气动力场变化的影响而产生显著差异。即使生物质本身保持稳定，同一给料支路在不同工况下对局部温度、壁面热流和燃尽程度的影响仍会发生显著变化。

3、对于具有多个生物质给料支路和多个喷入区域的锅炉，各支路在炉内产生的温度、热流和烟气组分响应相互叠加，仅根据总氧量、总co、炉膛出口nox或单点温度变化，难以判断具体是哪一给料支路导致某一侧墙或某一燃烧器区域的风险升高，从而无法实现精准调控。同时，现有控制策略多依赖于固定经验模型或预先制定的运行曲线，当锅炉负荷、磨煤机组合、燃烧器摆角、二次风分配和积灰状态改变时，原有经验关系容易失准，在锅炉工况频繁变化和炉膛积灰状态动态演变的条件下，固定系数的经验模型无法保持控制精度。当局部结渣、高温腐蚀或燃尽风险出现迹象时，现有控制通常只能整体降低生物质掺烧量，不能优先调整对风险区域贡献最大的支路，这种方式限制了可持续掺烧比例，造成了可再生能源的浪费。此外，现有生物质喷口与输送支路通常固定连接，即使运行人员根据实时炉况判断需要改变喷入层位，仍往往需要停运支路、人工倒管或者长期保持保守布置，无法将炉内监测结果直接转化为喷入空间位置的在线调整，缺乏将在线辨识结果与喷入空间位置执行相结合的闭环控制手段。在风险约束方面，现有技术多采用经验阈值进行判断，缺乏基于燃料特性和炉内状态的物理化风险边界，难以科学判断在当前锅炉工况下从何处掺烧更有利，导致安全裕度与经济性无法协同优化。在系统辨识方面，现有燃烧优化技术多采用基于历史数据的离线建模或固定系数的经验模型，难以适应锅炉工况频繁变化和炉内积灰状态的动态演变，主动激励辨识方法在过程控制领域虽有应用，但在煤粉锅炉生物质掺烧这一特定场景中，如何设计不干扰锅炉正常运行的激励信号、如何从强噪声和多变量耦合的炉内响应中准确解调出各支路的增量影响，仍缺乏有效的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种煤粉锅炉生物质自适应掺烧系统及方法，用以解决现有技术中无法在线区分各生物质给料支路对不同炉膛区域的增量影响且无法根据实时辨识结果在线调整喷入位置的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种煤粉锅炉生物质自适应掺烧系统，包括包括炉膛、定量给料与编码微扰单元、多路切换阀组、生物质特性参数单元、炉内响应采集单元、响应矩阵辨识器和风险约束分配器；所述炉膛上设有主燃区喷口和燃尽区喷口；

4、所述定量给料与编码微扰单元具有至少两个给料支路接口；

5、所述多路切换阀组设置于所述定量给料与编码微扰单元的下游，包括与各所述给料支路接口一一对应的切换阀，各所述切换阀均具有一个入口和三个出口，各所述切换阀的入口与对应的所述给料支路接口连通，各所述切换阀的三个出口分别连通至所述主燃区喷口、所述燃尽区喷口和惰化通道，各所述切换阀仅使所述入口与三个出口中的一个连通；

6、所述炉内响应采集单元设置于所述炉膛的各检测区域；所述响应矩阵辨识器分别与所述炉内响应采集单元和所述定量给料与编码微扰单元连接；所述风险约束分配器分别与所述生物质特性参数单元、所述响应矩阵辨识器、所述定量给料与编码微扰单元和所述多路切换阀组连接。

7、本发明进一步的改进在于，所述切换阀内设有换向体，所述换向体设置于所述入口与三个出口之间。

8、本发明进一步的改进在于，所述换向体具有机械上互斥的三个连通位置，所述切换阀的阀体设有耐磨陶瓷内衬或硬质合金密封面。

9、本发明进一步的改进在于，所述响应矩阵辨识器包括时延估计模块和相关解调辨识模块，所述时延估计模块的输入端连接至所述定量给料与编码微扰单元的输出端和所述炉内响应采集单元的输出端，所述时延估计模块的输出端连接至所述相关解调辨识模块的输入端，所述相关解调辨识模块的输出端连接至所述风险约束分配器的输入端。

