火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備燃燒優(yōu)化方法研究

趙永設(shè) 王士強(qiáng)

（國(guó)家能源費(fèi)縣發(fā)電有限公司，費(fèi)縣 273400）

2022 年末，我國(guó)電力裝機(jī)容量256 405 萬(wàn)kW，其中火電的比例高達(dá)52%。從目前的能源配置狀況來(lái)看，到2050 年我國(guó)的電力總量仍以火電為主。煤炭是我國(guó)能源消費(fèi)的重要組成部分，受資源和技術(shù)等各方面條件的限制，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，發(fā)電廠以燃煤發(fā)電為主的狀況將很難改變[1]。當(dāng)前，我國(guó)認(rèn)識(shí)到可持續(xù)發(fā)展的重要性，采取了多種措施來(lái)提高火電機(jī)組的運(yùn)行效率，以減少電力消耗，進(jìn)而提高總體能源利用水平。電力行業(yè)的發(fā)展，不僅關(guān)乎我國(guó)的能源安全，更關(guān)乎國(guó)計(jì)民生。2002 年，國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《電力體制改革方案》。2022 年，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十四五”市場(chǎng)監(jiān)管現(xiàn)代化規(guī)劃》提到，要推進(jìn)自然壟斷行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)性環(huán)節(jié)市場(chǎng)化改革，加快實(shí)現(xiàn)能源、鐵路、電信、公用事業(yè)等行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)性環(huán)節(jié)市場(chǎng)化，放開競(jìng)爭(zhēng)性業(yè)務(wù)準(zhǔn)入，進(jìn)一步引入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制[2]。

近年來(lái)，由于煤炭資源緊缺，煤炭?jī)r(jià)格不斷上升，使得火力發(fā)電廠的發(fā)電成本大幅增加[3]。為了保證利潤(rùn)，各發(fā)電廠正不斷提高機(jī)組的運(yùn)行水平，減少煤耗，以達(dá)到降低發(fā)電成本、節(jié)約能源的目的?；鹆Πl(fā)電廠鍋爐設(shè)備燃燒優(yōu)化的研究是提高能源利用效率和降低污染物排放的關(guān)鍵，可采用5 種方法進(jìn)行優(yōu)化。方法一，優(yōu)化或改變?nèi)紵绞?。調(diào)整燃燒器的配風(fēng)比例，使煤粉和空氣能夠更好地混合，達(dá)到充分燃燒的目的。同時(shí)，采用新型燃燒器，如低氮氧化物燃燒器，以減少氮氧化物的排放。方法二，優(yōu)化燃料配比。根據(jù)不同的煤種和媒質(zhì)，合理搭配使用各種燃料，包括高熱值煤、低熱值煤、油、天然氣等。通過(guò)調(diào)整各種燃料的配比，可以提高燃燒率，減少污染物的排放。方法三，實(shí)現(xiàn)燃煤全水分高效潔凈燃燒。通過(guò)采用新型的燃煤技術(shù)，如循環(huán)流化床燃燒技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)燃煤全水分高效潔凈燃燒，提高燃煤的利用率，減少污染物排放。方法四，應(yīng)用先進(jìn)控制系統(tǒng)，如模糊控制器等，智能化控制鍋爐設(shè)備，提高燃燒效率和降低污染物排放。方法五，引入新型技術(shù)，如煙氣脫硫技術(shù)、煙氣脫硝技術(shù)等，減少鍋爐設(shè)備排放的污染物對(duì)環(huán)境的影響。這些措施的實(shí)施，能夠提高能源利用效率、減少污染物排放和保護(hù)環(huán)境。在這樣的發(fā)展背景下，文章結(jié)合熱力計(jì)算開展對(duì)火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備燃燒優(yōu)化的相關(guān)研究。

1 基于熱力計(jì)算的鍋爐設(shè)備燃燒優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建立

電站輔機(jī)在鍋爐運(yùn)行時(shí)會(huì)消耗大量電能，其中耗電較多的是磨煤機(jī)、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、給水泵和凝結(jié)水泵等，電力消耗將增加鍋爐產(chǎn)熱的費(fèi)用[4]。在保證鍋爐安全運(yùn)行的前提下，以提高火力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合熱力計(jì)算分析鍋爐的發(fā)熱費(fèi)用[5]。圖1 為火力發(fā)電廠鍋爐熱力計(jì)算流程圖，其中Tpy表示排煙溫度，Ipy表示排煙焓，Trk表示設(shè)定的預(yù)熱空氣溫度。

圖1 火力發(fā)電廠鍋爐熱力計(jì)算流程圖

鍋爐設(shè)備燃燒優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

式中：ε為燃燒效率；β為NOx排放量；γ為CO排放量；δ為排煙量；ω為權(quán)重系數(shù)。

鍋爐產(chǎn)生熱量的費(fèi)用計(jì)算公式為

式中：B為燃料消耗量；Cj為原料煤配煤時(shí)的原材料價(jià)格；Xj為原材料配煤時(shí)的配比；Bj為燃料消耗量計(jì)算值；Qnct,ar,j為原材料收到基低位發(fā)熱量；ηgl為鍋爐設(shè)備的熱效率；Zl為火力發(fā)電廠用電造成的發(fā)熱成本增加量。

采用窮舉法得到最優(yōu)工況下的混合煤粉比例及過(guò)?？諝庀禂?shù)[6]。在鍋爐運(yùn)行優(yōu)化模型的求解中，配煤和送風(fēng)兩個(gè)問題密切相關(guān)，解決關(guān)鍵在于確定最優(yōu)的送煤比。配煤優(yōu)化模型利用窮舉法列舉出每一種混煤的配比，在混煤配比已經(jīng)確定的情況下可以列舉不同的超額空氣系數(shù)，從而找出每種混煤配比情況下的最優(yōu)超額空氣系數(shù)[7]。再借助鍋爐熱力計(jì)算找出發(fā)熱成本，并對(duì)比所有混煤配比情況下的發(fā)熱成本，從而確定鍋爐發(fā)熱成本最低時(shí)的混煤配煤比例[8]。

