基于经济性指标参数的氮氧化物排放预测方法和装置

摘要

本发明公开一种基于经济性指标参数的氮氧化物排放预测方法和装置。其中在基于经济性指标参数的氮氧化物排放预测方法中，以预定的时间间隔采集第i个经济性指标参数的参数值Fc

说明书

技术领域

本发明涉及锅炉优化燃烧控制领域，特别涉及一种基于经济性指 标参数的氮氧化物排放预测方法和装置。

背景技术

目前燃煤锅炉已大量采用空气、燃料分级为基本原理的低氮燃烧技 术，多年实践表明，它取得了良好的减排氮氧化物(NOx)的效果。但 众所周知其技术原理和高效燃烧、壁区防渣防腐原理是相悖的，因此 NOx低排放和炉无渣高效矛盾始终存在，当实施深度脱氮时其影响锅 炉安全和经济性的程度是无法接受的，只有强防渣高燃尽高效前提下的 超低氮才是适合国情的。

在锅炉进行低氮燃烧器改造之后，炉内主燃烧器区域形成缺氧富燃 料环境抑制NOx生成，较常规大三区加大了空气分级程度，属于深度 空气分级燃烧，过量空气系数分布的变化容易造成煤粉燃烧不完全、锅 炉热效率降低、主再汽温异常、过热/再热器管壁超温等。这就需要实 时准确预测在经济因素制约下系统应维持的NOx排放值。

电厂运行过程中对锅炉NOx排放预测控制的常用方法，主要包括 基于优化控制的数学模型方法和计算流体力学(Computational Fluid  Dynamics，简称：CFD)模拟方法。

1)数学模型方法

目前国内外有相当多的系统采用基于神经网络、支持向量机等人工 智能方法对锅炉NOx排放量进行预测，用人工神经网络来预测NOx排 放的模型是一种较好的非线性黑箱模型，它不需要详细了解NOx排放 与各操作参数之间的关系，就可以预测NOx的排放量。

2)CFD模拟方法

计算CFD模拟是预测电站锅炉燃烧过程和NOx排放量常用方法。 因CFD模型可详细考虑炉内的流动、传热、燃烧反应和NOx生成过程， 在已知锅炉结构燃烧系统结构和运行输入条件的前提下，理论上可以准 确预测不同运行条件下锅炉的NOx排放量及煤质等条件变化的影响。

经过研究分析，发现在数学模型方法中存在以下缺陷：

1)人工神经网络模型缺乏影响NOx排放因素之间的关系和热力学反 应机理，难以给出各运行工况参数对输出参数(即NOx排放量)贡献的 大小，而这点对于深度降氮而言调整至关重要。虽然可以在建模方面进 行一定的改进，如在模型中考虑NOx生成机理和电厂运行实际条件，但 其作用在于提高模型的准确性，上述问题仍然难以解决。

2)人工神经网络方法建模本身还存在许多问题有待于进一步的研究 解决，特别是建模所必需的样本数量多，而目前的研究中采用实炉测试 工况数据数量很有限，且实际测量数据在统计意义上的准确性和可靠性 也可能存在不确定性。由于试验条件限制而不可能进行大量工况的试验, 又不可能进行经常性的现场试验,这也是基于试验工况所建立的模型难 以适应实际工况的重要原因。

此外，CFD模拟方法也存在如下缺陷：

1)目前CFD技术不能进行实时的在线计算，只能被应用于锅炉设备 改造时估算NOx排放量以预测设计、改造方案的效果，或者应用于锅炉 运行性能和NOx排放特性的离线研究和分析中。

2)锅炉燃烧过程是一个非线性、强耦合、时变的复杂系统，涉及到 燃烧学、热力学、流体力学、传热学等多个学科。CFD技术因受各基础 模型在理论上的准确性的限制，对NOx排放预测的准确性也有待商榷。

