Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА И СВЯЗАННЫЙ С НЕЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе и связанному с ней способу контроля и управления электростанцией, в частности, изобретение относится к системе и связанному с ней способу управления электростанцией, имеющей мельницу для измельчения материала для ввода в систему сгорания электростанции.

Предшествующий уровень техники

В электростанциях, которые работают на размельченном угле, работа углеразмольной мельницы оказывает значительное влияние на эффективность сгорания угля в электростанции, а также оказывает значительное влияние на количество и состав загрязняющих веществ, формируемых в электростанции в результате сгорания размельченного угля. Кроме того, возможность угольных электростанций реагировать на требования по изменению нагрузки, главным образом, зависит от способности углеразмольной мельницы изменять выход размельченного топлива. В отличие от сжигания газа или нефти, при котором можно открывать регулирующий клапан и сразу получать больше топлива, сжигание размельченного угля требует выполнения сначала этапа измельчения. Это требует постепенного возрастания мощности ввода/вывода мельницы, чтобы обеспечить увеличенный объем топлива в электростанцию. Чем лучше система управления, тем более крутым может быть этот процесс возрастания.

Функция углеразмольной мельницы в электростанции состоит в том, чтобы производить и сушить размельченный уголь в требуемом количестве и с требуемым размером частиц по мере необходимости. Горячий сжатый воздух вводится для того, чтобы сушить и транспортировать размельченный уголь посредством его псевдоожижения, так что он может доставляться в горелки для сгорания.

Измельчение угля типично приводит к созданию частиц множества размеров. Тем не менее, в горелках, если частицы угля превышают определенный размер, например 75 мкм и выше, то молекулы кислорода (O₂) в среде сгорания не могут проникать в неразрушающееся горючее вещество глубже внутрь частиц угля во время так называемой фазы прокаливания угля. Это приводит к несгоревшему углероду, что не только является потерей топлива (и, следовательно, затратно), но также и снижает качество коммерческого побочного продукта, зольной пыли, для использования в качестве добавки к цементу, поскольку несгоревший углерод создает черные пятна в цементе. Объем несгоревшего углерода увеличивается как с размером частиц, так и в случае, если недостаточно воздуха. Тем не менее, поскольку несгоревший углерод обычно контролируется не в реальном времени, невозможно определять в реальном времени то, обусловлен наблюдаемый уровень несгоревшего углерода размером частиц или отсутствием воздуха.

Крупные частицы размельченного угля также создают другую проблему в горелках электростанций в том, что они препятствуют быстрому улетучиванию соединений азота (N) из частицы на ранней стадии в зоне восстановительного пламени. Когда соединения N впоследствии высвобождаются в зоне окислительного пламени горелок, или когда они разнородно контактируют с кислородом (O₂) в частице во время прокаливания угля, они имеют предрасположенность формировать оксид азота (NO), что является нежелательным предвестником формирования кислотного дождя. Быстрое улетучивание N желательно, поскольку высвобождение N во время начального сжигания осуществляется в бедной O₂ среде, так что формируется стабильный N₂. Тем не менее, если не допускается улетучивание N, N не может высвобождаться до тех пор, пока частицы не поступят в богатую воздухом часть печи, в которой прохождение воздуха поверх них для полного сгорания будет приводить к формированию нежелательного NO, а не требуемого стабильного N₂.

С учетом этих проблем, создаваемых большими размерами частиц угля в горелках, можно видеть, что размеры частиц размельченного угля должны поддерживаться относительно малыми. Оптимальный размер частиц угля определяется посредством состава остатка после сгорания, т.е. содержания золы и летучих веществ в выходе зольной пыли, и реактивности угля для сжигания.

