基于燃煤電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的煙氣污染物排放技術(shù)優(yōu)化研究及應(yīng)用

張宇 周連升 王桂林 王森 周義剛

（國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384）

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)針對(duì)燃煤電廠大氣污染物控制出臺(tái)了多項(xiàng)法規(guī)、政策、標(biāo)準(zhǔn)，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，同時(shí)排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的逐年提高，對(duì)燃煤電廠污染物排放提出了更高的要求?！短旖蚴?種主要污染物排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整及差別化收費(fèi)實(shí)施細(xì)則（試行）》中SO2和NOX等污染物排放收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)分別提高5～13倍，污染物脫除及排放費(fèi)用在鍋爐總體運(yùn)營(yíng)成本中所占的比重越來(lái)越大，極大改變了燃煤電廠鍋爐運(yùn)行成本的結(jié)構(gòu)。原有的追求鍋爐熱效率的鍋爐運(yùn)行調(diào)整及優(yōu)化方式，已不再適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)保形勢(shì)。

本文對(duì)電廠燃煤鍋爐運(yùn)行及煙氣污染物排放全過(guò)程進(jìn)行了研究，建立了鍋爐煙氣污染物預(yù)測(cè)模型、鍋爐運(yùn)行總成本計(jì)算模型、燃料及運(yùn)行方式優(yōu)化模型，開(kāi)發(fā)了燃煤鍋爐污染物預(yù)測(cè)及過(guò)程優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)。該項(xiàng)目綜合考慮燃煤、污染物脫除及排放等費(fèi)用，以鍋爐總體運(yùn)營(yíng)成本為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化燃料混配，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行方式，從源頭上有效的控制污染物的生成，降低鍋爐運(yùn)行成本，并在2×300MW 機(jī)組示范工程成功應(yīng)用，達(dá)到了節(jié)能減排的目的，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

2 系統(tǒng)建立原理

2.1 污染物預(yù)測(cè)

鍋爐煙氣中污染物主要為SO2、粉塵和NOx。SO2和粉塵的生成機(jī)理比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用物料平衡等已有的成熟的方法就可以得出精確的結(jié)果。

NOx的生成原因比較復(fù)雜，主要將NOx的生成分為燃料型、熱力型和快速型三種[1]，不僅和煤質(zhì)有關(guān)，更和鍋爐運(yùn)行方式有關(guān)，例如爐膛溫度、氧含量、分級(jí)燃燒情況等。目前的研究結(jié)果對(duì)NOx的生成更多的是定性的分析，對(duì)其生成濃度沒(méi)有成熟的數(shù)學(xué)模型可以直接利用，需要進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)得到相關(guān)數(shù)據(jù)，利用支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，利用電廠所采集的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，最終得出比較可靠的關(guān)于NOx濃度的預(yù)測(cè)模型（如下式所示）。

式中：y為SCR入口的NOX濃度；x為負(fù)荷、一二次風(fēng)量、各二次擋板開(kāi)度，給煤量，氧量等輸入量；c(N)為混煤中的含氮量；m為修正系數(shù)，本文中m取0.8；σ 為核參數(shù)；b為截距參數(shù)；αj為拉格朗日乘子。

2.2 運(yùn)行總成本計(jì)算

對(duì)電廠鍋爐運(yùn)行方式和歷史參數(shù)進(jìn)行研究，提出鍋爐運(yùn)行環(huán)保全流程的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)計(jì)算模型。采用支持向量機(jī)及數(shù)據(jù)擬合的方法，預(yù)測(cè)計(jì)算鍋爐不同煤質(zhì)，不同工況條件下煤耗成本、脫硫脫硝成本、除塵成本、污染物排污收費(fèi)、補(bǔ)償電價(jià)等總成本，單位發(fā)電負(fù)荷總成本來(lái)評(píng)價(jià)鍋爐經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)行總成本的構(gòu)成如圖1所示。