发明内容

本发明实施例提供一种基于经济性指标参数的氮氧化物排放预测方 法和装置。通过在考虑经济性指标参数的前提下，预测燃煤锅炉氮氧化 物排放量，从而可兼顾经济性和氮氧化物低排放这两方面，便于实现低 氮燃烧优化闭环控制。

根据本发明的一个方面，提供一种基于经济性指标参数的氮氧化物 排放预测方法，包括：

以预定的时间间隔采集第i个经济性指标参数的参数值Fc_i，其 中1≤i≤N，N为经济性指标参数总数；

计算参数值Fc_i的指标偏差B_i，其中B_i＝Fc_i－FcL_i，FcL_i为与 第i个经济性指标参数相对应的参数阈值；

判断是否存在大于预定偏差值的指标偏差；

若存在大于预定偏差值的指标偏差，则利用第i个经济性指标参 数的增量与氮氧化物排放增量的对应关系，根据指标偏差B_i确定第 i个经济性指标参数的修正值C_i；

根据氮氧化物排放基准值R和修正值C_i，预测当前的氮氧化物 排放基准值R′。

在一个实施例中，在预测当前的氮氧化物排放基准值R′的步骤之 后，还包括：

根据当前的氮氧化物排放基准值R′对燃煤锅炉的二次风门进行调 整，以降低氮氧化物的排放。

在一个实施例中，根据氮氧化物排放基准值R和修正值C_i，预 测当前的氮氧化物排放基准值R′的步骤包括：

利用公式

R′＝R+ψ₁C₁+…+ψ_iC_i+…+ψ_NC_N

预测当前的氮氧化物排放基准值R′，其中ψ_i为修正值C_i的权重 值。

在一个实施例中，权重值ψ_i均为1。

在一个实施例中，利用第i个经济性指标参数的增量与氮氧化物 排放增量的对应关系，根据指标偏差B_i确定第i个经济性指标参数 的修正值C_i的步骤包括：

利用公式B′_i＝F(B_i)对指标偏差B_i进行过滤以得到经过修正的指 标偏差B′_i，其中F为滤波函数，用于去除外界干扰对指标偏差计算 的影响；

利用第i个经济性指标参数的增量与氮氧化物排放增量的对应 关系，根据指标偏差B′_i确定第i个经济性指标参数的修正值C_i。

在一个实施例中，经济性指标参数包括减温水量、锅炉省煤器出 口氧量、尾部烟气中一氧化碳含量、主再热汽温。

在一个实施例中，在以预定的时间间隔检测第i个经济性指标参 数的参数值Fc_i的步骤之前，还包括：

建立第i个经济性指标参数的增量与氮氧化物排放增量之间的 对应关系。

根据本发明的另一方面，提供一种基于经济性指标参数的氮氧化物 排放预测装置，包括采集单元、偏差计算单元、识别单元、修正值确 定单元和预测单元，其中：

采集单元，用于以预定的时间间隔采集第i个经济性指标参数的 参数值Fc_i，其中1≤i≤N，N为经济性指标参数总数；

偏差计算单元，用于计算参数值Fc_i的指标偏差B_i，其中B_i＝Fc_i－FcL_i，FcL_i为与第i个经济性指标参数相对应的参数阈值；

识别单元，用于判断是否存在大于预定偏差值的指标偏差；

修正值确定单元，用于根据识别单元的判断结果，若存在大于预 定偏差值的指标偏差，则利用第i个经济性指标参数的增量与氮氧化 物排放增量的对应关系，根据指标偏差B_i确定第i个经济性指标参 数的修正值C_i；