Это требование поддерживать размер частиц малым приводит к компромиссу, и концептуальное представление компромисса проиллюстрировано на графиках распределения частиц по размерам, показанных на фиг. 1. Процесс измельчения требует энергии, и тем самым измельчение угля на мелкие фрагменты требует большей энергии, чем создание больших частиц. Кроме того, увеличение времени, требуемого на то, чтобы измельчать уголь, чтобы создавать меньшие фрагменты, уменьшает количество угля, которое может быть измельчено посредством любой данной машины. В отношении этого, следует принимать во внимание энергию, "потерянную" через несгоревшее топливо, увеличение объема NO, выводимого из системы, и потери прибыли от нестандартного остаточного продукта. Следовательно, оптимальный размер частиц, концептуально указываемый на фиг. 1, может рассматриваться как значение, которое достаточно мало для того, чтобы не приводить к существенному сопротивлению тепломассообмену для оптимального сгорания. Любое значение, превышающее оптимальный размер частиц, будет увеличивать содержание углерода в золе до уровней, превышающих требуемые, и увеличивать формирование NO. Любое значение, меньшее оптимального размера частиц, должно требовать действия дробления в процессе измельчения и приводить к росту потребления мощности в углеразмольной мельнице или эквивалентному снижению выработки размельченного топлива.

Типично, на стадии проектирования и строительства здания электростанции, указываются режим работы углеразмольной мельницы и системы классификации по размерам частиц, чтобы получать оптимальное распределение частиц по размерам в условиях проектной нагрузки с предполагаемыми характеристиками подачи угля. Тем не менее, когда электростанция работает при неполной нагрузке на изношенном оборудовании и при варьирующихся характеристиках подачи угля (т.е. влага и твердость), указанная установка углеразмольной мельницы больше не формирует оптимальное распределение частиц по размерам. Кроме того, в большинстве электростанций отсутствует средство для измерения в реальном времени распределения частиц размельченного топлива по размерам. С учетом этих проблем, трудно применять корректирующее воздействие для того, чтобы управлять системой, чтобы поддерживать низкий уровень углерода в выходе золы и NO в топочном газе, выходящем из станции.

Применяются различные подходы для того, чтобы улучшать контроль и управление работой углеразмольной мельницы. Yukio Fukayama и др. опубликовали работу "An Adaptive State estimator for Pulverizer Control Using Moments of Particle Size Distribution" (IEEE Transactions On Control Systems Technology, издание 12, № 6, ноябрь 2004 года), которая подробно описывает фундаментальные математические модели для разработки распределения частиц по размерам в измельчителе углеразмольной мельницы и использует модели в вариантах применения упреждающего управления для систем углеразмольной мельницы. Тем не менее, их подход сфокусирован на углеразмольной мельнице, содержащей один измельчитель, и не учитывает информацию от продуктов сгорания. P. Andersen и др. впоследствии дополнительно углубили этот подход и заметили взаимосвязь между процессом измельчения и сгоранием в работе "Observer-based Coal Mill Control using Oxygen Measurement", которую они представили на IFAC Symposium on Power Plants and Power Systems в 2006 году. Посредством указания взаимосвязи между процессом измельчения и сгоранием Andersen и др. предложили включать измерения O₂ с тем, чтобы замкнуть внутренний контур управления углеразмольной мельницы. Тем не менее, в этой системе уровень несгоревшего углерода не измеряется. В другом подходе, подробно описанном в заявке на патент (Корея) KR20040019462A (Kim Eun Gee) "System for Controlling Unburned Carbon and Air Damper for Optimal Combustion of Boiler", автор изобретения подробно описывает систему децентрализованного управления для углеразмольной мельницы с двумя контурами управления, в которой несгоревший углерод при измерении содержания золы используется для того, чтобы регулировать распределение частиц по размерам, а измерение топочного газа используется для того, чтобы регулировать поток воздуха для дожигания. Тем не менее, эта система основана исключительно на контроллерах с переменной обратной связью для управления процессами измельчения и сгорания, что ограничивает точность системы при реагировании на возмущения и уменьшает время реакции электростанции на изменение нагрузки.

С учетом вышеизложенного, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы исключать или уменьшать, по меньшей мере, одну из вышеуказанных проблем.