10、本发明进一步的改进在于，所述多路切换阀组还包括阀位反馈件，所述阀位反馈件设置于各所述切换阀的出口处，所述阀位反馈件的信号输出端连接至所述风险约束分配器的反馈输入端。

11、本发明进一步的改进在于，所述炉内响应采集单元包括分别设置于各所述检测区域的温度传感器、热流传感器和气体分析仪。

12、本发明进一步的改进在于，所述主燃区喷口设置于煤粉燃烧器层之间，所述燃尽区喷口设置于最上层煤粉燃烧器与燃尽风喷口之间。

13、本发明进一步的改进在于，还包括生物质仓和载气母管；所述切换阀的入口为生物质载粉气流入口，所述切换阀的三个出口分别通过主燃区支路、燃尽区支路和惰化回流支路连通至所述主燃区喷口、所述燃尽区喷口和所述惰化通道；所述生物质仓的出口连接至各所述给料支路接口，所述载气母管设置于所述定量给料与编码微扰单元的下游并分别与各所述给料支路接口连通。

14、第二方面，本发明还提供一种煤粉锅炉生物质自适应掺烧方法，采用上述的煤粉锅炉生物质自适应掺烧系统，包括以下步骤：

15、s1，通过所述生物质特性参数单元获取生物质燃料的特性参数，并通过所述炉内响应采集单元采集所述炉膛各检测区域的初始响应参数，得到基准炉况；

16、s2，通过所述定量给料与编码微扰单元向各给料支路施加编码微扰序列，并记录各给料支路的编码微扰序列；

17、s3，通过所述炉内响应采集单元采集各检测区域在所述编码微扰序列作用下的响应参数，通过所述响应矩阵辨识器根据所述编码微扰序列和所述响应参数辨识各给料支路对各检测区域的增量影响系数，形成增量影响矩阵；

18、s4，通过所述风险约束分配器根据所述生物质特性参数单元输出的特性参数和所述响应矩阵辨识器输出的增量影响矩阵，在结渣风险约束、高温腐蚀风险约束和燃尽风险约束下求解各给料支路的目标给料量和目标喷入位置，所述目标喷入位置为所述主燃区喷口、所述燃尽区喷口或所述惰化通道中的一种；

19、s5，通过所述定量给料与编码微扰单元将各给料支路的给料量调整至所述目标给料量，并通过所述多路切换阀组将各给料支路切换至所述目标喷入位置；

20、s6，当锅炉工况发生预设变化或经过预设运行时间后，返回s3重新辨识增量影响矩阵。

21、本发明进一步的改进在于，s3中根据各给料支路的编码微扰序列与各检测区域的响应序列确定各支路至各区域的输运时延，在补偿所述输运时延后辨识所述增量影响系数；所述输运时延通过计算第支路编码序列与第检测区域响应序列之间的互相关函数，取互相关函数最大值对应的时延确定；

22、所述增量影响系数的辨识方法为：在补偿所述输运时延后，采用带遗忘因子的递推最小二乘算法在线辨识增量影响系数，递推公式为：

23、

24、

25、

26、其中，为第时刻第给料支路对第检测区域的增量影响系数，为第给料支路的编码微扰序列，为第检测区域的响应序列，为第给料支路至第检测区域的输运时延，为卡尔曼增益，为估计误差协方差，为遗忘因子。