在保證鍋爐安全運(yùn)行參數(shù)的前提下優(yōu)化操作，找出最佳操作狀態(tài)下的混合煤粉配比和過(guò)?？諝庀禂?shù)，從而獲得鍋爐主、輔設(shè)備的最佳操作模式，以達(dá)到降低整體鍋爐發(fā)熱成本的目的[9]。通過(guò)對(duì)最佳混合比及最佳過(guò)剩空氣系數(shù)的計(jì)算，可以有效改善鍋爐的實(shí)際操作條件[10]。

2 火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備配煤優(yōu)化與配風(fēng)優(yōu)化

鍋爐設(shè)備燃燒優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建立后，結(jié)合配煤約束條件對(duì)火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備進(jìn)行配煤優(yōu)化[11]。

發(fā)熱量約束條件為

式中：Qnct,ar,min為發(fā)熱量最小限值；Qnct,ar,max為發(fā)熱量最大限值。

含硫量約束條件為

式中：Sar為含硫量；Sar,j為折算硫分。若火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行脫硫處理，則可以不考慮含硫量Sar的約束條件。

在對(duì)火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備配風(fēng)優(yōu)化時(shí)，要考慮鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)鍋爐設(shè)備各項(xiàng)熱損失的影響[12]。假設(shè)過(guò)量空氣系數(shù)為a，排煙熱損失為q2，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式得出排煙熱損失的計(jì)算公式為

式中：m和n均為計(jì)算系數(shù)；αpy為排煙位置的過(guò)量空氣系數(shù)；q4為機(jī)械未完全燃燒的熱損失量；tlk為冷空氣溫度，通常情況下取值為20 ～30 ℃。

在鍋爐設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)械未完全燃燒熱損失量不僅與過(guò)量空氣系數(shù)相關(guān)[13]，也與排煙熱損失相關(guān)。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)增加時(shí)，排煙熱損失也會(huì)增加。這是因?yàn)檩^多的空氣進(jìn)入爐膛導(dǎo)致燃料未完全燃燒[14]，過(guò)量空氣的增加會(huì)降低爐膛溫度和輻射換熱量，使得機(jī)械未完全燃燒的熱損失增加。為了優(yōu)化這一過(guò)程，可以通過(guò)調(diào)整燃料參數(shù)來(lái)達(dá)到最佳的配風(fēng)效果[15]。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

目前，燃煤電廠新建項(xiàng)目以大容量的亞臨界、超臨界、超超臨界鍋爐為主，燃煤優(yōu)化空間有限，難以測(cè)試。以某熱電廠正在運(yùn)行使用的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備為例，應(yīng)用提出的基于熱力計(jì)算的優(yōu)化方法對(duì)該鍋爐設(shè)備燃燒進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的燃燒效果，驗(yàn)證優(yōu)化方法是否可行。

驗(yàn)證設(shè)備運(yùn)行效率指標(biāo)的計(jì)算公式為

式中：η為鍋爐設(shè)備運(yùn)行效率；τ為鍋爐設(shè)備出口熱量；T為鍋爐設(shè)備入口熱量。結(jié)合式（6）記錄優(yōu)化前后鍋爐設(shè)備的運(yùn)行效率，如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后鍋爐設(shè)備的運(yùn)行效率記錄表

從表1 可以看出，優(yōu)化前鍋爐設(shè)備的運(yùn)行效率最高為87.1%，優(yōu)化后能夠控制在87%～90%。由此可見，提出的優(yōu)化方法能夠有效提高鍋爐設(shè)備的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐設(shè)備燃燒的優(yōu)化。

從鍋爐設(shè)備燃燒時(shí)燃料消耗量角度驗(yàn)證優(yōu)化方法的可行性。燃料消耗量是指在規(guī)定要求的燃燒任務(wù)條件下消耗的燃料量，計(jì)算公式為

式中：W為鍋爐設(shè)備燃料消耗量；χ為燃料熱值；e為鍋爐熱效率。結(jié)合式（7）記錄優(yōu)化前后鍋爐設(shè)備燃燒時(shí)的燃料消耗量，如表2 所示。

表2 優(yōu)化前后鍋爐設(shè)備燃燒時(shí)燃料消耗量記錄表

由表2 可以看出，優(yōu)化前鍋爐設(shè)備燃料消耗量平均值高于46 t·h-1，優(yōu)化后的平均值控制在44.0 t·h-1以內(nèi)，說(shuō)明燃燒利用率更高，燃燒效果更理想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出的鍋爐設(shè)備燃燒優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用中具有極高的應(yīng)用價(jià)值，能夠有效提高鍋爐設(shè)備的運(yùn)行效率，減少燃料消耗量。

4 結(jié)語(yǔ)

以熱力計(jì)算為核心，提出一種全新的火力發(fā)電廠鍋爐燃燒優(yōu)化方法，并通過(guò)小容量機(jī)組對(duì)比應(yīng)用該方法優(yōu)化前后的鍋爐設(shè)備燃燒效果，驗(yàn)證了優(yōu)化方法應(yīng)用的可行性。在今后的研究中，將針對(duì)其他更復(fù)雜的情況，如多個(gè)煤種、更高配煤精度條件下的火力發(fā)電廠鍋爐燃燒進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備燃燒品質(zhì)。