Краткое изложение существа изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предусмотрена система управления для использования с электростанцией, имеющей мельницу для измельчения материала для ввода в систему сгорания электростанции, причем система управления содержит:

- первый датчик для записи первого параметра первого вывода из системы сгорания;

- второй датчик для записи второго параметра второго вывода из системы сгорания;

- систему регулирования для регулирования и записи, по меньшей мере, одного переменного параметра системы сгорания;

- компонент модуля оценки состояния, выполненный с возможностью принимать первый сигнал, связанный с таким первым параметром, второй сигнал, связанный с таким вторым параметром, и третий сигнал, связанный с таким, по меньшей мере, одним переменным системным параметром, причем компонент модуля оценки состояния выполнен с возможностью использовать первый сигнал, второй сигнал и третий сигнал, чтобы вырабатывать сигнал индикатора параметра материала и сигнал индикатора состояния системы; и

- компонент вывода, выполненный с возможностью принимать такой сигнал индикатора параметра материала и такой сигнал индикатора состояния системы и комбинировать упомянутый сигнал индикатора параметра материала и сигнал индикатора состояния системы, чтобы вырабатывать выходной управляющий сигнал.

Предпочтительно, компонент вывода выполнен с возможностью выводить такой выходной управляющий сигнал в электростанцию.

Компоновка первого датчика, второго датчика и системы регулирования в этой системе управления действует, чтобы предоставлять схему управления с замкнутым контуром с переменными параметрами, которая, посредством предоставления обратной связи, должна работать так, чтобы обеспечивать достижение оптимального режима работы электростанции.

В одном варианте осуществления, выходной управляющий сигнал является управляющим сигналом системы сгорания.

В альтернативном варианте осуществления, выходной управляющий сигнал, предоставляемый в электростанцию, выполнен с возможностью управлять системой сгорания.

Альтернативно, компонент вывода выполнен с возможностью предоставлять выходной управляющий сигнал, по меньшей мере, в одно средство сигнализации.

Компоновка первого датчика, второго датчика и системы регулирования в этой системе управления действует, чтобы предоставлять средство сигнализации для предоставления возможности операторам реагировать на любые критические проблемы, возникающие в системе электростанции.

Предпочтительно, первый датчик является датчиком содержания углерода в золе.

Предоставление датчика содержания углерода в золе обеспечивает информацию о несгоревшем углероде в золе, выводимой из системы сгорания.

Дополнительно предпочтительно, второй датчик является датчиком газа.

Датчик газа может быть датчиком оксида углерода.

Предпочтительно, материал является углем. Альтернативно, материал может быть одним или более видов топлива из биомассы.

В одном варианте осуществления, материал является комбинацией угля и, по меньшей мере, одного топлива из биомассы.

Предпочтительно, мельница содержит, по меньшей мере, один измельчитель, такой как, например, измельчитель с вертикальным шпинделем. Тем не менее, следует принимать во внимание, что любой другой подходящий измельчитель, известный специалистам в данной области техники, может быть использован в качестве альтернативы или помимо измельчителя с вертикальным шпинделем.

В одном варианте осуществления, сигнал индикатора параметра материала является сигналом, указывающим распределение частиц по размерам.

Сигнал индикатора состояния системы может быть сигналом индикатора состояний мельницы, указывающим внутренние состояния мельницы.

В одном варианте осуществления, система регулирования выполнена с возможностью регулировать и записывать, по меньшей мере, одно из общего количества угля, вводимого в систему сгорания; воздушного потока в систему сгорания; требуемого выхода энергии из нагрузки электростанции, температуры на выпуске размельченного топлива каждого, по меньшей мере, из одного измельчителя; температуры приточного воздуха каждого, по меньшей мере, из одного измельчителя; скорости подачи материала, вводимого в мельницу; расхода транспортируемого воздуха в мельнице; тока, напряжения и нагрузки электродвигателя каждого, по меньшей мере, из одного измельчителя и дифференциального давления в каждом, по меньшей мере, из одного измельчителя.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предусмотрен способ управления электростанцией, содержащей мельницу для измельчения материала для ввода в систему сгорания электростанции, при этом способ содержит этапы, на которых:

- записывают первый параметр первого вывода из системы сгорания;

- записывают второй параметр второго вывода из системы сгорания;

- записывают, по меньшей мере, один регулируемый переменный параметр системы сгорания;

- используют первый сигнал, второй сигнал и третий сигнал, чтобы вырабатывать сигнал индикатора параметра материала и сигнал индикатора состояния мельницы; и

- комбинируют упомянутый сигнал индикатора параметра материала и сигнал индикатора состояния системы, чтобы вырабатывать выходной управляющий сигнал.

