燃煤電站鍋爐最佳煙氣含氧量在線計(jì)算模型

石偉晶 王景成 史元浩

(1.上海交通大學(xué)自動(dòng)化系，上海 200240；2.系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

在電廠規(guī)程中，一般只會(huì)給出鍋爐在額定工況下的最佳煙氣含氧量設(shè)定值，但是鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)因受到多種外界因素影響而無法完全按最佳工況運(yùn)行。在工況不斷變化的情況下，計(jì)算出不同工況相應(yīng)的最佳煙氣含氧量設(shè)定值，可提高鍋爐效率。

國內(nèi)已有很多學(xué)者開展關(guān)于煙氣含氧量最優(yōu)值的研究。蒼國超等建立運(yùn)行氧量、機(jī)組供電煤耗率與機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)模型,并以機(jī)組的供電煤耗率為優(yōu)化目標(biāo),借助遺傳算法對(duì)模型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行全局尋優(yōu),最終得到了不同運(yùn)行工況下的最佳氧量預(yù)測(cè)值[1]。劉福國等分析了多個(gè)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在爐膛出口煙氣含氧量變化下的影響,建立了以凈供電煤耗為因變量，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為自變量的方程，從而求出機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行氧量[2]。谷俊杰等分析了熱經(jīng)濟(jì)性參數(shù)在煙氣含氧量影響下的變化特性，并建立以最小供電煤耗率為目標(biāo)的最佳煙氣含氧量偏微分方程,從而得出電站鍋爐不同工況下的最佳煙氣含氧量設(shè)定值[3]。

筆者以鍋爐熱平衡原理為基礎(chǔ)，分析過量空氣系數(shù)、飛灰含碳量和排煙溫度在煙氣含氧量影響下的變化特性并建立以鍋爐效率為目標(biāo)的在線最佳煙氣含氧量計(jì)算模型,通過在線計(jì)算可以確定電站鍋爐在不同負(fù)荷下的最佳煙氣含氧量設(shè)定值。

1.1 反平衡法鍋爐效率表示

根據(jù)反平衡法計(jì)算鍋爐的各項(xiàng)熱損失，求取鍋爐熱效率：

ηb=100-∑q=100-q2-q3-q4-q5-q6

(1)

式中Q2——單位質(zhì)量燃料的排煙熱損失，kJ/kg；

Q3——單位質(zhì)量燃料的化學(xué)未完全燃燒熱損失，kJ/kg；

Q4——單位質(zhì)量燃料的機(jī)械未完全燃燒熱損失，kJ/kg；

Q5——單位質(zhì)量燃料的鍋爐散熱熱損失，kJ/kg；

Q6——單位質(zhì)量燃料的灰渣物理熱損失，kJ/kg；

Qr——燃料的收到基發(fā)熱量，kJ/kg；

q2～q6——相應(yīng)各部分的熱損失百分比，%；

ηb——鍋爐效率，%。

在我國現(xiàn)行的電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程GB 10184-1988中，一般用燃料的收到基低位發(fā)熱量Qdw來代替Qr。

1.2 鍋爐效率關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

建立筆者提出的最佳煙氣含氧量在線計(jì)算模型需要利用煤的元素分析和低位發(fā)熱量。采用GB 10184-1988進(jìn)行鍋爐效率試驗(yàn)，主要測(cè)量如下參數(shù)。

入爐的燃煤化學(xué)元素分析成分。主要包括燃煤的收到基低位發(fā)熱量Qdw(kJ)、燃煤的碳含量Car(%)、灰分Aar(%)、氫含量Har(%)、氧含量Oar(%)、氮含量Nar(%)、硫含量Sar(%)和水分Mar(%)。

筆者所選的研究對(duì)象為貴州某燃煤火力電站2號(hào)300MW機(jī)組鍋爐，其入爐燃煤的化學(xué)成分如下：

Aar27.67%

Car58.02%

Har1.90%

Mar10.00%

Nar0.83%

Oar0.89%

Sar0.69%

Qdw20 992kJ/kg

鍋爐的生產(chǎn)測(cè)量參數(shù)主要包括鍋爐煙氣含氧量O2(%)、排煙溫度tpy(℃)、煙氣的飛灰含碳量Cfh(%)及空氣絕對(duì)濕度dk(kg/kg)等。

