燃煤電站鍋爐最佳煙氣含氧量在線計算模型

石偉晶 王景成 史元浩

(1.上海交通大學自動化系，上海 200240；2.系統控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240)

在電廠規程中，一般只會給出鍋爐在額定工況下的最佳煙氣含氧量設定值，但是鍋爐在實際運行中會因受到多種外界因素影響而無法完全按最佳工況運行。在工況不斷變化的情況下，計算出不同工況相應的最佳煙氣含氧量設定值，可提高鍋爐效率。

國內已有很多學者開展關于煙氣含氧量最優值的研究。蒼國超等建立運行氧量、機組供電煤耗率與機組運行參數的網絡模型,并以機組的供電煤耗率為優化目標,借助遺傳算法對模型的輸入參數進行全局尋優,最終得到了不同運行工況下的最佳氧量預測值[1]。劉福國等分析了多個運行經濟指標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，運行經濟指標為自變量的方程，從而求出機組的經濟運行氧量[2]。谷俊杰等分析了熱經濟性參數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定值[3]。

筆者以鍋爐熱平衡原理為基礎，分析過量空氣系數、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的在線最佳煙氣含氧量計算模型,通過在線計算可以確定電站鍋爐在不同負荷下的最佳煙氣含氧量設定值。

1.1 反平衡法鍋爐效率表示

根據反平衡法計算鍋爐的各項熱損失，求取鍋爐熱效率：

ηb=100-∑q=100-q2-q3-q4-q5-q6

(1)

式中Q2——單位質量燃料的排煙熱損失，kJ/kg；

Q3——單位質量燃料的化學未完全燃燒熱損失，kJ/kg；

Q4——單位質量燃料的機械未完全燃燒熱損失，kJ/kg；

Q5——單位質量燃料的鍋爐散熱熱損失，kJ/kg；

Q6——單位質量燃料的灰渣物理熱損失，kJ/kg；

Qr——燃料的收到基發熱量，kJ/kg；

q2～q6——相應各部分的熱損失百分比，%；

ηb——鍋爐效率，%。

在我國現行的電站鍋爐性能試驗規程GB 10184-1988中，一般用燃料的收到基低位發熱量Qdw來代替Qr。

1.2 鍋爐效率關鍵參數計算

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

入爐的燃煤化學元素分析成分。主要包括燃煤的收到基低位發熱量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(%)。

筆者所選的研究對象為貴州某燃煤火力電站2號300MW機組鍋爐，其入爐燃煤的化學成分如下：

Aar27.67%

Car58.02%

Har1.90%

Mar10.00%

Nar0.83%

Oar0.89%

Sar0.69%

Qdw20 992kJ/kg

鍋爐的生產測量參數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(%)及空氣絕對濕度dk(kg/kg)等。

1.3 基于煙氣含氧量的鍋爐效率分析計算模型

排煙溫度是電站燃煤鍋爐運行中非常重要的一個參數。排煙熱損失是鍋爐各項熱損失中最大的一項，排煙熱損失占所有熱損失的60%～80%[4]。如果排煙溫度過高，則會影響電站鍋爐的安全性和經濟性。灰渣含碳量也是鍋爐運行中一個重要的參數。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的損失為機械不完全燃燒熱損失。過量空氣系數定義為燃料燃燒時實際空氣量和理論燃燒空氣量的比值。過量空氣系數的變化對電站鍋爐的燃燒影響比較大。另外，過量空氣系數與其他運行參數的耦合性比較強。當過量空氣系數變化時，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發生變化[5]。

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

ηb=f(α,tpy,Cfh)

(2)

將式(2)對煙氣含氧量O2求導，可以得到鍋爐效率ηb對電站鍋爐運行過程中煙氣含氧量O2的偏導數關系：

(3)

建立了電站鍋爐運行過程中基于煙氣含氧量變化的鍋爐效率定量分析計算模型，從數學角度反映了電站鍋爐運行過程中煙氣含氧量變化引起熱經濟性參數變化，進而通過熱經濟性參數影響鍋爐熱效率的本質過程。

2 熱經濟性參數的微增量方程計算

2.1 基于煙氣含氧量的過量空氣系數變化對鍋爐效率的影響

根據GB 10184-1988可以得到過量空氣系數變化對鍋爐效率的影響為：

(4)

(5)

2.2 基于煙氣含氧量的排煙溫度變化對鍋爐效率的影響

與排煙溫度有關的熱損失為排煙熱損失，其占比q2定義為：

(6)

當過量空氣系數一定，基準溫度一定時，只考慮排煙溫度影響的排煙熱損失。當排煙溫度變化時，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。