Предпочтительно, упомянутый выходной управляющий сигнал предоставляется в систему электростанции.

Компоновка обеспечения управляющего сигнала в электростанцию, сгенерированного из первого параметра, второго параметра и переменного параметра, действует, чтобы предоставлять схему управления с замкнутым контуром с переменными параметрами, которая может работать итеративно, чтобы обеспечивать достижение оптимального режима работы электростанции.

Альтернативно, упомянутый выходной управляющий сигнал может предоставляться в средство сигнализации.

Компоновка предоставления в средство сигнализации управляющего сигнала, сгенерированного из первого параметра, второго параметра и переменного параметра, действует, чтобы предоставлять схему, которая указывает операторам о возникновении критических проблем в электростанции.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает концептуальную иллюстрацию распределения частиц размельченного угля по размерам, чтобы подчеркивать оптимальный размер частиц для использования в системе сгорания электростанции, и

Фиг. 2 изображает систему контроля и управления электростанции согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Ссылаясь на фиг. 2, изображена система 10 для контроля и управления электростанцией (не изображена) и, в частности, работой углеразмольной мельницы (не изображена) электростанции. Система 10 содержит датчик 12 содержания углерода в золе (CIA) и датчик 14 газа, который выполнен с возможностью измерения уровней CO в топочном газе, и систему 16 регулирования, которой в этом случае является система управления сгоранием. Уровень CO является непосредственным индикатором условий сгорания. Система 16 регулирования выполнена с возможностью контролировать и регулировать манипулируемые переменные, к примеру, позиции воздушного демпфера или уровни наклона горелки в печи системы сгорания, чтобы управлять процессом сгорания (не изображено на фиг. 2).

Измерения из CIA-датчика 12, газового датчика 14 и показания обработанных переменных уровней из системы 16 регулирования предоставляются в модуль 18 оценки состояния. Модуль 18 оценки состояния применяет математическую модель процесса сгорания и углеразмольной мельницы, чтобы определять сигнал 20 индикатора параметра материала для распределения частиц размельченного топлива по размерам и сигнал 22 индикатора состояний мельницы, представляющий другие внутренние состояния углеразмольной мельницы. Сигнал 20 индикатора для распределения частиц по размерам может варьироваться по сложности от простого среднего значения до более сложного описания распределения частиц по размерам с несколькими моментами. Внутренние состояния, представленные в сигнале 22 индикатора, могут включать в себя содержание влаги и показатель твердости размельчаемого угля, а также связанные с условиями параметры углеразмольной мельницы.

Сигналы 20 и 22 индикатора, выводимые из модуля 18 оценки состояния, упрощают управление с замкнутым контуром мельницы и системы сгорания электростанции посредством предоставления в компонент вывода, который в этом случае является контроллером 24 на основе модели с переменными параметрами для работы углеразмольной мельницы. В этом случае, в контроллер 24 дополнительно предоставляются заданные значения 25 углеразмольной мельницы. Эти заданные значения отправляются посредством ведущего контроллера электростанции и сообщают мельницам то, сколько требуется угля. Контроллер 24 работает, в этом случае, согласно технологии прогнозирующего управления на основе моделей, которая может принимать во внимание технологические ограничения при вычислении управляющего воздействия. Внутренняя природа математических моделей, используемых в модуле 18 оценки состояния и контроллере 24 с переменными параметрами, может быть основана на фундаментальных физических принципах измельчения и сгорания угля или может использовать метод "черного ящика", основанный на статистических данных или проводимых на станции тестах.

Модель углеразмольной мельницы, используемая в контроллере 24, должна включать каждый вертикальный измельчитель или шаровую мельницу при эксплуатации конкретных горелок системы сгорания. Следовательно, может быть реализован контроллер 24 с переменными параметрами, чтобы управлять всеми измельчителями в мельнице.