根據(jù)NOx濃度，煙氣流量，脫硝設(shè)備進(jìn)出口溫度預(yù)測(cè)脫硝系統(tǒng)成本；根據(jù)SO2濃度，煙氣流量，脫硫設(shè)備進(jìn)出口溫度預(yù)測(cè)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行成本；根據(jù)煙氣煙塵濃度，煙氣流量，煙氣溫度預(yù)測(cè)除塵系統(tǒng)運(yùn)行成本；根據(jù)排煙污染物濃度（NOx，SO2，煙塵等），以天津環(huán)保局現(xiàn)行污染物排放收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算電廠需要繳納的污染物排放費(fèi)用；根據(jù)煙氣污染物處理設(shè)備的投入情況，及煙氣污染物排放濃度，計(jì)算電廠應(yīng)獲得的環(huán)保補(bǔ)償電價(jià)。

2.3 燃料優(yōu)化

對(duì)電廠配煤混煤方式進(jìn)行研究，提出基于鍋爐運(yùn)行煙氣環(huán)保全流程綜合成本因子的燃料優(yōu)化方法[2]。在配煤優(yōu)化過(guò)程中，綜合考慮煤質(zhì)、煤價(jià)、污染物生成、污染物排放等因素，以最小總成本為目標(biāo)，運(yùn)用線性規(guī)劃中的單純形法實(shí)現(xiàn)燃料優(yōu)化[3]。燃料優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.4 鍋爐運(yùn)行方式優(yōu)化

采用插值的方法，以煤質(zhì)及鍋爐運(yùn)行相關(guān)參數(shù)為自變量，以燃煤及排放污染物和污染物脫出設(shè)備運(yùn)行成本之和作為因變量，建立一個(gè)三次插值多項(xiàng)式，將此多項(xiàng)式作為目標(biāo)函數(shù)，再應(yīng)用無(wú)約束條件非線性規(guī)劃的最速下降法進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的鍋爐運(yùn)行方式。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及建立

圖1 運(yùn)行總成本構(gòu)成圖

圖2 燃料優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)圖

本文以天津某2×300MW 亞臨界燃煤鍋爐為例，介紹燃煤鍋爐污染物預(yù)測(cè)及過(guò)程優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)情況。

3.1 運(yùn)行調(diào)整試驗(yàn)

四個(gè)數(shù)學(xué)模型建立后，需要大量的鍋爐運(yùn)行樣本數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行訓(xùn)練，以確定模型部分參數(shù)、實(shí)現(xiàn)支持向量積方法及數(shù)據(jù)擬合方法。本文采集示范工程鍋爐一年以上歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)煤質(zhì)不同、負(fù)荷不同、運(yùn)行方式不同，篩選數(shù)據(jù)樣本860組。但鍋爐的正常運(yùn)行方式較穩(wěn)定，變化較少，歷史樣本數(shù)據(jù)無(wú)法滿足模型訓(xùn)練的要求，因此進(jìn)行了鍋爐運(yùn)行調(diào)整試驗(yàn)。包括：煤質(zhì)調(diào)整試驗(yàn)、負(fù)荷調(diào)整試驗(yàn)、給煤機(jī)組合方式調(diào)整試驗(yàn)、二次風(fēng)開(kāi)度調(diào)整試驗(yàn)、燃盡風(fēng)開(kāi)度調(diào)整試、氧量調(diào)整試驗(yàn)等近80余工況的調(diào)整試驗(yàn)，得到230組補(bǔ)充樣本數(shù)據(jù)，使得樣本數(shù)據(jù)更全面，更具代表性，保障數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

3.2 系統(tǒng)主要功能及畫(huà)面

燃煤鍋爐污染物預(yù)測(cè)及過(guò)程優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)的主要功能包括以下幾點(diǎn)：

3.2.1 配煤計(jì)算：系統(tǒng)內(nèi)錄入電廠常用煤種的煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，配煤計(jì)算時(shí)，選擇需要混配的煤種，設(shè)置混配比例，此功能可自動(dòng)計(jì)算得到混合后煤質(zhì)信息。

3.2.2 燃料優(yōu)化：根據(jù)用戶選擇的煤種，系統(tǒng)自行計(jì)算，得到運(yùn)行總成本最低的燃料混配方式。

3.2.3 污染物預(yù)測(cè)：根據(jù)鍋爐入爐煤質(zhì)的不同，結(jié)合鍋爐的運(yùn)行方式（負(fù)荷、風(fēng)量、磨煤機(jī)組合方式、配風(fēng)方式等），預(yù)測(cè)計(jì)算鍋爐煙氣中污染物濃度，例如：SO2、NOX、粉塵、煙氣量等。