排煙溫度對煙氣含氧量的偏導數?tpy/?O2可以表示為：

(9)

其中，f=ad/(ad+af)，表示煙氣對流傳熱系數在總傳熱系數中所占的份額，ad為煙氣對流傳熱系數，af為煙氣輻射傳熱系數；k為煙道漏風系數。可以采用空氣預熱器出入口的氧含量來間接計算其漏風系數，漏風系數可以由空預器出口過量空氣系數減去入口過量空氣系數求得，即k=αout-αin。

2.3 基于煙氣含氧量的飛灰含碳量變化對鍋爐效率的影響

灰渣含碳量表明燃煤在爐內未燃盡的程度，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的損失為機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，%，對于研究對象的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械不完全損失為0.5%～1.0%，對鍋爐效率影響較小，所以將Clz認定為定值。飛灰含碳量變化，其他參數都不變，則對鍋爐效率的影響為：

(12)

因此有：

(13)

利用2012年4～5月的鍋爐運行數據，建立不同負荷下飛灰含碳量與煙氣含氧量之間的數學關系。結果見表1。

表1 不同負荷下飛灰含碳量(%)與煙氣含氧量的對應關系

鍋爐二次風主要為煤粉燃燒提供氧氣，如果氧氣不足，會導致煤粉缺氧燃燒，化學不完全燃燒損失會增加，從而導致飛灰含量增大，但是氧量過大也會導致飛灰增多，原因是過多的二次風進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增加煙氣量，使煙氣流速增加。煙氣流速的增加導致煤粉在爐膛里燃燒時間縮短，可能會帶走部分沒有燃盡的煤粉，從而也會導致飛灰增多[6]。

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

根據以上氧量和負荷對飛灰含碳量影響的分析，飛灰含碳量與氧量的關系用拋物線方程擬合，負荷與氧量的關系用線性方程擬合，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為鍋爐負荷，MW；a(1)、a(2)、a(3)、a(4)、a(5)為方程的系數。

表1中數據的最小二乘擬合結果為：

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

0.0275y+17.3530

(14)

3 實例驗證和分析

筆者選取的實驗仿真對象為貴州某燃煤火力電站2號300MW機組鍋爐。將式(4)、(5)、(8)、(9)、(13)、(15)和不同負荷下(180、200、220、240、260、280、300MW)的運行參數代入式(3)，即可得到不同負荷下的最佳煙氣含氧量(圖1)。

圖1 不同負荷下最佳煙氣含氧量設定值曲線

由于模型所用參數都能通過鍋爐安裝的DCS系統在線獲得，因而模型可以在線計算最佳煙氣含氧量。相比之前許多學者的研究結果基本都是離線下的分析結果，這是該模型的優勢之一。在線計算結果如圖2所示，數據采集為鍋爐某天約10h的數據，采樣間隔時間為5s，共有7 000個點。

圖2 在線最佳煙氣含氧量監測曲線

4 結束語

建立了過量空氣系數、排煙溫度和飛灰含碳量的變化對鍋爐效率影響的計算模型和各經濟參數與煙氣含氧量的變化關系，這些研究對運行人員在工作中調節控制電站鍋爐有一定的指導意義。在此基礎上，得到了不同負荷下最佳煙氣含氧量設定值曲線并實現了在線計算最佳煙氣含氧量的目標，據此可以調節鍋爐不同負荷下的二次風量，使實際煙氣含氧量等于最佳煙氣含氧量設定值，實現電站鍋爐的高效經濟運行。

[1] 蒼國超,吳海姬,王雷,等.鍋爐運行氧量基準值確定方法的研究[J].鍋爐技術,2008,39(2):22～25.

[2] 劉福國,郝衛東，楊建柱，等.電廠鍋爐變氧量運行經濟性分析及經濟氧量的優化確定[J].中國電機工程學報,2003,23(2):176～180.

[3] 谷俊杰,孔德奇，高大明，等.電站鍋爐燃燒優化中最佳煙氣含氧量設定值的計算[J].華北電力大學學報(自然科學版),2007,34(6):61～65.

[4] 張斌.電站鍋爐運行參數對供電煤耗率的影響[D].保定：華北電力大學,2010.

[5] 張金龍.張家口熱電300MW鍋爐燃燒系統優化控制試驗研究[D].北京：華北電力大學,2011.

[6] 楊衛娟,周俊虎,劉茂省，等.煤粉再燃過程中飛灰含碳量的影響因素分析[J].中國電機工程學報,2006,26(18):116～120.

[7] 周新剛,劉志超,路春美,等.燃煤電廠鍋爐飛灰含碳量影響因素分析及對策[J].節能,2005,(9):45～47.