预测单元，用于根据氮氧化物排放基准值R和修正值C_i，预测 当前的氮氧化物排放基准值R′。

在一个实施例中，装置还包括调整单元，其中：

调整单元，用于根据当前的氮氧化物排放基准值R′对燃煤锅炉的 二次风门进行调整，以降低氮氧化物的排放。

在一个实施例中，预测单元具体利用公式

R′＝R+ψ₁C₁+…+ψ_iC_i+…+ψ_NC_N

预测当前的氮氧化物排放基准值R′，其中ψ_i为修正值C_i的权重 值。

在一个实施例中，权重值ψ_i均为1。

在一个实施例中，修正值确定单元具体利用公式B′_i＝F(B_i)对指 标偏差B_i进行过滤以得到经过修正的指标偏差B′_i，其中F为滤波函 数，用于去除外界干扰对指标偏差计算的影响；利用第i个经济性指 标参数的增量与氮氧化物排放增量的对应关系，根据指标偏差B′_i确 定第i个经济性指标参数的修正值C_i。

在一个实施例中，经济性指标参数包括减温水量、锅炉省煤器出 口氧量、尾部烟气中一氧化碳含量、主再热汽温。

在一个实施例中，装置还包括对应关系建立单元，其中：

对应关系建立单元，用于建立第i个经济性指标参数的增量与氮 氧化物排放增量之间的对应关系。

本发明通过兼顾经济性和氮氧化物低排放这两方面，可在保证锅 炉安全高效运行的前提下，实现氮氧化物低排放的目标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将 对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见 地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技 术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。

图1为本发明氮氧化物排放预测方法一个实施例的示意图。

图2为本发明氮氧化物排放预测方法另一实施例的示意图。

图3为本发明氮氧化物排放预测装置一个实施例的示意图。

图4为本发明氮氧化物排放预测装置另一实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实 施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实 际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限 制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳 动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相 对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺 寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详 细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说 明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是 示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具 有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此， 一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行 进一步讨论。

图1为本发明基于经济性指标参数的氮氧化物排放预测方法一个 实施例的示意图。如图1所示，本实施例的方法步骤如下：

步骤101，以预定的时间间隔采集第i个经济性指标参数的参数 值Fc_i。

其中1≤i≤N，N为经济性指标参数总数。

这里需要说明的是，经济性指标参数可包括尾部烟气中一氧化碳 (CO)的含量、主再热汽温和减温水等参数。由于减温水是汽温调节 控制的主要手段之一，减温水喷水量的多少可以间接反应汽温的高低。 此外，若煤质波动范围不大，则NOx排放值除受配风影响外，主要受 风煤当量比、燃烧器投运层数组合形式、煤粉细度等因素影响。这其中， 影响最直接的因素为风煤当量比，实际运行中可以用锅炉省煤器出口氧 量来表示。所以，经济性指标参数主要可包括减温水量、锅炉省煤器出 口氧量、尾部烟气中一氧化碳含量、主再热汽温。还可以根据当时电厂 的实际情况确定经济性指标参数。

步骤102，计算参数值Fc_i的指标偏差B_i，其中B_i＝Fc_i－FcL_i， FcL_i为与第i个经济性指标参数相对应的参数阈值。

步骤103，判断是否存在大于预定偏差值的指标偏差。

步骤104，若存在大于预定偏差值的指标偏差，则利用第i个经 济性指标参数的增量与氮氧化物排放增量的对应关系，根据指标偏差 B_i确定第i个经济性指标参数的修正值C_i。

例如，C_i＝f_i(B_i)，f_i为第i个经济性指标参数的增量与氮氧化物排 放增量的对应关系。

步骤105，根据氮氧化物排放基准值R和修正值C_i，预测当前 的氮氧化物排放基准值R′。

在一个实施例中，可利用公式

R′＝R+ψ₁C₁+…+ψ_iC_i+…+ψ_NC_N

预测当前的氮氧化物排放基准值R′，其中ψ_i为修正值C_i的权重 值。

由于不同的经济指标所反映出的对经济性的重要程度是不同的，因 此当考虑的经济性指标较多时，需要衡量不同经济性指标的权重。特别 是电厂对某一经济性指标较为重视，对其超限的幅度及时间有严格要求 时，需要增加此经济性指标的权重。