27、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

28、本发明提供一种煤粉锅炉生物质自适应掺烧系统，通过定量给料与编码微扰单元向各给料支路施加编码微扰，并由响应矩阵辨识器根据炉内响应采集单元采集的各检测区域响应参数在线辨识各支路对炉膛各区域的增量影响矩阵，在此基础上由风险约束分配器在结渣、高温腐蚀和燃尽风险约束下求解各支路目标给料量和目标喷入位置，并通过多路切换阀组执行主燃区喷口、燃尽区喷口与惰化通道之间的可逆切换，从而形成从在线辨识到空间执行的完整闭环；基于该结构，系统能够在生物质种类保持稳定的前提下通过主动编码微扰激励从正常混合响应中分离各给料支路对不同炉膛区域的实际增量影响，将传统的黑箱经验控制转变为白箱模型辨识控制，显著降低对固定经验模型和运行人员经验的依赖，同时三位切换结构形成主燃区、燃尽区和惰化回流的可执行闭环，可在不停运输送母管的情况下在线改变喷入区域，适应不同锅炉工况下的最优喷入层位需求。

29、进一步的，换向体设置于切换阀入口与三个出口之间，通过该换向体在入口与三个出口之间建立机械联动切换机制，仅需单一执行动作即可实现入口与任一出口的连通，无需为每个出口分别设置独立阀门，简化了切换阀组的执行机构数量和控制逻辑复杂度，提高了多路切换阀组的动作可靠性和响应速度。

30、进一步的，响应矩阵辨识器包括时延估计模块和相关解调辨识模块，时延估计模块根据各给料支路长度、载气速度和燃烧迟延确定候选时延范围并计算广义互相关函数以确定输运时延，相关解调辨识模块在补偿该输运时延后进行辨识，通过时延估计与相关解调辨识的串联结构，能够精确补偿生物质燃料从给料支路经炉膛燃烧至检测区域响应的物理传递时延，避免时延失配对辨识精度的影响，提高增量影响系数的辨识准确性。

31、进一步的，阀位反馈件设置于各切换阀的出口处，其信号输出端连接至风险约束分配器的反馈输入端，通过该阀位反馈件将各出口的实际连通状态实时反馈至风险约束分配器，使系统能够根据反馈信号确认切换动作是否到位，并在阀位反馈不一致时禁止恢复固体给料，避免了因换向体动作不到位导致的燃料分配错误或安全事故，提高了多路切换阀组的位置切换安全性和可靠性。

32、本发明还提供一种煤粉锅炉生物质自适应掺烧方法，通过获取生物质特性参数及基准炉况，向各给料支路施加编码微扰序列，根据编码微扰序列和响应参数辨识各支路对各检测区域的增量影响系数并形成增量影响矩阵，在结渣、高温腐蚀和燃尽风险约束下求解各支路目标给料量和目标喷入位置，执行给料量调整和喷入位置切换，并在工况变化后返回重新辨识，形成了完整的辨识-决策-执行-滚动校正闭环；该方法中，成对反向微扰使总生物质热输入近似恒定，偏差控制在±2%以内，微扰幅值仅为平均流量的0.5%~5%，辨识过程对主蒸汽参数和锅炉负荷的干扰极小，可在机组正常运行中持续执行；将预先测定的稳定生物质燃料灰熔融特征温度、碱金属及氯含量与实时炉内区域响应相结合，形成具有物理意义的结渣风险约束（灰熔融风险裕度不低于50~150℃）、高温腐蚀风险约束（腐蚀速率不超过最大允许值）和燃尽风险约束（co浓度不高于50~200μl/l、飞灰可燃物不超过4%~8%），相较于简单的经验阈值能够更科学地判断在当前锅炉工况下从何处掺烧更有利；局部风险逼近边界时优先调整对该区域影响最大的给料支路，而非整体降低生物质掺烧率，避免了一刀切造成的可再生能源损失，可在同等安全裕度下显著提高生物质可持续掺烧比例；工况变化后自动返回重新辨识增量影响矩阵，能够适应锅炉负荷变化、燃烧器组合切换、炉膛积灰和吹灰等状态变化，保持控制模型的时效性。