Изобретение, описанное в этом документе, предлагает новый подход к контролю и управлению для работы углеразмольных мельниц электростанции на основе технологий оценки состояния и прогнозирующего управления на основе моделей, работающих с датчиками для измерения содержания несгоревшего углерода в зольной пыли и концентрации CO в топочном газе.

В ходе работы электростанции, изменения в уровне несгоревшего углерода в зольной пыли зависят либо от условий сгорания в печи, либо от распределения частиц по размерам размельченного топлива, используемого для сгорания. С использованием датчиков 12 и 14, чтобы измерять физико-химические свойства продуктов сгорания, выходящих из системы сгорания, и информации, характеризующей условия сгорания в системе сгорания, и при предоставлении этой информации в системе 10 управления, можно отличать влияние ненадлежащих условий сгорания от влияния размера частиц угля на уровни несгоревшего углерода.

Кроме того, даже если точное количественное влияние различных факторов не может быть определено, система 10 формирует схему управления с замкнутым контуром с переменными параметрами с обратной связью, которая продолжает обрабатывать все факторы, влияющие на условия сгорания, до тех пор, пока не будет достигнут требуемый режим работы.

При работе, система 10 реализуется на станции, имеющей котел, содержащий систему 16 управления сгоранием, датчик 12 реального времени содержания углерода в золе (CIA) и CO-датчик 14. В любой данный момент система управления должна реагировать на изменения в показаниях CIA и CO. Последующая обработка системой 16 управления сгоранием выходит за рамки объема этого изобретения. Тем не менее, реакция выхода CO, в дымоходе системы сгорания, на параметры сгорания указывает то, ограничено или нет сгорание из-за баланса воздуха/топлива, и, следовательно, влияние воздуха для сгорания на показания CIA. Второй важный эффект условий сгорания для уровней CIA достигается через время пребывания коксовых частиц в печи. Когда станция работает в режиме высокой нагрузки, время пребывания коксовых частиц в системе сгорания может составлять всего 2 секунды. Это короткое время пребывания может приводить к высоким уровням CIA. Информация, предоставляемая в модуль 18 оценки состояния относительно параметров процесса сгорания с учетом всех этих взаимодействий может быть использована для того, чтобы устанавливать эффекты сгорания, которые выводятся из модуля оценки состояния в качестве сигнала 20 индикатора, из эффектов режима работы углеразмольной мельницы, которые выводятся из модуля оценки состояния в качестве сигнала 22 индикатора. С использованием этой информации контроллер 24 углеразмольной мельницы может генерировать выходной сигнал, который, в этом случае, должен управлять углеразмольной мельницей так, чтобы поддерживать требуемый уровень выхода CIA.

Система 16 регулирования описана выше как выполненная с возможностью контролировать и регулировать манипулируемые переменные, такие как позиции воздушного демпфера или уровни наклона горелки в печи системы сгорания, чтобы управлять процессом сгорания. Тем не менее, в предпочтительном варианте осуществления, таком как станция, имеющая котлы с мельницами с вертикальным шпинделем, причем станция имеет несколько измельчителей, набор информации, предоставляемой в систему 16 регулирования, включает в себя измерения CIA и CO, общее количество угля и воздушный поток в печь системы сгорания, а также нагрузку электростанции. Наряду с этой информацией, дополнительная информация для каждого измельчителя, включающая в себя: температуру на выпуске размельченного топлива, температуру приточного воздуха измельчителя, скорость подачи угля в углеразмольную мельницу, расход транспортируемого воздуха (первичного воздуха) в углеразмольной мельнице, ток, напряжение и нагрузка электродвигателя измельчителя, дифференциальное давление измельчителя и частоту вращения сепаратора, также предоставляется в систему 16 регулирования. Следует отметить, что впускное отверстие, выпускное отверстие, электродвигатель и сепаратор измельчителя являются компонентами каждого измельчителя в мельнице.