例如，若系统选取过热器减温水、再热器减温水、尾部烟气CO含 量等三个经济性指标参数，而电厂对于再热器减温水很重视，对其超限 较为敏感，则增加此项的权重，取其权重系数为1.2，其他的权重系数 则变为0.9。权重系统的具体取值需要参考热态试验结果。

在一个实施例中，权重值ψ_i均为1。这也就意味着各经济性指标 参数同等重要。

基于本发明上述实施例提供的基于经济性指标参数的氮氧化物排 放预测方法，通过在考虑经济性指标参数的前提下预测燃煤锅炉的氮氧 化物排放量，从而可在保证锅炉安全高效运行的前提下，实现氮氧化物 低排放的目标。

优选的，在上述以预定的时间间隔检测第i个经济性指标参数的 参数值Fc_i的步骤之前，还包括：

建立第i个经济性指标参数的增量与氮氧化物排放增量之间的 对应关系。

经济性指标参数与NOx排放量之间关系的确立，是建立在热态试验 数据的基础上，通过对试验数据的分析，总结出锅炉NOx排放量与各经 济性指标参数之间的经验关系式。通过分析可以得知，经济性指标参数 通常与NOx燃烧调整方向呈反向关系，例如，当减温水流量增大时，需 要提高NOx排放量换取减温水流量的减少。在此基础上，只需要记录并 得到热态试验数据中经济性指标参数的变化量与NOx排放量的变化量之 间的关系即可。

以尾部烟气中CO的含量为例，简单说明确定经济性指标参数与NOx 排放量之间的函数关系的步骤。

首先，通过与电厂沟通确定尾部烟气中CO含量的限值。由于尾部烟 气中CO含量越多，说明不完全燃烧热损失越大，经济性越不好，所以需 要确定电厂能够接受的CO含量最高值，即CO的含量不能超过此限定值， 若是超出了，需要进行燃烧调整，降低尾部烟气中CO的含量。

其次，在热态试验中，通过一些特定的燃烧调整操作，获得一段时 间内尾部烟气中CO含量与NOx排放量的波动曲线。需要注意的是，热态 试验数据中应该包含尾部烟气CO的含量在约定的限值上下波动的数据， 并得到相应的NOx排放量。

再次，分析热态试验数据，得到函数关系式。记录CO的含量每次波 动的峰值与限值之差，以及相应的这次波动中NOx排放量的变化量。用 回归统计的方法得到尾部烟气中CO的增量与NOx排放增量的函数关系 式。

通过同样的方法，可以得到其他经济性指标参数与NOx排放量的关 系式。

图2为本发明氮氧化物排放预测方法另一实施例的示意图。如图2 所示，本实施例的方法步骤如下：

步骤201，以预定的时间间隔采集第i个经济性指标参数的参数 值Fc_i。

其中1≤i≤N，N为经济性指标参数总数。

步骤202，计算参数值Fc_i的指标偏差B_i，其中B_i＝Fc_i－FcL_i， FcL_i为与第i个经济性指标参数相对应的参数阈值。

步骤203，判断是否存在大于预定偏差值的指标偏差。

步骤204，若存在大于预定偏差值的指标偏差，则利用公式

B′_i＝F(B_i)

对指标偏差B_i进行过滤以得到经过修正的指标偏差B′_i，其中F 为滤波函数，用于去除外界干扰对指标偏差计算的影响。

优选的，可选择易于工程实现的滤波器结构形式，滤波器的传递 函数为G(s)＝1/(Ts+1)。其中G(s)为滤波器的传递函数，s为拉氏变换的 复变量，T为惯性时间(s)。