3.2.4 運(yùn)行總成本計(jì)算：根據(jù)入爐煤質(zhì)和鍋爐運(yùn)行方式，預(yù)測(cè)計(jì)算鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)成本，主要包括：燃煤成本、污染物脫除成本、污染物排放成本、環(huán)保電價(jià)補(bǔ)償?shù)取?/p>

3.2.5 運(yùn)行方式優(yōu)化：以鍋爐運(yùn)行總成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)給出較為經(jīng)濟(jì)的鍋爐運(yùn)行方式，包括：磨煤機(jī)組合方式、一二次風(fēng)量、二次風(fēng)開(kāi)度、燃盡風(fēng)開(kāi)度、給煤量等參數(shù)。

3.2.6 輔助功能：系統(tǒng)還具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、法律法規(guī)查詢、飽和蒸汽計(jì)算、設(shè)備說(shuō)明說(shuō)查詢等輔助功能。

3.3 系統(tǒng)主畫(huà)面

系統(tǒng)的首界面、運(yùn)行方式優(yōu)化界面及運(yùn)行成本計(jì)算界面如圖3～圖5所示。

4 系統(tǒng)節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效益分析

圖3 系統(tǒng)首界面

圖4 運(yùn)行方式優(yōu)化界面

圖5 鍋爐運(yùn)行成本計(jì)算界面

本系統(tǒng)在示范工程2×300MW亞臨界鍋爐上進(jìn)行了試用，已經(jīng)滿一年。根據(jù)優(yōu)化調(diào)整驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，300MW負(fù)荷工況下通過(guò)系統(tǒng)對(duì)配煤和運(yùn)行方式優(yōu)化，可降低成本0.00625元/kW·h；250MW 負(fù)荷工況下降低成本0.00149元/kW·h；200MW 負(fù)荷工況下降低成本0.00077元/kW·h；150MW 負(fù)荷工況下降低成本0.01715元/kW·h，機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)5476h。

示范工程年經(jīng)濟(jì)效益：兩臺(tái)機(jī)組年節(jié)約成本=（0.00625元/kW·h×300MW ×1308h+0.00149 元 /kW·h×250MW ×3311h+0.00077元/kW·h×200MW×552h+0.01715元/kW·h×150MW×305h）×2=911萬(wàn)元。

由于該項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容具有普遍通用性，可以在電廠燃煤鍋爐領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，天津地區(qū)目前300MW 容量等級(jí)機(jī)組共有16臺(tái)，如果全部采用燃煤鍋爐污染物預(yù)測(cè)及過(guò)程優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)，按照示范工程2×300MW 機(jī)組節(jié)能減排水平，一年即可節(jié)約成本7288萬(wàn)元，折合標(biāo)煤11.21×104t，相當(dāng)于一年可為天津地區(qū)減少CO2排放29.37×104t，SO2排放952.8t，NOX排放829.5t。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以天津某2×300MW機(jī)為例，介紹了燃煤鍋爐污染物預(yù)測(cè)及過(guò)程優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)。

5.1 本文提出了以鍋爐運(yùn)行總成本為優(yōu)化目標(biāo)的燃料優(yōu)化和鍋爐運(yùn)行方式優(yōu)化新方法，開(kāi)發(fā)了燃煤鍋爐污染物預(yù)測(cè)及過(guò)程優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)。

5.2 本系統(tǒng)對(duì)電廠燃煤鍋爐運(yùn)行及污染物排放全過(guò)程進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)鍋爐的污染物生成，預(yù)測(cè)計(jì)算鍋爐運(yùn)行總成本，優(yōu)化燃料組合方式，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行方式，指導(dǎo)電廠降低污染物生成，降低運(yùn)營(yíng)成本，以達(dá)到節(jié)能減排的目的，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.3 本文的基礎(chǔ)理論具有普遍通用性，適用于200MW及以上燃煤鍋爐，在目前環(huán)保形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的形勢(shì)下，技術(shù)推廣前景廣闊。

[1]王春林，周昊，李國(guó)能，等.大型電廠鍋爐NOx排放特性的支持向量積模型[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(10):131-134.

[2]吳克河,姚佳慧.火電廠配煤優(yōu)化模型的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電力信息化,2009,4:98-101.

[3]線性規(guī)劃單純形法迭代法則的改進(jìn)[J].科技與管理,2010,03:102-104.