1.3 基于煙氣含氧量的鍋爐效率分析計(jì)算模型

排煙溫度是電站燃煤鍋爐運(yùn)行中非常重要的一個(gè)參數(shù)。排煙熱損失是鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，排煙熱損失占所有熱損失的60%～80%[4]。如果排煙溫度過高，則會(huì)影響電站鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性?；以剂恳彩清仩t運(yùn)行中一個(gè)重要的參數(shù)。電站鍋爐中灰渣含碳量包括飛灰含碳量和爐渣含碳量。與灰渣平均含碳量有關(guān)的損失為機(jī)械不完全燃燒熱損失。過量空氣系數(shù)定義為燃料燃燒時(shí)實(shí)際空氣量和理論燃燒空氣量的比值。過量空氣系數(shù)的變化對(duì)電站鍋爐的燃燒影響比較大。另外，過量空氣系數(shù)與其他運(yùn)行參數(shù)的耦合性比較強(qiáng)。當(dāng)過量空氣系數(shù)變化時(shí)，主汽溫、主汽壓、再熱汽溫、再熱汽壓、排煙溫度及灰渣含碳量等都會(huì)發(fā)生變化[5]。

因此，筆者建立以鍋爐效率ηb為因變量，過量空氣系數(shù)α、排煙溫度tpy和飛灰含碳量Cfh為自變量的函數(shù)，即：

ηb=f(α,tpy,Cfh)

(2)

將式(2)對(duì)煙氣含氧量O2求導(dǎo)，可以得到鍋爐效率ηb對(duì)電站鍋爐運(yùn)行過程中煙氣含氧量O2的偏導(dǎo)數(shù)關(guān)系：

(3)

建立了電站鍋爐運(yùn)行過程中基于煙氣含氧量變化的鍋爐效率定量分析計(jì)算模型，從數(shù)學(xué)角度反映了電站鍋爐運(yùn)行過程中煙氣含氧量變化引起熱經(jīng)濟(jì)性參數(shù)變化，進(jìn)而通過熱經(jīng)濟(jì)性參數(shù)影響鍋爐熱效率的本質(zhì)過程。

2 熱經(jīng)濟(jì)性參數(shù)的微增量方程計(jì)算

2.1 基于煙氣含氧量的過量空氣系數(shù)變化對(duì)鍋爐效率的影響

根據(jù)GB 10184-1988可以得到過量空氣系數(shù)變化對(duì)鍋爐效率的影響為：

(4)

(5)

2.2 基于煙氣含氧量的排煙溫度變化對(duì)鍋爐效率的影響

與排煙溫度有關(guān)的熱損失為排煙熱損失，其占比q2定義為：

(6)

當(dāng)過量空氣系數(shù)一定，基準(zhǔn)溫度一定時(shí)，只考慮排煙溫度影響的排煙熱損失。當(dāng)排煙溫度變化時(shí)，引起鍋爐效率的變化量為：

(7)

=-K·Δtpy

因此有：

(8)

式中cgy——干煙氣平均比熱，kJ/(kg·℃)；

cH2O——水蒸氣平均比熱，kJ/(kg·℃)；

t0——基準(zhǔn)溫度，℃；

tpy——排煙溫度，℃；

Vgy——單位燃料燃燒生成的干煙氣體積，m3/kg；

VH2O——煙氣中所含水蒸氣容積，m3/m3。

排煙溫度對(duì)煙氣含氧量的偏導(dǎo)數(shù)?tpy/?O2可以表示為：

(9)

其中，f=ad/(ad+af)，表示煙氣對(duì)流傳熱系數(shù)在總傳熱系數(shù)中所占的份額，ad為煙氣對(duì)流傳熱系數(shù)，af為煙氣輻射傳熱系數(shù)；k為煙道漏風(fēng)系數(shù)?？梢圆捎每諝忸A(yù)熱器出入口的氧含量來間接計(jì)算其漏風(fēng)系數(shù)，漏風(fēng)系數(shù)可以由空預(yù)器出口過量空氣系數(shù)減去入口過量空氣系數(shù)求得，即k=αout-αin。

2.3 基于煙氣含氧量的飛灰含碳量變化對(duì)鍋爐效率的影響

灰渣含碳量表明燃煤在爐內(nèi)未燃盡的程度，灰渣含碳量越高，未燃盡的碳越多，未完全燃燒熱損失就越大。與灰渣平均含碳量有關(guān)的損失為機(jī)械未完全燃燒熱損失，其占比q4定義為：

(10)

(11)