Внутренние состояния, представленные в сигнале 22 индикатора, подробно описаны как включающие в себя содержание влаги и показатель твердости размельчаемого угля, а также связанные с условиями параметры углеразмольной мельницы. Такие связанные с условиями параметры углеразмольной мельницы должны зависеть от типа углеразмольной мельницы, например, в мельнице с вертикальным шпинделем параметры могут включать в себя истирание ролика, а в шаровой мельнице параметры могут включать в себя эффективную загрузку шаровой мельницы.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, показания локальных ошибок контроллера из системы распределенного управления электростанции (не изображена) также могут предоставляться в модуль 18 оценки состояния. Изменения в ошибке оценки могут отслеживаться для измеренных значений CIA и CO, и большие изменения могут быть использованы в качестве индикатора относительно неожиданных технологических сбоев, таких как неисправности датчиков или исполнительных механизмов.

В альтернативном варианте осуществления, контроллер 24 с переменными параметрами также может работать в качестве отдельного контроллера, реплицированного для каждого измельчителя или блока шаровой мельницы в мельнице. В этом случае, модули оценки состояния должны также иметь равную многочисленность и должны быть сконфигурированы с помощью соответствующей модели и параметров измельчителя. Фактически, система управления содержит модуль 18 оценки состояния и контроллер 24 для каждого измельчителя в мельнице.

В четвертом варианте осуществления изобретения, сигналы 20 и 22 индикатора, выводимые из модуля 18 оценки состояния, упрощают контроль технологического процесса станции и могут предоставляться в средство сигнализации (не изображено), которое сообщает операторам, если возникают критические проблемы. Средство сигнализации может быть любым подходящим средством сигнализации, включающим в себя, но не только, мигающие надписи на лицевой панели.

Следует понимать, что вывод из модуля 18 оценки состояния также может использоваться для управления сгоранием. В этом варианте осуществления, представляются выводы из модуля оценки состояния. В таком варианте осуществления, 20 и 22 являются идентичными, но принимаются также посредством процедуры оптимизации сгорания - заданные значения 25 в контроллер 24 определяются посредством идентичной процедуры оптимизации сгорания.

Различные модификации в вышеописанные варианты осуществления могут выполняться без отступления от объема изобретения. Например, выше описано, что внутренняя природа математических моделей, используемых в модуле 18 оценки состояния и контроллере 24 с переменными параметрами, может быть основана на фундаментальных физических принципах измельчения и сгорания угля или может использовать метод "черного ящика", основанный на статистических данных или проводимых на станции тестах. Тем не менее, различные типы моделей могут быть интегрированы в вычисления модуля 18 оценки состояния или контроллера 24. Например, статическая статистическая модель на основе таких технологий, как анализ главных компонентов, может быть использована параллельно с модулем 18 оценки состояния, в частности, чтобы проверять анормальный режим работы, а также в качестве средства для того, чтобы проверять достоверность обычного режима работы с низкой ошибкой оценки.

Хотя подробно описано множество вводов параметров в модуль 18 оценки состояния, также могут предоставляться другие вводы, что расширяет объем и повышает точность системы управления. Например, средство прямого измерения размера частиц, такое как соответствующий датчик размера частиц, может быть интегрировано в систему 10 управления, чтобы предоставлять дополнительную информацию в модуль 18 оценки состояния. Это обеспечивает ценный ввод, даже если частота, с которой проводятся измерения, является очень низкой. Измерения O₂ могут быть использованы вместо или вместе с измерениями CO. Управление выходом NO может быть дополнительной задачей системы 10 управления, достижимой посредством управления как мельницей, так и системой сгорания, при этом соответствующие измерения проводятся датчиками, расположенными в дымоходе систем сгорания, и по мере того как эта информация выводится в систему 10 управления через модуль 18 оценки состояния и компонент 24 вывода, сгенерированный выходной сигнал может управлять составом смеси "воздух-топливо" при сгорании. Система 10 управления также может реализовывать стратегии улучшенного возрастания и снижения материала, вводимого в мельницу, посредством временного разрешения больших размеров частиц для более быстрой реакции углеразмольной мельницы и затем уменьшения допустимого размера частиц, когда требуется пониженная реакция углеразмольной мельницы. Ступенчатое увеличение или снижение позиции столба пламени в печи системы сгорания для более быстрой/медленной реакции со стороны пара также может быть интегрировано в систему 10 управления через обратную связь в системе 16 управления сгоранием.