步骤205，利用第i个经济性指标参数的增量与氮氧化物排放增 量的对应关系，根据指标偏差B′_i确定第i个经济性指标参数的修正 值C_i。

例如，C_i＝f_i(B′_i)，f_i为第i个经济性指标参数的增量与氮氧化物 排放增量的对应关系。

步骤206，根据氮氧化物排放基准值R和修正值C_i，预测当前 的氮氧化物排放基准值R′。

步骤207，根据当前的氮氧化物排放基准值R′对燃煤锅炉的二次风 门进行调整，以降低氮氧化物的排放。

通过利用修正后的氮氧化物排放基准值对燃煤锅炉的二次风门进 行调整，特别是对分离式燃尽风(Separate Over Fire Air，简称：SOFA) 风门进行调整，可有效降低氮氧化物的排放。

图3为本发明氮氧化物排放预测装置一个实施例的示意图。如图3 所示，氮氧化物排放预测装置可包括采集单元301、偏差计算单元302、 识别单元303、修正值确定单元304和预测单元305。其中：

采集单元301，用于以预定的时间间隔采集第i个经济性指标参 数的参数值Fc_i，其中1≤i≤N，N为经济性指标参数总数。

在一个实施例中，经济性指标参数包括减温水量、锅炉省煤器出 口氧量、尾部烟气中一氧化碳含量、主再热汽温。

偏差计算单元302，用于计算参数值Fc_i的指标偏差B_i，其中B_i＝Fc_i－FcL_i，FcL_i为与第i个经济性指标参数相对应的参数阈值。

识别单元303，用于判断是否存在大于预定偏差值的指标偏差。

修正值确定单元304，用于根据识别单元303的判断结果，若存 在大于预定偏差值的指标偏差，则利用第i个经济性指标参数的增量 与氮氧化物排放增量的对应关系，根据指标偏差B_i确定第i个经济 性指标参数的修正值C_i。

优选的，修正值确定单元304具体利用公式B′_i＝F(B_i)对指标偏 差B_i进行过滤以得到经过修正的指标偏差B′_i，其中F为滤波函数， 用于去除外界干扰对指标偏差计算的影响；利用第i个经济性指标参 数的增量与氮氧化物排放增量的对应关系，根据指标偏差B′_i确定第 i个经济性指标参数的修正值C_i。

预测单元305，用于根据氮氧化物排放基准值R和修正值C_i， 预测当前的氮氧化物排放基准值R′。

在一个实施例中，预测单元305具体利用公式

R′＝R+ψ₁C₁+…+ψ_iC_i+…+ψ_NC_N

预测当前的氮氧化物排放基准值R′，其中ψ_i为修正值C_i的权重 值。

优选的，权重值ψ_i均为1。

基于本发明上述实施例提供的基于经济性指标参数的氮氧化物排 放预测装置，通过在考虑经济性指标参数的前提下预测燃煤锅炉的氮氧 化物排放量，从而可在保证锅炉安全高效运行的前提下，实现氮氧化物 低排放的目标。

图4为本发明氮氧化物排放预测装置另一实施例的示意图。与图3 所示实施例相比，在图4所示实施例中，氮氧化物排放预测装置还可包 括调整单元401。其中：

调整单元401，用于根据当前的氮氧化物排放基准值R′对燃煤锅炉 的二次风门进行调整，以降低氮氧化物的排放。

通过利用修正后的氮氧化物排放基准值对燃煤锅炉的二次风门进 行调整，可有效降低氮氧化物的排放。

在另一实施例中，氮氧化物排放预测装置还包括对应关系建立单 元402，用于建立第i个经济性指标参数的增量与氮氧化物排放增量 之间的对应关系。其中对应关系的建立可通过上述试验得到。

通过实施本发明，可以得到以下有益效果：

1)经济性好。在不影响锅炉经济性的前提下，减低NOx排放量的控 制目标。

2)准确度高。NOx预测方法的基础数据源于热态试验，具有较强的 准确度和对当前机组的适应性。

3)稳定可靠。相比于人工智能的方法，此预测方法具有算法简单、 鲁棒性好、可靠性高的特点。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步 骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所 述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介 质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的 或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技 术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理 和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适 于特定用途的带有各种修改的各种实施例。