式中afh——飛灰份額，%，對(duì)于研究對(duì)象的W型火焰煤粉爐其通常取85%；

Cfh——飛灰含碳量，%；

Clz——爐渣含碳量，%。

由于爐渣含碳造成的機(jī)械不完全損失為0.5%～1.0%，對(duì)鍋爐效率影響較小，所以將Clz認(rèn)定為定值。飛灰含碳量變化，其他參數(shù)都不變，則對(duì)鍋爐效率的影響為：

(12)

因此有：

(13)

利用2012年4～5月的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立不同負(fù)荷下飛灰含碳量與煙氣含氧量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。結(jié)果見表1。

表1 不同負(fù)荷下飛灰含碳量(%)與煙氣含氧量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

鍋爐二次風(fēng)主要為煤粉燃燒提供氧氣，如果氧氣不足，會(huì)導(dǎo)致煤粉缺氧燃燒，化學(xué)不完全燃燒損失會(huì)增加，從而導(dǎo)致飛灰含量增大，但是氧量過大也會(huì)導(dǎo)致飛灰增多，原因是過多的二次風(fēng)進(jìn)入爐膛使鍋爐的溫度水平降低，使煤粉燃盡難度變大。另一方面過高的氧量會(huì)增加煙氣量，使煙氣流速增加。煙氣流速的增加導(dǎo)致煤粉在爐膛里燃燒時(shí)間縮短，可能會(huì)帶走部分沒有燃盡的煤粉，從而也會(huì)導(dǎo)致飛灰增多[6]。

鍋爐運(yùn)行負(fù)荷增加時(shí)，煤粉消耗量增多，水冷壁的吸熱量也會(huì)隨之增加，使得爐膛平均溫度升高，煤粉在高負(fù)荷時(shí)，容易燃盡，使飛灰含碳量降低。但鍋爐負(fù)荷并非越高越好，過高的鍋爐負(fù)荷容易引起爐膛結(jié)焦[7]。

根據(jù)以上氧量和負(fù)荷對(duì)飛灰含碳量影響的分析，飛灰含碳量與氧量的關(guān)系用拋物線方程擬合，負(fù)荷與氧量的關(guān)系用線性方程擬合，即f(Cfh)=a(1)x2+a(2)xy+a(3)x+a(4)y+a(5)，其中x為煙氣含氧量，%；y為鍋爐負(fù)荷，MW；a(1)、a(2)、a(3)、a(4)、a(5)為方程的系數(shù)。

表1中數(shù)據(jù)的最小二乘擬合結(jié)果為：

f(Cfh)=0.2237x2+0.0050xy-3.5455x-

0.0275y+17.3530

(14)

3 實(shí)例驗(yàn)證和分析

筆者選取的實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)象為貴州某燃煤火力電站2號(hào)300MW機(jī)組鍋爐。將式(4)、(5)、(8)、(9)、(13)、(15)和不同負(fù)荷下(180、200、220、240、260、280、300MW)的運(yùn)行參數(shù)代入式(3)，即可得到不同負(fù)荷下的最佳煙氣含氧量(圖1)。

圖1 不同負(fù)荷下最佳煙氣含氧量設(shè)定值曲線

由于模型所用參數(shù)都能通過鍋爐安裝的DCS系統(tǒng)在線獲得，因而模型可以在線計(jì)算最佳煙氣含氧量。相比之前許多學(xué)者的研究結(jié)果基本都是離線下的分析結(jié)果，這是該模型的優(yōu)勢(shì)之一。在線計(jì)算結(jié)果如圖2所示，數(shù)據(jù)采集為鍋爐某天約10h的數(shù)據(jù)，采樣間隔時(shí)間為5s，共有7 000個(gè)點(diǎn)。

圖2 在線最佳煙氣含氧量監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)束語

建立了過量空氣系數(shù)、排煙溫度和飛灰含碳量的變化對(duì)鍋爐效率影響的計(jì)算模型和各經(jīng)濟(jì)參數(shù)與煙氣含氧量的變化關(guān)系，這些研究對(duì)運(yùn)行人員在工作中調(diào)節(jié)控制電站鍋爐有一定的指導(dǎo)意義。在此基礎(chǔ)上，得到了不同負(fù)荷下最佳煙氣含氧量設(shè)定值曲線并實(shí)現(xiàn)了在線計(jì)算最佳煙氣含氧量的目標(biāo)，據(jù)此可以調(diào)節(jié)鍋爐不同負(fù)荷下的二次風(fēng)量，使實(shí)際煙氣含氧量等于最佳煙氣含氧量設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)電站鍋爐的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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[5] 張金龍.張家口熱電300MW鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化控制試驗(yàn)研究[D].北京：華北電力大學(xué),2011.

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